Fe-C-Mo-V堆焊合金磨粒磨损行为研究

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近年来,采用堆焊法修复工业零部件的焊材大多为性价比较好的Fe-Cr-C系堆焊合金。Fe-C-Mo-V堆焊合金是一种新型的高钒高钼铁基堆焊合金,这种新型堆焊合金具有优良的耐磨性,在市场上已有良好表现,但这类堆焊合金磨损行为研究见诸报道较少,因此研究其磨损机理对实践应用具有指导意义。本文对新型Fe-C-Mo-V堆焊合金分别进行了动载冲击磨损试验、环块三体磨损试验以及干砂橡胶轮磨损试验,利用化学成分检测、光学物相分析、微观组织及性能检测等表征方法,较系统地研究了Fe-C-Mo-V堆焊合金在不同磨粒磨损环境下的磨损行为及其机理,并与Fe-C-Cr-Nb堆焊合金进行了对比,分析了两种堆焊合金在相同工况条件下的耐磨性及其耐磨机理的异同。结果表明,Fe-C-Mo-V堆焊合金熔敷金属的显微组织主要由合金奥氏体基体,层片状合金碳化物(M2C和M3C,M=Fe,Mo,Mn)以及VC硬质相构成,并含有少量铁素体和马氏体/奥氏体组织(M-A组织)。Fe-C-Cr-Nb堆焊合金熔敷金属的显微组织主要由奥氏体基体、网状共晶碳化物、Nb C硬质相以及少量M23C6和M3C碳化物构成。与Fe-C-Cr-Nb堆焊合金相比,Fe-C-Mo-V堆焊合金熔敷金属中碳化物的体积百分数明显大于Fe-C-Cr-Nb堆焊合金,VC硬质相形状近似圆球形,且碳化物呈层片状而非网状;二者奥氏体基体和共晶碳化物界面处均存在显微裂纹。动载冲击磨损试验结果表明,在冲击磨粒磨损条件下,当冲击能量在1J~7J范围时,Fe-C-Mo-V堆焊合金熔敷金属的磨损失重随冲击能量的增加而显著减小,当冲击能量超过5J时,磨损失重变化很小。环块三体磨损试验结果表明,在滑动磨粒磨损条件下,载荷为10N时,体积磨损率随转速提高先下降,当转速超过30 r/min时,体积磨损率逐渐增加;当载荷大于10N时,提高转速,Fe-C-Mo-V堆焊合金熔敷金属的体积磨损率表现为缓慢下降的趋势。干砂橡胶轮磨损试验结果表明,在滚动磨粒磨损条件下,当磨损里程相同、载荷相同时,随着转速的提高,Fe-C-Mo-V堆焊合金熔敷金属的磨损失重和体积磨损率逐渐下降。对磨损后试样的宏观形貌、磨痕亚表面显微组织和硬度测试分析表明,磨损程度主要与奥氏体基体是否发生马氏体转变、VC硬质相和层片状合金碳化物的是否破碎剥落以及磨痕亚表面硬化程度有密切关联性。在冲击磨粒磨损、滑动磨粒磨损和滚动磨粒磨损条件下均表现出:其他条件相同,在低载荷(或低转速)时,发生了磨粒切削奥氏体基体,VC硬质相和层片状合金碳化物的破碎剥落,磨痕亚表面加工硬化程度低;高载荷(或高转速)时,奥氏体基体转变成马氏体组织,磨粒对基体的磨损程度减弱,体积磨损率降低。滑动或滚动磨粒磨损条件下,研磨区磨损最严重。Fe-C-Mo-V堆焊合金熔敷金属在磨粒磨损条件下的磨损机制为:当载荷(或转速)较低,表面加工硬化程度较低,磨粒并未发生大幅度破碎,同时由于该熔敷金属中碳化物周围存在显微裂纹,磨粒和裂纹存在相互作用,因所受挤压力较小,磨粒部分嵌入裂纹中,将裂纹间隙增大或直接将碳化物剥离而留下剥落坑。在循环载荷(挤压或滑动)作用下,石英砂磨粒将被挤进剥落坑并嵌入基体,导致显著磨损。当载荷(或转速)较高时,表面加工硬化程度较高,磨粒逐渐发生大幅度的破碎,磨粒挤压切削作用减弱。同时由于VC硬质相、层片状合金碳化物的协同保护作用,使得材料磨损失重和体积磨损率降低。相对而言,Fe-C-Cr-Nb堆焊合金适用于高冲击能量、高载荷和高速(或高载荷且高速)磨粒磨损条件下使用。Fe-C-Mo-V堆焊合金在低(中)冲击能量(或低转速)磨粒磨损条件下的耐磨性明显高于前者,在高冲击能量、高载荷和高速(或高载荷且高速)磨粒磨损条件下的耐磨性优于前者,应用范围较广。
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