超高硬度耐磨抗裂堆焊材料的强韧化研究

【摘要】：冷轧工作辊的堆焊修复是冶金行业的重大课题,要求堆敷金属具有超高硬度、高抗裂性及高强韧性。但随着硬度的提高,堆焊层的韧性及抗裂性显著下降,难以满足冷轧工作辊对堆敷金属的要求,至今冷轧工作辊用堆焊材料在国内外尚属空白。开发出具有超高硬度、耐磨、抗裂的堆焊材料是冶金行业急切呼唤开发的项目。 本文基于金属材料的相变强化、固溶强化、细晶强化以及析出强化等理论,采用目前材料研究中先进的试验优化技术,在堆焊药芯焊丝配方合金系统的研制中首次应用二次通用旋转回归技术,建立了堆敷金属的硬度、磨损体积、冲击功及裂纹长度等性能与C、Cr、Mo、W、V 各元素编码因子间的数学模型。并利用所建模型,对堆敷金属性能与因子间的相关性进行了定性和定量分析。采用最优化技术,求解出满足冷轧工作辊技术要求的最优堆焊药芯焊丝配方。光镜、扫描电镜观察检测的结果表明,堆敷金属中的组织主要由分布在晶界上的网状白色共晶组织+浅灰色的淬火马氏体+黑灰色的回火马氏体+细小弥散分布的颗粒状碳化物组成。其中共晶碳化物主要有三种形态:块状、鱼骨状和长条状,这些碳化物是由多种元素共同组成的复合碳化物。在对堆敷金属中的裂纹、冲击断口形貌观察分析的基础上,提出了超高硬度堆焊材料的强韧化机理。 通过对堆敷金属不同的回火工艺研究,从相变热力学角度对残余奥氏体、淬火马氏体的分解以及渗碳体从马氏体、奥氏体中的析出进行计算,建立了析出碳化物颗粒与回火温度之间的数学模型。 从组织工程的角度,根据堆敷的金属组织组成进行设计,采用微合金化技术,考察了钇基稀土合金、稀土氧化物、钛、铌、钽等不同变质剂加入对堆敷金属组织和性能的影响,并得出各自不同的最佳加入量。结合组织的观察分析,探讨不同的变质剂对堆敷金属性能影响的机理,得出可以通过微合金化技术细化晶粒、改善共晶碳化物的形态分布、均匀成分、变质夹杂物的冶金效应提高堆敷金属的强韧性。 在堆焊工艺研究中,首次利用电磁搅拌技术,通过改变堆敷金属的一次结晶组织,提高堆敷金属的性能。探讨不同的电磁搅拌参数(磁场搅拌频率f、磁感应强度B)对堆焊焊缝形状、组织以及堆敷金属中的夹杂物数量、尺寸的影响,得出最优电磁搅拌工艺参数。