一種對Cu與Fe熔合物研究的方法及其強(qiáng)化機(jī)理

1、    一種對cu與fe熔合物研究的方法及其強(qiáng)化機(jī)理    歐青華針對軍用工程機(jī)械材料容易出現(xiàn)疲勞斷裂，磨損等問題，需要采取特殊的方法對其進(jìn)行加固，通過研究，我們發(fā)現(xiàn)，可以在材料中加入ni元素可增強(qiáng)其抗疲勞的程度。將其應(yīng)用于斗齒、挖斗的制作，能較大改善軍用工程機(jī)械的性能，且經(jīng)試驗(yàn)檢測可以很好地防彈片等。一、cu與fe熔合物研究1.試驗(yàn)方法對軍用工程機(jī)械快速焊接中，高溫自蔓延快速焊接技術(shù)要求焊藥一經(jīng)點(diǎn)燃能自發(fā)反應(yīng)，且放熱量要大，可以產(chǎn)生使母材熔化的足夠熱量，且由于受焊母材為金屬，因此希望反應(yīng)能生成一定的金屬成分作為焊縫填充物。故選用熱效應(yīng)大、絕熱燃燒溫度較

2、高的鋁熱劑cuo+al系、fe2o3+a1系作為焊藥的基本配方。按照化學(xué)計(jì)量比分別稱取一定量的cuo和a1，fe2o3和a1，在混料機(jī)中充分混合，待其干燥后制備成不同比例的焊條。采用cuo+al系、fe2o3+a1系及二者混合物為焊藥，其中cuo+al系的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為0，20%，45%，60%，70%，80%，90%，100%，焊藥成分如表1.1所示。用混料機(jī)充分混合后，按照上述方法制成圓柱形焊條。焊接過程中采用對接平焊，運(yùn)條方式與焊條電弧焊類似，試驗(yàn)?zāi)覆臑閝235鋼，將兩塊試驗(yàn)?zāi)覆膶雍?，不清理試板上的銹蝕，并用電子秒表測定焊條燃燒時(shí)間，并計(jì)算燃燒速度，對焊縫進(jìn)行宏觀分析，用萬能試

3、驗(yàn)機(jī)分析其力學(xué)性能，用電子顯微鏡測定焊縫金屬的金相組成。2.試驗(yàn)結(jié)果與分析開始焊接時(shí)點(diǎn)燃引線，焊藥發(fā)生反應(yīng)過程中形成燃燒弧，采用電弧焊的作業(yè)方式，反應(yīng)所放出的熱量使試驗(yàn)?zāi)覆木植咳刍?，從而形成熔池，生成的金屬產(chǎn)物填充于焊縫中，冷卻后焊縫基本成形。（1）焊縫外觀形貌分析1號焊條（全部為fe2o3+a1系）與2號焊條（cuo+al系占20%）燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量偏低，不能使5 mm厚的試驗(yàn)?zāi)覆木植砍浞秩刍覠崃啃?，熔池凝固快，金屬液流?dòng)性差，無法實(shí)現(xiàn)母材的有效連接。焊藥中cuo+al系含量比例超過50%后，反應(yīng)產(chǎn)生了更多的熱量，母材被焊透，金屬熔池具有較好的流動(dòng)性，冷卻凝固后，焊縫表面成形良好，無明顯

4、裂紋，外觀比較平整光滑。圖1.1所示，4號焊條所對應(yīng)的焊縫正面宏觀形貌，試驗(yàn)?zāi)覆暮傅缹挾染鶆?，形狀較為規(guī)則，表面成形良好，焊縫呈金屬光澤。圖1.2所示，4號焊條所對應(yīng)的焊縫背面宏觀形貌，母材沿焊縫被焊透，背面焊道成形良好，基本達(dá)到了單面焊雙面成形的焊接效果。（2）燃燒速度焊條的燃燒速度與焊藥中cuo+a1系的比例關(guān)系于圖1.3可見，隨cuo+al系比例的增大，反應(yīng)燃燒速度也不斷加快。根據(jù)上文可知，與fe2o3+a1系相比，cuo+al系反應(yīng)的放熱量較大，絕熱燃燒溫度較高，因此，高熱劑中cuo+al系比例越高，反應(yīng)體系實(shí)際能夠達(dá)到的溫度也就越高，更加有利于試驗(yàn)?zāi)覆暮徒饘佼a(chǎn)物的熔化，從而形成性能良

5、好、成分均勻的焊縫；但另一方面，溫度越高，反應(yīng)的速度加快，使焊接可控性降低，不易操作。隨cuo+al系比例的增大，反應(yīng)燃燒速度也不斷加快，當(dāng)cuo+al系的比例在60%80%時(shí)，反應(yīng)速度基本保持穩(wěn)定，并且該燃燒速度比較適中，可控性較好，便于操作。當(dāng)cuo+al系的比例超過90%后，反應(yīng)速度太快，焊接可控性差，難以操作。（3）焊縫力學(xué)性能分析焊藥中cuo+al系的比例超過50%所對應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)覆?，其焊縫的抗拉強(qiáng)度與cuo+al系的比例關(guān)系于圖1.3所示可見，隨cuo+al系比例的增大，焊縫的抗拉強(qiáng)度逐漸降低，且比例越高，降低幅度越大。cuo+al系比例為45%，60%，70%，80%的焊條（即3號

6、、4號、5號、6號焊條），焊縫抗拉強(qiáng)度達(dá)400mpa以上，與試驗(yàn)?zāi)覆膹?qiáng)度基本相當(dāng)，或高于試驗(yàn)?zāi)覆膹?qiáng)度，其中3號、4號的抗拉強(qiáng)度達(dá)到420mpa。根據(jù)反應(yīng)原理，兩種反應(yīng)分別生成cu和fe，且cu的含量多于fe。在冷卻過程中，兩種金屬發(fā)生了包晶反應(yīng)，并形成了以cu為基的固溶體，但是fe在cu中的溶解度是有限的，在1323k時(shí)為3.5%，并且隨著溫度下降，其溶解度急劇降低，當(dāng)fe的含量超過固溶度后，組織中便會產(chǎn)生單獨(dú)存在的顆粒狀富鐵相（可能是溶有一定量銅的-fe固溶體）。一方面，第二相的析出產(chǎn)生了合金強(qiáng)化作用，從而提高了焊縫的抗拉強(qiáng)度；另一方面，富鐵相熔點(diǎn)高，冷卻時(shí)先結(jié)晶，作為晶核起到了細(xì)化晶粒的作

7、用，阻止了銅結(jié)晶時(shí)的晶粒繼續(xù)變大，從而提高了合金的力學(xué)性能。fe2o3+a1系比例越高，析出的富鐵相越多，強(qiáng)化作用也就越明顯。焊縫的顯微硬度如圖1.4所示。可知，焊縫中心的顯微硬度hv9.8約為80，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于母材的硬度hv9.8約為150，且隨著靠近熔合區(qū)距離的減少而增加，而熔合區(qū)的硬度較高，甚至高于母材。（4）焊縫的微觀組織圖1.5為4號焊條所對應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)覆牡慕鹣嘟M織照片，其中黑色顆粒為析出的第二相富鐵相，淺色基體為銅基固溶體。二、焊縫性能分析與強(qiáng)化機(jī)理研究從上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用fe2o3+a1、cuo+al作為放熱體系雖然可以實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)?zāi)覆牡娜酆高B接，但是焊縫的硬度較低，大約只有

8、母材的一半。因此，為了實(shí)現(xiàn)焊縫與母材強(qiáng)度的匹配，應(yīng)對焊縫金屬進(jìn)行強(qiáng)化。根據(jù)cu-ni二元合金相圖可知cu和ni之間可以形成無限固溶的固溶體，且二者之間不會形成任何中間化合物。此外，ni還能大大提高fe在cu內(nèi)以及cu在fe內(nèi)的溶解度。從圖fe-cu二元相圖上可以看出，當(dāng)溫度低于cu的熔點(diǎn)時(shí)，fe（fcc）和cu（fcc）之間存在一個(gè)很大的不混溶區(qū)。鎳的加入則能使這個(gè)不相混溶區(qū)消失。如cu-ni-fe三元相圖所示，當(dāng)溫度超過910時(shí)，能形成cu在鐵中的連續(xù)固溶體。cu-ni， fe-cu二元合金相圖和cu-ni-fe三元相圖如圖2.1所示。因此，本節(jié)考慮采用添加ni的方法對焊縫進(jìn)行合金強(qiáng)化，通過

9、2a1+3nio al2o3+3ni反應(yīng)在焊縫中引入元素ni。1.實(shí)驗(yàn)部分（1）試樣制備實(shí)驗(yàn)所用自蔓延合成材料體系由高熱劑、稀釋劑和造渣劑等組成。其中，cuo+al系和nio+al系作為高熱劑，其占該體系總量的50.6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）；si+cuo系作為造渣劑，其占體系總量的45.4%；硅酸鈣為稀釋劑，其占體系總量的4%。自蔓延合成材料具體成分如表4.1所示。以乙醇作為溶劑，將反應(yīng)材料放入混合機(jī)中充分混合，待其干燥之后裝入紙制圓筒中，壓實(shí)后制備成焊條。焊接實(shí)驗(yàn)所選母材為2塊q235鋼板，將兩塊試件依次平放在工作臺上，兩端對齊，中間留有1-2mm的縫隙，不需除銹預(yù)處理。采用平焊方法進(jìn)行焊接，

10、其工藝參數(shù)如下：焊接速度為5mm/s，焊接傾角為70°，燃弧長5mm。（2）微觀組織測試分析分別用600#，800#，1000#砂紙對自蔓延高溫合成試樣進(jìn)行逐級磨光，之后用粒度為1.0m的al2o3拋光液進(jìn)行機(jī)械拋光獲得金相試樣；用6%的氯化高鐵酒精溶液腐蝕對其進(jìn)行腐蝕；采用phoenix 4000型金相顯微鏡對其進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)觀察。采用hitachis-4800型掃描電子顯微鏡（sem）（附帶能量色散x射線分析儀）觀察反應(yīng)生成物微觀組織和摩擦磨損表面形貌，并測定其元素組成。（3）力學(xué)性能試驗(yàn)采用dhv-1000型維式顯微硬度儀測定焊縫的顯微硬度，加載載荷為9.8n，加載時(shí)間為20s。

11、采用ws-2005型涂層附著力劃痕試驗(yàn)機(jī)測定反應(yīng)生成物涂層與基體之間的臨界結(jié)合力。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：劃痕速度為2mm/min，劃痕長度為5mm，作用速度為30n/min，最大作用載荷為200n。表征焊縫金屬與母材結(jié)合強(qiáng)度由hsl衡量，該參數(shù)由如下astm g171-03標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算：其中，lc為施加于反應(yīng)生成物涂層上的法向力（n），可通過采集的聲發(fā)射信號獲得；d為對應(yīng)劃痕的寬度（m）。2.結(jié)果與討論（1）微觀組織結(jié)構(gòu)圖2.1分別為自蔓延焊接區(qū)域總體形貌的sem、金相顯微照片、線掃描元素分布圖和能譜圖。從圖2.1a可知，黑色區(qū)域?yàn)槟覆模疑珔^(qū)域?yàn)榉磻?yīng)生成的cu-fe-ni合金，即cu、ni、fe的固溶體

12、。自蔓延反應(yīng)過程中釋放大量的熱量使母材熔化，且由于受熱程度不同導(dǎo)致母材熔化程度不同，產(chǎn)生了形狀不規(guī)則的區(qū)域，如圖2.1a中母材的平頭區(qū)域和尖頭區(qū)域。自蔓延反應(yīng)過程中，熔融焊藥和母材熔合，冷卻后形成合金，可見，合金與母材之間結(jié)合良好，并且微裂紋和氣孔等缺陷較少。由圖2.1b可見，母材與合金之間形成明顯的熔合區(qū)，且該區(qū)域金相組織結(jié)構(gòu)與合金和母材差別較大，這是由于該區(qū)域母材和合金之間的元素發(fā)生相互擴(kuò)散和遷移，其相應(yīng)的線掃描如圖2.1c所示。由圖2.1c可知，母材中的fe元素向合金中擴(kuò)散遷移，并且離母材越近的區(qū)域其擴(kuò)散遷移的f e含量越高，同時(shí)合金中的cu、ni元素也向母材中擴(kuò)散遷移。反應(yīng)形成的cu-

13、fe-ni合金主要由樹枝狀晶（標(biāo)識a）和黑色區(qū)域（標(biāo)識b）構(gòu)成。圖2.1d和圖2.1e分別為圖2.1b中的a區(qū)域和b區(qū)域?qū)?yīng)的能譜圖，表2.2和表2.3分別是a、b區(qū)域元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和原子分?jǐn)?shù)。可見，a區(qū)域fe的含量比cu、ni的含量要多，主要是由于該區(qū)域離母材較近，母材中fe元素大量擴(kuò)散遷移的結(jié)果；而在b區(qū)域cu的含量遠(yuǎn)大于fe、ni的含量。圖2.1 微觀組織結(jié)構(gòu)分析：（a）、（b）分別為焊接區(qū)域形貌的sem、金相照片；（c）線掃描元素分布圖；（d）、（e）a、b區(qū)域的能譜。（2）力學(xué)性能（1） 顯微硬度圖2.2為焊縫結(jié)合區(qū)域硬度分布圖?？梢?，cu-fe-ni合金區(qū)域的顯微硬度約為13018

14、0hv9.8 ，熔合過渡區(qū)的顯微硬度約為260hv9.8，母材的顯微硬度為180hv9.8。可見，熔合過渡區(qū)的硬度要遠(yuǎn)高于母材和cu-fe-ni合金區(qū)。這是由于反應(yīng)過程中，反應(yīng)物燃燒釋放大量的熱，使得母材和反應(yīng)生成物熔合在一起，母材中的fe和生成物中的cu、ni相互之間發(fā)生了元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象（圖4.1c），并生成溶有cu、ni的fe基固溶體合金，達(dá)到了固溶強(qiáng)化的作用。由于合金區(qū)主要是溶有少量fe、ni的cu基固溶體，因此相比母材，其硬度略低。（2） 結(jié)合強(qiáng)度分析圖2.3為cu-fe-ni劃痕形貌圖以及劃痕試驗(yàn)聲發(fā)射信號圖。由圖2.3b可見，在臨界結(jié)合力lc為73.6n時(shí)，劃痕儀捕捉到聲發(fā)射信號，表明熔覆層cu-fe-ni材料開始發(fā)生破壞。圖2.3a為劃痕形貌圖，測量其對應(yīng)的劃痕寬度并帶入公式（4-1），可得該結(jié)合處的hsl值為0.749 gpa，表明具有較高的結(jié)合強(qiáng)度。結(jié)合圖2.1（c）可知，反應(yīng)