摘 要

本文借助了堆焊以及相关钎焊知识研究高铬合金铸铁铜基WC条补焊工艺及性能，首先运用了氧-乙炔火焰堆焊用自制的黄铜基碳化钨扁焊条在高铬铸铁基体上进行堆焊，再利用TIG焊用自制的紫铜基碳化钨扁焊条在高铬铸铁上进行堆焊。本文对这两种情况进行了比较，得到的结果对研究高铬合金铸铁铜基WC条补焊工艺及性能具有重要的指导意义。论文主要研究了两种不同焊接方法下铜基碳化钨焊条补焊母材高铬铸铁后所选取样本的金相组织、显微硬度、物相分析。通过线切割制备试样，经打磨抛光腐蚀后在金相显微镜下观察所需的金相组织，认识相关的金相组织和形态特征，建立成分与组织之间的相互关系；然后将抛光腐蚀过的试样利用显微硬度测试机测试焊缝周围的组织的硬度，进行分析比较：最后在将试样线切割为物相成分分析所需要的大小，将试样进行物相成分分析，得出结果。结果表明用TIG焊能够较好的焊补高铬铸铁，母材与焊条的浸润性较好，高温下碳化钨颗粒及其溶解能有效的强化高铬铸铁母材表面的得到较高的硬度。
关键字：高铬铸铁；碳化钨；堆焊；铜；焊接

Abstract

In this paper, the welding process and properties of copper-based WC alloys with high chromium alloy cast iron were studied by means of surfacing and related brazing knowledge. Firstly, the homemade brass-based tungsten carbide flat electrode rods for oxygen-acetylene flame surfacing were used on high-chromium cast iron substrates. Overlay welding, and then using TIG welding homemade copper-based tungsten carbide flat welding rods on high chromium cast iron. Comparing the two cases, the obtained results have important guiding significance for the research on the repair process and performance of high chromium alloy cast iron copper-based WC. The dissertation mainly studies the metallographic structure, microhardness and phase analysis of the sample selected after the copper-based tungsten carbide electrode is used to repair the high-chromium cast iron in two different welding methods. Samples were prepared by wire cutting, polished and etched, and the required metallographic structure was observed under a metallographic microscope. The relevant metallographic structure and morphological characteristics were known, and the relationship between the components and the structure was established; then, the polishing was corroded. The specimens were tested for microhardness around the weld using a microhardness tester and analyzed and compared. Finally, the sample wire was cut to the size required for the analysis of the phase composition, and the sample was analyzed for the phase composition. result. The results show that the TIG welding can weld high-chromium cast iron well, and the mother material and the electrode have good wettability. The tungsten carbide particles and their dissolution can effectively strengthen the high hardness of the surface of the high-chromium cast iron base metal at high temperature.

Key words：High chromium cast iron, tungsten carbide, surfacing, copper, welding

目录

第1章 绪论................................................................1

1.1 研究背景..............................................................1

1.2 高铬铸铁的概述........................................................1

1.3 我国高铬铸铁的发展历程................................................1

1.4 高铬铸铁的应用........................................................2

1.5 高铬铸铁修复意义及修复工艺............................................2

第2章 氧-乙炔堆焊修复.....................................................4

2.1选用氧-乙炔火焰堆焊原因...............................................4

2.2 氧-乙炔火焰堆焊.......................................................4

2.3 钎焊..................................................................5

2.4 钎剂的选用............................................................5

2.5 铜基碳化钨焊条和硬钎剂的制备..........................................5

2.6 氧-乙炔火焰钎焊修复工艺过程...........................................6

第3章 TIG焊修复...........................................................7

3.1 选用TIG焊原因........................................................7

3.2 TIG 焊.................................................................7

3.3 铜基碳化钨焊条和硬钎剂的制备..........................................7

3.4 TIG焊修复工艺过程....................................................8

第4章 试验样品、实验设备及方法.............................................8

4.1 试验样品制备........................................................8

4.2 金相组织实验........................................................8

4.3硬度测试............................................................8

4.3.1显微硬度测试..................................................9

4.3.2洛氏硬度测试..................................................10

4.4 XRD实验............................................................11

第5章 堆焊层组织性能成分研究分析对比......................................12

5.1金相组织对比.......................................................16

5.2堆焊层的性能研究...................................................16

5.3堆焊层XRD衍射分析.................................................18

5.4阴影效应...........................................................19

参考文献..................................................................20

致谢......................................................................20

第一章 绪论

1.1研究背景

随着国民经济的快速发展和科技的飞速进步，人们对于耐磨材料的性能要求也逐渐提高。高铬合金铸铁成为了第三代耐磨材料（继普通白口铸铁，镍硬铸铁后），高铬合金铸铁自身的组织特点使得高铬合金铸铁拥有比普通铸铁高得多的韧性，高温强度，耐热性和耐磨性等性能。高铬合金铸铁现在被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料，可应用于各种高应力磨料磨损的工况条件，广泛适用于机械，冶金，采矿及矿产品加工等行业。最近几年来，各工业国家都很看重对高铬合金铸铁的研究工作，以望能够充分利用高铬铸铁优异的耐磨性。虽然高铬合金铸铁铸件有良好的铸造性能，但其在铸造过程中加工面和非加工面上也经常会出现各种各样的缺陷，如砂眼，缺肉，裂纹，气孔，夹砂，错箱，疏松等^[1]。这对于要求较高的铸件，特别是大型铸件和出口铸件来说是不能接受的。在不影响铸件的使用情况下，对铸件进行适量和适当的表面修复是有必要和可能的。我国每年因机械零件磨损而造成的损失十分巨大，高铬铸铁耐磨堆焊合金是一种重要的耐低应力磨粒磨损合金，因为高铬铸铁硬度高、综合性能好、价格低廉而受到许多关注，研究高铬铸铁耐磨板堆焊工艺具有重要的应用价值。因为本文研究的是高铬合金铸铁铜基WC条补焊工艺及性能，针对题目选取紫铜和黄铜两种材料来制作焊条。而高铬铸铁是耐磨材料，一般的焊接并不能达到补焊的效果，而堆焊可以较好的解决这一难题。而堆焊方法有多种，经分析比较，采用方法简便、灵活、成本低的氧-乙炔火焰堆焊和适用于母材难熔的钎焊以及能有效隔绝空气、清除表面氧化物的TIG焊。综上，本文打算先设计并制备铜基碳化钨条，后采用火焰堆焊和钎焊混合以及钨极氩弧堆焊来补焊高铬合金铸铁并分析比较两种焊接下堆焊修复层的组织和性能^[2-3]。

1.2高铬铸铁的概述

高铬铸铁是高铬白口抗磨铸铁的简称，高铬铸铁含铬质量分数一般在12%以上，28%以下。其中铬碳比决定碳化物类型^[4]。铬的碳化物有Cr3C、Cr7C3、Cr23C6三种，当碳质量分数为3%而铬质量分数小于12%时，碳化物为M3C M7C3。随着含铬比的提高M3C M7C3向M7C3和M23C6转变。高铬铸铁是以Fe，Cr，C为基本成分的多元合金。刚凝固下来的高铬铸铁中基体是奥氏体，这种奥氏体在加热至较高的温度的条件下才是稳定的，而且可以被碳、铬等元素所饱和。奥氏体将在温度下降的时候发生转变。通常情况下，高铬铸铁以奥氏体为主的多相组织呈现在我们面前，这种组织的铸铁在高温下使用，更能发挥材质本身的潜能。

1.3我国高铬铸铁的发展历程

对于耐磨白口铸铁的研究和应用国内大约可以分为两个阶段：20世纪70年代以前主要研究的是普通白口铸铁、耐磨球磨铸铁。自20世纪70年代以后，几条新的干法生产线被引进了水泥工业。高铬铸铁可用于大型磨机衬里、磨球、立式磨辊、磨盘等，使用可靠，耐磨性好。因此，国内科研机构纷纷开发出高铬铸铁。20世纪80年代，高铬铸铁的研究和开发日趋成熟，从合金化机制到生产技术等，都取得了重大突破，取得了许多科研成果。国内已经成功研制并大量投入使用低铬、中铬和高铬铸铁磨球及衬里。高铬铸铁和钢双金属复合铸造衬里、锤子、磨辊、轧辊等也有应用。在此基础上，在1999年制定了GB/T8263-2010《抗磨白口铸铁件》^[4]。

1.4高铬铸铁的应用

高铬铸铁是一种耐磨合金白口铁，它具有很高的抗磨损性能，适当的韧性以及较高的抗腐蚀性，并且经退火后能够被切削加工，因此在国际国内得到越来越广泛的应用，巳被成功地用于各种磨煤机、矿石破碎机、水泥磨机、抛光机、泥浆泵等磨损严重的零件上，并取得了明显的经济效益^[5]。随着高铬铸铁的发展，各类合金钢由于其高韧性、低成本及良好的耐磨性也得到了飞跃发展。在低冲压或无冲压的条件下，高锰钢被具有卓越的性能价格比的高铬铸铁和合金钢取代了。例如20世纪60年代之前磨机衬的板制作材料均采用高锰钢，70年代后就被合金钢和高铬铸铁所替代。就像不存在全能的设备一样，也不存在全能的耐磨材料。三代耐磨材料各有特点，至今仍分别在不同的工况条件下得到广泛的应用^[4]。在保证安全的情况下，也用于制造中速磨煤机和水泥厂立式磨机的磨辊、磨盘和辊道，以及破碎机的小锤头等部件，此外在抛丸机叶片上应用也取得较好的效果。高铬铸铁还可用于高温环境中的抗磨部件，如长期在小于或等于800摄氏度下工作的部件：小型轧钢用导位板、高炉小料钟以及高炉衬板等就是用高铬铸铁材料制成的^[5]。

1.5高铬铸铁修复意义及修复工艺

修复意义：高铬合金铸铁具有优异的抗磨粒磨损性能，应用十分广泛，但因其焊接性能差，高铬合金铸铁的铸造缺陷通常难以修复，形成了较大的资源浪费，实现髙铬合金铸铁的缺陷修复一直是髙铬合金铸铁产品的铸造和使用过程中关注的热点和难点问题之一。机器要能正常运行，发挥本身的优越性，离不开零部件材料的高强度、高耐磨性特点。一直以来工厂在设备检修过程中发现有许多铸铁零部件如各类减速器壳体、泵体等在使用过程中会出现磨损、裂纹等缺陷,使其报废，因此造成较大的经济损失^[4]。例如我国冷硬白口铸铁轧辊年产量大约有二十万吨上下，而使用中因局部损坏而报废的大约占总报废量的百分之六十以上。这造成的经济损失就高达几千万元，所以，如果能够以焊补法修复白口铸铁零部件的局部损坏，则具有不可估量的经济价值^[6]。此外，一旦零部件毁坏就需要更新，但是一些零部件价格昂贵，而且购买货物耗费的精力大和等待时间长。所以零部件的修复很有必要，若能直接用焊接修复工艺修复损坏的零部件，则能降低成本，提高效率，降低工人劳动强度。例如用高铬铸铁材料制造的零件使用寿命普遍高于以前的高锰钢类材料的5倍。高铬铸铁虽然有较高的韧性、耐磨性、耐热性等优点，可降低材料的磨损，降耗节能，提高经济效益，但还是有其缺点。高铬铸铁生产成本是高锰钢的一倍多半，且生产出的高铬铸铁易产生缩松缩孔，极易开裂，可焊性差。但综合来看，虽生产成本高，但是如与零件的使用寿命综合起来考虑，则经济上仍十分划算^[7]。若我们了解掌握了铸件的性能，正确选用维修方法，修复出合格的零部件，那么高铬铸铁在生活中的应用将更加广泛，节约资源，减少材料浪费。

修复工艺：焊接是维修铸铁零部件的一个重要方法。日常维修中，铸铁件的焊补方法一般采用的是气焊货物手工电弧焊，以及钎焊（适用于要求不高的条件下）^[8]。铸铁的热焊法是选用将铸件整体或者局部加热到600~700摄氏度，此种方法可以得到焊后组织均匀也没有白口层的铸铁，焊缝的强度、硬度和母材也差不多，且焊补要求高的铸件，成本很划算，但是缺点是劳动条件差。铸铁的冷焊法是用于那些不能进行热焊补的铸件，冷焊补的预热温度小于350摄氏度，冷焊补对操作的要求较高，一旦操作不得当焊层就很有可能出现裂纹^[9-10]。

第二章 氧-乙炔火焰堆焊修复

2.1选用氧-乙炔火焰堆焊原因

氧-乙炔火焰堆焊时堆焊温度低，能够得到适合的稀释率，堆焊层表面光滑、质量较好，是目前耐磨场合机械零部件堆焊常采用的一种工艺方法。且焊接设备使用难度不高，操作起来简单方便，成本也低。如氧-乙炔火焰堆焊炼铁工业中高炉料钟可使其寿命时间延长三倍。氧-乙炔火焰堆焊条件是一般用于拥有最小修整加工量的平滑表面。堆焊出来的堆焊层较薄，表面平滑美观，质量好。

2.2氧-乙炔火焰堆焊

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