稀土对TIC基金属陶瓷耐磨堆焊材料组织性能的影响

稀土对TIC基金属陶瓷耐磨堆焊材料组织性能的影响陕西航空职业技术学院专业：焊接技术及自动化姓名：周国刚学号:28摘要：应用扫描电镜、透射电镜等测试手段和冲击试验、磨损试验，研究了(基金属陶瓷堆焊材料中加入稀土氧化物，对堆焊材料的组织、界面相结构、显微硬度、冲击韧性和磨损性能的影响，初步探讨了稀土氧化物改善界面显微结构、提高胎体金属韧性的作用机制。研究结果表明，稀土氧化物能细化堆焊层胎体金属组织，消除胎体金属的缺陷，细化胎体金属断口韧窝并使撕裂棱数量增加，提高堆焊层冲击韧性性塑性，促使金属基陶瓷与胎体金属界面形成多晶过渡区和局部非晶态物相，提高界面的结合强度。稀土氧化物的加入对胎体金属显微硬度的影响不大，但能显著提高堆焊层干摩擦磨损状态下的耐磨性，具有一定的减摩作用。关键词：稀土氧化物；(基金属陶瓷；组织结构；力学性能；耐磨性金属陶瓷复合耐磨堆焊材料由软的胎体金属和金属陶瓷颗粒组成，具有高的耐磨性和较高抗冲击性能，已经广泛地应用于石油、煤炭、地质和矿山等工业中一些受严重磨损工件工作面的堆焊，尤其作为油田井下作业中的磨鞋、铣鞋、扶正器等工具的强化材料，已取得很大的经济效益。其中耐磨相主要采用1(基金属陶瓷，其耐磨性相对较低。而(2）基金属陶瓷不仅具有密度低，弹性模量、硬度和强度高，高温抗氧化性、耐蚀性和耐磨性好，而且其强韧性是陶瓷的两倍多［3］，因此，如果能利用金属基陶瓷部分或全部代替现有的金属陶瓷，将具有重要的经济意义。但是由于(基金属陶瓷的焊接性较差，与胎体金属的润湿性差，堆焊时熔池的流动性差，导致成形不良。为了改善堆焊层的组织性能，本文尝试在胎体金属中加入少量的稀土元素，研究稀土元素对堆焊材料组织性能的影响。1.试验材料及方法试验用金属基陶瓷及胎体金属的主要化学成分及性能见表。将金属陶瓷颗粒、钎料及稀土元素按一定的比例混合，并加入适量的特制熔剂，置于石墨模中，入电阻炉中加热制备成的棒状焊条，采用碳弧堆焊方法堆焊到,钢表面，并利用线切割方法将堆焊层制备成各种试样。应用光学显微镜、型扫描电镜对堆焊层的组织进行观察与分析，采用型透射电镜观察金属基陶瓷与胎体金属结合界面的组织形貌。采用=(型摆锤式冲击试验机进行无缺口试样的冲击试验，摩擦磨损试验在型磨损试验机上进行，下试样为金属陶瓷环状试样，试验条件为：块5环接触滑动干摩擦方式，法向载荷为2%，滑动速度8.9%，滑动距离39。用工具显微镜和测长仪测定磨痕长度!和宽度计算磨损体积，其中是下试样半径。2.试验结果与分析显微组织与相结构稀土氧化物对胎体金属显微组织的影响在堆焊过程中由于金属陶瓷颗粒不熔化，其组织、性能变化不大。但胎体金属的组织性能对堆焊层的韧性、成形性能等影响很大。图1为堆焊层胎体金属的显微组织。当不加入稀土氧化物时，堆焊层的组织主要是粗大的胞状枝晶（图6（3）），具有明显的方向性，同时局部区域产生缺陷（见图6（A））；而添加稀土氧化物后胎体金属的显微组织得到显著细化（图6），堆焊层中的缺陷消除。上述组织特征形成的主要原因是：在未加入稀土氧化物时，由于焊后胎体金属的冷却速度较快，熔池中胞状枝晶具有定向凝固特征，且由于温度降低金属的粘度增加，液态金属的流动性变差，从而形成缺陷；加入稀土氧化物后，虽然具有较高的稳定性，但仍有一部分稀土氧化物在高温电弧作用下分解形成活性离子，吸附在晶核原子表面阻碍晶核在较大过冷度下的快速长大；还有一部分稀土氧化物作为夹杂物成为非均匀形核的核心，促进胎体金属的形核，从而起到细晶变质作用。其作为夹杂物非均匀形核能力的大小取决于夹杂物作为形核基底与结晶相之间的界面能，而基底与结晶相间的点阵错配度是决定界面能的主要因素。根据定义的二维错配度的定义进行计算.与面心立方结构!相的错配度，结果表明，稀土夹杂物作为胎体金属!相的非均匀形核的核心是相当有效的。稀土对金属陶瓷与胎体金属界面结构的影响堆焊时胎体金属与金属陶瓷结合是通过元素的扩散、反应，形成固溶体或共晶体。在没有加入稀土元素时，界面上的组织基本上是!等物相，往往由于冷却速度较大，界面上产生很大的应力，在组织内形成大量的位错及滑移线。当加入稀土元素后，界面层的物相较复杂，而且在金属基陶瓷周围包覆一层的细晶过渡层（图4（3）、（A）），甚至在局部区域胎体金属形成的非晶玻璃相（见图4，该相的能谱分析见图4（N），其成分，质量分数）等元素在该处聚集。形成非晶态物相的机制目前尚不清楚，可能是由于界面处存在大量的缺陷（位错、晶界），使稀土原子首先在表面缺陷处吸附，同时还将大量的等原子也带到这些缺陷处，大大降低该处基体的图6堆焊层胎体金属的显微组织特征（3）不加稀土的胎体金属显微组织；（A）不加稀土的胎体金属局部缺陷；加稀土后胎体金属显微组织特征王新洪等RE对TIC基金属陶瓷耐磨堆焊材料组织性能的影响图2加入稀土后界面的TEM形貌界面的细晶过渡区显微组织；（a）中TIC,Cu,Ni的衍射图；（c）局部非晶态物相显微组织；（d）（c）中Cu的非晶衍射图；（e）非晶物相的EDAX能谱线表面能，从而使成核部位增加。大量的原子被吸附在基体表面上，有效地阻止了晶核的继续长大，这样就促使细晶与非晶结构的形成。形成这些物相后不仅提高界面的抗冲击性能和结合强度，而且也改善了胎体金属对碳化物的润滑性，使胎体金属与金属陶瓷能较好地结合。2.2力学性能当在堆焊材料中加入少量的稀土元素后，堆焊层的冲击韧性变化较大，而堆焊层的显微硬度变化不明显。图1是堆焊层金属基陶瓷与胎体金属界面近显微硬度的分布，从图中可以看出，加入稀土元素后虽然得到细小的胎体金属组织，但对其硬度影响不大，仍保留较好的塑性和韧性。堆焊时金属基陶瓷本身不熔化，硬度变化也不大，堆焊后其扩散烧损较小。堆焊材料的冲击功是金属基体和金属陶瓷两部分共同吸收的冲击能量的度量，其中金属陶瓷的韧性较低。耐磨堆焊材料的冲击功主要是其中金属基体吸收的冲击能量的结果。因此，堆焊层的显微组织形态对其冲击韧性的影响很大。图2是堆焊层冲击韧性的曲线，表明在加入稀土元素后堆焊层的的韧性增加.图5(a），（b）是堆焊层胎体金属的断口形貌。从图中可以看出，胎体金属的断裂主要是韧性断裂，并具有较大的塑性变形，断口上存在许多韧窝和一定数量的白色撕裂棱。在韧窝断口的底部有可能存在引发裂纹起源的夹杂物或第二相粒子由于较大尺寸夹杂物更易对位错滑移形成阻碍，产生的应力集中更大，因此，更易引发裂纹源。撕裂棱是塑性变形的特征，它是在各单独裂纹扩展至相互连接，最后撕裂而形成，在撕裂棱处产生较大量的塑性变形。两者不同在于断裂前塑性变形的程度不同，在图5（a）中所示的胎体金属断口韧窝较大，撕裂棱的数量少，而图5（b）中所示的胎体金属的断口上可见较小的韧窝，撕裂棱的数量也较多。因此，表明加入稀土元素能提高胎体金属的韧性和塑性。此外，在没有加稀土元素的堆焊层中，由于焊后冷却速度较快，造成堆焊层局部的胎体金属在凝固过程中局部区域得不到液态金属的补充，产生疏松等缺陷，从断口形貌上看胎体金属中存在自由生成的表面（见图&），因此，在冲击力作用下产生应力集中，使胎体金属的冲击韧性明显降低而当胎体金属中加入少量稀土元素后明显改善胎体金属的韧性，这主要是由于稀土元素可以去除杂质、净化胎体金属，提高液态金属的流动性，消除缺陷，提高金属陶瓷润湿性以及与胎体金属的结合强度，细化胎体金属的组织，从而提高其韧性。磨损性能图是堆焊层抗摩擦磨损的关系曲线。从图中可以看出，加入稀土氧化物后堆焊层的耐磨性提高。产生这种现象的原因可能是加入稀土元素后，基体组织显著细化，塑、韧性改善，使堆焊层具有更好的减摩作用和稳定的摩擦学特性。此外，加入稀土氧化物后，增强了金属基陶瓷与胎体金属的结合强度，使其不易脱落，能更有效阻止堆焊层从轻微磨损状态向严重磨损状态转化，起到均匀载荷和减摩抗磨作用，因此磨损抗力增加。图6堆焊层胎体金属缺陷处断口形貌3.结论1.堆焊材料中加入稀土氧化物能细化胎体金王新洪等RE对TIC基金属陶瓷耐磨堆焊材料组织性能的影响属，增强胎体金属与金属基陶瓷的润湿性；稀土氧化物能消除堆焊层的缺陷，提高胎体金属的冲击韧性，促使胎体金属的韧窝尺寸变细和撕裂棱数量增加。加入稀土氧化物后，金属基陶瓷与胎体金属形成细晶过渡，提高界面的结合强度，促进界面非晶物相的形成,稀土氧化物的加入对胎体金属的显微硬度影响不大，但能提高堆焊层抗摩擦磨损的性能。