燒結單齒輥耐高溫磨損焊絲的研究

胡建平 趙學彬

燒結單齒輥耐高溫磨損焊絲的研究

胡建平 趙學彬

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、耐磨粒磨損性能進行了研究。結果表明，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，表面硬度達到64HRC，堆焊后單齒輥累計使用壽命高達12 000h。

1. 概述

單輥破碎機是鋼廠和煉鐵廠燒結系統的重要部件，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礦，錘頭使用壽命的長短主要取決于錘體的壽命。工作時，通過錘頭與側下方篦板形成的剪切作用，使從燒結機尾部卸下的尚處于750～850℃高溫的燒結礦破碎，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，遠遠低于物料硬度。相關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，當比值＜0.8時，磨損進入高磨損區。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相，開發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作為耐磨硬質相抵抗磨損。但是，Cr7C3顯微硬度僅為1 100～1 300HV，遠低于SiO2和Al3O2顯微硬度，磨損仍很嚴重，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開發的堆焊耐磨焊絲GD— 550是在高鉻合金的基礎上，通過添加熱穩定性強、硬度高的碳化鈮（NbC）硬質相制備的，成分如表1所示。碳化鈮熔點高達3 200℃，硬度>2 400HV，比剛玉還硬，耐磨性更強。由于其熔點高，在堆焊后冷卻過程中對Cr7C3起到細化晶粒的作用，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（質量分數） （%）

表2 堆焊參數及性能

4. 試驗過程

（1）硬度及金相組織 試驗試板材質為Q345鋼，堆焊材料為GD—500型耐磨焊絲，堆焊參數如表2所示，堆焊成形效果如圖1所示。空冷后磨平，利用HR—150A多功能數字硬度計對堆焊層進行洛氏硬度測試，根據GB8640—1988規定，每個試樣測定5個點，取平均值，試驗采

用金剛石壓頭，載荷為150kg，加載時間為5s，恢復時間為3s。其中測定點之間的距離或任一測定點距試樣邊緣的距離≥3mm，每個試樣測試5個點，取平均值。

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

（2）試驗結果分析 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，保護基體不受磨損。碳化鈮熔點高達3 500℃，在堆焊層中起到細化晶粒的作用，Cr7C3硬質相都以碳化鈮為形核質點包裹在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，單位面積內的碳化物分布更密集，因此在受到沖擊載荷時，單個碳化物上承受的沖擊力會大幅降低，因此整個堆焊層的耐沖擊性能也會顯著提高。

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，使的硬質相分布更密集，因此硬度更高。硬度最高可以達到65HRC，平均＞64HRC。

圖1 GD－500堆焊成形效果

5. 實際應用

唐山冶金機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，勞動強度大。如該廠采用我公司生產的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φ1 500mm×2 520mm水冷式單齒輥，在表4焊接參數下堆焊厚度10mm（3層），堆焊后實際采用便攜式硬度計測試硬度高達64HRC，發往鋼廠累計使用時間高達12 000h，深受用戶好評。

6. 結語

本文對新型的GD—550堆焊材料與傳統的高鉻合金進行了性能對比，結果表明，所開發的GD—550耐高溫磨損堆焊材料，由于加入了大量熔點高，體積小，顯微硬度高的NbC硬質相，使其與傳統高鉻合金相比，在抗高溫磨損方面具有較強的優勢。實際應用也表明，采用GD—550堆焊修復后的燒結機單齒輥，使用壽命顯著延長，不僅減少了更換次數，也降低了生產成本與勞動強度。

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].材料熱處理學報，2009(8).

胡建平等，北京佳倍德工程技術有限公司。