在線無限次“冷焊”輥壓機(jī)過渡層焊絲的開發(fā)

北京奧邦焊業(yè)有限公司 · 2015-08-19 13:16 留言

  0 前言

  輥壓機(jī)是用途廣泛的一種高效節(jié)能的粉磨設(shè)備,尤其適用于水泥熟料的預(yù)粉磨。而且對石灰石,高爐礦渣,石灰砂巖,原煤,石膏,石英砂,鐵礦石等的粉磨也很有效。輥壓機(jī)的主要特點(diǎn)就是利用50~300MPa的高壓對物料進(jìn)行擠壓,達(dá)到粉碎的目的。輥壓機(jī)磨輥表面承受著高應(yīng)力磨粒磨損,極其惡劣的工作條件,使用一段時(shí)間后必然要產(chǎn)生磨損。另外由于鐵塊等異物或者操作不當(dāng)致使輥縫間距隙過小等,輥壓機(jī)輥套會出現(xiàn)剝落或者低周疲勞剝落。

  輥體材料為鍛鋼34CrNiMoA 或42CrMo鋼,非常昂貴,絕大多數(shù)情況下不可能更換,只有在現(xiàn)場繼續(xù)對其進(jìn)行修復(fù)。因此在制造輥壓機(jī)時(shí)就必須對擠壓輥表面進(jìn)行有效防護(hù)。而在擠壓輥表面堆焊耐磨材料是目前全世界公認(rèn)的最有效,最簡便的方法。

  高硬度的輥面耐磨層與輥體,材料的強(qiáng)度有比較大的差距,直接堆焊到輥體上的耐磨層易于出現(xiàn)大面積剝落問題。因此必須在輥面耐磨堆焊層和輥體材料之間設(shè)計(jì)堆焊不同強(qiáng)度級別的堆焊材料保證堆焊的可靠性。所以除了保證輥面花紋層耐磨性以外,也要保證過渡層抗疲勞剝落能力,因此輥壓機(jī)過渡層堆焊材料須有良好的塑韌性。

  1 輥壓機(jī)輥套焊接性分析

  輥套材質(zhì)一般為中碳合金鋼,以42CrMo為例,鍛造后調(diào)質(zhì)處理?;瘜W(xué)成份見表1:

  表1  42CrMo的化學(xué)成份(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

  42CrMo鋼強(qiáng)度、淬透性高,韌性好,淬火時(shí)變形小,高溫時(shí)有高的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度。用于制造要求較35CrMo鋼強(qiáng)度更高和調(diào)質(zhì)截面更大的鍛件。42CrMo的綜合碳當(dāng)量為0.78﹪,碳當(dāng)量高,淬硬傾向較強(qiáng),屬于較難焊材料,其成分中的Mn、Mo等元素增加了白點(diǎn)的敏感性,容易產(chǎn)生延遲裂紋。當(dāng)P、S含量也較高時(shí)容易形成熱裂紋。為了防止熱裂紋的產(chǎn)生,在選用焊絲時(shí), C、P、S含量要低點(diǎn),Mn含量高點(diǎn)以加強(qiáng)脫硫。圖1 為42CrMo調(diào)質(zhì)后的顯微組織金相圖片,調(diào)質(zhì)后的組織為保持馬氏體位向的回火索氏體。

  圖 1 42CrMo調(diào)質(zhì)后顯微組織

  我公司(北京奧邦焊業(yè)公司)的HC-O系列焊絲為Fe-Cr-C系高鉻鑄鐵型藥芯焊絲,其特點(diǎn)自保護(hù)型微渣或無渣型,不添加任何造渣劑,是中國明弧堆焊的先行者,市場占有率高,得到業(yè)界一致認(rèn)可。圖2 所示其堆焊后的顯微組織是由馬氏體+少量的奧氏體+大量的碳化物組成。其合金耐磨性高溫達(dá)到350℃以上,仍能保持良好的硬度和耐磨性。耐磨工作層堆焊后硬度高達(dá)HRC60以上,且有大量龜裂紋。具體焊絲編號及成分如表2所示。

  表2焊絲編號及化學(xué)成份(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

  圖2 HC-OMO堆焊金屬顯微組織照片

  如果直接在母材上堆焊耐磨藥芯焊絲,由于耐磨層熔敷金屬與母材金屬熔化溫度相差很大,熔化不同步,熔點(diǎn)低的金屬過早熔化而發(fā)生流淌或者與高熔點(diǎn)金屬產(chǎn)生未熔合。此外,熔點(diǎn)高的金屬凝固和收縮早,會使尚處于部分凝固和薄弱狀態(tài)的低熔點(diǎn)金屬產(chǎn)生應(yīng)力,可能導(dǎo)致裂紋。

  另外兩種組織線膨脹系數(shù)差異較大,由于彼此間冷卻收縮不一致,會引起較大的堆焊內(nèi)應(yīng)力,嚴(yán)重時(shí)能導(dǎo)致堆焊裂紋。在高溫運(yùn)行時(shí),將產(chǎn)生熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力是無法消除的(焊后熱處理可以消除焊接殘余應(yīng)力,但熱應(yīng)力是在使用過程中產(chǎn)生的)。

  3 隔離堆焊過渡層焊絲研發(fā)

  根據(jù)上述工況,該種工況已經(jīng)不在屬于異種鋼的焊接,如F(鐵素體),M(馬氏體),A(奧氏體)之間的異種鋼焊接。此工況應(yīng)為中碳合金鋼與抗磨高鉻白口鑄鐵的焊接。研發(fā)的專用過渡層材料須具有高韌止裂性能,堆焊后的金屬具有極好的抗裂性能和抗沖擊韌性。要能夠有效阻止輥面的焊接裂紋和疲勞裂紋向輥體延伸、發(fā)展,有效保護(hù)輥體不受損壞。

  隔離堆焊的方法用于中碳合金鋼和耐磨堆焊層之間,選用線膨脹系數(shù)介乎兩種金屬之間的金屬做過渡層的填充金屬進(jìn)行堆焊,以減少線膨脹系數(shù)差異所造成的熱應(yīng)力。解決上述問題也需考慮成本問題。與化工,鍋爐壓力容器行業(yè)的不同之處在于,隔離層厚度大,如果選用常規(guī)的奧氏體不銹鋼(18-8)焊材來堆焊隔離層,成本將非常高。且需要考慮與耐磨堆焊層熔合區(qū)的韌塑性。該層有碳“遷移”現(xiàn)象。有增碳和脫碳過渡區(qū)域,該區(qū)域由于硬度突變,會造成有害影響,因此易于在此區(qū)域造成疲勞破壞。

  但由于鎳資源的稀少以及其價(jià)格近來漲幅巨大,因而就需要通過其它元素代替鎳,來降低成本。錳對于奧氏體的作用與鎳相似,可以采取錳代鎳制取低成本奧氏體不銹鋼鋼焊材。

  奧氏體形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%————(3-1)

  從這個(gè)鎳等式可以看出:碳是一種較強(qiáng)的奧氏體形成元素,其形成奧氏體的能力是鎳的30倍,但是它不能被添加到耐腐蝕的不銹鋼中,因?yàn)樵诤附雍笏鼤斐擅艋g和隨后的晶間腐蝕問題。且本工況中,耐磨藥芯焊絲堆焊后的碳含量大于4%。如果添加碳含量過高,焊縫硬脆性增大,不利于韌性。

  為了克服鉻鎳不銹鋼的晶間腐蝕,如18-8,一般將鋼的含碳量降至0.03%以下,或者加入比鉻和碳親和力更大的元素(鈦或鈮),使之不形成碳化鉻。在本文工況下,高硬度與耐磨性成為主要要求,所以增加鋼的含碳量來滿足硬度與耐磨性的要求。

  從式1-1看出,錳,鎳兩者均為奧氏體形成元素,即均能與鐵形成無限互溶固溶體-奧氏體。但錳的作用不在于形成奧氏體,而是在于它降低鋼的臨界淬火速度,在冷卻時(shí)增加奧氏體的穩(wěn)定性,抑制奧氏體的分解,使高溫下形成的奧氏體得以保持到常溫。在提高鋼的耐腐蝕性能方面,錳的作用不大。因此在本文工況不需要耐腐蝕的工況下,為獲得單相奧氏體組織,用Mn代替Ni是完全可行的,同時(shí)Mn元素有著比Ni元素更大的固溶強(qiáng)化效應(yīng),可使鋼的性能得到改善。此外,所形成的MnS可以替代FeS,可防止產(chǎn)生熱裂紋從而利于焊接。錳還可以抵消一些有害元素的不利影響,而且還是一種降低結(jié)晶裂紋敏感性的元素。

  氮元素形成奧氏體的能力也是鎳的30倍,但是它是氣體,想要不造成多孔性的問題,只能在添加數(shù)量有限的氮。從鎳等式中可以看出,添加錳對于形成奧氏體并不非常有效。但添加錳可以使更多的氮溶解到不銹鋼中,而氮正是一種非常強(qiáng)的奧氏體形成元素。含0.25%的氮,形成奧氏體的能力相當(dāng)于7.5%的鎳。但錳的含量不宜太高,否則易使凝固時(shí)和高溫使用過程中組織粗大,增加材料的脆性。所以不能加入太多的錳和氮。

  在無鎳或少鎳情況下,為了形成100%的奧氏體結(jié)構(gòu),結(jié)合舍弗勒組織圖,可以減少鉻的加入量。這盡管導(dǎo)致了抗腐蝕能力的下降。但在只有在沖擊、磨損,無腐蝕或輕微腐蝕的工況條件下是可行的。在已經(jīng)降低鉻含量情況下,由于碳含量高,為防止生成碳化鉻,可以加入一定量的強(qiáng)碳化物元素,如鈮和鈦。

  圖3 舍弗勒組織圖

  奧氏體形成元素的鎳當(dāng)量計(jì)算公式:

  Nieq=Ni+30(C+N)+0.5Mn————————(3-2)

  鐵素體形成元素的鉻當(dāng)量計(jì)算公式:

  Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb————————(3-3)

  在200系列的不銹鋼中,正是用足夠的錳和氮來代替鎳形成100%的奧氏體結(jié)構(gòu),鎳的含量越低,所需要加入的錳和氮數(shù)量就越高。例如在201型不銹鋼中,只含有4.5%的鎳,同時(shí)含有0.25%的氮。由鎳等式可知這些氮在形成奧氏體的能力上相當(dāng)于7.5%的鎳,所以同樣可以形成100%奧氏體結(jié)構(gòu)。這也是200系列不銹鋼的形成原理。

  按上述思路進(jìn)行配方實(shí)驗(yàn),我公司成功開發(fā)出AP307專用隔離堆焊藥芯焊絲。堆焊后硬度180~220HB。表3 為堆焊后化學(xué)成分。圖4所示焊后組織為奧氏體枝晶組織。具有耐腐蝕,耐沖擊及耐高壓應(yīng)力性能的焊接金屬合金。

  表3  AP307化學(xué)成分

  圖4 AP307堆焊后組織奧氏體枝晶

  4 結(jié)論

  在滿足輥套過渡層性能要求下,成本比18-8鉻鎳奧氏體不銹鋼降低了45%。既節(jié)約了寶貴的鎳資源,又降低了成本。AP307藥芯焊絲不僅適用于輥壓機(jī)輥套新制和修復(fù),也適用于鑄鋼立磨輥套的新制和修復(fù)。也可堆焊受高沖擊力或旋轉(zhuǎn)載荷的工件。適于硬面堆焊的過渡層焊接,以及錳鋼耐磨件的修復(fù)焊接。

編輯:陳宗勤

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