题目：低碳钢表面电弧堆焊耐磨层工艺及组织性能分析专类层学
业别次生
焊接技术与工程专升本本科孔伟济宁函授站C1002492101苗现华2012年4月20日
函授站学
号
指导教师开题报告日期
哈尔滨工业大学2012年4月
1说一、开题报告应包括下列主要内容：
1．课题来源及研究的目的和意义；2．国内外在该方向的研究现状及分析；3．主要研究内容；
明4．研究方案及进度安排，预期达到的目标；5．为完成课题已具备和所需的条件和经费；
6．预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施；7．主要参考文献。二、对开题报告的要求
1．开题报告的字数应在3000字以上；
2．阅读的主要参考文献应在10篇以上，其中外文资料原则上应不少于三分之一。本学科的基础和专业课教材一般不应列为参考资料。3．参考文献按在开题报告中出现的次序列出；
4．参考文献书写顺序：序号作者.文章名.学术刊物名.年，卷（期）：引用起止页。
三、如学生首次开题报告未通过，需在一周内再进行一次。
四、开题报告由指导教师填写意见、签字后，统一交成人教育学院教学调度保存，
以备检查。
指导教师评语：
2指导教师签字：检查日期：
哈尔滨工业大学毕业设计开题报告表
论文题目
低碳钢表面电弧堆焊耐磨层工艺及组织性能分析
一、选题背景和意义
随着国家经济的发展，建筑业也得到了蓬勃发展。混凝土泵就是用于建筑的一种机械—高远距离输送混凝土的机械，耐磨环(板)就是其中的重要零件这一。它需要具有高硬度、高耐磨特性。我的论文就是以此作为切入点，通过在碳钢表面堆焊耐磨层从而达到耐磨板的高硬度、高耐磨要求，使其寿命增加，节约资源，提高生产力。
堆焊是用焊接方法在母材表面堆敷一层具有一定性能材料的工艺过程。其目的在于增加零件的耐磨、耐热、耐腐蚀等方面的性能。如今，堆焊在冶金机械、矿山机械、农业机械等方面得到了广泛应用。堆焊的物理本质、冶金过程和热过程的基本规律，与一般焊接工艺无区别。但是，堆焊的主要目的在于发挥表面堆焊合金的性能，故有以下特点:
1)堆焊层合金成份是决定堆焊效果的主要因素2)尽最降低稀释率;
3)堆焊层易开裂。由此可看出，堆焊工艺就显得尤为重要。
一、课题关键问题及难点
本实验的目的是使堆焊层的硬度达到要求硬度，这就需要选出一种最好的焊接工艺，在多层堆焊的过程中，过渡层的性能不好控制，最外层的性能不容易达到焊材的性能。
3三、调研报告（或文献综述）
3.1氩弧表面熔敷耐磨覆层工艺研究
耐磨材料的研究在向提高材料整体耐磨性能方向发展的同时，各种表面改性技术及工艺在耐磨材料中的应用也日益受到广泛重视[1]，采取合适的表面处理技术，可以改善受磨损件的表面耐磨性，延长使用寿命，节约资源，提高生产力。各种表面技术不仅是耐磨件制造的重要工艺方法，而且在磨损件的修复方面也发挥了重要作用。表面技术能够以多种方法制备出本体材料难以甚至无法获得的性能优异的表面薄层，使表面具有比本体材料更高的耐磨［2］。氩弧表面耐磨熔敷是使用氩弧热源在机械零件表面制备耐磨覆层的工艺方法。
研究用氩弧加热在低碳钢表面熔敷耐磨覆层的工艺，该工艺能方便快速方便地对低碳钢表面进行强化，表面覆层成分和性能调整容易，由该工艺获得的复合材料具有基体的强韧性和表层的耐磨性，覆层与基体的结合为冶金结合，获得的耐磨覆层硬度达47.3HRC，耐泥沙磨损性能达低碳钢的5.8倍。[3]3.2碳化钨堆焊合金手工电弧堆焊的工艺
本文重点对作者厂内生产的HBT50型混级土系耐磨环(板)的碳化钨堆焊合金手工电弧焊工艺进行了研究。通过试验得到较为理想的且成熟的堆焊工艺。从而较好地解决了手工电弧堆焊经常碰到的开裂问题。
堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一层具有一定性能材料的工艺过程。其目的在于增加零件的耐磨、耐热、耐腐蚀等方面的性能。如今，堆焊在冶金机械、矿山机械、农业机械等方面得到了广泛应用。堆焊的物理本质、冶金过程和热过程的基本规律，与一般焊接工艺无区别。但是，堆焊的主要目的在于发挥表面堆焊合金的性能，故有以下特点:1)堆焊层合金成份是决定堆焊效果的主要因素;2)尽最降低稀释率;3)堆焊层易开裂。由此可看出，堆焊工艺就显得尤为重要。笔者想通过本文，使堆焊这一焊接领域中的一个重要分支在生产中发挥其重要作用。3.2.1材料
（1）基体:Q235-A,630,焊前经机加工达零件图纸尺寸，如图
4（2）焊材选择
为满足堆焊效果(高硬度、
图1高耐磨)的要求，我们选用了CHR707碳化钨堆焊焊条，符合GB:EDW-A一15,成分见表l,碳化钨堆焊合金是由大量碳化物基体基体颗粒构成的一种堆焊合金它是由WC和WPC组成，一般含碳3.5-4.0％，含钨95-96％。具有高的硬度和熔点。它采用碳钢为焊芯的低氢钠型药皮堆挥焊条，靠药皮中碳化钨合金过渡。
表1CHR707碳化钨堆焊焊条的化学成分％C1.50~3.00
W40.0~50.0
Mn＜2.00
Si＜4.00
Fe余量
3.2.2手工电弧堆焊工艺措施
(1)根据焊条特性采用直流电该反接性；(2)焊条经250℃左右烘焙1小时，随用随取；(3)将工件表面的油污，铁锈等杂质去除；(4)用火焰将工件预热>300'C(5)施焊顺序:内园一外园一端面；
(6)为了降低焊层金属的稀释，保证碳化钨合金的含量，提高其耐磨性，采用了过渡层层十面层的堆焊方法。
表2焊接规范层别过渡层面层
焊条牌号CHR707CHR707
规格3.25
焊接电压22-2522-25
焊接电流90-110200-230
3.3
耐磨堆焊技术在砼泵上的应用3.3.1耐磨堆焊工艺
5堆焊是指将具有特定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。其目的不是为了连接零部件，而是为了提高零件的耐磨、耐热和耐腐蚀等特殊性能。应用在砼泵易磨损件上的耐磨堆焊技术主要是为了提高砼泵特定零件的耐磨性能。堆焊层耐磨性能主要取决于堆焊层的显微结构和化学成份，在磨料磨损工况条件下，堆焊层硬度与磨料硬度之比Hd/Hm直接影响着堆焊层的耐磨性。经验表明，Hd/Hm<0.5时，堆焊层磨损速度非常快，当Hd/Hm>1.3时，基本不磨损。目前，堆焊工艺方法比较多，常用的有：电渣堆焊、手工电弧堆焊、氧乙炔焰堆焊、埋弧自动堆焊、等离子堆焊、气体保护堆焊和震动电弧堆焊等。由于手工电弧堆焊所需设备简单、设备机动灵活、成本低、使用可靠，能通过选择堆焊焊条和调整堆焊工艺获得比较满意的堆焊合金成分，因此，目前它仍然是一种应用最广的堆焊工艺方法，在砼泵制造企业大量采用[7]。手工电弧堆焊时一般应注意几个方面：①在保证堆焊性能的前提下，尽量使堆焊材料与基体材料线膨胀系数接近，并对工件进行焊前预热和焊后缓冷，以防止或减少堆焊层裂纹的产生。
②选择合适的堆焊焊条，堆焊过程中尽量降低稀释率和减少合金元素的损失，使合金尽可能多地过渡到堆焊层中，从而保证耐磨堆焊层的硬度。③注意焊接热变形对零件加工精度的影响。④保证焊接质量的前提下提高效率。3.3.2耐磨堆焊技术在砼泵上的应用
图2所示为HBT80.16.181RS砼泵所用切割环和眼镜板的堆焊层示意图，堆焊用焊条为D938钼铬硼合金耐磨堆焊焊条，焊后时效处理以消除内应力，堆焊层表面硬度HRC60～65。眼镜板和切割环组成的磨擦密封副表面堆焊层厚度为5mm。
a切割环6图2切割环和眼镜板堆焊层示意图经耐磨堆焊后的眼镜板和切割环可以获得比较高的使用寿命，工地使用情况表明，眼镜板的使用寿命可达2～3万m3。切割环的磨损一般发生在切割环的边沿，磨损没有眼镜板均匀，一般经耐磨堆焊后的切割环使用寿命可达1.0～1.5万m3，如能及时调整切割环的方向，使其边沿磨损均匀，那么切割环的寿命将延长一倍，达2万m3以上。搅拌叶片通常也是砼泵的易磨损件之一，为了提高搅拌叶片的寿命，降低其单位时间内的磨损量，一般也采用耐磨堆焊的办法，在螺旋叶片的外缘和支撑筋板的两侧用D938或D978焊条堆焊3～5mm，螺旋叶片的内外面用D938耐磨焊条堆焊间距为10～15mm、焊高为2mm的放射状耐磨带。此外砼泵输送管的内表面也可堆焊2mm厚的耐磨层，以提高输送管的抗磨损性能。3.3.3耐磨堆焊时的注意事项
砼泵易磨损件的耐磨堆焊主要采用焊条为D938钼铬硼合金耐磨堆焊焊条，其焊层具有硬度高（HRC>62～65）、韧性好、耐高温和耐磨损等特点，施焊时应注意：
①焊前应清除工件上的油、锈及杂质。
②D938焊条应存放在干燥库房内，若受潮，应在200℃温度下烘干方可使用。③为保证堆焊质量，防止焊层内应力过大，母材最好预热至400℃左右。④参考电流：Φ3.2、Φ4.0和Φ5.0分别对应90～120A、140～180A和180～220A。[8]73.4镍基高温耐磨无渣堆焊焊条及其热处理工艺3.4.1试验方法与材料
用Ni80Cr20型电炉丝作为焊条的焊芯，采用TL-25型焊条涂料机生产直径为4.0mm的堆焊焊条，经过自然干燥、低温干燥和高温干燥等工艺处理后，用ZXG7-300型直流电弧焊机在尺寸为300mm×200mm×18mm的Q235钢试板中间进行纵向堆焊。其焊接工艺参数为焊接电流I=120~140A，电压U=18~24。用SX12-10型箱式电阻炉对堆焊金属进行高温时效处理。高温黏着磨损试验是在MG-200高速高温摩擦磨损试验机上进行。在XJL-02A型立式光学金相显微镜上观察分析堆焊金属的显微组织形貌，并通过（JEOL）JSM-5600LV扫描电镜对磨损后的形貌进行观察分析，利用Y-4X型X射线衍射仪对堆焊金属进行相结构分析。用化学分析方法对堆焊金属进行化学成分分析。测定堆焊金属的显微硬度和宏观硬度分别是用HVS-1000数显显微硬度计和HR-150型洛氏硬度计进行。3.4.2热处理工艺对熔敷金属组织的影响[9]该堆焊金属在不同的温度和时间下时效处理与硬度的关系见图3。由图3可以看出，该堆焊金属在一定的温度和时间内，粗大的奥氏体基体逐渐消失，大量中间相沉淀析出，使硬度有上升的趋势（上升幅度一般在2-5HRC之间），达一定的温度或时间后沉淀相或第二相粒子将分解溶入基体（奥氏体），硬度又有下降的趋势，且随着时效的温度升高，时效所需的时间缩短。由图4所示组织的变化可知,堆焊金属的焊态组织极不均匀（图4a），经过较高温度（880℃）的时效处理后，堆焊金属随时间的延长，其组织变得均匀，晶粒在一定的时间内得到了细化（图4b），硬度得到提高，但随时效时间的延长又有粗化的趋势，金属组织发生过时效（图4c），其硬度有所下降（图3）。同时由图4b、图4d可以看出，将所研制的堆焊金属经过时效稳定化处理后再经过680℃保温24h，其组织与保温前组织几乎没有变化，这从另一个侧面反映了该堆焊金属可长期处在680℃以下的高温环境中工作时其组织是稳定的。此外，经过时效处理后，熔合区的基体侧由于合金元素的扩散、重结晶作用，其组织出现一定的过渡，从而大大地改善了熔合区的性能，增强了熔敷金属与基体的结合性能，有效地降低了熔敷金属在工作过程中的剥落倾向，工件的使用寿命大大增加。
在选择时效处理时，若温度过低，时效处理则需要长时间的保温，生产效率
8过低；温度过高，热处理时保温时间要短，时间控制不当将使合金发生过时效，失去热处理的意义。因而经过一系列试验后，熔
敷金属热处理工艺最终确定为，将工件加热到880℃保温1h后空冷的时效热处理工艺。[10]图3堆焊金属时效处理对硬度的影响（a）焊态（b）880℃×1h9(c)880×2h(d)880×1h空冷+680×24h图4堆焊金属的金相组织参考文献
[1]阎洪.金属表面处理技术［M］.北京：冶金工业出版社，1996:40-70
[2]汪选国.高频堆焊耐磨覆层工艺及结合机理研究［J］.焊接技术，2001，30(3):11-13[3]XuB，Mashing，WangJ.ApplicationElectricArcSprayingTechnigueToEnhanceCorrosion
Resistanceof
Steel
StructuresonShips[J].Surface
Engineering,1995(11):11-15
[4]NobleDN.AbrasiveWearResistanceofHardfacingWeldDeposits[J].MetalConstruction,1985(9):27-31
[5]汪选国.氩弧表面熔敷耐磨覆层工艺研究[A].船海工程,2006(4):95-97[6]熊跃.碳化钨堆焊合金手工电弧堆焊的工艺[A].万方数据库
[7]刘家俊.材料磨损原理及其耐磨性[M].北京：清华大学出版社，1993.11.[8]陈桂平,蒋炳炎.耐磨堆焊技术在砼泵上的应用[A].企业技术开发，2008（9）：
31-33
[9]赵宝君，吴云华.自制耐高温堆焊焊条高温时效性能[J].焊接，1999(4):26-27[10]汪中玮，张清辉，肖逸锋.镍基高温耐磨无渣堆焊焊条及其热处理[A].焊接学报，2006（1）：109-112
二、方案论证
1．制作几块相同尺寸，相同材料的低碳钢钢板；
102．选用几种常见的耐磨堆焊焊条分别在刚板上进行堆焊；3.4.5.
对这几块钢板的耐磨层进行硬度实验，选出硬度最高的一种；对硬度最高的式样以不同的温度进行回火处理；
在分别这几种式样的金相组织，并分别打硬度，分析不同热处理温度对组织，耐磨性的影响，从而选出最佳的工艺措施。
五、进度安排
周数1-23-45-67-89-1011-1213-1415-1617
应完成的设计内容
查阅资料，完成文献翻译5000字；完成开题报告3000字；毕业实习；交实习报告
确定实验方案，准备实验材料；热处理工艺参数确定；堆焊层金相试样制备；金相组织观测；硬度试验；堆焊层金相组织分析；试验结果分析；补充实验；整理实验数据；编写设计论文；
编写设计论文，提交论文；用POWERPOINT制作幻片，准备答辩；提交设计电子版用POWERPOINT制作幻灯片，参加答辩。
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