耐磨堆焊藥芯焊絲
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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生的三體磨料磨損，其磨損方式主要是煤中的硬質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和堆焊層高耐磨性的原因進行了探討。 二、設計原則 研制藥芯焊絲（腳號58-O、60-O）外皮采用韓國進口低碳冷軋鋼帶H08AL，截面為O形，藥芯填充系數調整范圍45％～55％，先軋后拔工藝生產，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適應性小，所以試驗中對其進行了優化，如表2所示。
藥芯焊絲58-O，60-O的焊接工藝性能優良：電弧燃燒穩定，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多層焊接，煙塵不大，噪聲低。電弧穩定性和飛濺程度方面同類產品相比有突出表現。表層主要缺陷為橫向微裂紋，是應力釋放的正常現象，為大多數硬面堆焊所允許。 同一種自保護藥芯焊絲在相同的焊接規范下由于采用的焊接設備不同，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。
含有熔敷金屬化學成分的CO2氣體保護焊絲 2.熔敷金屬化學成分 參照GB984制作堆焊試樣，經900～1000℃、保溫40～60min、爐冷的軟化處理后鉆取粉末進行化學滴定和紅外吸收分析，測得的研制藥芯焊絲熔敷金屬化學成分見表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則的初生碳化物。碳化物數量多，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。與同類產品相比，研制藥芯焊絲堆焊層顯微組織更優化，對提高堆焊層的耐磨性十分有利。 采用D8ADVANCE型X-射線衍射儀連續掃描法對58-O、60-O堆焊層進行了物相分析，發現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行了硬度測試，結果見表4、表5.研制藥芯焊絲堆焊層硬度平均值在61～63HRC之間，與同類產品相比，硬度優勢較明顯。
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，濕砂磨損試驗技術參數如表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，在較低應力狀態下，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8～10倍，試驗結果如表7所示。
（2）SKODA磨損試驗SKODA磨損試驗技術參數：試驗載荷15kg；轉速600r/min；轉數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合金輪在試樣表面進行定點滾動摩擦產生的磨痕寬度換算成磨損體積來衡量的。 試驗表明，在較高應力狀態下，研制藥芯焊絲堆焊層同樣表現出良好的耐磨粒磨損性能，試驗結果見表8。
四、分析與討論 1.自保護的實現 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，通過直接消耗氧氣、氮氣和降低周圍環境的氧、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結合，可到保護熔滴的作用。 硅、錳聯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，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、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，與實際工況產生的磨損機制相同。 堆焊層經磨損后，未出現碳化物明顯突出基體的現象，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，實現了良好的雙向保護，充分發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、分布和形態對微裂紋的產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化的顯微組織：碳化物數量多、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、藥芯焊絲與焊接設備及工藝參數的良好匹配、良好的焊接工藝性能也是實現藥芯焊絲堆焊層高耐磨性的關鍵要素。 五、其他 （1）國內目前沒有此類藥芯焊絲的相關標準，查閱有關資料發現，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耐磨堆焊藥芯焊絲，既可應用于電力、鋼鐵、礦山、建材行業的磨煤機舊磨輥、磨盤的修復，也可用于新件的預保護，有十分廣闊的應用前景。 （3）研制藥芯焊絲與同類產品相比較而言，焊接工藝性能好，尤其是電弧穩定、飛濺少；堆焊層硬度高，顯微組織優化，耐磨性強；在價格方面（直接生產成本2～3萬元/t）也頗具優勢，有較好的發展空間。中試產品在某電廠的工業性試驗中耐磨時間超過8000h，改進型產品正在大力推廣應用中。 六、結語 （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-合金元素自保護機制。 （2）優化的顯微組織（M自潤滑軸承7C3型碳化物數量多、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桿狀，共晶碳化物呈細碎的顆粒狀）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良，堆焊層宏觀硬度61～63HRC，在不同應力等級下均有良好的耐磨粒磨損性能。
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