氮合金化堆焊硬面合金及其冶金行为研究

论文摘要

氮作为间隙原子，与其它合金元素相互作用，能改善钢的强度、韧性、蠕变抗力、耐磨性和耐腐蚀性能。在硬面合金材料中用氮代替碳进行合金化，能提高抗焊接热裂纹、耐磨蚀和高温稳定性能。以氮代替部分碳进行硬面合金的氮合金化，成为提高硬面合金综合使用性能的新途径。系统研究了堆焊马氏体不锈钢硬面合金中氮的行为及其影响因素，确定了硬面合金中的合理氮含量，并设计出了氮合金化硬面合金的合金系列。通过药芯中添加氮化铬进行埋弧堆焊获得硬面合金的方法，对硬面合金中氮的吸收与析出进行了研究，结果表明Cr13马氏体不锈钢硬面合金中最大氮含量约为0.10％左右，添加微量的固氮元素铌、钒和钛能使硬面合金的氮含量达到0.20％以上，而不产生气孔。铌、钒、钛提高氮在马氏体不锈钢硬面合金中的溶解度，主要作用表现为：一是降低N在熔池金属中的活性系数，增大N的固溶度；二是作为碳氮化物形成元素与N作用，在硬面合金中形成复杂的碳氮化物粒子，增大含N量。氮合金化硬面合金中氮含量控制在0.10～0.13％，碳的含量可降低到0.20％以下。成功研制了焊接工艺性能良好的氮合金化自保护和埋弧硬面药芯焊丝。通过对自保护焊接过程深入分析，实现了利用空气中的自然氮进行合金化。研究发现，在没有气孔发生的条件下，通过调整渣系和固氮元素，可使自保护硬面堆焊合金增氮0.08％，开发出一种低成本的氮合化自保护硬面药芯焊丝。通过在药芯中加入适量氮化物的方法研制出了氮合金化埋弧硬面药芯焊丝，并研制出了与之匹配的烧结焊剂，渣系为MgO—CaF2—Al2O3—SiO2，碱度为1.8～2.0。对氮合金化硬面合金中的碳氮化物析出行为进行了深入分析，并对氮合金化硬面合金的强化机理进行了深入研究。研究发现硬面合金中的碳氮析出物为弥散分布在晶界和晶内的M（C、N）复合物，碳氮析出物的尺寸、形状和成分与其形成过程有关。在焊态条件下，碳氮化物主要为在液态金属凝固过程中形成的（Nb、Ti、V）（C、N）复合物，其尺寸大小为1～3.5μm；在450～650℃回火条件下，大量尺寸大小为5～200nm的细小碳氮析出物Nb（C、N）以棒形、球形弥散析出，产生二次硬化作用。硬面合金中的碳氮化物起到了细化一次结晶组织、钉扎位错阻碍晶粒长大促进显微组织细化和沉淀强化作用。碳氮化物不易长大，具有良好的高温稳定性，抑制了富Cr相的形成，使得硬面合金具有良好的热稳定性和耐腐蚀性能。研究了碳氮化物在硬面合金中的耐磨粒磨损作用，结果表明硬面合金中的碳氮化物沉淀相能有效抵御磨粒的微切削，起到提高耐磨性的作用，在500～600℃温度回火，大量弥散细小的碳氮化物沉淀析出，能有效促进硬面合金耐磨性能的提高。对氮合金化硬面合金组织进行了深入分析，结果表明氮合金化硬面合金的组织结构为板条马氏体、碳氮化物以及少量残余奥氏体。研究发现回火温度对硬面合金的组织产生重要影响。碳氮化物的析出温度高于碳化物，在500～650℃能大量沉淀析出，并具有良好的高温稳定性能；而碳化物在低于500℃沉淀析出，在高于600℃时分解，导致基体的硬度显著下降。大量弥散分布细小碳氮化物沉淀析出能有效促进硬面合金硬度的提高，并使硬面合金具有良好的抗回火软化性能。建立了氮合金化硬面合金的Ms温度计算公式：Ms／℃=550-330（wC+0.86wN-0.05）-35wMn-17WNi-12WCr-21WMo-10 WSi-35(WNb+WV+WTi)。对氮合金化和碳合金化硬面合金进行了高温高载荷金属间磨损对比试验研究。研究发现硬面合金与42CrMo钢的高温金属间磨损，为42CrMo钢表面高温下形成的氧化皮，粘着于堆焊马氏体不锈钢硬面合金表面，导致硬面合金产生了磨粒磨损。磨损金属间的高应力造成硬面合金的沿晶界开裂，降低了硬面合金的耐金属间磨损。氮合金化硬面合金细小的显微组织、良好的强韧性和碳氮化物质点在高温磨损过程中大量沉淀析出，使其具有比碳合金化硬面合金更优的耐高温磨损性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 概论
• 1.1 课题的目的和意义
• 1.2 氮合金化的研究状况
• 1.3 硬面材料的研究状况
• 1.4 主要研究内容
• 2 硬面合金设计与氮合金化
• 2.1 前言
• 2.2 硬面药芯焊丝的制备
• 2.3 硬面合金的氮合金化与氮气孔防止
• 2.4 氮合金化硬面合金化学成分的确定
• 2.5 本章小结
• 3 氮合金化硬面药芯焊丝的研究
• 3.1 前言
• 3.2 氮合金化自保护硬面药芯焊丝的研制
• 3.3 新型埋弧堆焊烧结焊剂的研制
• 3.4 本章小结
• 4 硬面合金中碳氮化物的析出行为
• 4.1 前言
• 4.2 硬面合金中的碳氮析出相分析
• 4.3 碳氮化物对硬面合金的强化作用
• 4.4 碳氮化物对硬面合金耐磨粒磨损性能的影响
• 4.5 本章小结
• 5 氮合金化硬面合金组织与性能
• 5.1 前言
• 5.2 氮合金化硬面合金组织分析
• 5.3 氮合金化硬面合金Ms预测
• 5.4 本章小结
• 6 氮合金化硬面合金耐高温磨损性能的研究
• 6.1 前言
• 6.2 高温磨损试验
• 6.3 试验结果与分析
• 6.4 本章小结
• 7 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文