热轧支承辊堆焊合金制备与稀土作用机理研究

发布时间：2017-03-23 08:18

  本文关键词：热轧支承辊堆焊合金制备与稀土作用机理研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：堆焊技术是绿色再制造技术领域中的关键技术之一。采用堆焊技术对废旧零部件进行再制造,不仅可以恢复其形状和尺寸,而且可以使再制造后的零部件具有较高的抗磨损性能、抗热疲劳性能以及抗腐蚀性能等特点。与其它再制造技术相比,堆焊技术具有涂层与母材结合强度高,适用性广和价格低廉等特点,已经越来越广泛的应用到现代工业生产之中。本文以传统Cr5热轧支承辊材料为研究对象,自行研制新型热轧支承辊堆焊用药芯焊丝,并对其堆焊合金的显微组织进行初步表征,并以此为基础,对堆焊过程中的焊接工艺进行优化。通过对不同回火条件下堆焊合金进行显微组织观察和硬度测定,确定最佳回火工艺,特别是对在中高碳合金钢中经常出现的冷作硬化现象进行研究。在此基础上,综合研究稀土氧化物La2O3加入量对堆焊合金显微组织及力学性能的影响。同时,采用第一性原理中的密度泛函理论,从能量学角度,对稀土夹杂物La Al O3作为γ-Fe和α-Fe的非自发形核核心的机理进行了分析,并对稀土元素La在γ-Fe和α-Fe中的固溶规律进行了预测。相图计算结果表明,加入合金元素Ni和Mn可以明显扩大堆焊合金的奥氏体相区;加入合金元素Mo和V可以分别促进堆焊合金中M6C和MC型碳化物的析出。新型支承辊药芯焊丝堆焊合金在焊态下显微组织由马氏体、残余奥氏体和少量碳化物组成,其晶界处存在着白色网状的高合金马氏体。高合金马氏体在高倍电子显微镜下呈大块状,平均纳米压痕硬度为14.33 GPa,其合金元素含量高于普通马氏体,经过回火之后,合金元素含量迅速降低,降低程度约为30%。高合金马氏体和普通马氏体均为体心正方结构,但是其晶格结构有所差别,与普通马氏体相比,高合金马氏体c轴方向长度增加。焊接热输入量选取为23.5~27.0 J/mm,以保证堆焊合金具有优良的使用性能。堆焊合金焊后在480 oC回火8h具有最为优良的使用性能。当堆焊合金中的残余奥氏体体积分数较高时,在疲劳循环作用的压应力下,其将会自发向马氏体发生转变,即出现冷作硬化现象,当残余奥氏体体积分数降低到4.9 vt.%时,该转变不再发生。冷作硬化过程中,各取向的残余奥氏体晶粒优先向[001]和[101]取向的马氏体晶粒转变。随着La2O3加入量由0 wt.%增加到4.98 wt.%,堆焊合金原奥氏体晶粒尺寸先减小后增大,当La2O3加入量为3.32 wt.%,堆焊合金的原奥氏体晶粒最为细小,平均晶粒尺寸为18μm;同时,堆焊合金中残余奥氏体量由18.4 vt.%增多到25.4 vt.%后基本不变,而高合金马氏体量由19.6 vt.%逐步降低到了7.7 vt.%。堆焊合金的硬度、耐磨性、强度和韧性均出现先增加后降低的趋势,当La2O3加入量为3.32 wt.%时,堆焊合金的各项性能均达到最大值:其中堆焊合金硬度为HRC 50.4,单位时间内磨粒磨损失重量为0.13 g/h,抗拉强度和屈服强度为1502 MPa和1334 MPa,冲击吸收功为7.10 J/cm2。对于两种终止结构的La Al O3(100)/无碳γ-Fe(100)界面,当△μLa处于范围(-14.46 e V,-14.08 e V)和(-1.402 e V,-1.025 e V)时,Al O2终止型和La O终止型界面的界面能分别满足La Al O3/无碳γ-Fe异质形核对界面能的要求。对于La Al O3(100)/含碳γ-Fe(100)界面,当△μLa较低时,部分Al O2终止型界面(Al O2-含C、Al O2-不含C)界面能符合La Al O3/含碳γ-Fe异质形核对界面能的要求;随着△μLa增加到较高的范围时,Al O2终止型界面不能再作为La Al O3/含碳γ-Fe异质形核界面,而La O终止型界面,尤其是La O-含C型界面更为满足相应要求。对于La O终止结构的La Al O3(100)/α-Fe(100)界面和La Al O3(100)/α-Fe(110)界面,La的化学势△μLa分别处于范围(-2.447 e V,-2.064 e V)和(-1.009 e V,-0.722 e V)时,La Al O3(100)/α-Fe(100)界面和La Al O3(100)/α-Fe(110)界面的界面能处于0 J/m2~0.204 J/m2之间,说明此时上述两界面可以作为La Al O3/α-Fe的异质形核界面。对于不同位置La原子固溶的γ-Fe(α-Fe)超胞,置换固溶γ-Fe(α-Fe)超胞的稳定性、电离度、变形抗性和刚度均要优于间隙固溶γ-Fe(α-Fe)超胞,而其塑性、金属性和各向异性则差于间隙固溶γ-Fe(α-Fe)超胞。
【关键词】：热轧支承辊 药芯焊丝 堆焊 稀土氧化物 马氏体相变 力学性能 第一性原理
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG455
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第1章 绪论14-32
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义14-15
• 1.2 堆焊修复与再制造15-19
• 1.2.1 堆焊技术特点15-17
• 1.2.2 堆焊技术应用17-19
• 1.3 堆焊合金研究进展19-26
• 1.3.1 堆焊合金种类19-21
• 1.3.2 铁基堆焊合金组织与性能的研究21-26
• 1.4 稀土元素作用研究现状26-29
• 1.4.1 变质夹杂作用26-27
• 1.4.2 细化组织作用27-28
• 1.4.3 固溶作用28-29
• 1.5 第一性原理的应用29-31
• 1.5.1 第一性原理在体相研究方向的应用29-30
• 1.5.2 第一性原理在表面和界面研究方向的应用30-31
• 1.6 本文的研究目的与内容31-32
• 第2章 实验材料与方法32-41
• 2.1 堆焊合金制备32-34
• 2.1.1 药芯焊丝制备32-33
• 2.1.2 堆焊合金试样制备33-34
• 2.2 热处理实验34
• 2.3 组织表征34-36
• 2.3.1 成分测定34-35
• 2.3.2 光学显微镜观察35
• 2.3.3 XRD分析35
• 2.3.4 差热分析35-36
• 2.3.5 场发射扫描电子显微镜观察36
• 2.3.6 背散射扫描电子显微镜观察36
• 2.3.7 透射电子显微镜观察36
• 2.4 性能测试36-39
• 2.4.1 硬度测定36-37
• 2.4.2 摩擦磨损试验37-38
• 2.4.3 抗拉-屈服强度的测定38
• 2.4.4 冲击韧性的测定38-39
• 2.4.5 接触疲劳试验39
• 2.5 计算方法39-41
• 2.5.1 热力学计算方法39
• 2.5.2 第一性原理计算方法39-41
• 第3章 新型支承辊药芯焊丝的研制及堆焊合金显微组织表征41-66
• 3.1 新型支承辊药芯焊丝堆焊合金的成分设计41-46
• 3.1.1 C含量对支承辊用钢的影响41-42
• 3.1.2 Ni含量对支承辊用钢的影响42-43
• 3.1.3 Mn含量对支承辊用钢的影响43
• 3.1.4 Mo含量对支承辊用钢的影响43-45
• 3.1.5 V含量对支承辊用钢的影响45-46
• 3.2 堆焊合金显微组织表征及高合金马氏体确定46-54
• 3.2.1 焊态堆焊合金显微组织观察与相结构分析46-47
• 3.2.2 堆焊合金回火后显微组织观察及相结构分析47-49
• 3.2.3 堆焊合金纳米压痕测试49-50
• 3.2.4 堆焊层金属中高合金马氏体的表征50-54
• 3.3 焊接热输入量的优化54-64
• 3.3.1 焊接热输入量对焊接结合性的影响55-56
• 3.3.2 焊接热输入量对堆焊合金显微组织的影响56-58
• 3.3.3 焊接热输入量对堆焊合金熔池温度及淬透性的影响58-60
• 3.3.4 焊接热输入量对堆焊合金硬度及耐磨性的影响60-62
• 3.3.5 焊接热输入量对堆焊合金韧性的影响62-64
• 3.4 本章小结64-66
• 第4章 堆焊合金焊后回火工艺优化及冷作硬化现象的研究66-84
• 4.1 回火工艺优化66-71
• 4.1.1 不同温度回火后堆焊合金硬度分析66-67
• 4.1.2 不同回火时间后堆焊合金硬度分析67-68
• 4.1.3 480 oC回火温度下不同回火时间后堆焊合金金相组织分析68-71
• 4.2 冷作硬化现象的研究71-76
• 4.2.1 不同接触疲劳循环次数后堆焊合金硬度71-72
• 4.2.2 不同接触疲劳循环次数后堆焊合金相结构72-74
• 4.2.3 不同接触疲劳循环次数后堆焊合金显微组织74-75
• 4.2.4 堆焊合金接触疲劳循环前后EBSD形貌75-76
• 4.3 实际支承辊堆焊后回火方式确定76-78
• 4.4 冷作硬化现象的能量学分析78-82
• 4.4.13D模型建立78-79
• 4.4.2 稳定性判定79-80
• 4.4.3 相变压强判定80-82
• 4.5 本章小结82-84
• 第5章 La_2O_3对堆焊合金显微组织及力学性能的影响84-99
• 5.1 La_2O_3加入量对堆焊合金显微组织的影响84-89
• 5.1.1 不同La_2O_3加入量堆焊合金的显微组织形貌84-86
• 5.1.2 不同La_2O_3加入量堆焊合金的XRD图谱86-87
• 5.1.3 不同La_2O_3加入量堆焊合金的原奥氏体晶粒尺寸87-89
• 5.2 La_2O_3加入量对堆焊合金力学性能的影响89-96
• 5.2.1 不同La_2O_3加入量堆焊合金的硬度89
• 5.2.2 不同La_2O_3加入量堆焊合金的强度89-91
• 5.2.3 不同La_2O_3加入量堆焊合金的磨粒磨损耐磨性91-92
• 5.2.4 不同La_2O_3加入量堆焊合金的粘着磨损耐磨性92-94
• 5.2.5 不同La_2O_3加入量堆焊合金的冲击韧性94-96
• 5.3 La_2O_3加入对堆焊合金显微组织影响的机制分析96-97
• 5.4 本章小结97-99
• 第6章 LaAlO_3细化 γ-Fe和 α-Fe及La原子在 γ-Fe和 α-Fe中固溶的第一性原理计算99-142
• 6.1 第一性原理计算的量子学基础100-101
• 6.2 LaAlO_3细化 γ-Fe的第一性原理计算101-117
• 6.2.1 晶格结构101-102
• 6.2.2 体相性能102-104
• 6.2.3 表面性能104-110
• 6.2.4 界面结构和性质110-117
• 6.3 LaAlO_3细化 α-Fe的第一性原理计算117-125
• 6.3.1 晶格结构117-118
• 6.3.2 体相性能118
• 6.3.3 表面性能118-119
• 6.3.4 界面结构和性质119-125
• 6.4 La原子在 γ-Fe中固溶的第一性原理计算125-134
• 6.4.1 晶格结构125-127
• 6.4.2 稳定性计算127-128
• 6.4.3 弹性性能128-130
• 6.4.4 电子结构130-134
• 6.5 La原子在 α-Fe中固溶的第一性原理计算134-141
• 6.5.1 晶格结构135-136
• 6.5.2 稳定性计算136-137
• 6.5.3 弹性性能137-138
• 6.5.4 电子结构138-141
• 6.6 本章小结141-142
• 结论142-144
• 参考文献144-157
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果157-161
• 致谢161-163
• 作者简介163

【参考文献】

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本文编号：263305