论文总字数：18248字

摘 要

本文选用镍基自熔性合金粉末Ni60A 25%WC颗粒在H13钢基体上进行火焰喷焊，采用OLYMPUS-PME3光学显微镜和S-570型扫描电子显微镜对喷焊层组织进行观察并分析；采用显微硬度计测量并比较母材和喷焊层显微硬度；采用MM-200型环-块磨损试验机对母材和喷焊层进行磨损试验。结果表明：喷焊层与基体冶金结合良好，喷焊层组织为WC颗粒分布在基体上，组织致密，没有裂纹，有少量孔洞；由于WC颗粒弥散分布在喷焊层中，使其硬度高于母材，且最大值分布在喷焊层中部；喷焊层耐磨性优于母材，在同样磨损条件下，喷焊层的相对耐磨性是H13基体的9.4倍。

关键词：火焰喷焊、显微组织、显微硬度、耐磨性

Abstract

In this article, flame spray welding is carried out on H13 steel, using Nickel-based self-fluxing alloy powder Ni60A 25% WC particles. OLYMPUS-PME3 optical microscope and S-570 scanning electron microscope are used to observe the microstructure of spray welding layer. The microhardness of base metal and spray welding layer are measured by Micro hardness tester. Using MM-200 ring-block wear testing machine to do wear test analysis on base metal and spray welding layer. The results show that the spray welding layer is well metallurgically combined with the substrate. The microstructure is composed of WC particles distributed on the substrate. The structure is dense, without cracks, but has a small number of hole defects. The hardness of the spray welding layer is higher than the hardness of the base metal due to the WC particles dispersed in the spray welding layer. And the maximum hardness is in the middle of the welding layer. The performance of the spray welding layer is better than that of the base material. Under the same wear conditions, the wear resistance of the spray welding layer is 9.4 times of the substrate.

Key Words：flame spray welding； microstructure； microhardness； wear resistance.

目 录

第一章 绪论 1

1.1前言 1

1.2 H13钢国内外研究现状 1

1.2.1国内外生产H13钢对比 1

1.2.2合金元素对H13钢性能的影响 2

1.2.3热处理对H13钢性能的影响 2

1.2.4强化方法对H13钢性能的影响 3

1.3火焰喷焊研究现状 3

1.3.1火焰喷焊工艺简介 3

1.3.2火焰喷焊粉末研究 4

1.3.3火焰喷焊存在的问题 4

1.4本课题研究目的及意义 5

第二章 实验材料和方法 6

2.1试验材料 6

2.1.1 基体材料 6

2.1.2 喷焊材料 6

2.2试验设备 6

2.2.1 喷涂焊枪 7

2.2.2 显微镜 7

2.2.3 磨损试验机 8

2.3喷焊试验操作 8

2.3.1喷焊前处理 8

2.3.2预热 9

2.3.3喷粉 9

2.3.4重熔 9

2.3.5喷焊工艺参数 9

2.4试验检测内容 10

2.4.1喷焊层显微组织观察 10

2.4.2喷焊层显微硬度测试 10

2.4.3喷焊层耐磨性能测试 10

第三章 实验结果分析与讨论 11

3.1金相组织分析 11

3.1.1喷焊层光学显微镜分析 11

3.1.2喷焊层扫描电镜分析 13

3.2显微硬度分析 15

3.2.1喷焊层显微硬度分析 15

3.2.2 H13钢基体显微硬度分析 16

3.2.3喷焊层与H13基体硬度比较 17

3.3磨损试验分析 17

3.3.1相对耐磨性分析 17

3.3.2磨损形貌分析 17

第四章 结论与展望 20

4.1实验结论 20

4.2实验的不足与展望 20

参考文献 21

致谢 23

附录1 24

附录2 25

第一章 绪论

1.1前言

随着工业技术的快速发展以及工业生产中企业对工具的质量和寿命的要求提高，科学工作者们一直在探索如何制造出高性能的材料，或者通过加工处理使材料的性能加强。模具工业作为制造业基础，被广泛应用在机械、电子、航空、轻工、军工、交通、医疗等各项行业。所以，模具的质量和使用寿命影响到人们生活的各个领域，一个使用寿命高的模具能够在服役条件下较长时间工作，这不仅能减少模具的更换频率，在一些较大模具的车间里也能减轻工作人员的劳动强度。模具使用寿命越低，失效就会越快发生，轻则需要更换或修补模具，严重的还会酿成工业事故，对人力和财力都会造成损失。虽然我国的模具起步相比西方国家晚，但我国的发展十分迅速，在2013年的制造增加值超越美国位居第一^[1]。然而发展快必然也会带来附加问题，那就是产量剩余。目前我国市场上流通的模具已有低端模具供过于求，高端模具供不应求的趋势，并且我国自主生产的模具很难达到精密零件的要求,大部分的精密模具还需要从国外引进。

H13钢作为目前最常见的热作模具钢，具有优异的综合力学性能，在锤锻模、挤压模、模锻模、压铸模等领域中应用广泛。但在复杂的加工条件和恶劣的服役环境下很容易出现开裂等缺陷导致模具失效，因此人们需要不断对热作模具钢的失效形式及原理进行分析，找出能够提高热作模具钢寿命的方法，从而提高材料的使用寿命。常用强化钢种的方法主要分为三大类。第一类是通过控制热处理工艺参数来达到强化的效果，例如控制退火、回火温度等；第二类是向钢中添加合金元素来强化；第三类是通过表面处理方法，如等离子堆焊、火焰喷焊、激光熔敷等，对表面层进行性能的强化，以防开裂。

1.2 H13钢国内外研究现状

1.2.1国内外生产H13钢对比

H13钢国产牌号为4Cr5MoSiV1，为中碳热作模具钢，在中温区间的综合性能好，淬透性高，热处理变形率低^[2]。为了研究H13钢的研究现状以及找出国内外生产的H13钢的差异，佟倩等人对比分析了进口与国产H13钢的化学成分、冲击韧性、回火稳定性和显微组织的区别。研究发现两种H13钢的成分含量接近，但国产H13钢的Cr含量要低于进口H13钢，引起钢材耐热变形性能的改变。通过观察两种钢的显微组织发现，进口H13钢的碳化物尺寸比国产H13钢要小，晶粒越细小一定体积内晶粒数目越多，在相同外力的作用下，晶粒内部和晶界的应变相差更小，变形时更加均匀，由应力集中引起的裂纹几率变小且晶界具有阻止裂纹传播的作用，因而材料的力学性能更好。实验也测得进口H13钢的退火态试样冲击吸收能量的横—纵比为0.82，而国产H13钢的测量值为0.66。在试验测量的数据中，国产H13钢的室温冲击性能、热稳定性、硬度均要差于进口钢。在对其回火组织的观察发现，两种钢在600℃下保温20h后，都发生了马氏体回复和碳化物的粗化，但进口钢的显微组织中仍能观察到马氏体的板条形貌，而国产钢中碳化物严重粗化，已经观察不到马氏体形貌^[3]。

1.2.2合金元素对H13钢性能的影响

市场上常见的H13钢所含元素一般包括C、Si、Mn、Cr、Mo、V等元素，大致可以将它们归为三类。第一类为基体元素C，其含量在0.32~0.45%之间，主要是使钢材获得良好的硬度和韧性。第二类是提高钢的淬透性元素如Mn、Cr等，这些元素能改善焊缝结晶，并且Mn具有一定的脱S作用，因为Mn对S的亲和力大于Fe与S的亲和力，避免了FeS的形成，从而减小热裂纹产生的几率。第三类是产生二次硬化元素如Mo、V，由于钢种淬火后需进行回火工艺，当温度控制不好时可能会使钢材发生回火脆性导致硬度下降，此时若存在二次硬化元素，则可以一定程度上抵消这种效果^[4]。

除了钢种中常添加的合金元素外，王永建等人研究了微量的Ti含量对于H13钢的性能影响。实验得到结论为：随着Ti含量的增加，H13钢的硬度和抗拉强度都呈现先增大后减小的趋势。两者变化存在的最大值分别为51.5HRC和1788MPa，该值出现在Ti含量为0.127%处。除此之外，微量元素Ti的添加也对钢的断后延伸率、断后收缩率和高温回火硬度有益^[5]。Elias C N等人实验得出，用铌元素代替钒元素可以使H13钢具有更加细小的奥氏体晶粒，从而获得更优良的组织和性能。曹小军等人设计实验验证了这一结论，并在此基础上测出Nb元素的最佳含量应小于0.03%^[6]。

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