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耐磨堆焊藥芯焊絲

2010-05-31 09:51  中國耐磨網(wǎng)  【  【打印】【我要糾錯】

  一、摘要

  中速磨煤機抗磨損件(主要是高鉻鑄鐵磨輥和磨盤)在磨制煤粉過程中不斷磨損,其失效形式主要是煤對抗磨損件的摩擦損耗產(chǎn)生的三體磨料磨損,其磨損方式主要是煤中的硬質(zhì)顆粒對抗磨損件表面造成的顯微切削、犁溝塑變以及碳化物的破碎與剝落;磨損機理為微切削磨損、塑性疲勞磨損、脆斷和剝落磨損三種機制并存,但以微切削磨損為主。

  針對中速磨煤機高鉻鑄鐵抗磨損件的磨損失效機理,研制了兩種焊接工藝性能優(yōu)良,堆焊層具有高硬度和高耐磨性的多元合金強化型自保護(hù)藥芯焊絲,并對研制焊絲自保護(hù)機制的實現(xiàn)和堆焊層高耐磨性的原因進(jìn)行了探討。

  二、設(shè)計原則

  研制藥芯焊絲(腳號58-O、60-O)外皮采用韓國進(jìn)口低碳冷軋鋼帶H08AL,截面為O形,藥芯填充系數(shù)調(diào)整范圍45%~55%,先軋后拔工藝生產(chǎn),成絲直徑為3.2mm.

  研制藥芯焊絲為金屬粉型;合金系采用多元合金(Mo、W、V、Nb、Ni、Cu、Zr、Ti、B、Re等)強化的Fe-Cr-C系耐磨合金;主要采用造氣-合金元素自保護(hù)機制。研制藥芯焊絲的成分如表1所示。

  三、研制藥芯焊絲的性能

  1.焊接工藝性能

  由于自保護(hù)藥芯焊絲的工藝參數(shù)適應(yīng)性小,所以試驗中對其進(jìn)行了優(yōu)化,如表2所示。

    藥芯焊絲58-O,60-O的焊接工藝性能優(yōu)良:電弧燃燒穩(wěn)定,焊道成形好,飛濺少,氣孔很少,堆焊層致密無縮松,表面有少量渣點,不予清理不影響連續(xù)多層焊接,煙塵不大,噪聲低。電弧穩(wěn)定性和飛濺程度方面同類產(chǎn)品相比有突出表現(xiàn)。表層主要缺陷為橫向微裂紋,是應(yīng)力釋放的正常現(xiàn)象,為大多數(shù)硬面堆焊所允許。

  同一種自保護(hù)藥芯焊絲在相同的焊接規(guī)范下由于采用的焊接設(shè)備不同,使得焊接工藝性能差異很大。58-O適合采用ZD7-1000型逆變直流明弧自動焊機焊接;60-O適合采用MZ-1000型埋弧自動焊機不加焊劑焊接,其焊道外觀如圖1所示。

  含有熔敷金屬化學(xué)成分的CO2氣體保護(hù)焊絲

  2.熔敷金屬化學(xué)成分

  參照GB984制作堆焊試樣,經(jīng)900~1000℃、保溫40~60min、爐冷的軟化處理后鉆取粉末進(jìn)行化學(xué)滴定和紅外吸收分析,測得的研制藥芯焊絲熔敷金屬化學(xué)成分見表3。

  3.堆焊層金相組織

  采用Quanta200型掃描電子顯微鏡對研制藥芯焊絲堆焊層表面和橫截面金相組織進(jìn)行了分析,照片如圖2所示。

  58-O、60-O堆焊層的組織相近,均為過共晶組織,在萊氏體基體上均勻分布著形狀規(guī)則的初生碳化物。碳化物數(shù)量多,分布均勻。初生碳化物顆粒較大、呈細(xì)桿狀、具有明顯方向性且生長方向垂直于工作面;共晶碳化物比較細(xì)碎,方向性不明顯;基體為馬氏體和殘余奧氏體。與同類產(chǎn)品相比,研制藥芯焊絲堆焊層顯微組織更優(yōu)化,對提高堆焊層的耐磨性十分有利。

  采用D8ADVANCE型X-射線衍射儀連續(xù)掃描法對58-O、60-O堆焊層進(jìn)行了物相分析,發(fā)現(xiàn)堆焊層中的主要物相有三種:斜方晶系的M7C3;體心立方的Fe-Cr固溶體和Fe。

  臺式硬度儀

  4.堆焊層硬度

  分別采用臺式硬度儀TH320、便攜式硬度儀HLN-11對研制藥芯焊絲的堆焊層進(jìn)行了硬度測試,結(jié)果見表4、表5.研制藥芯焊絲堆焊層硬度平均值在61~63HRC之間,與同類產(chǎn)品相比,硬度優(yōu)勢較明顯。

  5.堆焊層耐磨性

  鑄鐵焊條

  為考察研制藥芯焊絲堆焊層在不同應(yīng)力等級下的耐磨粒磨損性能,分別采用MLS-23型濕砂橡膠輪式磨料磨損試驗機和SKODA磨損試驗機進(jìn)行了磨損試驗。

 。1)濕砂橡膠輪式磨料磨損試驗濕砂磨損試樣尺寸:57mm×25mm×12mm,濕砂磨損試驗技術(shù)參數(shù)如表6所示。

  試驗前、后,將試樣放入盛有丙酮的燒杯中,在超聲波清洗儀中清洗5~8min,通過用萬分之一克光學(xué)天平測量耐磨堆焊試樣的失重量,以此來衡量堆焊層的耐磨性。取淬火后硬度為52HRc的45鋼作為對比試樣。

  試驗表明,在較低應(yīng)力狀態(tài)下,研制藥芯焊絲堆焊層具有相當(dāng)強的耐磨粒磨性能,高達(dá)45淬火鋼的8~10倍,試驗結(jié)果如表7所示。

  (2)SKODA磨損試驗SKODA磨損試驗技術(shù)參數(shù):試驗載荷15kg;轉(zhuǎn)速600r/min;轉(zhuǎn)數(shù)3000.研制藥芯焊絲堆焊層的耐磨性是通過將在顯微鏡下測得標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金輪在試樣表面進(jìn)行定點滾動摩擦產(chǎn)生的磨痕寬度換算成磨損體積來衡量的。

  試驗表明,在較高應(yīng)力狀態(tài)下,研制藥芯焊絲堆焊層同樣表現(xiàn)出良好的耐磨粒磨損性能,試驗結(jié)果見表8。

  四、分析與討論

  1.自保護(hù)的實現(xiàn)

  通過在藥芯中組合加入微晶石墨、高碳合金、鋁鎂合金、硅鐵、錳鐵、鈦鐵、硼鐵及稀土等物質(zhì),通過直接消耗氧氣、氮氣和降低周圍環(huán)境的氧、氮分壓兩種途徑,使周圍氣相的氧化性減弱成功地實現(xiàn)了藥芯焊絲的造氣-合金元素自保護(hù)。

  碳在高溫下有很強的氧化性,氧化后生成還原性的CO,能降低氣相中N2、O2的分壓,可以作為電弧下熔池的保護(hù)氣體;碳氧化引起的熔池沸騰也有利于N2的逸出。

  鋁在高溫下具有很高的活度,有非常強的脫氧、脫氮作用,能有效地減小焊縫氣孔的敏感性,往往能起到脫氧與固氮的雙重作用。鎂的沸點為1100℃,在住電弧中可形成蒸汽,并與N、O結(jié)合,可到保護(hù)熔滴的作用。

  硅、錳聯(lián)合脫氧是焊接冶金中最常用的脫氧于段,可得到較好的脫氧效果。

  硼與鈦在高溫下與氧的親合力很強,還能與氮反應(yīng)生成高熔點的BN、TiN,從而既降低氮的有害作用,又可作為熔池金屬凝固時的結(jié)晶核心起到細(xì)化晶粒的作用。

  稀土是4f系14個元素的總稱,性質(zhì)非常活潑,在180~200℃就能在空氣中被氧化成Re2O3,在750℃能與氮反應(yīng)生成稀土氮化物ReN,能起到脫氧脫氮的作用。稀土能有效降低焊縫氣孔的敏感性,使熔敷金屬中含氧量下降,總含氮量控制在一定的范圍內(nèi),降低氮的有害作用。適量的稀土元素還可改善焊縫金屬組織的形態(tài)、細(xì)化晶粒。

  2.高耐磨性分析

  為進(jìn)一步分析研制藥芯焊絲堆焊層的磨損和抗磨機理,還對濕砂試樣的磨痕進(jìn)行了掃描電鏡分析,見圖3。

  堆焊層的磨損表面既有劃痕、犁溝,又有碳化物脆裂,與實際工況產(chǎn)生的磨損機制相同。

  堆焊層經(jīng)磨損后,未出現(xiàn)碳化物明顯突出基體的現(xiàn)象,說明碳化物與基體有良好的強韌性匹配,相互支撐與保護(hù)有效地阻礙了磨粒的切削,實現(xiàn)了良好的雙向保護(hù),充分發(fā)揮了碳化物的抗磨作用,提高了堆焊層的整體抗磨能力。

  堆焊層中碳化物的尺寸、分布和形態(tài)對微裂紋的產(chǎn)生和擴展起重要作用。

  58-O、60-O堆焊層的良好耐磨粒磨損性能正是得益于其優(yōu)化的顯微組織:碳化物數(shù)量多、分布均勻,與馬氏體+少量殘余奧氏體的基體具有良好的強韌性匹配。初生碳化物呈垂直于磨損面的細(xì)桿狀,共晶碳化物呈顆粒狀。

  當(dāng)然,多元合金強化型高鉻鑄鐵合金體系、藥芯焊絲與焊接設(shè)備及工藝參數(shù)的良好匹配、良好的焊接工藝性能也是實現(xiàn)藥芯焊絲堆焊層高耐磨性的關(guān)鍵要素。

  五、其他

  (1)國內(nèi)目前沒有此類藥芯焊絲的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),查閱有關(guān)資料發(fā)現(xiàn),可將其歸到DIN8555MF-10-GF-6X-G(57~62HRC時,X=0;62~67HRC時,X=5)或JISZ3326YFCrA-S類別中。

 。2)多元合金強化型高鉻鑄鐵自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲,既可應(yīng)用于電力、鋼鐵、礦山、建材行業(yè)的磨煤機舊磨輥、磨盤的修復(fù),也可用于新件的預(yù)保護(hù),有十分廣闊的應(yīng)用前景。

  (3)研制藥芯焊絲與同類產(chǎn)品相比較而言,焊接工藝性能好,尤其是電弧穩(wěn)定、飛濺少;堆焊層硬度高,顯微組織優(yōu)化,耐磨性強;在價格方面(直接生產(chǎn)成本2~3萬元/t)也頗具優(yōu)勢,有較好的發(fā)展空間。中試產(chǎn)品在某電廠的工業(yè)性試驗中耐磨時間超過8000h,改進(jìn)型產(chǎn)品正在大力推廣應(yīng)用中。

  六、結(jié)語

 。1)藥芯焊絲采用金屬粉芯、多元合金強化型高鉻鑄鐵合金系、造氣-合金元素自保護(hù)機制。

 。2)優(yōu)化的顯微組織(M自潤滑軸承7C3型碳化物數(shù)量多、分布均勻,與馬氏體+少量殘余奧氏體的基體有良好的強韌性匹配,初生碳化物呈垂直于磨損面的細(xì)桿狀,共晶碳化物呈細(xì)碎的顆粒狀)是研制藥芯焊絲堆焊層具有良好耐磨粒磨損性能的根本原因。

  (3)藥芯焊絲焊接工藝性能優(yōu)良,堆焊層宏觀硬度61~63HRC,在不同應(yīng)力等級下均有良好的耐磨粒磨損性能。

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