V元素对FeCrVC合金堆焊层热稳定性的影响

2021-12-27 00:34滕诚信许骥谭经松
科学与生活 2021年22期
关键词:热稳定性抗氧化性硬度

滕诚信 许骥 谭经松

摘要:为了研究合金元素V对氩弧堆焊合金热稳定性能的影响。配制了不同质量分数的FeCrVC系铁基合金粉末,粘结烘干后制成粉末薄片,在Q235B材料表面以氬弧为热源堆焊铁基合金。对堆焊合金试样进热处理后进行硬度分析以及氧化增量分析,研究V元素如何影响堆焊合金的红硬性和抗氧化性。实验结果表明,FeCrVC合金系粉末系中,其热稳定性随着V含量增加而升高,当Cr含量为40%,V含量为15%,C含量为5%时其热稳定性最好,在热处理后能够使合金表面硬度上升。

关键词:堆焊,热稳定性,抗氧化性,硬度

0引言

堆焊技术不仅是延长材料或零件服役寿命的工艺方法,而且成为先进制造技术的发展基础[1]。堆焊除可显著提高工件的使用寿命,节省制造、维修费用外,还可减少修理和更换磨损件的时间,从而提高生产率,降低生产成本。钢的热稳定性是指钢在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀的能力。为了提高钢的抗氧化性,要防止FeO形成,或提高其形成温度,就要加入一些合金元素在钢件表面形成合金氧化膜,阻止铁离子和氧原子的扩散。研究发现,随着Cr元素含量的增加,抗氧化性能提高,高温强度稍有下降,基体组织形成单相的铁素体或单相的稳定奥氏体组织。同时,表层能生成连续的氧化膜保护层,阻止了氧渗入基体,因此对抗燃气氧化,抗基体生长非常有利,所以耐热性显著提高[2]。在高碳高钒工具钢和高速钢系堆焊合金层中,极硬的VC在强化自由碳化物硬质相的同时,还弥散析出硬化相,对提高材料整体硬度和抗磨性作用显著[3]。本文利用Cr- Fe、V-Fe等粉末合金配置FeCrVC系铁基合金粉末,在Q235B碳钢表面堆焊,分析堆焊工艺对熔敷层性能的影响,并研究高温下合金熔敷层的热稳定性,以研究各合金元素对于合金的红硬性以及抗氧化性的影响。

1试验

1.1 试验材料

试验所用的材料是Q235B钢板属于碳素结构钢,其化学成分见表2.1。

本次试验所用的堆焊材料为Cr-Fe合金粉末、V-Fe合金粉末、石墨和还原性铁粉。Cr- Fe、V-Fe合金粉末的成分如表2.2所示。

依照试验方案称取不同重量的Cr-Fe、V-Fe合金粉末、石墨以及还原性铁粉,并加入少量水玻璃将其混合均匀。将混合后的合金粉末平铺,压成合金粉末薄片,取出薄片放在通风的地方阴干12~14小时,最后放入烘箱里在200℃条件下保温1.5h。将烘干好的薄片放在基体钢板Q235B上采用钨极氩弧焊进行堆焊,焊接工艺参数见表2.3。

1.2热稳定性试验

熔敷层制得后,用线切割机切割成尺寸为30mm×20mm的试样。切割时要避开起弧和收弧的地方,两侧各去2cm,取中间作为试样。

试验采用电阻炉,对试样加热2小时、4小时、6小时、10小时,每次加热前对试样表面进行打磨并用酒精冲洗,吹干,放于坩埚内,称重,电子天平感量为10-4g。放入电阻炉中,升温至600℃后开始计时,到达规定时间关闭电阻炉,冷却至室温后称重。通过高温氧化试验,绘制氧化增量曲线,并对曲线进行分析,得出高温抗氧化性能的差异。

利用HR-150硬度计对熔敷层进行洛氏硬度测试,每个试样测定六个点,取平均值,试验采用金刚石压头,载荷为150kg,加载时间为5s,恢复时间为3s。其中测定点之间的距离为4mm,边缘点距试样边缘的距离为5mm。

2 FeCrVC合金热稳定性分析

表2.2是FeCrVC合金热处理后硬度值。与未加V元素的合金试样,其硬度值明显提高。2-1试样和2-3试样在热处理时硬度出现了先上升后下降的现象,在6小时以后趋于平缓,根2-2试样的硬度值随着退火时间的增加一直下降,与未加入V元素的合金试样相比的硬度值还要低,并相对热处理前的硬度有了大幅的减小。据表2.1可知,2-2试样中C元素含量最少,可能影响合金热处理后的硬度。2-3试样的V和C含量都是最多的,说明两种元素含量增加能够显著提高合金热处理前后的硬度。

根据表2.3可以看出,FeCrVC合金热处理后质量变化要比FeCrC合金要大,氧化程度较FeCrC合金的氧化程度高,但2-3试样的质量增加量变化最小,说明抗氧化程度较好,当V和C元素含量达到最大,其抗氧化程度最好。试样在6小时以后趋于平缓,但氧化增重率减小不明显。

2-2试样在热处理后产生了组织变化,使硬度急剧下降,因此当V含量过高,C含量过低时,合金的红硬性较低,热稳定性较差。2-3试样其V含量最高,堆焊合金的硬度为59.2HRC,热处理后硬度略有上升,均保持在60HRC以上,具有很高的红硬性和热稳定性。

3 结论

(1)堆焊合金V元素可以大幅提高Q235B的表面硬度以及抗氧化性,不同配比的合金系对合金的改善状况不同,其中多元合金改善效果明显。

(2)在FeCrVC合金系粉末系中,其热稳定性随着V含量增加而升高,当Cr含量为40%,V含量为15%,C含量为5%时其热稳定性最好,在热处理后能够使合金表面硬度上升。

参考文献

[1] 单际国,董祖珏,徐滨士.我国堆焊技术的发展及其在基础工业中的应用现[J].焊接学会学报,2002,9 (4):19-22.

[2] 王晓芳.铬含量对铁基电弧涂层高温氧化性能的影响 硕士论文 2009.6:7

[3] 蒋旻、栗卓新、王英杰、史 武。含钒耐磨堆焊合金的组织与性能.中国机械工程 2008.7(19)1621

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