進(jìn)口混砂機(jī)刮板堆焊層解剖分析

蘇禎祺， 徐旋旋， 趙 宜

(中天鋼鐵集團(tuán)有限公司， 江蘇 常州 213011)

引 言

某公司引進(jìn)的自動(dòng)氣體沖擊造型生產(chǎn)線，投入生產(chǎn)后產(chǎn)出的鑄鋼件尺寸精確、表面光潔，并有效地防止了濕型生產(chǎn)鑄鋼件常見的皮下氣孔、粘砂和砂眼等缺陷，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。為該氣體沖擊造型生產(chǎn)線配套的砂處理混砂機(jī)是采用進(jìn)口逆流轉(zhuǎn)子式混砂機(jī)，該機(jī)所用刮板由軋制鋼板制成，其頭部有堆焊層。

混砂機(jī)刮板經(jīng)兩年多使用后，因其頭部堆焊層磨損超限而失效。由于刮板配件不能得到及時(shí)供應(yīng)，該公司決定自己制造刮板，刮板材質(zhì)選用低碳鋼鋼板，其頭部采用國(guó)產(chǎn)耐磨焊條堆焊。自制的刮板經(jīng)使用后效果不理想，主要原因是頭部堆焊層磨損嚴(yán)重，有時(shí)僅兩個(gè)班次就需更換刮板，給生產(chǎn)帶來(lái)很大的困難。

1 刮板解剖分析

1.1 堆焊層表面磨損形貌分析

刮板厚度約為30 mm，頭部呈圓弧形，整個(gè)頭部均有一層堆焊層，其宏觀形貌示意圖如圖1所示，堆焊層厚度約為2～3 mm。

圖1 刮板堆焊層宏觀形貌示意圖

圖2 刮板堆焊層表面磨損的低倍形貌(10×)

圖3 堆焊層表面凸起于基體的大顆粒碳化物(20×)

刮板堆焊層表面磨損的低倍形貌如圖2所示。可見堆焊層表面存在數(shù)量較多的顆粒狀凸出物，而基體普遍下凹，顆粒狀凸出物大小不一，尺寸在0.3～1.0 mm之間，呈不規(guī)則形狀，且外形圓滑，無(wú)明 顯尖角(如圖3所示)，從上述特征來(lái)判斷，這些凸出物應(yīng)為堆焊層中的未溶解大顆粒碳化物。此外碳化物表面留有砂粒顯微切削形成的極細(xì)小劃痕(如圖4所示)，而堆焊層基體表面磨損形貌呈現(xiàn)脆性剝落和微裂紋的擴(kuò)展，并可見基體中已顯露的魚骨狀組織，如圖5,6所示。

圖4 碳化物表面磨損形貌為砂粒顯微切削作用形成的極細(xì)小劃痕(1500×)

圖5 堆焊層表面下凹的基體磨損形貌為微裂紋及脆性剝落(500×)

圖6 堆焊層基體表面顯露出魚骨狀組織特征(1000×)

1.2 刮板及堆焊層顯微組織分析

1.2.1 堆焊層顯微組織

堆焊層組織由未溶解的大顆粒碳化物+基體組織組成(圖7所示)。碳化物顆粒為外形圓滑的不規(guī)則塊狀，由于外形圓滑的碳化物顆粒具有良好的抗裂性，故沿大顆粒碳化物周圍邊緣處均未見裂紋，并且堆焊層與刮板母材結(jié)合良好。基體組織為馬氏體和奧氏體，以及多邊形白色小塊狀為未溶解的小顆粒碳化物，魚骨狀組織為共晶組織(FeW)6C+奧氏體(部分已轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體)，如圖8,9所示。

圖7 堆焊層截面上未溶解的大顆粒碳化物(50×)(其外形圓滑；大顆粒碳化物與基體、堆焊層與母材均結(jié)合良好，母材中與堆焊層結(jié)合部位組織為珠光體。)

圖8 基體組織為馬氏體和奧氏體，以及未溶解小顆粒碳化物和魚骨狀共晶組織(500×)

圖9 魚骨狀共晶組織及基體中馬氏體針狀組織(2000×)

1.2.2 刮板母材顯微組織

刮板母材顯微組織為等軸晶粒鐵素體和少量珠光體(如圖10所示)，晶粒度為7～8級(jí)。從顯微組織來(lái)看，刮板材料為軋制的低碳鋼鋼板。

圖10 刮板基體組織(100×)

1.2.3 顯微硬度測(cè)試

堆焊層中的大顆粒碳化物顯微硬度高于2000HV，基體組織的顯微硬度也不低于700HV，如表1所示。顯然這種高的硬度對(duì)確保刮板使用壽命是有利的。

表1 顯微硬度測(cè)試結(jié)果

1.3 化學(xué)成分分析

1.3.1 刮板化學(xué)成分分析

在刮板上取樣，使用德國(guó)超譜公司QSN750型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示，可見刮板的化學(xué)成分相當(dāng)于GB/T 700-2015標(biāo)準(zhǔn)中Q215鋼的成分規(guī)范。

1.3.2 堆焊層X(jué)射線能譜分析

經(jīng)X射線能譜儀分析，化物主要含有W和少量的Si，基體主要含有Fe和少量的W, Mn, Si。

證明堆焊層中大顆粒碳

2 分析與討論

2.1 刮板堆焊層表面磨損特征

刮板堆焊層表面磨損形貌的宏觀特征為凸起的大顆粒碳化物和基體下凹。微觀形貌為：大顆粒碳化物表面呈現(xiàn)為由于砂粒顯微切削作用形成的極細(xì)小劃痕，基體表面為脆性剝落和微裂紋的擴(kuò)展。堆焊層表面磨損形貌表明，堆焊層中的大顆粒碳化物硬度高、耐磨性好，這說(shuō)明堆焊層的耐磨性高低主要取決于大顆粒碳化物。刮板在工作時(shí)，其頭部堆焊層直接與砂粒摩擦，砂粒對(duì)堆焊層表面具有較強(qiáng)的顯微切削作用，而高硬度的碳化物在一定程度上阻止砂粒的顯微切削和塑性變形犁作用，同時(shí)由于相對(duì)較軟的基體被砂粒“選擇”性磨耗，致使形成硬的碳化物凸出的形貌；當(dāng)磨損繼續(xù)下去，凸起的碳化物耗盡后，一次磨損過(guò)程結(jié)束，重新從基體凹下開始，經(jīng)過(guò)碳化物凸起至磨耗盡，又完成了一次磨耗過(guò)程。如此周而復(fù)始，直至整個(gè)堆焊層磨耗完。

2.2 堆焊層的化學(xué)成分

經(jīng)X射線能譜分析，堆焊層的大顆粒碳化物主要成分為W及少量Si，基體主要含有Fe和少量的W, Mn, Si，屬于以碳化鎢為硬質(zhì)相的耐磨堆焊復(fù)合合金。碳化鎢顆粒的硬度高達(dá)2000HV以上，屬于鑄造碳化鎢[1]。這種合金中大量的高硬度碳化物相能有效地阻止砂粒的顯微切削和塑性變形犁作用，從而使堆焊層有較高的耐磨性。加入Si可使合金的熔點(diǎn)降低，有助于堆焊工藝實(shí)施； Mn的加入是為了強(qiáng)化堆焊層基體，提高堆焊層基體的耐磨性。

2.3 堆焊層的金相組織

堆焊層金相組織由大量的未溶解大顆粒碳化物和基體組織組成，大顆粒碳化物占整個(gè)堆焊層的70%以上，其形狀為外形圓滑的不規(guī)則塊狀，說(shuō)明堆焊工藝良好，未產(chǎn)生過(guò)熱；外形圓滑的碳化物顆粒具有良好的抗裂性，與基體結(jié)合性能好。基體組織為馬氏體和奧氏體，以及未溶解小顆粒碳化物和魚骨狀共晶組織；這種基體組織除對(duì)大顆粒碳化物具有良好的結(jié)合性和支撐作用，其本身硬度也較高，增強(qiáng)了基體的耐磨性。

2.4 刮板母材

從金相組織來(lái)判斷，刮板母材為軋制的低碳鋼鋼板，由此說(shuō)明刮板在工作過(guò)程中，受到砂粒磨損的部位主要是刮板頭部，對(duì)于刮板母材材質(zhì)及硬度的要求不高。

3 刮板國(guó)產(chǎn)化的建議

根據(jù)上述分析結(jié)果，刮板國(guó)產(chǎn)化可采用在低碳鋼鋼板上堆焊以碳化鎢為主的耐磨復(fù)合合金來(lái)制造。

刮板母材建議選用廉價(jià)的Q215鋼鋼板，堆焊層建議選擇用我國(guó)研制的碳化鎢管焊條[2]，各種粒度的碳化鎢加入量不少于60%，采用氬弧堆焊。國(guó)產(chǎn)碳化鎢管焊條與國(guó)外的相比，其差異在于碳化鎢顆粒的形狀不理想，大部分呈尖角條塊狀，堆焊時(shí)易在大顆粒碳化鎢邊緣產(chǎn)生裂紋，造成堆焊層在工作中剝落，這一點(diǎn)在堆焊時(shí)應(yīng)注意。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)刮板堆焊層是由大顆粒碳化物和基體組織組成，堆焊層中的大顆粒碳化物為鑄造碳化鎢顆粒，基體組織為馬氏體和奧氏體，以及未溶解小顆粒碳化物和魚骨狀共晶組織。

(2)刮板母材為軋制的低碳鋼鋼板。刮板在工作過(guò)程中，受到砂粒磨損的部位主要是刮板頭部，對(duì)于刮板母材材質(zhì)及硬度的要求不高。

(3)刮板國(guó)產(chǎn)化方案建議選用Q215鋼鋼板作為刮板母材，堆焊層用我國(guó)研制的碳化鎢管焊條，采用氬弧堆焊。