一、概述
中速磨煤機(jī)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(jī)理為微切削磨損、塑性疲勞磨損、脆斷和剝落磨損三種機(jī)制并存，但以微切削磨損為主。
為保證中速磨煤機(jī)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)廢舊高鉻鑄鐵抗磨損件的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著，自保護(hù)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(hù)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(jī)抗磨損件備件緊張的局面。
本文針對中速磨煤機(jī)高鉻鑄鐵抗磨損件的磨損失效機(jī)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(qiáng)化型自保護(hù)藥芯焊絲，并對研制焊絲自保護(hù)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)和堆焊層高耐磨性的原因進(jìn)行了探討。
二、設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jī)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(yàn)中對其進(jìn)行了優(yōu)化，如表2所示。
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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(diǎn)，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(jī)焊接；60—O適合采用MZ—1000型埋弧自動焊機(jī)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Quanta 200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D8 ADVANCE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(yàn)機(jī)和SKODA磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了磨損試驗(yàn)。
（1）濕砂橡膠輪式磨料磨損試驗(yàn) 濕砂磨損試樣尺寸：57mm×25mm×12mm，濕砂磨損試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)如表6所示。
試驗(yàn)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(yàn)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(qiáng)的耐磨粒磨性能，高達(dá)45淬火鋼的8～10倍，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。
（2）SKODA磨損試驗(yàn) SKODA磨損試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)：試驗(yàn)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(diǎn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果見表8。
四、分析與討論
1.自保護(hù)的實(shí)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?dú)夂徒档椭車h(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(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)，還能與氮反應(yīng)生成高熔點(diǎn)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(shí)的結(jié)晶核心起到細(xì)化晶粒的作用。
稀土是4f系14個(gè)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(jī)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(shí)際工況產(chǎn)生的磨損機(jī)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(qiáng)韌性匹配，相互支撐與保護(hù)有效地阻礙了磨粒的切削，實(shí)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(kuò)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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DIN 8555 MF—10—GF—6X—G（57～62HRC時(shí)，X=0；62～67HRC時(shí)，X=5）或JIS Z3326 YFCrA—S類別中。
（2）多元合金強(qiáng)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(jī)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(qiáng)；在價(jià)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(yàn)中耐磨時(shí)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）研制藥芯焊絲采用金屬粉芯、多元合金強(qiáng)化型高鉻鑄鐵合金系、造氣-合金元素自保護(hù)機(jī)制。
（2）研制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。
（3）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(qiáng)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。
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