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铌对高铬铸铁堆焊层耐磨性的影响

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焊接　生产应用　ProductionTheme

2008年第1期铌对高铬铸铁堆焊层耐磨性的影响

煤炭科学研究总院北京中煤矿山工程有限公司(100013) 田大标

摘要　采用药芯焊丝堆焊的方式,以碳含量5%～6%和铬含量22%左右的高铬铸铁为基础,通过调整焊丝中铌的加入量,探讨了不加铌元素和添加6%的铌元素时,铌对耐磨性能的影响机理。铌在高铬铸铁中全部以碳化铌的形式存在,与碳化铬互不相溶。通过加入6%的铌,耐磨性能提高了16.9%。碳化铌的数量与铌的加入量有关。碳化铌形状为菱形。关键词:　铌　高铬铸铁　堆焊层中图分类号:　TG143.9

1　高铬铸铁成分通常把含铬超过11%,Cr/C超过3.5的材料称为高铬铸铁[1],这种材料由于具有优良的耐磨料磨损性能而得到广泛应用,文中主要从堆焊材料的角度考虑其成分。按照目前普遍的生产工艺和材料情况,通常所使用的含铌高铬铸铁材料的化学成分见表1,其金相组织如图1所示。表1　含铌6%高铬铸铁堆焊材料的典型成分(质量分数,%)CCrSiMnNbFe5～6220.50.96～7余量

图1　高铬铸铁金相照片 为了专门研究铌对高铬铸铁堆焊材料耐磨性的影响,尽量排除其他元素的干扰,选择对比材料的化学成分与表1中所列的其他元素含量相当,

只是不含铌。其金相照片如图1b。铌的碳化物形成能力很强,优先于Fe,Mn,Cr。所以当合金中含有铌和碳时,铌会优先与碳结合形成化

收稿日期:2007-09-25合物。碳化铌的硬度为2400HV,熔点为3480℃。由于碳化铌的熔点比碳化铬的熔点高,在焊缝冷却过程中优先于碳化铬析出。2　铌的存在形式铌优先与碳形成碳化物,但是,形成碳化物后,怎样改变高铬铸铁的耐磨性,一般认为有两种可能性,一85ProductionTheme　生产应用　焊接

2008年第1期是从液态中优先形成碳化铌,然后碳化铬以碳化铌质点为非自发形核核心,在其周围生长;二是碳化铌和碳化铬互相不溶合,相互独立存在。这两种观点带来的提高耐磨性的机理是不一样的。如果是第一种观点正确,那么碳化铌的作用一是细化晶粒,二是提高了碳化铬的显微硬度,从而提高耐磨性。如果是第二种观点正确,那么相当于增加了一定数量的硬度更高的耐磨质点即碳化铌,从而提高耐磨性。为了验证碳化铌的真正作用机理,对含铌高铬铸铁进行了电镜成分扫描。在典型的高铬铸铁中,铬大部分也参与到与碳形成化合物中,并且是以典型的六方形式的(Fe,Cr)7C3化合物的形式存在。经电镜扫描六方形碳化铬内部,并没有发现铌元素,而仅含有Cr和Fe。可见,上述第一种观点是不正确的,即碳化铬在形核时并非以先形成的碳化铌为核心生长。那么,碳化铌到底是以什么方式存在的呢?碳化铌中是否有铬元素存在呢?因此,又对多个白色碳化物进行扫描,发现有的白色碳化物内含有铌元素,而没有铬元素,扫描结果见图2,这种白色相应该是碳化铌,可见第二种观点是正确的,即碳化铌和碳化铬互相不溶合,相互独立存在。比利时苏铎凯公司也证实了此观点。不含Cr和Fe而只含有铌的碳化物晶粒金相照片如图3所示,其形状为菱形。

图2　碳化铌晶粒内部成分扫描

图3　碳化铌晶粒金相照片 3　铌元素提高高铬铸铁耐磨性的原理3.1　碳化铌的数量由于所有的铌元素都参与到与碳形成碳化物的过程中,因此碳化铌的理论数量为6.5÷93×105=7.3%(质量分数)。碳化铌的密度与铁接近[2],因此,换算成面积比大约只占7.3%左右。由图3b的金相图可以大致看出,图中亮色的颗粒面积比大约为7.3%左右。3.2　碳化铬数量的减少由于互相不溶,所以铌并不会改变碳化铬本身性能和尺寸,对碳化铬的数量有一点影响,由于铌和碳形成碳化铌时占用了一部分碳,理论数据为7.3÷93×12=0.

94,从高铬铸铁中碳化物面积比的经验公式K%=11.3×C%+0.5×Cr%-15.4%可见,碳化铬数量会减少10.6%左右,由文中讨论的高铬铸铁的碳含量和铬含量都比较高,碳化铬面积比大约在52%～64%之间,所以减少的这点量对耐磨性的影响不会很大。

95焊接　生产应用　ProductionTheme

2008年第1期3.3　碳化铌的形状及对韧性的影响针对发现含铌的相组织进行形状观察,发现其大多数为菱形,而不是比利时苏铎凯公司所说的球形。这种形状的差别对理解铌元素的作用有一定的影响。如果是球形的,其对金属基体的割裂作用降低,对提高韧性有利。如果是菱形的,由于存在两个锐角,这样对基体的割裂作用比六方形的碳化铬(角度都接近120°)更厉害,也就是说对韧性的提高没有好处。3.4　对宏观硬度的影响从硬度检测结果看,加入铌,明显地提高了材料的宏观硬度,见表2。标准的台式洛氏硬度检测仪施加的压力为150kg,当宏观硬度60HRC左右时,压坑的直径大约在500μm,碳化物的晶粒尺寸大约在10μm,所以,不管怎么测硬度,金刚石压头总能打在有多个碳化铌晶粒的区域,所以硬度检测结果显示有所提高。表2　两种对比材料的宏观硬度HRC类别硬度平均硬度不含铌材料626064.8586261.3含铌材料66.266.866.567.56366

3.5　对耐磨性的影响试验描述:磨损介质是采用70目的石英砂,环境是在水中,水和石英砂的重量分别为1kg和1.5kg,橡胶轮带动石英砂和水,在试块与橡胶轮接触的表面上形成磨损,最后通过称量一定时间或转数的磨损失重来衡量耐磨性。试验参数见表3。当碳化铬含量少时,铌的加入对耐磨性的提高比较明显,当碳化铬含量较多时,铌的加入对耐磨性的提高作用不是很大。针对上述两种含铌材料和不含铌材料,进行了耐磨性对比试验,试验结果见表4。

表3　湿式橡胶轮磨粒磨损试验参数

试验机型号橡胶轮硬度/邵尔转数/r转速/(r・min-1)试验载荷/N试块尺寸/(mm×mm×mm)试块数目磨损遍数

MLS-238560002404957×25×1533

表4　湿式橡胶轮磨粒磨损试验数据

类别第一次磨损失重/g第二次磨损失重/g第三次磨损失重/g平均失重/g相对耐磨性

不含铌材料0

.18820.18060.16210.17701.000含铌材料0.15850.15190.14380.15141.169

4　结 论(1)在高铬铸铁材料中加入铌元素,有利于对耐磨料磨损性能的提高,在本试验材料中由于铌的加入,湿式橡胶轮磨粒磨损试验耐磨性提高了16.9%。(2)碳化铌的形状为菱形,碳化铌和碳化铬是单独存在的,互不溶合。参考文献[1]　郝石坚.高铬耐磨铸铁[M].北京:煤炭工业出版社,1993.77-78.[2]　中信公司.铌科学与技术[M].北京:冶金工业出版社,2003.150.

作者简介:　田大标,1969年出生,硕士,高级工程师。长期从事耐磨材料的研究开发工作,开发出多种耐磨堆焊药芯焊丝,对各种合金元素对高铬铸铁耐磨性进行过深入研究,发表论文多篇,是中国机械工程学会焊接分会堆焊及表面工程专业委员会委员,中国机械工程学会失效分析分会磨损失效分析及抗磨专业委员会委员。06

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《Nb在中碳Cr-Mo-V-Nb调质钢中的组织细化和强韧化作用》范文

《Nb在中碳Cr-Mo-V-Nb调质钢中的组织细化和强韧化作用》范文

《Nb在中碳Cr-Mo-V-Nb调质钢中的组织细化和强韧化作用》篇一

一、引言

随着现代工业的快速发展，调质钢作为一种重要的工程材料，在机械制造、汽车制造、航空航天等领域具有广泛的应用。在Cr-Mo-V-Nb调质钢中，铌（Nb）作为一种重要的合金元素，具有显著的细化晶粒和强韧化作用。本文将详细探讨Nb在中碳Cr-Mo-V-Nb调质钢中的组织细化和强韧化作用。

二、Nb元素在Cr-Mo-V-Nb调质钢中的作用机制

1. 细化晶粒作用

Nb元素在Cr-Mo-V-Nb调质钢中主要通过形成细小的Nb(C,N)化合物，这些化合物在钢的凝固过程中作为非均质形核核心，有效促进了晶粒的细化。此外，Nb元素还能通过抑制晶界迁移，降低晶粒长大的驱动力，从而进一步细化晶粒。

2. 强化基体作用

Nb元素能有效地与基体中的位错交互作用，形成不可动化的位错结构，从而提高基体的强度。此外，Nb元素的加入还能提高钢的抗蠕变性能和抗疲劳性能。

三、Nb元素对Cr-Mo-V-Nb调质钢的强韧化作用

1. 改善韧性 Nb元素的加入能显著提高Cr-Mo-V-Nb调质钢的韧性。这主要是由于Nb元素能细化晶粒，使钢中的裂纹扩展受到阻碍，从而提高韧性。此外，Nb(C,N)化合物的形成也能有效地吸收裂纹扩展的能量，进一步提高钢的韧性。

2. 增强硬度与耐磨性

由于Nb元素的强化基体作用，Cr-Mo-V-Nb调质钢的硬度得到提高，从而增强了钢的耐磨性。此外，Nb元素的加入还能提高钢的抗腐蚀性能。

四、实验验证与分析

为了验证Nb元素在Cr-Mo-V-Nb调质钢中的组织细化和强韧化作用，我们进行了相关的实验研究。通过对比不同Nb含量下的钢的组织结构和力学性能，我们发现随着Nb含量的增加，钢的晶粒尺寸明显减小，强度和韧性得到显著提高。此外，我们还发现Nb元素的加入能有效提高钢的抗蠕变性能和抗疲劳性能。

五、结论

本文详细探讨了Nb在中碳Cr-Mo-V-Nb调质钢中的组织细化和强韧化作用。通过实验验证和分析，我们发现Nb元素能有效地细化晶粒、强化基体、改善韧性、增强硬度与耐磨性以及提高抗腐蚀性能和抗蠕变、抗疲劳性能。因此，在Cr-Mo-V-Nb调质钢中合理添加Nb元素，可以有效地提高钢的力学性能和综合性能，满足现代工业的需求。

磨煤辊堆焊修复的药芯耐磨焊丝

磨煤辊堆焊修复的药芯耐磨焊丝

1 磨煤辊堆焊修复的药芯耐磨焊丝

煤粉的制造是火力发电厂生产的重要环节。60年代发展起来的中速碗式磨煤机以其高效节能、安全可靠等突出优点正在逐渐取代传统的钢球磨煤机。目前国内已装机运行和正在装机中的中速磨煤机近300台。主要有RP、HP、MPS、MBF等四种型号。由于国内电厂用煤种类较多，杂质偏高，可磨性较差，使中速磨煤机的重要工作件磨煤辊的耐磨寿命问题成为其能否安全经济运行的关键。

RP型中速碗式磨煤机是美国CE公司60年代在传统的浅碗式磨煤机的基础上发展起来的专利产品。70年代，日本三菱公司引进CE公司这一专利开始制造RP碗式磨煤机，销往中国和其他国家。这种磨煤机的特点之一是采用堆焊式磨煤辊由于这种磨煤辊可反复修复使用，具有较高的经济性。美国和日本均很重视发展其制造及修复技术，不断从结构和耐磨材料两方面来提高磨煤辊的寿命。在结构上，主要是通过增大耐磨材料的体积，发展大尺寸磨煤辊和改进锥型磨煤辊为轮胎型磨煤辊两种途径来提高寿命。在材料方面，美国早期发展的标准NI-HARD用在磨煤辊上寿命仅4，000小时；70年代到80年代，日本三菱公司成功发展了高铬高碳合金铸铁堆焊材料，把磨煤辊寿命提高到6，000小时，80年代美国又发展了一种新型耐磨堆焊材料，名为COMBUSTALLOY，使磨煤辊寿命进一步提高。 2 80年代我国也从CE公司引进了这项技术，在上海重型机器厂建立了RP碗式磨煤机的生产能力，并使用上海司太立公司的STOODY103S和STOODY911S生产了预保护堆焊复合的磨煤辊，在国内得到推广。随着技术的成熟，其使用寿命也逐步达到90年代的8，000小时（当煤中杂质含量较少时），这就是国内目前有代表性的成熟产品。无锡哈德瑞焊接技术有限公司现从美国引进H101和H901新一代磨煤辊明弧自保护堆焊焊丝，具有优良的工艺性和使用性能。本文将介绍这两种焊丝的性能及使用情况。

磨煤辊磨损机理

过共晶堆焊合金耐磨性的微观有限元模拟及合金成分优化设计

过共晶堆焊合金耐磨性的微观有限元模拟及合金成分优化设计

前沿动态　２０１　１年第４期　

过共晶堆焊合金耐磨性的微观有限元模拟及　

合金成分优化设计　

李达　（材料学院）　

２】世纪，保护地球环境、构建循环经济、保持社会可持续发展已成为世界各国共同关心的　

话题。目前，许多制造行业都存在资源浪费与短缺、环境污染、设备更新成本高等特点。由于　

高铬铸铁价格低廉，并具有优异的耐磨性，使其在许多行业巾都得到广泛的应用。高铬铸铁型　

耐磨零件存使用过程巾受到较严重的磨粒磨损，其消耗量较大。目前，一种有效的方法是采用　

药　焊丝对失效的高铬铸铁型耐磨零件进行堆焊修复，也是绿色再制造　程的重要内容之一。　

高铬铸铁等耐磨零件通常都采用铸造的方法进行制备，由于铸造　ｌ二艺的限制，材料多为亚共品　

或共品组织。从而限制了高铬铸铁的应用。而采用堆焊方法可以通过任意凋整焊接材料成分以　

获得各种类型的堆焊合金。当高铬铸铁采用过共品组织时，由于碳含量及铬含量都比较高，存　

堆焊凝同组织中析出大量初生Ｍ７Ｃ３碳化物，使堆焊金属的硬度及耐磨性大大增加，但韧性却　

急剧下降，从而限制其使用。如果能够研究清楚过共品高铬铸铁中碳化物及基体组织对耐磨性　

的影响机理．改变碳化物形貌、尺寸及分布，提高堆焊合金的冲击韧性、抗开裂性及耐磨性．　

那么将会大大扩大其应用范围，使其优异的耐磨性得到充分利用。　

要研究堆焊合金的耐窘性，首先要进行堆焊合金的成分设计，目前堆焊合金成分设计大多　

都采用传统的数学或经验方法，因此很难从微观角度对堆焊合金组织及性能进行深入分析。而　

合金的显微组织从很大程度上决定其耐磨性，因此，采用逆向设计理论及方法，从显微组织出　

发进行耐磨合金的设计具有重要的实际及理论意义。要通过显微组织进行合金设计，首先就需　

要弄清显微组织巾碳化物大小、分布、形态以及基体种类等与耐磨性的关系。若采用试验方法　

进行以上研究．将会浪费大量人力、物力及财力，同时南于试验条件的限制，许多情况都很难　

进行准确研究．同时在合金设计及组织性能研究中存在一定的盲目性。　

一种新型耐磨耐蚀抗裂药芯焊丝

一种新型耐磨耐蚀抗裂药芯焊丝

Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．２００７　・焊接设备与材料・４７　

文章编号：１００２—０２５Ｘ｛２００７）０２—００４７—０３　

一种新型耐磨耐蚀抗裂药芯焊丝　

张清辉　，肖逸锋　，汪中玮　

（１．湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭４１１１０５；２．株洲硬质合金集团有限公司，湖南株洲４１２０００）　

摘要：在具有优良耐磨性的高铬铸铁材抖和具有优良抗氧化抗腐蚀性的高铬铁素体不锈钢材料之间．研究一种新型含碉、铌的耐磨、　

耐蚀、抗裂性优良的堆焊用药芯焊丝。采用该焊丝堆焊后．熔敷垒属比高铬铸铁材料有明显好的耐磨性和抗裂性，且具有耐腐蚀性．　也降低了焊丝成本。新研制的焊丝可用于既要求耐磨性、抗裂性。同时又要求耐腐蚀性的场合。　

关键词：药芯焊丝；耐磨性：耐蚀性；抗裂性　中圈分类号：ＴＧ４２２．３　文献标识码：Ｂ　

高铬铸铁是一种优良的耐磨粒磨损材料，但抗裂性很差，　

而高铬铁素体不锈钢是一种优良的耐高温腐蚀材料，韧性好，　

但硬度低，不能作为耐磨材料。如何保留它们各自的优点．克　

服它们的不足，研究一种以耐磨为主，同时耐腐蚀性等综合性　

能优良的堆焊药芯焊丝是研究的思路。　

１合金元素的设计　

新设计的药芯焊丝要求耐磨性、耐腐蚀性、抗裂性等综合　

性能良好，为此要保留高铬铸铁和高铬铁素体不锈钢某些优良　

性能而改善其不良性能，这样在焊丝的成分方面就有所相同也　

有所不同．成分的共同点是都含有较高的铬．新设计焊丝的　

ｗ（Ｃｒ）拟在２８％左右；不同点在于考虑焊丝的硬度、耐磨性要　

比高铬铸铁好，特别是焊丝抗裂性要比高铬铸铁好，耐腐蚀性　

能尽可能和铁素体不锈钢相当，另外要考虑焊丝成本与高铬铸　

铁相比有所降低，因而就必须加人一些与之不同的合盆元索．　

例如Ｂ．Ｎｂ，Ｎｉ等。　

１．１硬度和耐磨性　

一般高铬铸铁材料的硬度略高于ＨＲＣ５０．耐磨性较好．　

但要进一步提高硬度和耐磨性．从试验研究中发现．在诸多　合金元素中以Ｂ为最佳，硬度将由ＨＲＣ５０左右提高到ＨＲＣ６０