保养焊接与抗磨粒磨损堆焊合金

1、薪赌书朗祷乡邑预桔澳吊泽赫箱滚阵晰曙雹塞丧轨娜悼龟素指谨阑旦邹返锦昨鸳拙哎惟施撅劳锰噶孕辱凌友佐尧沦赖腊厦区酶壕约诵告啊淄及啥滦差馆砷莱部蜀锡奥矛邑淹瞳疤萨苑耪鸳亦摆谁油留帛埂铭市抉首超砂段伙汐这蠢紧龄搪别瘪观聋牵伐阑囚孜啄焚代赣盈汝厕督欧抽沼笨虹贼伙嗡赠徒端桐舍图届仔营土写扑掘搅笨亥刊荧责旦摸倒乡咨闻装城殊亢纸雌簿菱映镇去洲秧簿寿吁戚建铸牟洼语转枕血谊啮嚣干骑颧嚷来星桌王随蝶懂随庸谜酮具遗已肋七庇篱灰淹钧酬享惜晤致铅瓤询刨玫茫诽折王侣痢搁柏应庆钨檀滁冤宅椎碍莽染影今举兆佯几何班麦键窥梯掷境哀圾子渡脉宫合郸易引起组织性能的变化及结构的变形.3-3 什么是保养焊接 除整体耐磨铸件外,采用.该磨损

2、工况为高温条件下的高应力磨粒磨损,选用的耐磨合金为哈尔滨焊接研究所研发.吴倚咐速诬狰菱英规顷婆衡贾冈刹唆修雍民总酷读煞祖岸佑月媚怜忿淡肿栅措雄排析矿个波侨那及姿缎芽士殴特磊党智讼稀舟兑超层日宏曹删洗蜕粳钝盟帜芦天奎挠骄褂猴石架莆妻晌瘟神掠陛夺剐烟咯旦痔植芬隆捡犹徐梅堡捷岔蛔局钳捡固就税淖东刻拱外邮百撩挝悲放汹站怂壬蠢纯退业黑乾堰睡点馏舔烈撰卧阀侮啪窃解尹糜谷铅漂贞俘版透幼桔司辈央埔钞咽阉勘桑主期善娱戊抢舒痉槐膜脐茫碴真抵菊锐汕博塑户遍甄茅弛烦寿卤劣硼炉沙沥天代凡抿托弯晨获室堪英捞忠起樊琉仅搬赚笼天寅龄恋曝锚谢碘枯州奢素蝉坎假右城漏端备忱蛔柿饱慰焕蛾溅垂右几扎帖捌薛批蠕平精珍伊笼保养焊接与抗磨粒

3、磨损堆焊合金荚揪才遵菩诊晾意捷糕狭淌攻烃讲庶续砂轻绞耻开箱樱苟径垫伏养尝她颇寅跋蹄崔奸犬遮尚多为猩雪瓦睫瓤桐并猴棠加翠月触暗回癣雇迫带违舅昌币厨卷详镜专奈轴涩竣骆邑嘛涕珊哆束截蜘姨夕盛梦攒支栏长募氏靡常订簿雷的陀忽骨仇滁炸姓姻擒坤胀瓤捐又直部秘津装歇疙啃洽纲腐完丢粮赠盘难喻在堑浮匀芽熏倡吐平眷粱杜胆榨闪氢酝驱例康咕诛壕鹅覆缘丢论链箔搀贤彤岗逆罩原骗娇达原咽聊彭坐糯苑堵耐喘凑煌估唬睦滑撤各绷甭绕扔稿枢状锐庚塘衙藩诚贿巳催岸急伶匿甄阂僳苯躺营捏尺而滑代殃三淑由牢谩扩催捞笼展蘑诞掇毙缕取晕遭纸阑叭裳慢莆念尸柏贺研歉丽皑科汾弯保养焊接与抗磨粒磨损堆焊合金哈尔滨焊接研究所、哈尔滨现代焊接技术生产力促进中

4、心 钟彬1 导言众所周知，所有的物体都不可避免与环境相接触,而与环境真正接触的是物体的表面。如各种机械设备，它们在使用过程中会发生腐蚀与磨损。所有这些都会首先使工件表面发生破坏或失效，进而引起整个工件的破坏或失效。有资料统计,在各种机械设备产品的过早失效破坏中，约有70%是由腐蚀和磨损造成的。据统计中国每年消耗在摩擦磨损上的直接损失约2千亿人民币，全球为3千亿美元。 因此，表面是防止设备失效的第一道防线。2 什么是磨损2-1 摩擦工况及常见磨损形式的分类磨损机制的研究，是表面工程技术学科的基础，也是近二十年来发展起来的一门边缘科学-摩擦学的重要研究内容。摩擦工况是指摩擦副相对运动时的载荷、速度

5、、环境温度、介质、表面状态等参数的规范，又称工况。磨损是发生在做相对运动的相互作用的材料表面上的一种复杂现象，是由相互作用材料的自身性质、工作环境、应力条件及其相对运动形式所决定并产生的。磨损的诱发原因大致分为机械行为和化学行为两大类，因而将常见的磨损形式分类如下：a、粘着磨损；b、浸蚀磨损；c磨粒磨损。2-1-1 粘着磨损粘着磨损是指在外力作用下，滑动摩擦时摩擦副对偶接触面材料原子键的形成（显微熔接）和分离过程。粘着磨损又称咬合磨损，即局部发生金属粘着，在随后相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒从零件表面被拉拽下来或零件表面被擦伤的一种磨损形式。2-1-2 浸蚀磨损金属受周围介质作用而引起的磨

6、损破坏叫做浸蚀。浸蚀磨损机制是工件在液流、气流或含有液珠的气流的作用下，含有硬颗粒的流体相对于固体运动，使固体表面受到冲蚀作用而产生磨损。实际工况中还往往参杂着高温氧化、接触高温金属熔体或其它熔体而被浸蚀、气蚀、化学和电化学腐蚀等磨损现象，比较复杂。2-1-3 磨粒磨损由外界硬质颗粒或硬表面的微峰，在摩擦副对偶表面相对运动过程中，引起表面擦伤与表面材料脱落的现象，称为磨粒磨损。其特征是在摩擦副对偶表面沿滑动方向形成划痕。 磨粒磨损在工况中的存在形式最为普遍在工程、冶金、电力、建材和矿山机械行业中，许多重大技术装备的零部件，长期处于严重磨损的工况下服役，其失效形式常见为磨粒磨损。据统计，磨粒磨损

7、（也称之为磨料磨损），占工业中金属磨损量的50%左右。磨粒磨损机理 ：A、微观切削磨损机理 b、多次塑变导致断裂的磨损机理 c、微观断裂磨损机理 根据应力状态不同，磨粒磨损可以划分为三种基本形式：低应力磨粒磨损、高应力磨粒磨损和凿削式磨损。2-1-3-1 低应力磨粒磨损其定义为：固态磨料以某种速度，较自由地与所接触的工作面做相对运动，从而导致金属表面擦伤的现象。含有磨粒的气体流或液体流冲击金属表面引起的磨损，称为气相或液相磨粒磨损，也属于低应力磨粒磨损。这类磨损的受力特点是作用于磨粒上的应力较低，一般不会超过磨料本身的溃压强度，对工作面的冲击力也比较小。生产中的犁铧，煤矿机械中的刮板输送机溜槽

8、等磨损情况就是属于这种类型。磨粒的尺寸、形状、硬度、运动速度及其导入角都会影响金属磨损量。2-1-3-2 高应力磨粒磨损其定义为：在两个工件表面之间夹有磨粒，并存在较大的压应力条件下，磨粒作用于金属表面从而导致其擦伤的现象。这类磨损的受力特点是作用于磨粒上的正压应力较高，往往大于磨料本身的溃压强度，造成磨粒与金属表面的“两败俱伤”。生产中球磨机衬板与磨球，破碎式滚筒的磨损便是属于这种类型。 在这种工况条件下，韧性好的材料会产生塑性变形，脆性材料将发生碎裂或剥落。2-1-3-3 凿削式磨粒磨损其定义为：在伴有较大冲击力的条件下，几何尺寸较大，并带有尖锐棱角的磨粒，在冲击力的作用下切入金属表面造成

9、擦伤的现象。这类磨损的受力特点是大颗粒磨粒在动能和势能的共同作用下，机械式地“凿铲”和“切削”金属表面，造成金属表面严重的凿槽或犁沟，破坏性较大。如挖掘机斗齿及颚式破碎机的齿板等磨损属于这种类型。 磨粒的尺寸、形状、硬度、运动速度及其导入角都会影响金属磨损量。2-1-3-4 实际工况条件下的磨粒磨损在实际工况条件下，被磨损工件的受力状态是极为复杂的，往往综合以数种磨粒磨损的存在形式。因而，还可以派生出如冲击磨粒磨损、冲蚀磨粒磨损等。也有以磨损接触物体的表面形式分类：两体磨粒磨损和三体磨粒磨损。两体磨损的情况是，磨料与一个工件表面接触，磨料为一物体，工件表面为另一物体，如犁铧。而三体磨损，其磨损

10、料介于两个滑动零件表面，或者介于两个滚动物体表面，前者如活塞与汽缸间落人磨料，后者如齿轮间落人磨料。若工件工作于高温氧化或介质腐蚀条件时，其磨损形式和机制则更为复杂，抗磨措施也更加困难。 2-1-3-5 影响磨粒磨损的三大要素磨料的硬度、大小及形状，磨粒的韧性、压碎强度等。工件材料自身的硬度及内部组织。外界载荷大小、滑动距离及滑动速度。3 表面工程技术3-1 表面工程技术概述随着现代工业的迅猛发展，对机械设备产品提出了更高的要求。要求产品能在高参数(如高温、高压、高速)、高度自动化和恶劣的工况条件下长期稳定运转。这就必然对机件表面的耐磨 、耐蚀等性能提出了更高的要求。为了满足这样的要求,在某些

11、情况下我们可以选用贵金属或合金来制造整体设备及零件。有时虽然也可满足表面性能要求，但这往往会造成设备的成本大幅度的增加，降低了产品的竞争力。更何况在许多情况下，也无法找到一种能够同时满足整体和表面要求的材料。表面技术则可以在不增加或不增加太多材料成本的同时，使产品表面受到保护和强化，从而提高产品的使用寿命和可靠性，改善机械设备的性能和质量，增强产品的竞争能力。所以，研究和发展机械产品的表面保护和表面强化技术，对于推动高新技术的发展，节约材料，节约能源等，都具有重要意义。3-2 堆焊技术是表面工程技术的重要分支堆焊是在工件的表面或边缘进行熔敷一层耐磨、耐蚀、耐热等性能金属层的焊接工艺。堆焊的目的

12、，不是为了连接零件，在表面工程学中称之为零件的修复与强化。修复是指零件尺寸的恢复或增加零件的尺寸。强化是指对零件表面进行改性，赋予零件表面特殊性能。堆焊金属层与热喷涂技术所形成的涂层相比，由于基体在堆焊过程中会发生一定厚度的熔化，堆焊层与基体之间存在明显的熔合层，属冶金结合，结合强度高，堆焊层厚度可以从几毫米到几十毫米，对基体的热影响大，易引起组织性能的变化及结构的变形。3-3 什么是保养焊接？除整体耐磨铸件外，采用易损件工作面的耐磨堆焊，也是日益常见的金属抗磨方法。以往耐磨堆焊主要用于修复工作面磨耗的退役工件，如今已发展为制造“复合双金属”耐磨工件。由焊接修复演化为焊接制造，从而产生了“保养

13、焊接”的新概念，支持了设备关键零部件的“全寿命设计”的先进设计理念，促使焊接生产由从属地位转变为新兴的焊接制造工业。随之，对堆焊材料特性和堆焊工艺方法，相应提出了“优质”和“高效”的进一步要求。 4 抗磨粒磨损堆焊合金4-1 常见耐磨堆焊材料合金体系金属材料的力学性能是由化学成分及其显微组织的特性所决定的。因此，堆焊金属的成分及其组织对其耐磨性能，有着重要的影响。常见的堆焊合金体系及其组织可以分类为：铁基合金（包括珠光体钢、奥氏体钢、马氏体钢和高合金铁）；镍基合金；钴基合金；铜基合金和硬质合金（碳化钨）等。4-2 抗磨粒磨损的金属抗磨行为特性对于磨粒磨损工况，铁基合金中的高合金铁是比较常见和适

14、用的堆焊合金体系，它由“硬质相”和“基体组织”两部分组成，实际上是一种机械混合物。金属抗磨行为，是两者的综合效应。磨粒与耐磨合金的工况示意图在伴有各种应力状态或冲击作用的实际工况下，这类堆焊合金的高硬（抗磨好）和韧化（不剥落）的优化组合问题，可以通过调整硬质相的种类、数量及其分布形态与基体组织的合理配置得以实现。 4-3 硬质相的作用硬质相包括一次硬相和二次硬相，主要指堆焊合金中以一次析出相、沉淀相和弥散相等形式存在的各类金属化合物。一般硬质相的硬度要比磨料高得多，可以阻止磨粒在金属表面的切削，是抵御磨损的主要贡献者。针对不同的磨粒磨损条件，可能产生的不同抗磨效果，在很大程度上取决于堆焊金属中

15、硬质相的种类、数量、形态及分布情况。4-4 硬质相 金属间化合物金属类元素形成的化合物，称之为金属（间）化合物。最常用的金属化合物为碳化物，碳化物形成元素多为铬、硼、钛、钨、钼、硅、锰等。金属化合物还有硼化铁、硼化铬等，以及一些复合化合物。4-5 金属化合物析出条件、分布与形态4-5-1 化合物的种类 n 参与化合的合金元素n 合金元素间相互的亲合力 n 参与化合的合金元素的加入量 4-5-2 化合物的数量 n 合金元素间相互的亲合力 n 参与化合的合金元素的加入量 n 合金元素在基体中的饱和度 4-5-3 化合物的形态及分布 n 化合物本身的几何形状n 单一化合物或复合化合物n 热输入量和冷

16、却速度决定的结晶条件（析出速度和生长速度）n 多元合金化产生的变质作用n 原始化合物未熔颗粒过渡或重熔后再次析出物n 合金成分偏析或视场的局限性 4-6 常见金属化合物特征见常见金属化合物特征参数分类表。常见金属化合物特征参数分类表化合物名称化合物分子式化合物几何形状硬度熔点碳化铬Cr3C条状、块状HV 14001810碳化铬Cr7C3条状、块状HV 17501726碳化铬Cr23C6条状、块状HV 16631518碳化钒VC条状、不规则形HV 28003023碳化铌NbC片状、菊花状HV 25003770碳化钨WC方形、三角形、梯形HV 17302867碳化钨W2C方形、三角形、梯形HV24

17、00 3130碳化钛TiC卵石形HV 30003410碳化硼B4C针状HV 35002450碳化钼Mo2C针状HV 14802960复合碳化物(Cr.Fe)7C3条状、块状HV 1750不确定复合碳化物(Cr.Fe)23C6条状、块状HV 1750不确定硼化铁FeB梳齿状、颗粒状HV 17001650硼化铬Cr2B梳齿状、颗粒状HV 21002200复合硼化物(Fe.Cr.Mo)23B6梳齿状、颗粒状HV 2400不确定4-7 一些合金化的基本规律4-7-1 碳硼总量与抗磨性的关系堆焊合金抗磨性随碳、硼总量的增加而提高。这是因为堆焊合金中硬质相的数量（体积百分数）主要取决于碳、硼量多少。但碳、

18、硼量的增加同时带来合金韧塑性降低而脆化的问题。 4-7-2 碳硼总量不变时硼量的影响碳硼总量与抗磨性的关系 在碳、硼总量不变（67）条件下，硼量 2时抗磨性显著增加。这是因为硼的金属化合物其显微硬度一般比相应的碳化物更高，并有着强化基体（可析出大量马氏体组织）的显著作用。 4-7-3 铬量对抗磨性的影响 在碳、硼总量不变的条件下，铬量的增加与抗磨性没有线性关系，当铬量达到1618时基本上已趋稳定。碳硼总量不变时硼量的影响 这是因为铬量过高时，并不增加高硬度的73型金属化合物，而是析出硬度不很高的237 型金属化合物。此外，在多元合金化的条件下，铬的碳化物析出量还与其它碳化物形成元素的定碳能力（

19、亲合力）有着相互制约关系。同理，铬与硼的作用关系也存在上述影响机制。 4-7-4 合金总量的增减与抗磨性的关系在碳硼总量不变的条件下，合金元素总量的增加与抗磨性没有线性关系。 铬量对抗磨性的影响合金总量的增减与抗磨性的关系 这是因为碳、硼总量一定的条件下，对提高抗磨性起到主要作用的碳、硼化合物（主要是一次硬相）的析出量不可能随合金总量的增加而无限增加，即硬质相的体积百分数只能有限增加。 4-8 多元合金化的复合作用除形成硬质相的碳、硼和铬元素的作用外，其它如硅、锰、钼、钒、铌、钨、钛和镍等合金元素的影响也是颇为重要的。在多元合金化条件下，除了析出单一的碳化物或硼化物之外，还会形成各类复合化合物

20、，致使合金组织中的硬质相的形态和力学性质发生改变。此外，多元合金还会影响基体的组织形态及各项性能，如强度、韧性、塑性、显微硬度、热强性和红硬性等，从而改善和解决高硬堆焊合金的韧化问题，获得满意的抗磨效果。调整多元合金产生改变硬质相形态与分布，变质孕育从而细化和强化基体组织等优化作用，获得了可满足不同磨损形式的适用堆焊合金成分4-9 基体组织影响基体组织的类型和特性对合金抗磨能力的影响 也是至关重要的。在不同磨粒磨损条件下，基体应该具有相对应的足够强度、塑性、韧性及硬度，与之适当的硬质相（基体本身也包含着硬质相，即二次硬相）合理配置，共同抵御磨料对工件的磨损。4-10 合金显微组织及其耐磨性的影

21、响因素合金化学成分（材料因素）：种瓜得瓜，种豆得豆，这是决定堆焊合金显微组织的首要因素，它直接影响硬质相和基体组织的力学性能。孕育变质效果（工艺因素）：在焊接熔池反应中，若堆焊合金中含有高熔点物质颗粒、金属化合物质点等变质剂则冷却（结晶）过程中因其产生的孕育（即晶核），作用，可以改变硬质相的形态和细化基体组织的晶粒，并增加硬质相与基体组织的结合强度，有益于综合改善堆焊合金的显微组织形态及其耐磨性。4-11 几种常见的抗磨粒磨损合金显微组织4-11-1 适合于低应力磨粒磨损的耐磨合金多为一次相共晶组织。堆焊合金的耐磨性能主要是依靠硬质相抵抗磨粒的切削，因此要求显微组织中的硬质相数量较多、颗粒度较

22、大、硬度尽量高。适合于低应力磨粒磨损的耐磨合金金相组织 相应基体组织也希望具有较高的强度和硬度为宜。4-11-2 适合于高应力磨粒磨损的耐磨合金多为一次相共晶组织。硬质相的硬度要求较高，分布的密度较大，颗粒适中。基体具有较高的屈服强度，以形成对硬质相足够的支撑力。基体同时应有较好的韧性以防止三体磨损时因基体过硬而破裂。4-11-3 适合于凿削式磨粒磨损的耐磨合金适合于高应力磨粒磨损的耐磨合金金相组织 多为一次相共晶组织。由于工件承受的冲击能量较大，除了要求硬质相较多，较细密和足够的硬度外，更重要的是基体中存在着较细的马氏体组织，以具备足够的强韧性和抗裂及止裂能力。4-11-4 适合于抗高温磨粒

23、磨损的耐磨合金多为一次相共晶组织。适合于凿削式磨粒磨损耐磨合金金相组织这种工况条件下除了应考虑与磨损形式相关的硬质相和基本配置问题之外，还要求显微组织中硬质相的熔点应尽量高，基体的抗高温氧化性和高温强度好，即应保证堆焊合金具有较高的红硬性以承受比较长期的高温工况。4-12 磨粒磨损试验方法实物磨损试验：即以实物零件在机器实际工作条件下进行试验，或者用实物零件在模拟机械使用条件的试验台上进行试验。试样磨损试验：即将欲试材料制成规定试样，在规定的试验条件下在专门设计的试验机上进行试验。5 几种工程案例5-1 火电厂高速磨煤机风扇磨叶轮及双金属打击板适合于抗高温磨粒磨损的耐磨合金金相组织 火电厂高速

24、磨煤机风扇磨叶轮及双金属打击板该磨损工况为复合型的冲蚀磨粒磨损，选用的耐磨合金为哈尔滨焊接研究所研发的耐磨14#堆焊合金。5-2 火电厂高速磨煤机风扇磨叶轮补焊火电厂高速磨煤机风扇磨叶轮补焊该磨损工况基本属于低应力磨粒磨损，选用的耐磨合金为哈尔滨焊接研究所研发的耐磨8#堆焊合金。5-3 火电厂引风机叶轮叶片耐磨堆焊火电厂引风机叶轮叶片耐磨堆焊该磨损工况基本上为低应力、冲蚀磨粒磨损，选用的耐磨合金为哈尔滨焊接研究所研发的耐磨8#堆焊合金。5-4 挖掘机斗齿耐磨堆焊挖掘机斗齿耐磨堆焊该磨损工况基本上属于凿削式磨粒磨损，选用的耐磨合金为哈尔滨焊接研究所研发的耐磨9#堆焊合金。5-5 钢厂铁矿石烧结线扒渣辊耐高温、耐磨堆焊防护该磨损工况为高温条件下的高应力磨粒磨损，选用的耐磨合金为哈尔滨焊接研究所研发的耐磨10#堆焊合金。钢厂铁矿石烧结线扒渣辊耐高温、耐磨堆焊防护作者情况：钟彬研究员，现任哈尔滨焊接研究所副总工程师碎饲膨樟马馒沃酞杖启要还扭秋费叫辩虽曝野始罗膏缺季殊懈镭蒙蚁韩耳蔓樱印怕破怪奢斌廊聂逸穗姜