T10钢堆焊组织及性能研究.docx
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T10钢堆焊组织及性能研究
毕业设计(论文)诚信声明
本人郑重声明:
所呈交的毕业设计(论文)是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
就我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果,也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。
如在文中涉及抄袭或剽窃行为,本人愿承担由此而造成的一切后果及责任。
本人签名___________
导师签名__________
年月日
华东交通大学毕业设计(论文)任务书
姓名
学号
20090310040216
毕业届别
2013届
专业
材料成型及控制工程
毕业设计(论文)题目
T10钢堆焊组织及性能研究
指导教师
周泽杰
学历
硕士
职称
讲师
具体要求:
1、了解T10钢的成分、性能、用途等要素;熟悉手弧堆焊的基本原理
2、以T10钢为研究对象进行表面堆焊实验,以提高其表面硬度、耐磨性、耐腐蚀等性能;
3、根据设计方案的实验要求,选择相关仪器设备,了解实验仪器设备的基本原理及使用方法;
4、学习并熟悉运用手弧焊机进行焊接操作;
5、进行金相试样制备,利用光学显微镜和扫描电镜观察焊接接头微观组织;
6、利用维氏硬度计测量接头硬度,分析堆焊对硬度的影响
7、编写设计说明书一份,要求内容详实,措辞准确,具有较好的可读性,版式遵照学校决定
8、外文文献翻译,按学校要求完成
进度安排:
2012.12.25~第1周:
接受设计任务;相关文献查询;第2周:
开题第3周:
购置相关材料;专业外文文献翻译;第4周~第5周:
练习与熟悉焊接实践,焊接前试样准备、切割;第6周~第7周:
试样、焊条烘干;堆焊实验;第8周~第9周:
堆焊接头试样制备;焊接接头形貌和微观组织观察;第10周~第11周:
能谱分析接头元素;第12周:
接头硬度测试;第13周~第14周:
编写设计说明书;5月31日上交毕业设计论文;第15周:
指导教师评阅毕业设计论文时间,并完成指导教师评阅意见的填写。
指导教师签字:
2012年11月20日
教研室意见:
同意
教研室主任签字:
2012年11月20日
题目发出日期
2012.11
设计(论文)起止时间
2013.6
附注:
华东交通大学毕业设计(论文)开题报告书
课题名称
T10钢堆焊组织及性能研究
课题来源
B
课题类型
Y
导师
学生姓名
学号
20090310040216
专业
材料成型及控制工程
开题报告内容:
堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法,越来越广泛地应用于各个工业部门零件的制造修复中。
为了最有效地发挥堆焊层的作用,希望采用的堆焊方法有较小的母材稀释、较高的熔敷速度和优良的堆焊层性能,即优质、高效、低稀释率的堆焊技术。
论文写作进度安排开题报告内容:
堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法,越来越广泛地应用于各个工业部门零件的制造修复中。
为了最有效地发挥堆焊层的作用,希望采用的堆焊方法有较小的母材稀释、较高的熔敷速度和优良的堆焊层性能,即优质、高效、低稀释率的堆焊技术。
论文写作进度安排第1周:
接受设计任务;相关文献查询;第2周:
开题第3周:
购置相关材料;专业外文文献翻译;第4周~第5周:
练习与熟悉焊接实践,焊接前试样准备、切割;第6周~第7周:
试样、焊条烘干;堆焊实验;第8周~第9周:
堆焊接头试样制备;焊接接头形貌和微观组织观察;第10周~第11周:
能谱分析接头元素;X射线衍射仪物相分析;第12周:
表面摩擦磨损实验与分析;接头硬度测试;第13周~第14周:
编写设计说明书;5月31日上交毕业设计论文;第15周:
指导教师评阅毕业设计论文时间,并完成指导教师评阅意见的填写。
方法及预期目的:
1、运用手弧焊机进行焊接操作,得到需要的焊接街头。
2、进行金相试样制备,利用光学显微镜和扫描电镜观察焊接接头微观组织,观察组织的变化。
3、利用维氏硬度计测量接头硬度,分析堆焊对硬度的影响。
4、进行能谱分析,分析合金元素含量的变化。
5、对其中一个试样进行焊后热处理,对比焊后热处理后的组织及性能的变化。
指导教师签名:
日期:
2012年11月20日
课题类型:
(1)A—工程设计;B—技术开发;C—软件工程;D—理论研究;
(2)X—真实课题;Y—模拟课题;Z—虚拟课题
(1)、
(2)均要填,如AY、BX等。
T10钢堆焊组织及性能研究
专业:
材料成型及控制工程学号:
20090310040216
摘要
T10钢是应用最为普通的碳素工具钢,适于制造各种工具如车刀、刨刀、钻头,还可以制作冷墩模、冲模、拉丝模等。
堆焊技术可修复或强化各种工具表面,降低生产损耗,提高生产效率。
本文系统地研究了堆焊对T10钢组织和性能的影响。
按照操作规范对T10钢进行了三层堆焊,并线切割成7x7x30cm3的试样。
焊后对一个试样进行了550℃回火1h处理。
通过对焊接接头金相的制备与观察,焊后出现了大量马氏体,网络状二次渗碳体被打断,晶粒大小和形状也发生了改变,堆焊层出现了柱状晶和枝晶,远离母材,晶粒变得细小。
焊后热处理的试样马氏体被打断,出现了多边形铁素体和颗粒状渗碳体组成的回火索氏体。
通过能谱分析,未热处理的试样从母材区到堆焊最外层合金元素如Cr、Mo、W,先增多后趋于稳定。
回火处理后的试样合金元素在堆焊层含量更加稳定,变化较小。
回火试样组织和性能都更均匀稳定。
通过硬度测定,未热处理试样硬度从母材区到堆焊最外层先增大后减小。
母材区硬度为221Hv,堆焊层硬度最高为871Hv,增加了将近4倍。
热处理后硬度略微下降,从母材区到堆焊最外层也是先增大后减小,最大硬度为752Hv。
通过摩擦磨损实验对磨损量的测定,可知堆焊后试样耐磨度得到了极大的提升。
关键词:
堆焊;热处理;显微组织;能谱分析
Abstract
T10steelisthemostcommoncarbontoolsteel,suitableformanufactureofvarioustoolssuchaslathe,planer,drill,youcanalsomakecoldheadingdie,die,drawingdie,etc.Surfacingrepairorreinforceavarietyoftoolsurface,reduceproductionlossesandimproveproductionefficiency.ThispapersystematicallystudiestheT10steelcladdingmicrostructureandproperties.
InaccordancewiththeoperatingspecificationsfortheT10steelthree-layersurfacingandlinecut7x7x30cm3sample.
Afterweldingononesampleof550degreesCelsiustemperingtreatmentfor1h.
Weldedjointsbymetallographicpreparationandobservation,alargenumberofmartensiteafterwelding,network-likesecondarycementiteisinterrupted,thegrainsizeandshapeisalsochanged,theresurfacinglayerandsupportcolumnarcrystalscrystal,awayfromthebasematerial,thegrainbecomessmall.Martensiticweldheattreatmentofthesampletobeinterrupted,theemergenceofpolygonalferriteandgranularcementiteformedsorbite.Byspectrumanalysis,noheattreatmentofthespecimenfromthebasemetaltotheoutercladdingalloyelementssuchasCr,Mo,W,aftertheincreaseinthefirststable.Temperingalloyelementsinthesampleafterthecontentismorestablesurfacinglayer,thechangeissmall.Temperedmicrostructureandpropertiesofthesampleismoreuniformandstable.
Byhardnessmeasurement,noheattreatmenthardnessofthesamplesfromthebasemetaltotheoutermostlayerofsurfacingfirstincreasesandthendecreases.Basemetalhardness221Hv,Surfacinghardnessupto871Hv,anincreaseofnearly4times.Afterheattreatmentthehardnessdecreasedslightly,fromthebasemetaltotheoutermostlayerisdepositedfirstincreasesandthendecreases,themaximumhardness752Hv.
Throughexperimentsonfrictionandwearweardeterminationshowsthesampleaftersurfacingdurabilityhasbeengreatlyimproved.
Keyword:
Hardfacing;Heattreatment;Microstructure;Energyspectrumanalysis
.
第一章绪论
1.1课题的背景和意义
T10是最常见的一种碳素工具钢,韧度适中,生产成本低,经热处理后硬度能达到60HRC以上。
T10钢应用范围较广,适于制造切削条件较差、耐磨性要求较高且不受突然和剧烈冲击振动而需要一定的韧性及具有锋利刃口的各种工具,如车刀、刨刀、钻头、丝锥、扩孔刀具、螺丝板牙、铣刀手锯锯条、还可以制作冷镦模、冲模、拉丝模、铝合金用冷挤压凹模、纸品下料模、塑料成型模具、小尺寸冷切边模及冲孔模,低精度而形状简单的量具(如卡板等),也可用作不受较大冲击的耐磨零件等。
堆焊作为一种表面强化和修复技术,可使母材表面具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐辐射等优良性能。
目前堆焊方法多样,且在制造业的推动下不断有新的堆焊技术开发并在诸多行业得到应用。
焊后热处理对试样的性能有很大改善,可以起到消除焊接产生的热应力、均匀焊缝和热影响区的组织、细化焊缝和热影响区的晶粒、使焊缝金属与母材金属更好的融合等作用。
本课题主要研究了T10钢堆焊后的组织及性能,且用未热处理试样和焊后热处理过的试样做了实验对比,通过对其组织、硬度、能谱的比较分析,得出堆焊和焊后热处理对T10钢组织和性能的影响。
1.2T10钢简介
T10钢是一种碳素工具钢,其密度为7.81t/m3,磁导率μ约为0.88mH/m,矫顽力Hc为477.48~1273.18A/m,饱和磁感Bs为1.93~1.97T。
C含量为0.95%-1.04%。
其化学成分如表1-1所示。
常用作不受突然冲击的锋利工具、刀具,如锉刀、刮刀、要求不高的丝锥等。
T10钢在淬火加热(温度达800℃)时不致过热,仍能保持细晶粒组织。
淬火后钢中未溶的过剩碳化物,所以具有较高的耐磨性。
[2]
C
Mn
Si
S
P
0.95~1.04
≤0.40
≤0.35
≤0.030
≤0.035
表1-1T10钢的化学成分
1.3手工电弧焊焊接工艺
1.3.1手工电弧焊概述
我国焊接设备制造业起步比较晚,20世纪50年代我国重点企业的大型焊接装备大部分靠引进。
到了20世纪60年代,国内才组建一批专门生产焊接装备的制造厂。
1888年,俄罗斯发明了手工电弧焊技术,使用无药皮的裸露金属棒来产生保护气体。
直到20世纪初,药皮焊条才开始发展起来。
值得注意的是,由于成本较高,刚开始人们不怎么使用药皮焊条。
但是随着人们对好的焊缝质量要求的日益增长,手工电弧也开始使用药皮焊条。
焊条和工件之间形成的电弧会融化金属棒和工件的表面,形成焊接熔池。
同时,金属棒上融化的药皮会形成气体和熔渣,保护焊接熔池不受周围空气的影响。
因为熔渣会冷却、凝固,所以一旦焊缝焊完就必须从焊道上清除熔渣。
在焊钳更换新的焊条前,手工电弧过程只能完成短焊缝的焊接。
焊缝熔深浅,熔敷质量取决于焊工的技能。
焊条药皮的化学成分对电弧的稳定性、熔深、金属熔敷率和定位能力有很大影响。
[3]
手工电弧焊使用不同的方法保护焊接熔池,以防止和大气接触。
热能也是由电弧提供。
和MIG焊一样,电极为自耗电极。
金属电极外有矿物质熔剂包覆,熔剂融化时形成焊渣盖住熔池。
此外,包覆的熔剂还释放出气体保护焊接熔池,而且,还含有合金元素用来补偿合金熔池的合金损失。
在有些情况下,包覆的熔剂内含有所有合金元素,中部焊条仅是碳钢。
然而,在采用这些类型的焊条时需要特别的小心,因为所有飞溅都具有软钢性质,在使用过程中焊缝会锈蚀。
1.3.2手工电弧焊的特点
手工电弧焊焊接设备简单使用性强,可进行较全面位置的焊接,焊接成本低,但要求高焊接电流和高焊接速度,且焊道成型差,清除熔渣困难,焊缝质量与焊接人员技术水平有很大关系。
1.3.3手工电弧焊的焊接参数
手工电弧焊有焊接电源、焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊丝直径等焊接参数。
焊条可以在交流或者直流电源下使用。
不是所有的直流焊条都能在交流电源下使用,但是交流焊条通常能在直流电源下使用。
对焊接电流的选择取决于焊条的直径,根据经验,选择电流所依据的标准约是40A/mm(焊条直径)。
例如,一个直径为4mm的焊条首选的电流大小应该是160A,但是实际操作范围可以是140-180A。
电压是手工电弧焊是比较难以控制的一个参数,当焊接一些要求用短弧的焊接材料和母材时,电弧电压的偏高将降低对焊接金属的保护效果,恶化金属的冶金力学性能,影响焊接产品的使用寿命。
由于这种影响一般常规的检验方法是不能检验出来的,很容易被忽视。
因此,手工电弧焊时,保证电弧电压在容许的方位之内是非常必要的。
焊接速度对熔宽和熔深有明显的影响。
当焊接速度较低时,焊接速度的变化对熔深影响较小。
但当焊接速度较大时,由于电弧对母材的加热量明显减小,熔深显著下降。
焊接速度过高,会造成咬边、未焊透、焊缝粗糙不平等缺陷。
适当降低焊接速度,熔池体积增大,存在时间变长,有利于气体浮出熔池,减小气孔生成的倾向。
[4]
焊丝直径主要影响熔深。
直径较细,焊丝的电流密度较大,电弧的吹力大,熔深大,易于引弧。
焊丝越粗,允许采用的焊接电流就越大,生产率也越高。
[5]
同时,由于手工电弧焊需要人工进行操作,在焊接工人施焊的过程中难免产生对焊接参数发生影响的其他因素。
因此,在施焊的过程中需要格外注意对焊接参数的控制。
1.4堆焊简介
要随着科学技术的发展。
高性能的零件在交通、石油化工等机械行业广泛应用。
很多零件表面会因为局部损坏或腐蚀而导致失效。
如轧辊、轴类、模具、农机零件、采掘机件易磨损零部件以及锅炉压力容器的罐体材料,会因为长期的使用、在空气中长时间暴露以及来自内部承装材料造成的腐蚀而产生破坏,为了保证工件及机体材料能长时间持续使用,现实生产中大量采用堆焊工艺对工件受损部位进行修复。
材料的表面堆焊可以根据焊接材料及部位选择焊接方法,堆焊对焊接方法的挑选不做特殊要求。
在本试验试件表面上进行的堆焊为焊条电弧堆焊,焊条电弧堆焊具有电弧温度高、热量集中、工件变形小、熔深大等优点,目前是一种应用最广的堆焊修复方法
堆焊缺陷及其相应的防止措施主要有以几点:
1、堆焊时电流过大,焊速较小,导致堆焊层稀释率严重,以致堆焊层硬度不能满足要求,所以在堆焊时必须严格执行焊接工艺要求。
2、堆焊时预热温度控制不均匀(过高或过低),以及堆焊过程中温度起伏较大,都会导致出现裂纹,所以堆焊时保温措施严格执行,过渡层堆焊完毕后要及时按照工艺要求进行热处理。
3、焊件表面杂质未能清理干净.或者层间熔渣、药皮未清除干净,导致出现气孔等焊接缺陷,所以在实施下层焊接时对上层焊道清除熔渣、药皮等杂物。
4、堆焊时采用连续弧、短弧,这样电弧能稳定燃烧,从而使焊缝金属性能较好。
[6]
1.5D322简介
D322是钛钙型药皮CrWMoV冷冲模堆焊焊条,可交直流两用,堆焊时电弧稳定,脱渣容易。
用于堆焊各种冷冲模及切削刀具,还可以用来修复要求耐磨损性能较高的机械零件。
熔敷金属化学成分(%):
C
Cr
W
V
S
Mo
P
0.26
3.77
7.28
0.38
0.014
1.39
0.036
使用D322时需要注意一下事项:
1、焊前焊条须经200℃左右烘1小时以上再行施焊接;
2、焊时尽可能采用短弧,并且焊条与工作保持垂直;
3、根据工作的大小和母材的种类须经300~600℃预热。
宜采用小电流短弧焊接;
4、焊后应在600~700℃回火1小时后在缓冷或将工作立即放入干燥和热的沙箱内或草灰中缓冷,以避免裂纹;
5、堆焊层须经粗磨,如发现缺陷时,按上述步骤进行补焊。
[7]
1.6本课题的主要研究内容
本课题对T10钢进行手工电弧表面堆焊焊接,并通过对接头组织及性能的分析,评定所选焊接工艺的合理性。
主要研究内容如下:
1、对T10钢进行表面堆焊,且对一试样进行焊后回火处理;
2、制备接头金相试样,对未热处理接头和热处理过的接头组织进行观察,;
3、对接头试件进行硬度测试,比较堆焊前后硬度变化,比较焊后热处理后试样硬度变化;
4、对接头进行能谱分析,对合金元素含量变化进行分析;
5、对接头进行摩擦磨损实验,对堆焊前后耐磨性进行比较;
6、评定焊接工艺。
第二章实验材料及方法
2.1实验材料
2.1.1母材
本试验选用的母材为T10钢,其化学成分见表2-1。
表2-1T10钢的化学成分(wt.%)
C
Mn
Si
S
P
0.95~1.04
≤0.40
≤0.35
≤0.030
≤0.035
2.1.2焊接材料
表面堆焊时使用的是D322焊条,D322是钛钙型药皮CrWMoV冷冲模堆焊焊条,可交直流两用,堆焊时电弧稳定,脱渣容易。
用于堆焊各种冷冲模及切削刀具,还可以用来修复要求耐磨损性能较高的机械零件。
其熔敷成分如图所示:
熔敷金属化学成分(%):
C
Cr
W
V
S
Mo
P
0.26
3.77
7.28
0.38
0.014
1.39
0.036
2.2试验方法
2.2.1焊接试验
经过长时间的训练,初步掌握堆焊的基本操作,在250℃环境下烘干试样与D322焊条3h后,选用150A电流,对试件进行了表面堆焊,工艺为手工电弧多层多道堆焊,焊接速度25~30cm/min,焊接电压20~24V,每焊完一道焊缝都要敲渣,控制层间温度为280℃左右,直到堆焊层厚约4mm。
2.2.2接头组织观察
对上述手工电弧表面堆焊焊接试板取样并制成金相样品,以便对接头微观组织进行观察。
具体方法为:
沿垂直焊缝的方向,在试样中心的位置截取尺寸为7×7×30mm3的试样;将切好的试样的待观察表面在砂轮机上打磨平整,再用SiC砂纸对表面打磨直到2000号,并在抛光机上进行抛光,直至表面呈光滑无痕的镜面;为了进行试块的金相组织观察,需要将金属表面进行腐蚀处理1min,对于试样采用4%的硝酸酒精处理。
然后用清水清洗干净,吹风机吹干。
表面可能还有残留指纹等杂质,所以还继续用超声清洗仪清洗,最后通过电子显微镜对接头微观组织进行观察。
在母材区、热影响区、熔合区、焊缝区,依次取不同倍数进行观察组织并记录图片。
2.2.3接头硬度试验
由于微观硬度的测量能够反映焊接接头微观组织的细微变化,因此,采用国产401MVA显微维氏硬度测量仪,将金相观察后的试块进行维氏硬度实验,对制备好的T10钢焊接试样沿焊缝横截面竖直方向连续取点进行硬度测试,硬度测量点位置依次在堆焊层区、熔合区、热影响区和母材处选取。
本次试验参照GB/T4340.1—1999《金属维氏硬度试验》,在401MVA显微维氏硬度测量仪上完成。
硬度试验的试样表面应平坦光滑,试验面上应无氧化皮及外来污物,尤其不应有油脂,试样表面的质量应能保证压痕对角线长度的精确测量。
试验在室温下进行,所用载荷为0.5kgf,加载时间为10s。
试样支撑面应清洁且无其他污物,试样应稳固地放置于刚性支撑台上以保证试验中试样不产生位移。
使压头与试样表面接触,垂直于试验面施加试验力,加力过程中不应有冲击和振动,试验力保持时间为10s,打点间距为0.15mm。
在整个试验期间,硬度计应避免受到冲击和振动。
用硬度机在焊接接头出打出一系列规则分布的点并读出其硬度,用于试验后的分析。
2.2.4试样高温回火处理实验
采用高温回火处理,回火温度为550℃,回火时间1h,高温回火组织为多边形铁素体和颗粒状渗碳体组成的回火索氏体。
高温回火是为了得到强度、硬度和塑形韧性等性能的均衡状态。
2.2.5回火试样的金相组织观察
回火试样空冷以后,再次进行金相制备,由粗到细,单次单程,最后抛光处理,用4%的硝酸腐蚀试样1min,用水冲洗吹风机吹干以后,用超声波清洗仪清洗若干分钟,再次吹干,用扫描电镜观察组织,方法步骤与前面相同。
2.2.6能谱实验
本实验用的是扫描电镜能谱仪,X射线的能量E=hr,h为普朗克常数,r为光子振动频率,不同元素发射的特征X射线具有不同的频率,即具有不同能量,只要检测不同光子的能量r,即可确定元素。
将试样超声清洗后,分别将经过热处理的试样和没经过热处理的试样进行能谱分析,拍各个区域的能谱图。
2.2.7热处理后的试样的硬度实验
将高温回火处理过的试样按照前面所述方法再次做维氏硬度实验,依次取堆焊层区、融合区、热影响区、母材区测定维氏硬度。
2.2.8摩擦磨损实验
将T10母材和堆焊后的试样用超声波清洗仪清洗干净,吹干后称重,将两试样分别放在环块式磨损实验机上1000N载荷180r/min条件下预磨5min,再次清洗称重。
然后依次将两试样用1000N载荷180r/min条件下磨损30min,清洗后称重。
将试样用扫描电镜观察分析。
第三章实验
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