氮合金化堆焊硬面合金及其冶金行為研究.pdf

1、氮作為間隙原子，與其它合金元素相互作用，能改善鋼的強(qiáng)度、韌性、蠕變抗力、耐磨性和耐腐蝕性能。在硬面合金材料中用氮代替碳進(jìn)行合金化，能提高抗焊接熱裂紋、耐磨蝕和高溫穩(wěn)定性能。以氮代替部分碳進(jìn)行硬面合金的氮合金化，成為提高硬面合金綜合使用性能的新途徑。
　　 系統(tǒng)研究了堆焊馬氏體不銹鋼硬面合金中氮的行為及其影響因素，確定了硬面合金中的合理氮含量，并設(shè)計(jì)出了氮合金化硬面合金的合金系列。通過(guò)藥芯中添加氮化鉻進(jìn)行埋弧堆焊獲得硬面合金的方法

2、，對(duì)硬面合金中氮的吸收與析出進(jìn)行了研究，結(jié)果表明Cr13馬氏體不銹鋼硬面合金中最大氮含量約為0.10％左右，添加微量的固氮元素鈮、釩和鈦能使硬面合金的氮含量達(dá)到0.20％以上，而不產(chǎn)生氣孔。鈮、釩、鈦提高氮在馬氏體不銹鋼硬面合金中的溶解度，主要作用表現(xiàn)為：一是降低N在熔池金屬中的活性系數(shù)，增大N的固溶度；二是作為碳氮化物形成元素與N作用，在硬面合金中形成復(fù)雜的碳氮化物粒子，增大含N量。氮合金化硬面合金中氮含量控制在0.10～0.13％，

3、碳的含量可降低到0.20％以下。
　　 成功研制了焊接工藝性能良好的氮合金化自保護(hù)和埋弧硬面藥芯焊絲。通過(guò)對(duì)自保護(hù)焊接過(guò)程深入分析，實(shí)現(xiàn)了利用空氣中的自然氮進(jìn)行合金化。研究發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有氣孔發(fā)生的條件下，通過(guò)調(diào)整渣系和固氮元素，可使自保護(hù)硬面堆焊合金增氮0.08％，開(kāi)發(fā)出一種低成本的氮合化自保護(hù)硬面藥芯焊絲。通過(guò)在藥芯中加入適量氮化物的方法研制出了氮合金化埋弧硬面藥芯焊絲，并研制出了與之匹配的燒結(jié)焊劑，渣系為MgO－CaF2－Al

4、2O3－SiO2，堿度為1.8～2.0。
　　 對(duì)氮合金化硬面合金中的碳氮化物析出行為進(jìn)行了深入分析，并對(duì)氮合金化硬面合金的強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)硬面合金中的碳氮析出物為彌散分布在晶界和晶內(nèi)的M（C、N）復(fù)合物，碳氮析出物的尺寸、形狀和成分與其形成過(guò)程有關(guān)。在焊態(tài)條件下，碳氮化物主要為在液態(tài)金屬凝固過(guò)程中形成的(Nb、Ti、V)(C、N)復(fù)合物，其尺寸大小為1～3.5μm；在450～650℃回火條件下，大量尺寸大小為5

5、～200nm的細(xì)小碳氮析出物Nb(C、N)以棒形、球形彌散析出，產(chǎn)生二次硬化作用。硬面合金中的碳氮化物起到了細(xì)化一次結(jié)晶組織、釘扎位錯(cuò)阻礙晶粒長(zhǎng)大促進(jìn)顯微組織細(xì)化和沉淀強(qiáng)化作用。碳氮化物不易長(zhǎng)大，具有良好的高溫穩(wěn)定性，抑制了富Cr相的形成，使得硬面合金具有良好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性能。研究了碳氮化物在硬面合金中的耐磨粒磨損作用，結(jié)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℃溫度回火，大量

6、彌散細(xì)小的碳氮化物沉淀析出，能有效促進(jìn)硬面合金耐磨性能的提高。
　　 對(duì)氮合金化硬面合金組織進(jìn)行了深入分析，結(jié)果表明氮合金化硬面合金的組織結(jié)構(gòu)為板條馬氏體、碳氮化物以及少量殘余奧氏體。研究發(fā)現(xiàn)回火溫度對(duì)硬面合金的組織產(chǎn)生重要影響。碳氮化物的析出溫度高于碳化物，在500～650℃能大量沉淀析出，并具有良好的高溫穩(wěn)定性能；而碳化物在低于500℃沉淀析出，在高于600℃時(shí)分解，導(dǎo)致基體的硬度顯著下降。大量彌散分布細(xì)小碳氮化物沉淀析出能

7、有效促進(jìn)硬面合金硬度的提高，并使硬面合金具有良好的抗回火軟化性能。建立了氮合金化硬面合金的Ms溫度計(jì)算公式：Ms/℃=550-330(wC+0.86wN-0.05)-35wMn-17wNi-12wCr-21wMo-10 wSi-35(wNb+wV+wTi)。
　　 對(duì)氮合金化和碳合金化硬面合金進(jìn)行了高溫高載荷金屬間磨損對(duì)比試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)硬面合金與42CrMo鋼的高溫金屬間磨損，為42CrMo鋼表面高溫下形成的氧化皮，粘著于堆