高铬合金堆焊耐磨钢板工艺攻关高铬合金堆焊耐磨钢板工艺攻关 广西柳州市锐钢捷公司 刘凤伟 余 波 全达盛 摘 要：磨损是产品失效的三种主要形式之一，即断裂、腐蚀、磨损。据不完全统计，能源的1/3到1/2消耗于摩擦与磨损。通过对复合耐磨钢板的生产机制，失效机理、焊后处理的工艺探讨以及生产运用特点探讨。初步试验了耐磨钢板可以较大范围地应用于柳钢内部耐磨备件的生产，降低因大量堆焊耐磨件引起的金属材料消耗增加、环境污染严重等所造成的经济损失。 关键词：耐磨板；抗冲击；冷弯成型；耐磨性；方便加工； 前 言：国外工业发达国家自60年代开始耐磨...
高铬合金堆焊耐磨钢板工艺攻关 广西柳州市锐钢捷公司 刘凤伟 余 波 全达盛 摘 要：磨损是产品失效的三种主要形式之一，即断裂、腐蚀、磨损。据不完全统计，能源的1/3到1/2消耗于摩擦与磨损。通过对复合耐磨钢板的生产机制，失效机理、焊后处理的工艺探讨以及生产运用特点探讨。初步试验了耐磨钢板可以较大范围地应用于柳钢内部耐磨备件的生产，降低因大量堆焊耐磨件引起的金属材料消耗增加、环境污染严重等所造成的经济损失。 关键词：耐磨板；抗冲击；冷弯成型；耐磨性；方便加工； 前 言：国外工业发达国家自60年代开始耐磨复合钢板的开发与推广，作为一种重要的抗磨结构材料大范围的应用于建材、冶金、燃煤发电等工业领域。在我国，耐磨复合钢板的研制自1985年，90年代起，在国内推广应用。最近几年随着水泥、冶金、电力等工业的发展，耐磨复合钢板制造公司发展很快。冶金行业是耐磨复合板的消耗大户，耐磨钢板作为超高的性价比的优秀耐磨材料受到各个钢铁厂格外的重视，截止2012年全国耐磨材料使用量达到300万吨。使用耐磨复合钢板既有优异的抗磨损功能又兼备了低碳钢的特点，能够直接进行焊接、拼接、弯曲、卷弧、卷管、打孔，这是铸造耐磨材料没办法实现的。使用耐磨复合板不但可以减少备件的损耗，有利于提高劳动生产率、减少能源损耗、防止环境污染。 一、筛板使用工况 热烧结矿筛分机筛板(简称热矿筛板)（图1） 是烧结矿整粒系统的主要易损件。热矿筛板用于筛除烧结矿中小于5mm的粉末，以满足高炉生产对粒度的要求。国内长期以来用ZG30Cr18Mn12Si2N（简称 CrMnN）作为热矿筛板材料。CrMnN属高合金耐热钢(合金含量高达33%)，其铸态组织为奥氏体，具备极高的强度和韧性，在常温下其σb≥490MPa，δ≥8%。但硬度较低（HRC25左右），致使热矿筛板磨损严重，筛孔尺寸逐渐扩大，最终因不能够满足筛分粒度的要求而报废。热烧结矿经破碎后滑落到筛分机的筛板上，矿石粒度≤220mm，矿石普氏硬度f = 16～19，显微硬度Hv=1000～1200，矿石熔点800～900℃。矿石破碎后滑落到筛板的高度约7m。筛分机振动频率12.5Hz，振幅3.5～4.5mm，筛面倾角3.5，落料量220t/h。从矿石的特点和筛分机的技术参数等特点分析，筛板材质必须既有高的耐热性，同时又有较好的韧性（包括高温韧性)，此外还要有较高的抗高温磨损性能。以前多选用CrMnN制作热矿筛板，CrMnN尽管有优良的耐热性和较高的韧性，但其硬度低，抗磨性能很低。因此有必要选用一种满足上述要求的筛板材质，提高热矿筛板寿命及生产效率，减少备件损耗、降低生产所带来的成本。 二、筛板材料分析 高铬铸铁材料以其优良的抗低应力磨粒磨损性能、低廉的价格，在国内外已经受到十分普遍的作用。在材料
面堆焊高耐磨性的高铬铸铁，可以轻松又有效的提高材料的寿命。 高铬铸固时形成(Cr，Fe)7C3型碳化物，这种碳化物的硬度高( Hv1500～1800)。远高于(Cr，Fe)3C型碳化物的硬度(Hv840～1100)，并且超过了矿石的硬度(Hv=1000～1200)，这是高铬铸铁具有高耐磨性的根本原因。高铬铸铁的共晶结构与一般铸铁中的莱氏体相反，共晶碳化物为不连续相，以分散的单体存在于奥氏体中，而共晶奥氏体则为连续体。这种特殊结构相当于在一定基体上嵌入高硬度的颗粒， 大大减弱了高硬度相的脆化作用， 因此高铬铸铁具备比较好的韧性。高铬铸铁中的铬一部分进入碳化物，另一部分进入基体，来提升了基体的抗氧化能力。此外，高铬铸铁还有比CrMnN更好的焊接性能。 三、复合钢板制作流程与工艺分析 耐磨高铬铸铁在金属表面熔敷能够最终靠表面堆焊技术完成（图2）。堆焊技术，是为了达到使零部件修复与强化的目的，用焊接方法在零件表面堆敷一层金属的工艺过程，是近几十年快速地发展的一种表面面改性技术，能有效地改变材料表面的耐磨性、耐蚀性和其他力学性能。对提高零件的常规使用的寿命，合理使用材料，提升产品性能，减少相关成本有显著的经济效益。 图2 按合金类别和组织对堆焊金属进行分类 堆焊耐磨复合板，通用的名称耐磨复合钢板，是一种高耐磨复合材料，它采用自动平板焊接设备，利用电弧的方式将高达40-60％的碳化铬合金结合到合适的钢铁基板上构成的复合耐磨层板。该层板堆焊层材质均匀、外观规则，耐磨层金相组织中的碳化物呈纤维状分布，且与表面垂直，表面硬度可达到HRC63以上，高碳化铬含量的硬质合金，耐磨复合板适用于磨损极为严重的环境。复合钢板还具有高硬材料和韧性材料的双重性能，它与其他工程抗磨材料如各种合金钢板、铸造耐磨板、铸石、橡胶、聚氨脂等相比，具有无法替代的综合优异性能。 1、堆焊复合钢板的基本厚度及规格： 一般有3+3、4+2、5+3、5+4、6+4、6+5、6+6、8+4、8+4、8+6、10+5、10+6、10+8、10+10、20+20等，前一个数字代表母材的厚度，“+”后面一个数字表示熔合线以上的合金层的厚度。一般都会采用的焊丝是：LZ570、LZ590、LZ601、LZ606、LZ650等。 2、堆焊耐磨复合板性能： ⑴．高抗磨损性能：磨损试验表明耐磨复合板的耐磨性比低碳钢高20倍以上，比不锈钢、高锰钢高5倍以上； ⑵．高抗冲击性能：由于采用软钢基板，耐磨复合板具备极高的抗冲击性能，充足表现了复合材料既耐磨又抗冲击的优点； ⑶．方便的加工性能：耐磨堆焊复合钢板可以变形、焊接，可很方便地像普通钢板一样加工成各种耐磨损部件； ⑷．高性能价格比：使用耐磨堆焊复合板虽然表面成本提高，但考虑机件的常规使用的寿命、维修费用、停机损失等，其性能价格比高出普通材料约2～4倍。由于材料使用合理，耐磨堆焊复合板比同等材料手工堆焊价格低50%； ⑸．耐磨钢板耐磨层厚度3～12㎜，耐磨层硬度能够达到HRC60-67，耐磨性能是普通钢板的15-20倍以上，是低合金钢板性能5-10倍以上，是高铬铸铁耐磨性能2-5倍以上，耐磨性远高于喷焊和热喷涂等方法。 3、使用优势 ⑴．提高经济效益：减少停机时间提高设备运转率，提高设备作业率，减少停产检修损失，提高产能，增加效益； ⑵．降低生产所带来的成本：维修成本，减少磨耗使设备产能降低及耗电增加的损失； ⑶．改善生产环境：大幅度的降低磨耗破损落料而污染自然环境，避免跑冒滴露，有利环境保护，有利于厂区清洁； ⑷．保护工人健康：减少恶劣环境上班时间，减少高空和狭窄拥挤的空间作业，降低工作强度； ⑸．社会效益显著：大幅度减少普通钢板材料使用，科学技术进步带来综合社会效益。 四、耐磨复合钢板试制 1、试验理论基础 耐磨复合钢板的耐磨层厚度在堆焊一层时为3mm～5mm，堆焊2层可达6mm～10mm，焊道宽度在30mm～50mm之间，作为基础材料采用Q235钢板，厚度一般在5mm～20mm范围，堆焊层的含碳量可达4.5%～6%，含铬量在25%～30%。如此高的合金成分，用铸造的方法没有办法获得，合金层硬度在HRC55-65范围，金相组织为大量先共晶碳化物+共晶碳化物+马氏体+残余奥氏。高耐磨的堆焊层和高韧性的母板复合在一起，使耐磨复合钢板兼备了高耐磨、耐冲击和可加工的特点。 耐磨复合钢板的制作能够使用明弧自保焊丝堆焊也能够使用埋弧加粉堆焊，这也是目前最常用的两种堆焊方法。明弧堆焊热输入小，不用清理焊剂，方便控制；埋弧加粉堆焊需要清理焊剂，但是熔敷效率高，合金含量能做到更高，这对药芯焊丝来说有一定的难度。无论用何种方法堆焊，由于合金层内含有大量的碳化物以及焊接应力的作用，在合金层表面都有垂直于焊道方向的裂纹产生，裂纹的生成有利于释放焊接应力，也给钢板平整度带来一定的好处，裂纹局限在合金层内，并不向Q235基材内部扩展，因此不影响加工和使用。 2 试验方法及过程 本次试验采用明弧焊，堆焊试验在Q235基体上进行,试板尺寸为500mm×350mm×10mm。使用ZD5-1000型自动明弧焊机。采用Φ2.8mm法奥迪VAUTID-80焊丝。 堆焊试验分5个步骤： （1）. 打磨基体Q235钢板，防止焊缝出现气孔、裂纹，并增强导电性； （2）. 使用ZD5-1000型自动焊机在钢板上做堆焊试验； （3）. 明弧焊机头使用耐火纤维布覆盖挡弧光并用抽风机去除烟尘； （4）. 焊接过程中观察成形工艺性能，如飞溅、烟尘、电弧稳定情况，焊后观察焊缝金属的工艺性能，如脱渣、成型、飞溅物等； （5）. 综合分析焊接工艺是不是满足要求，若不符合则进行适当调整。焊接电流的选择范围从300～550A；焊接电压的选择范围为30～35V；焊接速度的选择范围从16m/h 到24m/h。焊丝的外伸长度根据经验定为10mm。 试验时分别在钢板上堆焊一道焊缝，每道二层，观察成形性。基体钢板在焊接中采用刚性框架夹具固定堆焊钢板，焊后松弛用三辊卷板机矫平。从试样左侧开始堆焊，并选择沿宽度方向堆焊。在焊道中部切取金相及硬度试样以进行金相分析及硬度测定。待钢板冷却后，机加工打磨堆焊表面，取四条焊缝，每条取六个点测量硬度。金相试验是用水刀切割截取出焊缝断面，经水砂纸打磨、抛光和王水腐蚀后，观察显微金相组织。 3、效果检测 ⑾、试样硬度测量结果分析，四条焊缝的硬度较均匀；（见下表） 检测点硬度 焊缝 （HRC） 1 2 3 4 5 6 1 58 58.5 59 58 59 57.5 2 59 59 59.5 60 59.5 60 3 58 59 59 57.5 59 58.5 4 59.5 59 59.5 60 58.5 58.5 ⑿、测量的焊缝成形性均良好，没有形成与焊道方向平行的裂纹、无交错裂纹（见图3） 图3 焊后表面 ⒀、在不同的电流、电压下各焊道熔敷情况复合要求，堆焊层与基体融合较好（见图4）； 图4 水刀切割融合层 ⒁、显微分析金相组织如图5、6，堆焊金属与基体融合存的不同形态。 可以看出两道堆焊金属与母材有不同的分界线，说明结合还是紧密的，该焊缝耐冲蚀性能应该较差。焊缝为典型的马氏体组织，马氏体机械性能的显著特点就是具有高硬度和高强度。条状马氏体的高密度位错网，片状马氏体的微细孪晶都将阻碍位错运动，从而使马氏体强化。此外，马氏体尺寸越小，马氏体强度越高。通过在基体表面堆焊一层马氏体组织，明显提高了基体的耐磨性和硬度。 图5 40mm融合层 图6 20mm融合层 五、结论 综上所述，我们在进行耐磨复合板试验时，发现了多个影响焊接性能的因素。在工艺上，需提高堆焊层化学成分均匀性；降低焊道搭接处对堆焊层组织和性能产生的影响；减少焊道搭接对堆焊层产生的拉应力，降低焊接面剥落的可能性；减少焊接应力；保证表面平直度和缺陷符合标准要求。 总的来说，尽管各种试制条件上存在不足，但是通过对耐磨复合板的使用情况分析、失效分析，还是确定了基本的生产的基本工艺，即将在柳钢内部耐磨备件的修复中进行应用。
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