紫铜与低碳钢/铸铁堆焊层组织性能及界面扩散机理研究

【摘要】紫铜以其优良的耐蚀、减磨等物理化学性质，倍受青睐广为使用。阀门作为工业最为常用的部件应用十分广泛，而阀门密封面在其重复开关的过程中，极易受到介质的腐蚀和磨损，使阀门密封面受到损伤，影响其使用寿命。因此，开展阀门耐磨合材料的研究，可以延长阀门的使用寿命，从而达到提高经济效益的目的，具有重要的理论意义和应用价值。本文采用等离子弧将紫铜堆焊到20g和HT200表面，并在堆焊过程中施加横向磁场，对比分析不同堆焊电流和磁场电流下堆焊层的成形性、硬度、耐磨性、耐蚀性和显微组织，并对堆焊界面的结合机理和扩散行为进行研究，明确堆焊电流和磁场电流对堆焊层组织性能的影响规律和作用机理。得到主要结论如下：（1）对于无外加磁场作用的紫铜/低碳钢堆焊层而言，堆焊速度为120mm/min、送粉量为15g/min、堆焊电流为120A时，堆焊层的成形性最好，力学性能达到最佳值，此时硬度为58.05HV，磨损量为0.0118g，摩擦系数值为0.70，堆焊层的显微组织为细小等轴晶。当堆焊电流为100A时，堆焊层的腐蚀电位为-0.2778mv，耐蚀性最差；当堆焊电流增大为140A时，堆焊层的腐蚀电位也达到了最大值-0.1274mv，此时堆焊层的耐蚀性最好。（2）对于无外加磁场作用的紫铜/铸铁堆焊层而言，当送粉量为15g/min、堆焊速度为120mm/min、堆焊电流选为120A时，堆焊层的成形性最好，力学性能达到最佳值，此时硬度为82.06HV，磨损量为最小值0.0147g，摩擦系数为0.73。堆焊电流为100A时，堆焊层的腐蚀电位为-0.3250mv，耐蚀性最差；当堆焊电流增大为140A时，堆焊层的腐蚀电位也达到了最大值-0.1762mv，此时堆焊层的耐蚀性最好。（3）当外加磁场作用于堆焊过程时，对于紫铜/低碳钢堆焊层而言，堆焊电流为120A、磁场电流为2A时，堆焊层的成形性、力学性能和显微组织达到了最佳状态，此时的硬度为50.16HV，磨损量为0.0027g，摩擦系数为0.6，显微组织以相对细小的等轴晶为主；对于紫铜/铸铁堆焊层而言，堆焊电流为130A、磁场电流为2A时，堆焊层的力学性能和显微组织达到最佳状态，此时堆焊层的硬度为69.47HV，磨损量为0.0015g，摩擦系数为0.5，显微组织以相对细小的等轴晶为主。对于两种堆焊层耐蚀性的分析可以得出，无论堆焊电流为120A还是130A，其最佳的耐蚀状态均出现在磁场电流为2.5A时，此时的腐蚀电位分别为-0.126V和-0.102V。（4）对于Cu-Fe二元金属的扩散，是遵循溶质再分配规律的。在较小的生长速率下，溶质原子可以进行充分扩散，使溶质Cu溶入Fe中，接近于平衡状态下的分凝系数；在较大的生长速率下，界面溶质扩散受到抑制，导致界面固相内溶质富集，溶质的分凝系数较平衡状态下要大。（5）在外加磁场的作用下，等离子弧和液态熔池将发生旋转运动，形成电磁搅拌作用。电磁搅拌作用对于电弧的作用比较明显，但最终均作用于熔池，从而改变堆焊层晶粒的形核和长大过程。随着磁场电流的增大，所产生的磁感应强度也将增大，这促使堆焊层液态熔池中的磁扩散强度增大，促进元素的迁移和扩散，使堆焊层中组织均匀、成形美观，并可适当改善堆焊层的综合力学性能。
【作者】刘铎；
【导师】刘政军；
【作者基本信息】沈阳工业大学，材料加工工程，2014，博士
【关键词】等离子弧堆焊；紫铜；扩散机理；组织性能；外加磁场；

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