胡建平 趙學(xué)彬

燒結(jié)單齒輥耐高溫磨損焊絲的研究

胡建平 趙學(xué)彬

為了提高單齒輥的耐高溫磨損性能及使用壽命，研制了一種GD—550堆焊焊絲，并對其組織、硬度、耐磨粒磨損性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，通過向焊絲中加入大量Nb元素，可明顯提高堆焊層在高溫下的硬度與耐磨性，表面硬度達(dá)到64HRC，堆焊后單齒輥累計(jì)使用壽命高達(dá)12 000h。

1. 概述

單輥破碎機(jī)是鋼廠和煉鐵廠燒結(jié)系統(tǒng)的重要部件，主要工作部分是錘頭，錘頭包括錘柄和錘體兩部分，錘柄主要起支撐作用， 錘體主要用來破碎燒結(jié)礦，錘頭使用壽命的長短主要取決于錘體的壽命。工作時(shí)，通過錘頭與側(cè)下方篦板形成的剪切作用，使從燒結(jié)機(jī)尾部卸下的尚處于750～850℃高溫的燒結(jié)礦破碎，故要求錘頭尤其是錘體要抗高溫耐磨。

煤矸石含大量的SiO2和Al2O3，其硬度>2 500HV。常用的耐磨金屬材料以高鉻合金為主，高鉻合金顯微硬度只有1 200HV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于物料硬度。相關(guān)研究也指出磨料磨損不僅決定于材料的硬度，而且更主要的決定于材料硬度和磨料中磨粒的硬度比值，當(dāng)比值＜0.8時(shí)，磨損進(jìn)入高磨損區(qū)。另外，高鉻合金在850℃高溫下，硬度由常溫的58HRC，下降到45HRC，耐磨性下降30%以上。

如何提高材料硬度，提高單齒輥齒冠在高溫下的硬度，成為提高單齒輥抗磨損性能的關(guān)鍵。本文針對單齒輥堆焊耐磨材料存在的問題，選用高硬度的碳化鈮作為耐磨硬質(zhì)相，開發(fā)出了一種堆焊耐磨焊絲，并對堆焊層的組織及性能做了研究。

2. 常用單齒輥堆焊材料

目前常用單齒輥堆焊耐磨材料主要是高鉻堆焊合金，即Fe-Cr-C合金系，依靠堆焊層中形成的Cr7C3作為耐磨硬質(zhì)相抵抗磨損。但是，Cr7C3顯微硬度僅為1 100～1 300HV，遠(yuǎn)低于SiO2和Al3O2顯微硬度，磨損仍很嚴(yán)重，使用效果也不理想。

3. GD－550耐磨堆焊合金性能

本文針對單齒輥高溫磨損的特點(diǎn)開發(fā)的堆焊耐磨焊絲GD— 550是在高鉻合金的基礎(chǔ)上，通過添加熱穩(wěn)定性強(qiáng)、硬度高的碳化鈮（NbC）硬質(zhì)相制備的，成分如表1所示。碳化鈮熔點(diǎn)高達(dá)3 200℃，硬度>2 400HV，比剛玉還硬，耐磨性更強(qiáng)。由于其熔點(diǎn)高，在堆焊后冷卻過程中對Cr7C3起到細(xì)化晶粒的作用，顯著提高堆焊層耐磨性，提高堆焊層抗脫離性能。

表1 GD—500主要合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 堆焊參數(shù)及性能

4. 試驗(yàn)過程

（1）硬度及金相組織 試驗(yàn)試板材質(zhì)為Q345鋼，堆焊材料為GD—500型耐磨焊絲，堆焊參數(shù)如表2所示，堆焊成形效果如圖1所示。空冷后磨平，利用HR—150A多功能數(shù)字硬度計(jì)對堆焊層進(jìn)行洛氏硬度測試，根據(jù)GB8640—1988規(guī)定，每個(gè)試樣測定5個(gè)點(diǎn)，取平均值，試驗(yàn)采

用金剛石壓頭，載荷為150kg，加載時(shí)間為5s，恢復(fù)時(shí)間為3s。其中測定點(diǎn)之間的距離或任一測定點(diǎn)距試樣邊緣的距離≥3mm，每個(gè)試樣測試5個(gè)點(diǎn)，取平均值。

堆焊層的組織測試首先采用金相切割機(jī)、金相鑲樣機(jī)、預(yù)磨機(jī)、拋光機(jī)等設(shè)備進(jìn)行金相試樣的制備，然后利用4X1、ols3000及MPEG3等型號顯微鏡進(jìn)行組織觀察與圖像采集。

（2）試驗(yàn)結(jié)果分析 圖2為堆焊層金相組織，圖中方形白色相即為高硬度NbC，其彌散分布在馬氏體上和殘余奧氏體上，保護(hù)基體不受磨損。碳化鈮熔點(diǎn)高達(dá)3 500℃，在堆焊層中起到細(xì)化晶粒的作用，Cr7C3硬質(zhì)相都以碳化鈮為形核質(zhì)點(diǎn)包裹在NbC周邊。另外碳化鈮尺寸小，在堆焊層中約10μm，與高鉻碳化物（40～60μm）相比，其分布更致密，更均勻。在GD—550堆焊層中，由于碳化物的尺寸大大減小，單位面積內(nèi)的碳化物分布更密集，因此在受到?jīng)_擊載荷時(shí)，單個(gè)碳化物上承受的沖擊力會(huì)大幅降低，因此整個(gè)堆焊層的耐沖擊性能也會(huì)顯著提高。

新型GD—550碳化鈮堆焊層硬度如表3所示，碳化鈮硬質(zhì)相的存在，使堆焊層硬度較高。碳化鈮堆焊層由于高硬度碳化鈮的存在，使的硬質(zhì)相分布更密集，因此硬度更高。硬度最高可以達(dá)到65HRC，平均＞64HRC。

圖1 GD－500堆焊成形效果

5. 實(shí)際應(yīng)用

唐山冶金機(jī)械廠原來采用耐磨焊條堆焊單齒輥，焊后硬度低，而且高溫加熱后耐磨性差，使用壽命低，更換頻率快，勞動(dòng)強(qiáng)度大。如該廠采用我公司生產(chǎn)的GD—550焊絲堆焊單齒輥（見圖3），堆焊后不僅單齒輥性能得到顯著提升，而且焊接效率也大大提高。一臺(tái)φ1 500mm×2 520mm水冷式單齒輥，在表4焊接參數(shù)下堆焊厚度10mm（3層），堆焊后實(shí)際采用便攜式硬度計(jì)測試硬度高達(dá)64HRC，發(fā)往鋼廠累計(jì)使用時(shí)間高達(dá)12 000h，深受用戶好評。

6. 結(jié)語

本文對新型的GD—550堆焊材料與傳統(tǒng)的高鉻合金進(jìn)行了性能對比，結(jié)果表明，所開發(fā)的GD—550耐高溫磨損堆焊材料，由于加入了大量熔點(diǎn)高，體積小，顯微硬度高的NbC硬質(zhì)相，使其與傳統(tǒng)高鉻合金相比，在抗高溫磨損方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢。實(shí)際應(yīng)用也表明，采用GD—550堆焊修復(fù)后的燒結(jié)機(jī)單齒輥，使用壽命顯著延長，不僅減少了更換次數(shù)，也降低了生產(chǎn)成本與勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖2 新型碳化鈮堆焊層金相組織

圖3 采用GD—550堆焊單齒輥星輪

表3 堆焊層宏觀硬度 （HRC）

表4 單齒輥堆焊工藝

[1] 王智慧，俞長麗，賀定勇. 焊后熱處理對Fe-Cr-C耐磨堆焊合金組織和磨損性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2009(8).

胡建平等，北京佳倍德工程技術(shù)有限公司。