外加直流磁场对等离子弧堆焊层组织及性能的影响研究

论文摘要

科学技术的不断进步及工业的迅速发展,促使机械化、自动化程度的不断提高,并对机械设备和零件的使用寿命提出了更高的要求。磨损作为三大失效形式之一,由其引起的危害越来越被人们重视,减少磨料磨损与提高机械耐磨性具有重要的经济意义。电磁作用焊接技术是近年来才发展并完善起来的一种新的焊接技术,应用日趋广泛。外加磁场改变了电弧和熔池的传质、传热过程,影响堆焊层的结晶形核过程,对提高堆焊层性能有积极的作用。本课题采用等离子弧堆焊设备将铁基、镍基及钴基合金粉末分别堆焊到低碳钢表面,并在堆焊过程中分别施加直流横向和直流纵向磁场。通过对不同磁场参数下堆焊层进行硬度、磨损试验,研究磁场参数对堆焊层力学性能的影响规律；通过对不同磁场参数下堆焊层的显微组织进行OM, SEM, XRD、EDX分析,研究磁场参数对堆焊层显微组织的影响规律；通过对比分析方式,研究两种磁场形态下同种材料堆焊层力学性能和显微组织,揭示两种不同状态磁场对提高堆焊层性能的作用机理,分析其中的差异性并确定最佳磁场形式。得到以下主要结果：1、直流纵向磁场状态下,最佳堆焊电流、磁场电流及堆焊层性能为：对于铁基合金而言,最佳工艺参数出现在堆焊电流为160A,磁场电流为3A处,此时堆焊层的硬度达到最大值68HRC,磨损量达到最小值0.0117g；对于镍基合金而言,最佳工艺参数出现在堆焊电流为140A,磁场电流为1A处,此时堆焊层的硬度达到最大值54.4HRC,磨损量达到最小值0.3340g；对于钴基合金而言,最佳工艺参数出现在堆焊电流为160A,磁场电流为3A处,此时堆焊层的硬度达到最大值43.7HRC,磨损量达到最小值0.5493g。2、对于直流横向磁场状态下,最佳堆焊电流、磁场电流及堆焊层性能为：当磁场电流为3A,堆焊电流为180A时,铁基合金堆焊层的力学性能达到最佳值,此时硬度为76.3HRC,磨损量为0.0183g；当磁场电流为2A,堆焊电流为140A时,镍基合金堆焊层的性能达到最佳值,此时,堆焊层的硬度为66.3HRC,磨损量为0.0767g；当磁场电流都为3A,堆焊电流为160A时,钴基合金堆焊层的性能达到最佳值,此时,堆焊层的硬度为56HRC,磨损量为0.4442g。3、对于铁基堆焊合金而言,横向磁场对硬度的提高效果明显优于纵向磁场,而对于磨损量,纵向磁场的作用效果比横向磁场明显。其原因为：纵向磁场状态下堆焊层中的硬质相以“六边形”形态弥散分布在基体中,而在横向磁场中虽然硬质相的数量不比纵向少,但是其中有一大部分以“长条形”出现在堆焊层中,这对提高堆焊层的硬度有利,但对提高耐磨性不利。对于镍基堆焊合金而言,直流横向磁场对提高堆焊层的硬度和耐磨性的作用效果均比直流纵向磁场明显。对于钴基堆焊合金而言,在合适的磁场参数下,直流横向磁场对堆焊层的强化效果优于直流纵向磁场。4、无论所加磁场的位置如何,外加磁场都将与电弧和熔池相互作用,使熔池发生旋转运动,形成电磁搅拌作用。电磁搅拌作用在合适的磁场强度下,可以细化堆焊层的组织,改善堆焊层中硬质相的分布形态和数量,提高堆焊层的宏观力学性能。但是,磁场强度不能过大,否则将产生电磁阻尼作用,致使堆焊层组织粗大而使堆焊层的性能下降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 磨损概述
• 1.1.1 磨损的定义和分类
• 1.1.2 抗磨材料的磨损机理
• 1.2 堆焊技术的应用
• 1.2.1 堆焊技术
• 1.2.2 耐磨堆焊材料发展现状
• 1.3 磁场的引入
• 1.3.1 电磁搅拌的作用
• 1.3.2 电磁搅拌应用前景
• 1.4 课题研究内容及意义
• 第二章 实验材料、设备及方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验方法及步骤
• 2.2.1 实验准备
• 2.2.2 堆焊实验
• 2.2.3 试样加工
• 2.2.4 硬度实验
• 2.2.5 磨损实验
• 2.2.6 金相实验
• 2.2.7 EDS与XRD分析
• 第三章 直流纵向磁场作用下堆焊层组织及力学性能的研究
• 3.1 铁基合金在直流纵向磁场作用下组织及力学性能的研究
• 3.1.1 堆焊电流对铁基合金堆焊层力学性能的影响
• 3.1.2 磁场电流对铁基合金堆焊层力学性能的影响
• 3.1.3 铁基合金堆焊层的显微组织
• 3.2 镍基合金在直流纵向磁场作用下组织及力学性能的研究
• 3.2.1 堆焊电流对镍基合金堆焊层力学性能的影响
• 3.2.2 磁场电流对镍基合金堆焊层力学性能的影响
• 3.2.3 镍基合金堆焊层的显微组织
• 3.3 钴基合金在直流纵向磁场作用下组织及力学性能的研究
• 3.3.1 堆焊电流对钴基合金堆焊层力学性能的影响
• 3.3.2 磁场电流对钴基合金堆焊层力学性能的影响
• 3.3.3 钴基合金堆焊层的显微组织
• 3.4 本章小结
• 第四章 直流横向磁场作用下堆焊层组织及力学性能的研究
• 4.1 铁基合金在直流横向磁场作用下组织及力学性能的研究
• 4.1.1 堆焊电流对铁基合金堆焊层力学性能的影响
• 4.1.2 磁场电流对铁基合金堆焊层力学性能的影响
• 4.1.3 铁基合金堆焊层的显微组织
• 4.2 镍基合金在直流横向磁场作用下组织及力学性能的研究
• 4.2.1 堆焊电流对镍基合金堆焊层力学性能的影响
• 4.2.2 磁场电流对镍基合金堆焊层力学性能的影响
• 4.2.3 镍基合金堆焊层的显微组织
• 4.3 钴基合金在直流横向磁场作用下组织及力学性能的研究
• 4.3.1 堆焊电流对钴基合金堆焊层力学性能的影响
• 4.3.2 磁场电流对钴基合金堆焊层力学性能的影响
• 4.3.3 钴基合金堆焊层的显微组织
• 4.4 本章小结
• 第五章 不同磁场形态下堆焊层组织及力学性能的对比分析
• 5.1 不同磁场形态下铁基合金堆焊层组织性能对比分析
• 5.1.1 堆焊电流对铁基合金堆焊层力学性能的影响
• 5.1.2 磁场电流对铁基堆焊层力学性能的影响
• 5.1.3 铁基合金堆焊层显微组织的分析
• 5.2 不同磁场形态下镍基合金堆焊层组织性能对比分析
• 5.2.1 堆焊电流对镍基合金堆焊层力学性能的影响
• 5.2.2 磁场电流对镍基合金堆焊层力学性能的影响
• 5.2.3 镍基合金堆焊层显微组织的分析
• 5.3 不同磁场形态下钴基合金堆焊层组织性能对比分析
• 5.3.1 磁场电流对钴基合金堆焊层力学性能的影响
• 5.3.2 钴基合金堆焊层显微组织的分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 直流磁场对堆焊层作用机理的研究
• 6.1 直流纵向磁场作用下堆焊层结晶形核过程
• 6.1.1 直流纵向磁场对电弧的作用机理
• 6.1.2 直流纵向磁场下电磁搅拌的产生
• 6.1.3 直流纵向磁场下电磁搅拌对堆焊层中硬质相数目的影响
• 6.1.4 直流纵向磁场下电磁搅拌对硬质相形态分布的影响
• 6.1.5 直流纵向磁场对堆焊层金属性能的作用机理
• 6.2 直流横向磁场作用下堆焊层结晶形核过程
• 6.2.1 直流横向磁场对电弧受力及熔池的影响
• 6.2.2 直流横向磁场对晶粒形核和细化的影响
• 6.2.3 直流横向磁场对堆焊层性能的影响
• 6.3 过强磁场电流的负面影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢