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1、稀土對TIC基金屬陶瓷耐磨堆焊材料組織性能的影響陜西航空職業(yè)技術(shù)學院專業(yè)：焊接技術(shù)及自動化姓名：周國剛學號:28摘要：應用掃描電鏡、透射電鏡等測試手段和沖擊試驗、磨損試驗，研究了(基金屬陶瓷堆焊材料中加入稀土氧化物，對堆焊材料的組織、界面相結(jié)構(gòu)、顯微硬度、沖擊韌性和磨損性能的影響，初步探討了稀土氧化物改善界面顯微結(jié)構(gòu)、提高胎體金屬韌性的作用機制。研究結(jié)果表明，稀土氧化物能細化堆焊層胎體金屬組織，消除胎體金屬的缺陷，細化胎體金屬斷口韌窩并使撕裂棱數(shù)量增加，提高堆焊層沖擊韌性性塑性，促使金屬基陶瓷與胎體金屬界面形成多晶過渡區(qū)和局部非晶態(tài)物相，提高界面的結(jié)合強度。稀土氧化物的加入對胎體金屬顯
2、微硬度的影響不大，但能顯著提高堆焊層干摩擦磨損狀態(tài)下的耐磨性，具有一定的減摩作用。關(guān)鍵詞：稀土氧化物；(基金屬陶瓷；組織結(jié)構(gòu)；力學性能；耐磨性金屬陶瓷復合耐磨堆焊材料由軟的胎體金屬和金屬陶瓷顆粒組成，具有高的耐磨性和較高抗沖擊性能，已經(jīng)廣泛地應用于石油、煤炭、地質(zhì)和礦山等工業(yè)中一些受嚴重磨損工件工作面的堆焊，尤其作為油田井下作業(yè)中的磨鞋、銑鞋、扶正器等工具的強化材料，已取得很大的經(jīng)濟效益。其中耐磨相主要采用1(基金屬陶瓷，其耐磨性相對較低。而(2）基金屬陶瓷不僅具有密度低，彈性模量、硬度和強度高，高溫抗氧化性、耐蝕性和耐磨性好，而且其強韌性是陶瓷的兩倍多［3］，因此，如果能利用金屬基陶
3、瓷部分或全部代替現(xiàn)有的金屬陶瓷，將具有重要的經(jīng)濟意義。但是由于(基金屬陶瓷的焊接性較差，與胎體金屬的潤濕性差，堆焊時熔池的流動性差，導致成形不良。為了改善堆焊層的組織性能，本文嘗試在胎體金屬中加入少量的稀土元素，研究稀土元素對堆焊材料組織性能的影響。1.試驗材料及方法試驗用金屬基陶瓷及胎體金屬的主要化學成分及性能見表。將金屬陶瓷顆粒、釬料及稀土元素按一定的比例混合，并加入適量的特制熔劑，置于石墨模中，入電阻爐中加熱制備成的棒狀焊條，采用碳弧堆焊方法堆焊到,"鋼表面，并利用線切割方法將堆焊層制備成各種試樣。應用光學顯微鏡、型掃描電鏡對堆焊層的組織進行觀察與分析，采用型透射電鏡觀察金屬基陶
4、瓷與胎體金屬結(jié)合界面的組織形貌。采用=(型擺錘式?jīng)_擊試驗機進行無缺口試樣的沖擊試驗，摩擦磨損試驗在型磨損試驗機上進行，下試樣為金屬陶瓷環(huán)狀試樣，試驗條件為：塊5環(huán)接觸滑動干摩擦方式，法向載荷為2%，滑動速度8.9%，滑動距離39。用工具顯微鏡和測長儀測定磨痕長度!和寬度計算磨損體積，其中是下試樣半徑。2.試驗結(jié)果與分析顯微組織與相結(jié)構(gòu)稀土氧化物對胎體金屬顯微組織的影響在堆焊過程中由于金屬陶瓷顆粒不熔化，其組織、性能變化不大。但胎體金屬的組織性能對堆焊層的韌性、成形性能等影響很大。圖1為堆焊層胎體金屬的顯微組織。當不加入稀土氧化物時，堆焊層的組織主要是粗大的胞狀枝晶（圖6（3）），具有明
5、顯的方向性，同時局部區(qū)域產(chǎn)生缺陷（見圖6（A））；而添加稀土氧化物后胎體金屬的顯微組織得到顯著細化（圖6），堆焊層中的缺陷消除。上述組織特征形成的主要原因是：在未加入稀土氧化物時，由于焊后胎體金屬的冷卻速度較快，熔池中胞狀枝晶具有定向凝固特征，且由于溫度降低金屬的粘度增加，液態(tài)金屬的流動性變差，從而形成缺陷；加入稀土氧化物后，雖然具有較高的穩(wěn)定性，但仍有一部分稀土氧化物在高溫電弧作用下分解形成活性離子，吸附在晶核原子表面阻礙晶核在較大過冷度下的快速長大；還有一部分稀土氧化物作為夾雜物成為非均勻形核的核心，促進胎體金屬的形核，從而起到細晶變質(zhì)作用。其作為夾雜物非均勻形核能力的大小取決于夾
6、雜物作為形核基底與結(jié)晶相之間的界面能，而基底與結(jié)晶相間的點陣錯配度是決定界面能的主要因素。根據(jù)定義的二維錯配度的定義進行計算.與面心立方結(jié)構(gòu)!相的錯配度，結(jié)果表明，稀土夾雜物作為胎體金屬!相的非均勻形核的核心是相當有效的。稀土對金屬陶瓷與胎體金屬界面結(jié)構(gòu)的影響堆焊時胎體金屬與金屬陶瓷結(jié)合是通過元素的擴散、反應，形成固溶體或共晶體。在沒有加入稀土元素時，界面上的組織基本上是!等物相，往往由于冷卻速度較大，界面上產(chǎn)生很大的應力，在組織內(nèi)形成大量的位錯及滑移線。當加入稀土元素后，界面層的物相較復雜，而且在金屬基陶瓷周圍包覆一層的細晶過渡層（圖4（3）、（A）），甚至在局部區(qū)域胎體金屬形成的非
7、晶玻璃相（見圖4，該相的能譜分析見圖4（N），其成分，質(zhì)量分數(shù)）等元素在該處聚集。形成非晶態(tài)物相的機制目前尚不清楚，可能是由于界面處存在大量的缺陷（位錯、晶界），使稀土原子首先在表面缺陷處吸附，同時還將大量的等原子也帶到這些缺陷處，大大降低該處基體的圖6堆焊層胎體金屬的顯微組織特征（3）不加稀土的胎體金屬顯微組織；（A）不加稀土的胎體金屬局部缺陷；加稀土后胎體金屬顯微組織特征王新洪等RE對TIC基金屬陶瓷耐磨堆焊材料組織性能的影響圖2加入稀土后
