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铁基纳米结构表面耐磨性的研究
关键词：耐磨堆焊、纳米材料、层数、显微结构、磨料磨损
文摘：在过去的几年里，已经开发出了几种具有高耐磨性的硬质纳米结构铁基合金。焊缝金属的微观结构通常表现为焊接过程的变化，特别是与热输入、层数和保护气体类型有关。本研究的目的是研究由FCAW工艺沉积的纳米结构铁基合金的微观结构演化和耐磨性。4个1层和2层的样品被放置在Ar-20%的二氧化碳下，没有保护气体，使用的热量为3.5千焦/毫米。对每种条件的化学成分进行了测定，并利用光学和电子显微镜和X射线衍射研究了微结构，测量了显微硬度和磨料磨损性能。根据层数，在780和1020HV2之间发现沉积物的显微硬度，第一层和第二层之间的化学成分有变化，讨论了化学成分、显微组织和显微硬度的磨损试验结果。
1.介绍
纳米微结构尺寸的材料被称为“纳米结构材料”(NM)。这些纳米材料的合成、表征和处理是快速增长的新兴物质市场的一部分。
近年来，在焊接领域，各种公司都开发了以亚微米颗粒结构为基础的铁基合金。它们的微观结构，具有一定的纳米尺度特性，表现出超常的性能，超过了微晶正常晶粒材料[1-5]。
从这个意义上说，可以开发出具有优异耐磨性的纳米结构矿床的熔剂芯焊条(FCAW)管状线，即使只有一个焊接层也可以达到70 HRC的硬度值，。这种高硬度与一个极小的晶体尺寸有关，从30纳米到100纳米。这些纳米微结构材料呈现出极硬的析出物，如铌、硼和/或钨极碳化物和/或铬硼化物，从而提高了耐磨性。它们应用于新的或使用的部件或部件，以提供特定的性能，如耐磨料和胶粘剂磨损、腐蚀、氧化和它们的复合材料[6,7]。最近的统计数据表明，在地球移动或采矿和矿物加工中使用的50 - 60%的装备都是在潮湿或干燥的环境中被腐蚀，或在潮湿或干燥的环境中磨损的。
FCAW沉积物的耐磨性取决于几个因素，但主要是在微观结构决定了它们的性质[6,7]。同时，热输入、层数和屏蔽气体的种类对凝固和焊缝金属的稀释有很大的影响。以前的研究[9-11]表明，热输入和层数的增加都会产生沉积物的化学成分和微观结构的变化，从而导致它们的性质发生变化。在纳米结构的熔接沉积物中，已经观察到，与最初设计的微结构[12]相比，稀释的沉积物具有不同的化学成分，导致不同的基体沉淀物和结晶尺寸。另一方面，众所周知的是，在焊接过程中不使用保护气体时，电弧会产生较高的氧气压力，其中几种元素的氧化程度较高(Cr、Mn、Si、Nb、V等)，导致这些元素在沉积物中浓度较低，可能具有较低的耐磨性。由于制造商推荐在其工作中使用的消耗品用于保护气体或不使用保护气体，该研究在两种条件下进行。摘要本研究的目的是研究半自动化焊接过程中，以保护气体和无保护气体为基础的纳米结构沉积物中，层数对稀释、显微组织、显微硬度和磨料耐磨性的影响。
图1，焊接结果，单位：mm
表格1
制造商的全焊缝金属化学成分规格（％wt / wt）。
|
C |
Mn |
Si |
Cr |
Nb |
B |
||
|
o2 |
o2 |
o2 |
o18 |
o6 |
o6 |
||
|
表格 |
|||||||
|
焊接参数 |
|||||||
|
鉴定 |
层数 |
保护气体 |
电弧电压（V） |
电流强度 (A) |
焊接速度 (mm/s) |
焊接热输入 (kJ/mm) |
|
|
A1 |
1 |
Ar-20 CO2 |
35 |
300 |
3 |
3.5 |
|
|
A2 |
2 |
Ar-20 CO2 |
35 |
300 |
3 |
3.5 |
|
|
O1 |
1 |
– |
35 |
300 |
3 |
3.5 |
|
|
O2 |
2 |
– |
35 |
300 |
3 |
3.5 |
|
图2，XRD测量区域
2.材料和方法
2.1.焊件
所使用的是一种直径为1.6毫米的焊丝。一个Miggytrac系统应用于焊枪的移动。表1为制造商的全焊缝金属化学成分说明[13]。
在没有Ar-20CO2保护气体下，焊接4份1和2层的试样，根据之前的工作，选择焊接参数。焊接顺序为:第二层为4个焊珠，第二层为3个焊珠，如图1所示。伸出18mm有气体保护，伸出25mm没有气体保护。焊接参数和样品鉴定如表2所示，层间温度为150°C。
2.2.化学成分与微结构表征
用光学发射光谱法测定了最后一个焊珠的化学成分。用等离子体发射光谱法对硼进行了分析。用能量色散x射线能谱仪对局部成分进行了分析。利用光(LM)和扫描电镜(SEM)对微结构进行了观察。使用图像分析软件[12]从熔池的几何形状计算稀释度。
在图2的衍化区，x射线衍射（XRD）的分析是用一个格里库的衍射仪来进行的，铜K-alpha;的范围在35到95之间。目前阶段是通过阶段分析软件确定的，使用数据基和参考强度比值。使用Scherrer方程确定晶粒尺寸[15]。
2.3.显微硬度和耐磨性
在横截面上，Vickers微硬度(HV2)在距离该层顶部1毫米处进行，在水平剖面的凹痕之间相距2毫米。
根据ASTM G65-15方法A，采用干砂/橡胶轮装置进行磨料磨损试验。从单层和双层沉积物中切割出25mm宽和75mm长耐磨性试验试件。粗糙度的标本是0.2mu;m。轮盘的旋转速度是200转每分钟，沙粒的流速是320克/分钟，使用载荷是130N，磨损是根据样本的重量损失计算的，在4309米后，每个条件测试三次，选取三次测试的平均重量。
图3，第一层表面
图4.焊接试样的横截面：一层（a）Ar-20CO2和（b）没有保护气体焊接; 两层（c）Ar-20CO 2和（d）焊接，没有保护气体。
表格3
各种样品的化学成分 (% wt/wt).
|
C |
Mn |
Si |
Cr |
Nb |
B |
Fe |
|
|
A1 |
0.76 |
0.31 |
0.93 |
11.60 |
2.74 |
4.60 |
Bal. |
|
O1 |
0.81 |
0.34 |
0.97 |
12.23 |
2.69 |
4.60 |
Bal. |
|
A2 |
0.86 |
0.37 |
0.97 |
13.55 |
2.84 |
4.92 |
Bal. |
|
O2 |
1.00 |
0.27 |
0.97 |
14.55 |
2.79 |
4.95 |
Bal. |
|
Base metal |
0.11 |
0.58 |
0.16 |
– |
– |
– |
Bal. |
图5.不同条件下的XRD图谱
3.结果与讨论
3.1.目测
在所有的样品中，观察到低水平的飞溅和熔渣。大部分熔池上的裂缝都是由应力释放产生的，这对于这种类型的沉积物来说是正常的。
3.2.宏观分析
图4显示了不同样品的宏观切割，除了上述裂纹之，没有宏观缺陷、气孔或夹杂。
图4显示在没有保护气体的情况下，样品的熔深较低。这可能与喷射过渡变为粗滴过渡有关。这种类型的可消耗和非常大的悬浮球形“靴子”可以在焊丝[16]中形成，通常会发现倾角和粗滴过渡。
在没有保护气体的情况下沉积的焊珠的宽度比在气体下焊接的样品高。这是由于增加的伸长量产生了较高的熔化率[16]和较低的电弧压力，从而导致更高的熔池宽度。由于保护气体的使用，在操作特性上没有重要的区别。
在没有保护气体的情况下，样品的稀释率分别为35%和28%。观察结果表明，无气体保护的焊接样品稀释度较低。这可能与材料的高沉积和低熔深有关[6,14]
图6.横截面上的微结构
图7，显微硬度结果
3.3.化学成分
图3给出了各样品的化学成分结果。
在Fe-(Nb.Cr)-(C.B)体系中，所有样品中都有大量的合金元素。
在2层样品中检测到更高的C、Cr、Nb和B含量，特别是在没有气体屏蔽
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