稀土對(duì)tic基金屬陶瓷耐磨堆焊材料組織性能的影響

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1、稀土對(duì)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(xué)院專業(yè)：焊接技術(shù)及自動(dòng)化姓名：周國(guó)剛學(xué)號(hào):28摘要：應(yīng)用掃描電鏡、透射電鏡等測(cè)試手段和沖擊試驗(yàn)、磨損試驗(yàn)，研究了(基金屬陶瓷堆焊材料中加入稀土氧化物，對(duì)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(jī)制。研究結(jié)果表明，稀土氧化物能細(xì)化堆焊層胎體金屬組織，消除胎體金屬的缺陷，細(xì)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(qiáng)度。稀土氧化物的加入對(duì)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(xué)性能；耐磨性金屬陶瓷復(fù)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(yīng)用于石油、煤炭、地質(zhì)和礦山等工業(yè)中一些受嚴(yán)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(qiáng)化材料，已取得很大的經(jīng)濟(jì)效益。其中耐磨相主要采用1(基金屬陶瓷，其耐磨性相對(duì)較低。而(2）基金屬陶瓷不僅具有密度低，彈性模量、硬度和強(qiáng)度高，高溫抗氧化性、耐蝕性和耐磨性好，而且其強(qiáng)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(jì)意義。但是由于(基金屬陶瓷的焊接性較差，與胎體金屬的潤(rùn)濕性差，堆焊時(shí)熔池的流動(dòng)性差，導(dǎo)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(duì)堆焊材料組織性能的影響。1.試驗(yàn)材料及方法試驗(yàn)用金屬基陶瓷及胎體金屬的主要化學(xué)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(yīng)用光學(xué)顯微鏡、型掃描電鏡對(duì)堆焊層的組織進(jìn)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(yàn)機(jī)進(jìn)行無缺口試樣的沖擊試驗(yàn)，摩擦磨損試驗(yàn)在型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，下試樣為金屬陶瓷環(huán)狀試樣，試驗(yàn)條件為：塊5環(huán)接觸滑動(dòng)干摩擦方式，法向載荷為2%，滑動(dòng)速度8.9%，滑動(dòng)距離39。用工具顯微鏡和測(cè)長(zhǎng)儀測(cè)定磨痕長(zhǎng)度!和寬度計(jì)算磨損體積，其中是下試樣半徑。2.試驗(yàn)結(jié)果與分析顯微組織與相結(jié)構(gòu)稀土氧化物對(duì)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(duì)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(dāng)不加入稀土氧化物時(shí)，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(shí)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(xì)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(shí)，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(dòng)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(zhǎng)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(jìn)胎體金屬的形核，從而起到細(xì)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(diǎn)陣錯(cuò)配度是決定界面能的主要因素。根據(jù)定義的二維錯(cuò)配度的定義進(jìn)行計(jì)算.與面心立方結(jié)構(gòu)!相的錯(cuò)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(dāng)有效的。稀土對(duì)金屬陶瓷與胎體金屬界面結(jié)構(gòu)的影響堆焊時(shí)胎體金屬與金屬陶瓷結(jié)合是通過元素的擴(kuò)散、反應(yīng)，形成固溶體或共晶體。在沒有加入稀土元素時(shí)，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(yīng)力，在組織內(nèi)形成大量的位錯(cuò)及滑移線。當(dāng)加入稀土元素后，界面層的物相較復(fù)雜，而且在金屬基陶瓷周圍包覆一層的細(xì)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?jǐn)?shù)）等元素在該處聚集。形成非晶態(tài)物相的機(jī)制目前尚不清楚，可能是由于界面處存在大量的缺陷（位錯(cuò)、晶界），使稀土原子首先在表面缺陷處吸附，同時(shí)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(duì)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