45鋼電弧堆焊的微動摩擦試驗研究

45鋼電弧堆焊的微動摩擦試驗研究

0磨損加工與微動磨損堆棧結(jié)構(gòu)是一種將金屬固定在金屬基礎(chǔ)設(shè)施和零件表面的技術(shù)。它也是表面強化和工業(yè)表面重建的廣泛應(yīng)用。堆焊既可用于制造新的部件,也可用于修復表面損壞了的部件。在材料表面堆焊多數(shù)以延長設(shè)備或零部件的服役壽命為目的,少數(shù)情況下也可用于單純恢復零件尺寸。眾所周知,磨損是材料三種主要失效形式之一,所造成的經(jīng)濟損失是十分巨大的。機械工業(yè)每年所用的鋼材約有50%是消耗在備件生產(chǎn)上,而備件中的大部分是由于磨損而失效的,如40%的農(nóng)機具備件是由于磨料磨損消耗的,約30%的鍋爐鋼管是由于腐蝕磨損失效的。磨損導致機件表面物質(zhì)的喪失或轉(zhuǎn)移,使機件配合性能改變,機器的工作可靠性與效率降低,甚至造成事故,使機件過早報廢。磨損的形式有多種,其中微動磨損(Frettingwear)是常見而又最易被忽略的一種形式,許多設(shè)備故障最初都由此引發(fā)的。微動是二接觸表面的極微小振幅(微米量級)的運動,通常發(fā)生在一個振動環(huán)境下的近似緊配合的接觸表面,即名義上相對靜止,實際上存在循環(huán)的相對微幅滑動的兩個緊密接觸的機件表面上,如滾動軸承的內(nèi)、外套圈與軸,座孔的配合面,風機葉輪孔與軸的配合面等。其相對滑動是由于在循環(huán)交變應(yīng)力或振動條件下,接觸面上產(chǎn)生不均衡的彈性變形而引起的。研究者已在堆焊工藝、堆焊用材料的研制、堆焊金屬的硬度與耐磨性的關(guān)系等方面開展了大量研究工作,但關(guān)于焊接接頭金屬的微動摩擦性能方面研究的文獻報道極少。本文在45號鋼基體上使用3種不同的堆焊焊條,采用手工電弧焊工藝方法,獲得了相應(yīng)焊條的堆焊試件。對熔敷金屬組織和不同堆焊層金屬的微動摩擦行為進行了初步探討,拓展了傳統(tǒng)堆焊技術(shù)研究的范圍,以期為新型堆焊材料的研制開發(fā)和堆焊熔敷金屬性能的認識提供理論依據(jù)。1堆垛工藝和樣品制備1.1熔貼金屬化學成分本實驗采用手工電弧堆焊方法。堆焊母材為生產(chǎn)實踐中常用的45號鋼,使用了三種類型的堆焊焊條CHR207、CHR227和CHR237,焊條的熔敷金屬化學成分見表1,堆焊條件為:焊接電流145～155A,電弧電壓25～27V,對應(yīng)焊條CHR207、CHR227和CHR237的焊接速度分別為12m/h、11.4m/h、13.8m/h,直流反極性(DCRP)接法。1.2顯微組織的觀察和分析需要制備的試樣分為兩種,一種用于金屬顯微組織分析,一種用于微動摩擦試驗分析。將焊態(tài)下無缺陷的堆焊試件根據(jù)分析、試驗用的具體要求,使用線切割設(shè)備從試件上截取合適尺寸的試樣,按傳統(tǒng)的制樣過程制備顯微分析用試樣,用OLYMPUS(BX60MF5)光學顯微鏡觀察熔敷金屬的微觀組織。同樣,根據(jù)微動摩擦試驗用試樣的需要,制備10×10×20mm3的試樣,將制備好的試樣在PLINT微動磨損試驗設(shè)備上進行實驗。實驗中,與該設(shè)備相連的計算機自動存儲采集到的與微動過程相關(guān)的數(shù)據(jù),通過對試驗數(shù)據(jù)的處理、分析來研究材料的微動摩擦性能。2結(jié)果與討論2.1焊制熔敷金屬的晶體結(jié)構(gòu)堆焊在45號鋼基體上進行,母材厚度15mm。所用的三種焊條CHR207、CHR227和CHR237在相同的焊接電流下進行堆焊,以便比較不同熔敷金屬的性能。堆焊基體即母材45號鋼金屬的組織由鐵素體和珠光體組成。由于焊條熔敷金屬的合金元素及其含量與基體的不同,當在基體上堆焊第一層熔敷金屬時必然形成一個過渡區(qū)域,過渡區(qū)域的金屬組織既與母材及焊條金屬的成分有關(guān),也與母材的熔合比γ有關(guān),而熔合比γ主要受堆焊時熱輸入的影響。所謂熔合比就是被熔化的母材部分在焊道金屬中所占的比例,即:γ=FBFB+FDγ=FBFB+FD式中,FB—母材熔化部分的橫截面積,FD—焊條熔敷金屬在焊縫橫截面上所占的面積。焊接時,熔敷金屬受母材或先前焊道的熔入而引起化學成分含量降低的現(xiàn)象,一般稱稀釋。常用稀釋率的大小來表示熔敷金屬被稀釋的程度,而稀釋率可用母材金屬或先前焊道的焊縫金屬在整個焊道中所占質(zhì)量比來確定,一般用熔合比γ來表達。也就是說,隨著母材金屬熔入到焊縫中所占比例增大(即熔合比γ增大),熔敷金屬被稀釋的程度也隨之增大。顯然,在表面上進行堆焊時,熔深越大,熔敷金屬被稀釋的越嚴重。多層堆焊時,最末層稀釋率最小,甚至為零。焊條CHR207堆焊第一層熔敷金屬與基體的界面處顯微組織如圖1a所示,界面兩側(cè)的組織有明顯的不同(左側(cè)為基體材料,右側(cè)為堆焊熔敷金屬)。在靠近界面的第1層堆焊金屬中,由于基體金屬的稀釋作用,組織由深色的針狀貝氏體和淺色的馬氏體及殘余奧氏體組成(圖1b)。而在第2層堆焊金屬中,基體的稀釋作用降低,組織以針狀的馬氏體為主,伴有一定數(shù)量的殘余奧氏體(圖1c)。第3層堆焊金屬基本沒有受到基體稀釋作用的影響,組織由細針狀的馬氏體和深色的碳化物組成(圖1d)。采用焊條CHR227和CHR237堆焊時得到的接頭界面顯微組織如圖2所示(同樣是左側(cè)為基體材料,右側(cè)為堆焊熔敷金屬),靠近界面第1層堆焊金屬中獲得的顯微組織與采用焊條CHR207堆焊時得到的組織基本相同,即由深色的針狀貝氏體和淺色的馬氏體及殘余奧氏體組成。比較發(fā)現(xiàn),三種焊條堆焊時的過渡層寬度存在差異,采用焊條CHR207堆焊時過渡層寬度最大,焊條CHR227次之,寬度最小的為采用焊條CHR237堆焊時得到的過渡層。造成這種差異的原因可能是由于焊條中合金元素的含量不同的原故。從表1可見,焊條CHR237的合金元素含量最高。隨著合金含量的增加,濃度梯度加大,有利于合金元素的擴散。以焊條CHR227堆焊為例,低氫鈉型藥皮的鉻鎢硼系焊條CHR227熔敷金屬成分比較見圖3,各層熔敷金屬中元素Mo、Cr、V的含量均比焊條中相應(yīng)元素的原始含量低,并且隨著堆焊層數(shù)的增多,相應(yīng)各元素的含量逐漸增加。眾所周知,焊條熔化后形成的熔滴向熔池過渡期間伴隨著劇烈地冶金反應(yīng),元素因氧化而減少。第一層堆焊熔敷金屬中各元素的含量最低,是電弧熱作用下熔化的母材金屬對熔敷層金屬稀釋作用的結(jié)果。隨著堆焊層數(shù)增加,元素Mo、Cr、V的含量逐漸提高,元素Mo、Cr、V在堆焊熔敷層金屬中含量的變化具有相似的規(guī)律。2.2微動試驗的表面形貌微動磨損試驗在室溫下進行,采用球/平面接觸模式,摩擦球由GCr15材料加工而成,直徑40mm。選定的試驗參數(shù)為:法向載荷100N,振動幅度20μm,往復擺動頻率5Hz,循環(huán)104次時自動停止?；w45號鋼及堆焊熔敷金屬摩擦系數(shù)隨循環(huán)周次變化的關(guān)系如圖4所示,具有相似的變化規(guī)律。摩擦開始時接觸表面膜去除,摩擦系數(shù)較低。隨著摩擦循環(huán)次數(shù)的增加,摩擦體球與基體或堆焊層金屬之間的相互作用增加,發(fā)生粘著,摩擦系數(shù)增大,并伴隨著材料組織結(jié)構(gòu)的變化(如加工硬化)。加工硬化使材料脆化,白層同時形成。當白層破碎時,顆粒剝落,脫落的顆粒被碾碎、遷移,形成磨屑,摩擦由原來的二體接觸逐漸轉(zhuǎn)變成有磨屑參與的三體接觸。因磨屑對摩擦體表面的保護作用,粘著受到抑制,摩擦系數(shù)減小。磨屑連續(xù)不斷地形成和排除摩擦區(qū),磨屑的成分和接觸表面隨時間改變。如磨屑開始呈金屬本色,在碾碎和遷移過程中氧化成灰褐色,最終氧化成紅褐色。當磨屑的形成和排除達到平衡時,微動磨損進入穩(wěn)定階段,摩擦系數(shù)的變化較小。與堆焊層金屬比較,基體金屬的摩擦系數(shù)與循環(huán)周次的關(guān)系曲線處于圖4中三條曲線的最左側(cè),說明基體金屬的耐磨性明顯低于堆焊層金屬的耐磨性。第三層堆焊金屬的曲線位于最右側(cè),在經(jīng)歷了近千次的循環(huán)后摩擦系數(shù)才開始增大,耐磨性最好,也反映出基體金屬對焊條熔敷金屬的稀釋作用隨堆焊層數(shù)的增加而減小。摩擦特性圖,即摩擦力(Ft)-位移(D)隨微動循環(huán)周次(N)的變化關(guān)系,是微動研究中的又一重要信息,基體金屬45號鋼的摩擦特性圖如圖5所示?？梢钥闯?在微動試驗過程中,所有的摩擦力-位移曲線呈現(xiàn)準平行四邊形狀,說明在每一次的微動循環(huán)中兩接觸體(球、基體金屬或堆焊層金屬)均發(fā)生相對滑移,處于完全滑移區(qū)。圖6為采用焊條CHR237堆焊時第1和第3層堆焊金屬的摩擦特性圖。從摩擦特性圖看,堆焊層金屬的微動摩擦性與基體的相似,也是處于完全滑移狀態(tài)。磨痕的中部區(qū)域存在摩擦學白層或摩擦學轉(zhuǎn)變組織,是在摩擦過程中產(chǎn)生的,具有比基體材料高得多的硬度,在光學顯微鏡下無明顯特征,是產(chǎn)生磨屑的起源地,對材料的摩擦、磨損性能有十分重要的影響。采用焊條CHR237堆焊時第1和第3層堆焊金屬的微動磨痕中心的表面形貌如圖7所示。左側(cè)是摩擦斑中心的全貌圖,右側(cè)是其中心局部放大后的摩擦表面形貌。經(jīng)過104次微動摩擦試驗后,比較第一層與第三層堆焊金屬試驗后摩擦斑中心的形貌可以看到,局部的金屬層脫落,脫落的金屬被碾碎后形成磨屑。在第一層堆焊金屬的摩擦斑中心出現(xiàn)了較為集中、有一定深度的孔隙,有相對較多的小平面,可能是由于材料的硬度較低、塑性較好的原因?qū)е碌?。而在第三層堆焊金屬的摩擦斑中?存在較多的微小裂紋,多數(shù)裂紋走向與微動摩擦運動的方向垂直,局部金屬顆粒脫落較嚴重,可能是因為材料的硬度較高、塑性較差的原因造成的。3堆焊層寬度及微動試驗分析通過對手工電弧堆焊熔敷金屬顯微組織以及不同堆焊熔敷金屬層的微動摩擦試驗結(jié)果的分析討論,可以得出:1)手工電弧堆焊得到的熔敷金屬與基體材料具有良好的冶金結(jié)合性能,不同堆焊焊條得到的過渡層金屬寬度不同。采用焊條CHR207堆焊時過渡層寬度最大,焊條CHR227的次之,焊條CHR237堆焊時得到的過渡層寬度最小。2)分析采用球/平面摩擦副的