煤化工設(shè)備耐磨層堆焊材料及工藝

張金深， 李輝2， 武愛兵

(1.中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315207; 2.中石化煉化工程集團(tuán)洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽 471003)

0 前言

磨損是機(jī)械零部件三大失效形式之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，磨損導(dǎo)致構(gòu)件損壞約占總失效的70%～80%，磨損失效不僅會造成大量的資源浪費(fèi)，還可能直接或間接的造成事故[1-4]。在煤化工領(lǐng)域，設(shè)備和管道由于磨損帶來的失效更是頻頻出現(xiàn)[5-7]。煤氣化過程中黑水和爐渣常對真空閃蒸罐和渣放料罐等設(shè)備也會產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損。堆焊是一種常用的提高設(shè)備表面性能的技術(shù)手段，通過焊接將合金均勻地沉積在軟材料(通常是低碳鋼或中碳鋼)的表面上，以提高表面的硬度和耐磨性，而不顯著降低延性和韌性。目前商業(yè)上有各種各樣的堆焊合金可用來防止磨損，針對煤化工設(shè)備，國內(nèi)設(shè)計(jì)公司及制造商常堆焊鈷基材料達(dá)到抗磨損的效果，但其價(jià)格昂貴、工藝復(fù)雜、容易出現(xiàn)焊接裂紋并且修復(fù)困難[8-9]。因此選擇一種合適的堆焊合金及相應(yīng)的堆焊工藝來代替昂貴的鈷基合金堆焊是當(dāng)前工程上亟需解決的一個(gè)問題。

該文選擇不同堆焊材料和堆焊工藝制備一系列的耐磨堆焊層，通過與鈷基焊材比較，篩選出了價(jià)格合理、性能優(yōu)良的耐磨堆焊合金及工藝，用于指導(dǎo)實(shí)際工況的耐磨層選材工作。

1 試驗(yàn)

1.1 材料選擇和工藝設(shè)計(jì)

堆焊母材為Q345R和316L鋼板，堆焊層材料為商用的HF600，ERCCoCr-A，GFH-51-O，該文同時(shí)考慮單層堆焊和雙層堆焊，其中過渡層材料為ER309LMo，母材及焊材的主要化學(xué)成分見表1。制備的不同堆焊層的焊材及焊接方法見表2、表3。堆焊后分別進(jìn)行在620 ℃進(jìn)行焊后熱處理。

表1 焊材、過渡層材料及基體材料的化學(xué)元素組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 不同耐磨堆焊層基材、焊材及焊接方法

1.2 結(jié)構(gòu)表征

采用金相顯微鏡(OM，Axiovert 40MAT，Carlos zeiss)對耐磨層的組織進(jìn)行表征。浸蝕液為4%硝酸酒精溶液。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM， Zeiss，SUPRA55，德國)對耐磨層表面形貌進(jìn)行觀察。測試前，樣品經(jīng)過噴金處理。

1.3 性能測試

采用圖像法對堆焊層的孔隙率進(jìn)行計(jì)算，所用軟件為Image Proplus 6。采用HR-150DT型洛氏硬度計(jì)對堆焊層的硬度進(jìn)行測量。每種樣品選取10個(gè)不同點(diǎn)進(jìn)行測量，結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。對于耐磨層，硬度測量時(shí)所用壓頭為120°金剛石圓錐，載荷為1 500 N，硬度表示為HRC；對于Q345和316L，由于材料硬度較低，壓頭采用淬硬鋼球，載荷為1 000 N，硬度表示為HRB，為了便于比較，將HRB換算成HRC。耐磨性參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM G99-17，采用HT-600型銷盤式高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。摩擦副選用Si3N4小球，設(shè)置載荷10 N，摩擦半徑4 mm，旋轉(zhuǎn)速度為365 r/min，時(shí)間為30 min。摩擦系數(shù)由系統(tǒng)軟件自動(dòng)生成，磨損量由磨損前后試樣的質(zhì)量損失表示。

表3 不同耐磨堆焊層焊接工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌

圖1～圖3是9種堆焊層的表面形貌。1號、3號、7號、8號、9號試樣表面氣孔明顯較多。試樣表面都有一定的球狀物，其中1號、3號、4號、5號，8號、9號試樣表面的球狀物居多?？梢钥闯觯患舆^渡層的單層堆焊工藝制備的堆焊層(7號、8號、9號試樣)表面質(zhì)量較差。

圖1 1～3號試樣堆焊層的表面形貌

圖2 4～6號試樣堆焊層的表面形貌

圖3 7～9號試樣堆焊層的表面形貌

2.2 孔隙率

圖4為堆焊層的孔隙率。1號、8號試樣表面層孔隙率較大，在1.7%～2.7%左右；2號試樣表面層的孔隙率最小，為0.04%，其余表面層都在0.5%以下；其中2號和8號試樣采用的是FCAW + ERCCoCr-A，說明該工藝堆焊層孔隙率較差。采用FCAW+GFH-51-O的3號試樣其過渡層孔隙率最大，其余過渡層孔隙率都在0.5%以下。

圖4 堆焊層的孔隙率

2.3 硬度性能

圖5是耐磨層和基體表面洛氏硬度值。采用HF600材料制備的耐磨層硬度在51～55 HRC(1號、4號、7號試樣)，采用ERCCoCr-A材料制備的耐磨層硬度在46～50 HRC(2號、5號、8號試樣)，采用GFH-51-O材料制備的耐磨層硬度在57～60 HRC(3號、6號、9號試樣)。均遠(yuǎn)高于Q345和316L基體的硬度。說明選用鐵基焊材制備的堆焊層比鈷基焊材的硬度高。

圖5 堆焊層和基體表面洛氏硬度值

2.4 耐磨性能

圖6和圖7是9種堆焊層及基體的經(jīng)磨損試驗(yàn)后的磨損量和摩擦系數(shù)。所有耐磨層的耐磨性能均遠(yuǎn)高于Q345基體，高于316L基體。2號、5號、8號試樣的耐磨性較其他耐磨層稍差。1號和4號試樣的耐磨性能最好。說明采用GMAW+HF600的耐磨性能最好，采用FCAW+ERCCoCr-A最差。

圖6 磨損30 min后的磨損量

圖7 堆焊層及基體的摩擦系數(shù)

2.5 耐磨性能分析

從硬度數(shù)據(jù)可以看出，焊材GFH-51-O堆焊的耐磨層硬度最高，其次是焊材HF600，鈷基焊材ERCCoCr-A硬度最低。從耐磨性數(shù)據(jù)可以看出，焊材HF600的耐磨性能最好，焊材GFH-51-O稍低于HF600，焊材ERCCoCr-A耐磨性同樣是最低。

堆焊層的硬度通常與堆焊層的組織有關(guān)[10-11]，特別是組織中的碳化物，在Fe-Cr-C系耐磨堆焊合金組織中常見的碳化物包括：M7C3型、M23C6型和M3C型，其中M7C3型具有密排六方點(diǎn)陣，硬度為1 200～1 800 HV，呈六角形桿狀及板條狀不連續(xù)的分布在奧氏體基體中；M23C6具有面心立方點(diǎn)陣，是以Cr為主的間隙碳化物，硬度為1 000～1 100 HV；M3C型具有滲碳體點(diǎn)陣，硬度為840～1 100 HV，呈網(wǎng)狀分布。高鉻鑄鐵組織中鉻的3種碳化物的種類與Cr含量和C含量有密切關(guān)系，只有當(dāng)鉻含量較高，且鉻碳比在3.5～10.2之間時(shí)，才能得到初生M7C3型碳化物[12-13]。

圖8是4號試樣(焊材為HF600)和6號試樣(焊材為GFH-51-O)表面層的金相組織，2種表面層的組織均由初生碳化物與共晶組織組成，基體由馬氏體、奧氏體與鐵素體組成，經(jīng)XRD物相測定，初生碳化物和共晶組織的碳化物均為M7C3型碳化物，可以看出4號試樣的初生M7C3彼此孤立分布，切斷了基體的連續(xù)性，這是其具有良好的硬度和耐磨性的主要原因。HF600(含碳0.44%、含鉻9%、含硅3%)雖然其鉻碳比超過10.2，但由于硅的加入，影響了碳在奧氏體中的溶解度，促使碳脫溶，以碳化物的形式析出，使其仍獲得M7C3型初生碳化物。另外，硅的加入使基體中奧氏體含量減少，馬氏體含量增加，因而也大幅度提高了其耐磨性[14]。ERCCoCr-A為鈷基合金(含鉻27%、含鎢4%)，堆焊層組織主要包括γ-Co基體、彌散分布的析出相和碳化物。Cr，W，F(xiàn)e 等元素固溶于γ-Co中產(chǎn)生晶格畸變，提高基體的高溫抗氧化性能，鎢的原子尺寸比Co大，形成的M7C3碳化物彌散分布，提高了基體的硬度[15-16]。因此ERCCoCr-A具有較好的耐磨性能。但與GFH-51-O焊材和HF600焊材相比，其耐磨性仍較低。

2.6 焊材和工藝的選擇

綜合上述各項(xiàng)性能，可以發(fā)現(xiàn)耐磨性較好的是：1號、4號、6號、9號；硬度性能較好的是1號、3號、4號、6號、7號、9號；孔隙率較低的是2號、4號、5號、6號、7號；表面氣孔較少的是2號、3號、4號、5號、9號；另外從經(jīng)濟(jì)性來看：一般焊材合金元素越多，其價(jià)格也就越高，HF600(1號、4號、7號)僅含有約10%Cr，而GFH-51-O(3號、6號、9號)含有20%Cr，ERCCoCr-A(2號、5號、8號)為Co-Cr-W合金，因此價(jià)格方面HF600價(jià)格也最為合理。綜上所述，在煤氣化裝置耐磨材料及工藝上優(yōu)先推薦：中鉻的HF600+GMAW+雙層堆焊。

3 結(jié)論

(1) 焊材GFH-51-O和焊材HF600表面硬度高于焊材ERCCoCr-A，其中采用FCAW工藝制備的9號試樣堆焊層硬度最大。

(2) 所制備試樣的堆焊層、過渡層和基體之間的結(jié)合良好。堆焊層和過渡層的孔隙率均在3.5%以下，大部分在0.5%以下。

(3) 9種耐磨層的耐磨性能均遠(yuǎn)高于Q345基體，高于316L基體。采用HF600焊材和GMAW工藝制備的試樣具有最好的耐磨性；其次是GFH-51-O焊材和FCAW工藝制備的試樣。

(4) 堆焊層組織中M7C3型碳化物是硬度和耐磨性大幅度提高的關(guān)鍵，其中Cr含量提高耐磨性的主要元素。Si含量的添加可以改善碳化物的分布，助于提高耐磨性。