耐磨堆焊藥芯焊絲對其自保護機理和耐磨性的分析和討論

1、    耐磨堆焊藥芯焊絲對其自保護機理和耐磨性的分析和討論                         更新時間：2009-11-26 15:11:22             

2、0;              一、概述  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。 為保證中速磨煤機的出力，高鉻鑄鐵抗磨損件需定期檢查、調(diào)整、修復(fù)或更換。采用藥芯焊絲自動堆焊方式修復(fù)

3、廢舊高鉻鑄鐵抗磨損件的經(jīng)濟效益和社會效益顯著，自保護藥芯焊絲自動焊即明弧自動焊因綜合性能優(yōu)異逐步取代埋弧自動焊成為堆焊發(fā)展的潮流，但國內(nèi)配套自保護藥芯焊絲的品質(zhì)和種類明顯不能滿足目前由于電力建設(shè)空前壯大引起的中速磨煤機抗磨損件備件緊張的局面。 本文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藥芯焊絲，并對研制焊絲自保護機制的實現(xiàn)和堆焊層高耐磨性的原因進行了探討。  二、設(shè)計原則  研制藥芯焊絲（腳號58O、60O）外皮采用韓國進口低碳冷軋鋼帶H08AL，截面為O形，藥芯填充系數(shù)調(diào)整范圍4555，先

4、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藥芯焊絲的工藝參數(shù)適應(yīng)性小，所以試驗中對其進行了優(yōu)化，如表2所示。 bu藥芯焊絲58O，60O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

5、缺陷為橫向微裂紋，是應(yīng)力釋放的正?，F(xiàn)象，為大多數(shù)硬面堆焊所允許。同一種自保護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。58O適合采用ZD71000型逆變直流明弧自動焊機焊接；60O適合采用MZ1000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氣體保護焊絲2.熔敷金屬化學(xué)成分參照GB984制作堆焊試樣，經(jīng)9001000、保溫4060min、爐冷的軟化處理后鉆取粉末進行化學(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Quanta 200型掃描電子顯微鏡對研制藥芯焊絲堆焊層表面和

6、橫截面金相組織進行了分析，照片如圖2所示。58O、60O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D8 ADVANCE型X-射線衍射儀連續(xù)掃描法對58O、60O堆焊層進行了物相分析，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TH3

7、20、便攜式硬度儀HLN11對研制藥芯焊絲的堆焊層進行了硬度測試，結(jié)果見表4、表5。研制藥芯焊絲堆焊層硬度平均值在6163HRC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MLS23型濕砂橡膠輪式磨料磨損試驗機和SKODA磨損試驗機進行了磨損試驗。（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58min，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，

8、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強的耐磨粒磨性能，高達45淬火鋼的810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準硬質(zhì)合金輪在試樣表面進行定點滾動摩擦產(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.自保護的實現(xiàn)通過在藥芯中組合加入微晶石墨、高碳合金、

9、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。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

10、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)晶核心起到細化晶粒的作用。稀土是4f系14個元素的總稱，性質(zhì)非?；顫?，在180200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)、細化晶粒。2.高耐磨性分析為進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)

11、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，相互支撐與保護有效地阻礙了磨粒的切削，實現(xiàn)了良好的雙向保護，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。58O、60O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桿狀，共晶碳化物呈顆粒狀。當然，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

12、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)標準，查閱有關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，可將其歸到DIN 8555 MF10GF6XG（5762HRC時，X=0；6267HRC時，X=5）或JIS Z3326  YFCrAS類別中。（2）多元合金強化型高鉻鑄鐵自保護耐磨堆焊藥芯焊絲，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，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23萬元/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，改進型產(chǎn)品正在大力推廣應(yīng)用中。六、結(jié)語（1）研制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-合金元素自保護機制。（2）研制藥芯焊絲焊接工藝性能優(yōu)良，堆焊層宏觀硬度6163HRC，在不同應(yīng)力等級下均有良好的