非熔化极气体保护焊接hadfield钢中Mo对焊接涂层机械和磨料磨损性能的影响外文翻译资料

 2023-01-16 10:57:46

非熔化极气体保护焊接hadfield钢中Mo对焊接涂层机械和磨料磨损性能的影响

在此次实验中，采用药芯焊丝st40焊接hadfield钢，焊接方法采用钨极氩弧焊，并对涂层微观结构、屈服极限、加工硬化指数和抗磨损性能进行了研究。Hasfield钢表面堆焊元素的化学成分有碳、锰和硅。在所有实验中，碳、锰和硅的含量不变，钼的含量从0~2.2%的范围变化。因此，分别用光学显微镜、扫描电镜（SEM）、X射线衍射法和能量色散X射线荧光光谱仪（EDX）观察分析了样本的显微结构、断口微观形态和断面相的组成。采用拉伸实验和冲击实验研究了其力学性能，干砂/橡胶轮研究了其抗磨损性能。实验结果表明，钼的含量越高，屈服和抗拉强度越高，而加工硬化指数不会降低。增加钼的含量，实验的冲击功和抗磨损性能也增加了。

1.介绍

奥氏体锰钢又称hadfiled钢，含有Fe-1.2%C-13%Mn,具有高韧性、高加工硬化系数和对橡胶等无机材料的高耐磨性[1]。因为其具有低的屈服强度，它可能会在活性大、强度高的条件下发生扭曲和超塑性变形[2]。

向hadfield钢中添加合金元素可以提高它的屈服强度。例如，向hadfiled钢中添加钒导致屈服强度提高了，延性下降了[3]。G. Moghaddam等人[4]对钒浓度为10%，C浓度为2.6%-3.3%变化的hadfiled钢和标准hadfiled钢的力学性能和显微结构进行了对比。

G. Moghaddam的观察表明，C含量的变化会导致基体中碳化钒形态和分布的变化。增加C的含量会导致金属对金属抗磨损性能急剧增加，但是会降低钢的韧性而加工硬化指数不变。当同时要求高耐磨性和韧性时，这种钢不是合适的选择。

Abbasi[5]将标准hadfiled钢与加入浓度为1.5%的铝hadfiled钢就力学和抗磨损性能进行对比，对比显示加入合金元素增大了屈服力、主硬度和金属与金属之间在低压力之下的抗磨损性能。虽然它减少了极限抗拉强度、延伸率、硬度性能指标和金属与金属之间在高压力之下的抗磨损性能。

Smith和Mackay[2]观察到，hadfiled钢在含有浓度为2%的钨时，比典型hadfiled钢有更大的韧性和硬度

实验同时指出，hadfiled钢中加入量从0.5%~2%变化的钼进行固溶淬火处理时，其韧性、铸件的抗断裂性能、屈服强度和大型组件的韧性都增大。钼能改变先共析碳化物的形态并将奥氏体周围连续碳化物转变为不连续碳化物。这时，碳化物在奥氏体边界球化，从而减少危害性，尤其是钼的浓度为1.5%的时候这种效果会更加明显[3,6]。

在工业中需要高的耐磨强度和硬度，找到一个最佳的hadfield钢成分来提供高的加工硬化指数和屈服强度是非常重要的。在本文中，为了让低碳钢具有合适的表面性能，用含Mo量不同的药芯焊丝堆焊hadfield钢。增加钼元素不仅提高了hadfield钢的耐磨损性能，其韧性也提高了。

2.实验过程

在制造药芯焊丝时，用St12钢带作填充合金粉末的管道。这些粉末中包含纯铁、石墨和锰铁。生产药芯焊丝，第一步是将钢丝拉成一个U型模，然后将合适比例的合金粉末放入U型模中。通过进一步变形，药芯焊丝熔滴完全封闭，最后粉末由图中5步压实。图1显示了药芯焊丝制作的5个步骤。

图1 药芯焊丝的制作顺序

制造出了直径为4 mm的焊丝。因此，采用钨极氩弧焊熔敷St40钢时，稀释率可达到7%。焊接压30 V、焊接电流110 A，焊接速度2.13 mm/s。为减少稀释率对焊缝金属的影响，第二条焊缝将第一条焊缝覆盖。St40钢的化学成分分析依据表1。为了获取表面试样的成分，我们进行了光谱分析。如表2显示，得到了5种含钼量不同的试样。

表1 焊接母材的化学成分

表2 多道覆盖后各层母材的的化学成分

2.1微观结构

因为高硬度和硬化能力，采用电火花设备将试样切割并抛光然后置于氧化铝悬浮液中。为腐蚀试样并观察光学显微组织，首先将试样放在浓度为2%的naital试剂中腐蚀20 秒，然后置于氯化铁溶液中60秒。

用奥林巴斯 BX51光学显微镜观察能看见的那部分表面。为了用相同化学成分的试剂区分相并计算碳化物的体积，采用电子扫描镜Tescan VEGA2从每个试样表面扫描7张图像。同时，用能量色散X射线和X射线衍射法来获得碳化物的化学成分。X射线衍射分析采用规范的CueKa射线（I 1/4 1.5406）at 2-step of 0.02，5秒的扫描范围从10到100度。

2.2冲击和拉伸实验

为了制作夏比冲击实验和拉伸实验试样，采用母材为两块坡口为30度，间距为7毫米的试板，垫片为St40钢，焊接方法为非熔化极气体保护点焊。V形坡口的根部采用双层焊。如图2所示，3个冲击试样和2个拉伸试样从焊接试样中获得。根据E8M-O4ASTM标准，采用电火花切割切割出拉伸用的小尺寸试样。根据ASTME23-96标准，冲击试样的宽，长，高分别为3.8mm,55mm,10mm,缺口角度为45度，深度为2mm。使用AVERY装置进行冲击实验。

2.3磨损实验

按ASTM G65-04标准研究试样的抗磨损性能。在ST40钢上覆盖尺寸为8 cm3 cm的熔敷金属，每个试样的表面是光滑的，这样使得全部试样处在相同的外界环境之下。圆形沙的规格为50-70网格粒度。在130 N的作用力之下研磨剂的转速为300-400 gr/min。

图2 焊后制作拉伸和冲击试样的过程

每个实验的磨损距离是1440 m，这样可以使得每360m可以测量其重量。测量精度为0.001 gr。

3 结果与讨论

3.1 微观结构

图3显示的是含Mo量分别为0、0.75%、1.2%、1.65%和2.2%的堆焊试样的微观结构。如图3显示，堆焊金属的微观结构以奥氏体为基，其上分布着三种不同形态的其它相。第一种是初生碳化物熔入奥氏体晶粒的所形成的杂乱分布相。第二种是针状相。它是碳化物在奥氏体晶界沉淀所形成。第三种是厚度很薄的条状相。它们是二次碳化物在容易沙僧核对地方所形成的孪晶。第三种是碳化物在铁素体基体上平行分布的条状。

图3 50倍放大率下试样的微观结构

a）钼的含量为 b）钼的含量为0.75% c）钼的含量为1.2% d）钼的含量为1.65%

e）钼的含量为2.2%

图4 含钼量为2.2%试样的XRD和EDS试验

图4显示的是药芯焊丝含钼量为2.2%条件下焊接试样的XRD和EDS实验的结果。它包含以下几个部分：a部分是碳在钼中富集形成C，b部分是渗碳体、Mn、C的混合物，c部分是奥氏体基体，d部分是碳化物在奥氏体晶界[4]。

根据图5 SEM扫描电镜反射图像，EDS和XRD化学分析，孪生初生碳化物由两种碳化物组成。球状碳化钼容易转化成复杂的碳化铁和碳化钼。碳化钼的含量越高，复杂碳化铁和碳化钼的数量越少，导致有害碳化物在晶界的含量变少[3]。

试样表面的反射图像见图5。Mo的含量越多，复杂的碳化铁和碳化钼的含量越少，导致有害碳化物在晶界的含量变少。

图5 试样表面电子背散射图像

a）钼含量为0 b）钼含量为0.75% c）钼含量为1.2% d）钼含量为1.65%

e）钼含量为2.2%

准备了7个1500倍放大倍数下背部散射图像试样。这些图像显示部分包含表面。结果见表3。

表3 试样中碳化物的体积分数

根据表三，碳化物的体积分数与在钼中碳化物的体积分数一样。增加钼的含量导致晶界碳化物的平均长度变短，碳化钼的体积分数变大。

3.2冲击实验

图6显示冲击功的大小可以反应钼的数量。当Mo的含量上升到2.2%，冲击功从11.2%上升到17.7%。换句话说，焊接试样中不含钼的冲击功是58%少于含钼量为2.2%的试样。

由表3，Mo含量的增加不会改变碳化物的体积分数，但是会减小晶界碳化物的长度。结果显示，增加Mo的含量会导致试样硬度和韧性增加。图7显示了采用不含Mo的药芯焊丝焊接式样的冲击断面。冲击切口右边的断面如图7（a）所示，这是脆断，裂纹由晶粒边界的碳化物形成。图7（b）显示了切口下面断口表面。图7（b）是晶界和晶面的的混合[8]。

图7（b）中白色箭头指示的是裂纹形核的地方。可以得出结论，当碳化物集中在晶界，或着说药芯焊丝中Mo的含量为零时，所需冲击功最少。

图6 冲击功与含钼量之间的函数关系

图7 SEM下含钼量为0的试样裂纹表面的二次电子像

a）凹槽的右边 b）凹槽的下面

图8 SEM下含钼量为2.2%的试样裂纹表面的二次电子像

a）凹槽的右边 b）凹槽的下面

图8显示的是含Mo量为2.2%的药芯焊丝焊接试样冲击断面的二次电子图像。虽然

图8（a）中可以观察到切口右边断面有大的裂纹，但是它可以认为发生了剪切脆性断裂[9,10]。图8（b）显示的是切口下面的断面。存在许多韧窝表示发生韧性断裂。这证明韧性断裂部分较脆性断裂多。也就是说，此试样在晶界有最少的碳化物。

3.3拉伸实验

分别用含钼量为2.2%的药芯焊丝和不含钼的药芯焊丝焊接实验并进行拉伸实验后，力和位移单元分别在N和mm之内。将力位移曲线图转化为工程应力应变曲线作为然后再通过UTS点转变为真实应力-应变图[12]。图9显示了真实应力-应变曲线和加工硬化曲线作为试样在含钼量为2.2%和不含钼的药芯焊丝焊接试样的应变函数。

图9 真实应力曲线和真实加工硬化曲线

表4 拉伸试验后试样的机械性能

为研究和比较一些试样在拉伸实验下的加工硬化曲线，根据真实应力描绘加工硬化图。使用方程计算加工硬化值[12]。使用0.2%的补偿法将屈服压力包含在真实应力-应变曲线中。为了说明钼对材料机械性能的作用，将试样的屈服强度、极限抗拉强度和延伸率编辑在表4中。显示在拉伸实验中，缩颈在hadfield钢中不再显示，所以极限拉伸实验中试样失效[11]。表示4显示，使用含钼量为2.2%药芯焊丝焊接的试样较不含钼药芯焊丝焊接试样的机械性能好。换句话说，加入钼元素改变了右上方曲线的形状。

图9显示锯齿状的流动区域，意味着在整个试样中存在动态应变时效[13]。拉伸实验表明，增加钼的含量导致屈服强度、极限抗拉强度、延性和韧性的增加。焊接后试样的机械行为显示出的拉伸量，这是由于试样达到了UTS点。

根据图9，可以说明试样的加工硬化应力大约为6250 MPa，这个数值是很大的[14]。这是因为焊后残余应力导致组织中出现大量形变孪晶[7]。高的残余应力是由于在使用夹具时表面覆盖层和垫片的热膨胀系数不同。拉伸实验中为了使孪晶生核，在施加力之前，不需要再施加额外的拉力，因为试样中已经存在许多孪晶。拉伸实验一旦加载力，孪晶间就会有相互作用，导致析出孪晶和滑移面上位错的减少。结果会导致试样加工硬化成都增加[12]。

根据图9，使用含钼量为2.2%的药芯焊丝，当真实应变增加，加工硬化程度也同样地增加。

可以得出结论，钼对钢的加工硬化指数没有影响，但是含钼量为2.2%试样的延性和韧性都高于不含钼的试样。这是因为晶粒边界碳化物的体积分数减少了。

3.4硬度和抗磨损性能

使用（K.1/△g）方程（K表示arbitary coefficient, △g表示试样质量的减少量）来计算试样的抗磨损性能。Fig.10代表了极限抗磨损度与含钼量之间的关系[15]。抗磨损性能使用Eq计算。（1）

WR=K

磨损中K值取1。

为了得到精确的抗磨损值，对每一种含钼量的试样进行了两次试验。如图10所示，当增加含钼量时，试样的抗磨损性能呈平滑梯度增加。当含钼量从1.6%增加到2.2%时，试样的抗磨损性能增加的斜率加大。图11显示了钼对奥氏体锰钢硬度的影响，增加钼的含量，钢的硬度也增大。当锰的含量从0到2.2%增大时，硬度增大了143Hv，因为组织中C的体积分数增加了并且产生了固溶强化[16]。

图10 抗磨损性能与含钼量之间的函数关系

图11 硬度与含钼量之间的函数关系

图12 抗磨损性能与磨痕距离之间的关系

图12根据磨损距离显示了试样的抗磨损性能。磨损距离越长，抗磨损性能越大。试样的宽度为360 m。由图12，从第一个360 m的尾端到第二个360 m的尾端，曲线的斜率增大。也就是说，由于加工硬化，试样的抗磨损性能增大。然而，从第二个360 m到磨损实验的末尾，曲线的斜率变得平滑。换句话说，在磨损实验的后期，加工硬化程度增加会阻止磨损。这是由于再低的压力下，薄的表面会产生加工硬化，材料移动量会增大。磨损实验过程会产生加工硬化。磨料磨损实验在低压下进行。如果在试样上进行磨损实验，有足够的时间在适当的板厚上产生加工硬化[17-19]。

4.结论

1.hadfield钢的微观结构包含奥氏体相作为基相和初生碳化钼。复杂碳化钼和碳化铁原子在焊接后会存在于奥氏体基体晶粒边界和孪晶带周围。碳化钼存在于复杂碳化钼和碳化铁的中心。

2.增加钼的含量会导致碳化钼的含量也增加，虽然碳的总百分含量是不变的。碳化物呈球形，在复杂碳化铁和碳化钼中心形成。碳化钼的形成会增大碳在奥氏体基周围的损耗，最终导致奥氏体晶粒周围复杂碳化铁和碳化钼的含量减少。

3.钼的含量越高，冲击功越大。增加钼的含量会使脆性晶间断裂转化为脆性晶间混合和延性断裂。

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