金屬陶瓷堆焊在中速磨煤機(jī)磨碗襯板和磨輥套上的應(yīng)用

王演銘 王鋒 李智華

摘要： 采用明弧自保焊在Q235鋼板表面堆焊了金屬陶瓷相耐磨層，測(cè)定了耐磨層的成分、金相組織、硬度和耐磨性，并和常規(guī)焊絲堆焊耐磨層進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，金屬陶瓷相堆焊耐磨層成分中Cr和C的含量更高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為29.8%和5.8%;堆焊耐磨層中含有強(qiáng)碳化物形成元素，析出的碳化物尺度更加細(xì)小;金屬陶瓷相呈纖維狀分布，垂直于工作面，體積分?jǐn)?shù)高于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層，達(dá)到64.7%;金屬陶瓷相堆焊耐磨層的平均硬度為64.7 HRC，高于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層;金屬陶瓷相堆焊耐磨層的耐磨性高于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層，其磨損失重量?jī)H為常規(guī)焊絲堆焊耐磨層的38%。采用金屬陶瓷相堆焊耐磨層的磨煤機(jī)磨碗襯板及輥套的檢修時(shí)間可延長(zhǎng)1.5～2.0倍。

關(guān)鍵詞： 金屬陶瓷; 磨碗襯板和輥套; 成分; 金相組織; 耐磨性

中圖分類號(hào)： TG 455

Abstract： The surface of Q235 steel plate was overlaid with cermet wear-resistant layer by open arc self-shielded welding. The composition， microstructures， hardness and wear resistance of the hardfaced layer were analyzed， compared with those of the conventional hadfacing wire. The results showed that the contents（mass fraction） of Cr and C of cermet phase in hardfaced layer were higher， which were 29.8% and 5.8% respectively. The cermet hardfaced layer contained strong carbide forming elements， and the precipitated carbides were finer. Cermet phase was distributed in fiber shape， perpendicular to the working surface. Volume fraction of the cermet phase was 64.7%， higher than that of conventional hardfacing wire. The average hardness of cermet hardfaced layer was 64.7 HRC， higher than that of conventional hardfacing wire. Wear resistance of cermet phase hardfaced layer was higher than that of conventional hardfacing wire， and its wear loss was only 38% of that of conventional hardfacing wire. Maintenance cycle of grinding bowl liner and roller sleeve of coal mill with cermet phase hardfaced wear-resistant layer could be prolonged by 1.5～2.0 times， and remarkable economic benefits were obtained.

Key words： ?cermet; grinding bowl liner; grinding roller sleeve; composition; microstructures; wear resistance

0 前言

中速磨煤機(jī)碾磨件的使用壽命是影響燃煤電廠機(jī)組負(fù)荷及綜合運(yùn)行成本的重要因素。如何提高碾磨件，尤其是磨碗襯板、磨輥套的使用壽命，減少檢修次數(shù)，是各個(gè)燃煤電廠急需解決的問(wèn)題。

建國(guó)后，中國(guó)沒(méi)有中速磨煤機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)基礎(chǔ)，引進(jìn)消化吸收成了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)中速磨煤機(jī)的必經(jīng)之路。1985年中國(guó)從美國(guó)引進(jìn)了全套的RP系列碗式磨煤機(jī)制造技術(shù)，又從德國(guó)引進(jìn)了MPS系列磨煤機(jī)技術(shù)，1989年從美國(guó)引進(jìn)了HP系列磨煤機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)[1]。中國(guó)目前所生產(chǎn)的磨煤機(jī)幾乎都是這些磨煤機(jī)的翻版或改進(jìn)型，壽光電廠使用的MW31B/L-Dyn型中速磨煤機(jī)就是原上海重型機(jī)器廠引進(jìn)的HP系列磨煤機(jī)的改進(jìn)型號(hào)。

引進(jìn)初期， HP系列磨煤機(jī)的磨碗襯板及磨輥套生產(chǎn)工藝均為整體鑄造，其材質(zhì)為以ZGr20為代表的高鉻鑄鐵，襯板及輥套存在使用壽命短、襯板斷裂等一系列無(wú)法解決的問(wèn)題，造成電廠檢修任務(wù)繁重、維護(hù)使用成本增加[2]。隨著焊接技術(shù)的進(jìn)步，原上重廠又從美國(guó)司太立公司引進(jìn)了當(dāng)時(shí)比較先進(jìn)的堆焊技術(shù)，在磨碗襯板和磨輥套的磨損面上進(jìn)行堆焊強(qiáng)化。堆焊技術(shù)的采用提高了中速磨煤機(jī)碾磨部件的使用壽命，國(guó)內(nèi)其它廠家紛紛效仿，短時(shí)間內(nèi)國(guó)內(nèi)從事堆焊強(qiáng)化的企業(yè)增加到了數(shù)百家。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，原上重廠引進(jìn)的堆焊技術(shù)從材料體系和堆焊工藝上都已經(jīng)不能滿足國(guó)內(nèi)電力行業(yè)發(fā)展的需要，而國(guó)內(nèi)絕大部分堆焊企業(yè)缺乏自主研發(fā)能力，依舊停留在簡(jiǎn)單模仿抄襲的階段，造成了堆焊強(qiáng)化市場(chǎng)魚龍混雜、良莠不齊、惡性競(jìng)爭(zhēng)的混亂局面，致使燃煤電廠在碾磨部件的采購(gòu)上面臨選擇性難題。

金屬陶瓷硬度高、耐磨性好、和鋼鐵類基體相容性好，應(yīng)用于磨碗襯板和磨輥套耐磨強(qiáng)化可以獲得非常好的效果[3-6]。將金屬陶瓷耐磨層復(fù)合到磨碗襯板和磨輥套上，可以采用復(fù)合熔鑄法[3]或者堆焊法[4]。文中在低碳鋼基體上進(jìn)行了金屬陶瓷堆焊試驗(yàn)，并和國(guó)內(nèi)某常規(guī)堆焊焊絲堆焊樣品進(jìn)行了對(duì)比。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

堆焊母材選用Q235，成分見表1。母材尺寸500 mm×500 mm×20 mm。堆焊焊絲為金屬陶瓷相焊絲，焊絲直徑為2.8 mm。同時(shí)采用一種國(guó)內(nèi)某廠同直徑常規(guī)堆焊焊絲進(jìn)行對(duì)比。

采用線切割方法從堆焊好的試板取樣，放入加熱爐中，以100 ℃/h的速度升溫至1 150 ℃，保溫2 h，隨爐冷卻。然后用牛頭刨床刨取堆焊層碎末50 g，按照GB/T 11352—2009標(biāo)準(zhǔn)，采用碳硫分析儀（CS844）和ICP原子發(fā)射光譜儀（iCAP6300）對(duì)金屬陶瓷相堆焊耐磨層和常規(guī)堆焊耐磨層的化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)定。

用線切割從堆焊好的試板上割取尺寸為15 mm×15 mm×20 mm的試塊，堆焊表面及一個(gè)側(cè)面作為金相面，按照GB/T 3488.1—2014規(guī)定的方法進(jìn)行磨光，并用4%硫酸銅鹽酸溶液進(jìn)行腐蝕，獲得金相試樣[5]。在光學(xué)顯微鏡下分別對(duì)堆焊表面和側(cè)面進(jìn)行觀察，采用Image Pro Plus軟件對(duì)金屬陶瓷相的比例進(jìn)行了測(cè)定。

采用HR-150A型洛氏硬度儀進(jìn)行了硬度測(cè)量，載荷1 470 N，加載時(shí)間5 s。

用線切割從堆焊好的試板上割取尺寸為60 mm×60 mm×20 mm的試塊，在磨床上將表面和背面磨平，采用針盤磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)堆焊試板進(jìn)行了耐磨性能測(cè)試。對(duì)磨副為YG8硬質(zhì)合金，針盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為0.8 m/s，載荷為49 N。每5 min用電子天平測(cè)量一次試樣磨損失重，天平精度為0.1 mg。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

金屬陶瓷相堆焊耐磨層和常規(guī)堆焊耐磨層的化學(xué)成分見表3。

可以看出，金屬陶瓷相堆焊耐磨層成分中Cr和C的含量很高，分別為29.8%和5.8%，可以使堆焊層中析出更多Cr7C3型碳化物。除了Cr，金屬陶瓷相堆焊耐磨層中還含有Mo，Ti，Nb等強(qiáng)碳化物形成元素，不僅可以進(jìn)一步增加碳化物的析出量，而且使析出的碳化物尺度更加細(xì)小，在提高堆焊層硬度和耐磨性的同時(shí)，使堆焊層保持一定的韌性，極大地提高堆焊層的綜合性能。

而常規(guī)焊絲堆焊的耐磨層中，Cr和C的含量明顯低于金屬陶瓷相堆焊耐磨層，同時(shí)幾乎沒(méi)有強(qiáng)碳化物形成元素，無(wú)法促進(jìn)Cr7C3型碳化物細(xì)化，必然導(dǎo)致碳化物組織粗大。常規(guī)焊絲堆焊的耐磨層中B的含量遠(yuǎn)高于金屬陶瓷相堆焊耐磨層。B元素的大量使用雖然會(huì)使耐磨層的常溫硬度得到提升，但會(huì)使耐磨層抗沖擊能力大大降低，研究表明，高B材料在300 ℃的溫度下宏觀硬度會(huì)降低3～5 HRC[7-8]。

金屬陶瓷相堆焊耐磨層金相組織如圖1所示。工作面上均勻密布準(zhǔn)六邊形一次碳化物，同時(shí)伴有少量固溶體和共晶組織，碳化物平均寬度約為0.03 mm，這些碳化物即是由Cr，Mo，Nb，W，V等元素與碳形成的金屬陶瓷相;從試樣的縱剖面上看，金屬陶瓷相呈纖維狀分布，方向一致性好，基本垂直于工作面，其平均長(zhǎng)度約1 mm，長(zhǎng)寬比大于30。用Image Pro Plus對(duì)初生碳化物進(jìn)行面積測(cè)定，測(cè)得初生碳化物的體積分?jǐn)?shù)為64.7%。

常規(guī)焊絲堆焊的耐磨層金相組織如圖2所示。其組織粗大、結(jié)晶方向紊亂、耐磨相比例少，初生碳化物的體積分?jǐn)?shù)為60.1%。共晶和固溶體含量明顯高于金屬陶瓷相堆焊耐磨層。更主要的是碳化物尺寸粗大，從而使其脆性增大，耐磨性能下降。金相組織的分析結(jié)果和成分分析的結(jié)果顯示出高度的一致性。

硬度測(cè)試結(jié)果見表4。

金屬陶瓷相堆焊耐磨層的平均硬度為64.7 HRC，高于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層的平均硬度為60.1 HRC。金屬陶瓷相堆焊耐磨層中Cr和C的含量高，而且還含有Mo，Ti，Nb等強(qiáng)碳化物形成元素，初生碳化物尺寸細(xì)小、排列方向規(guī)則、體積分?jǐn)?shù)高，是其宏觀硬度更高的主要原因[9]。

金屬陶瓷相堆焊耐磨層和常規(guī)焊絲堆焊耐磨層的磨損失重如圖3所示。隨著磨損時(shí)間增加，2種堆焊層的失重都在增加，但金屬陶瓷相堆焊耐磨層的磨損失重量更小，而且增加速度更慢。磨損25 min后，其失重量?jī)H為常規(guī)焊絲堆焊耐磨層的38%。更高的Cr和C含量，使耐磨層中碳化物含量更高;強(qiáng)碳化物形成元素的存在使碳化物尺寸更加細(xì)小。更高含量的細(xì)小尺寸碳化物使堆焊層保持一定韌性的同時(shí)，提高了堆焊層的硬度，增加了堆焊層的耐磨性。

特別是，定向排列的碳化物之間的間距隨著碳化物含量提高、碳化物尺寸減小而減小。對(duì)比圖1和圖2可以看出，金屬陶瓷相堆焊耐磨層中碳化物之間的間距明顯小于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層中碳化物之間的間距。在磨粒磨損模式下，耐磨層中碳化物之間的間距越大，中間較軟的基體金屬越容易暴露于磨粒的磨損作用下，產(chǎn)生“挖掘”效應(yīng)。當(dāng)較軟的基體金屬被選擇性磨損后，碳化物失去支撐，在外力作用下很容易碎裂、剝落，導(dǎo)致磨損加速。而耐磨層中碳化物之間的間距減小，碳化物對(duì)基體金屬的保護(hù)作用增強(qiáng)，特別是當(dāng)碳化物之間的間距小于磨粒尺寸時(shí)，基體金屬完全處于碳化物的保護(hù)之下，磨損主要發(fā)生在碳化物和磨粒之間。有基體金屬的有效支撐，高硬度的碳化物將表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能。因此，在相同磨損條件下，碳化物含量更高、尺寸更細(xì)小的金屬陶瓷相堆焊耐磨層表現(xiàn)出了更好的耐磨性。

從文中的試驗(yàn)分析結(jié)果可以看出采用金屬陶瓷相焊絲進(jìn)行堆焊，可以極大地提高零部件的耐磨性。金屬陶瓷相焊絲堆焊在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用也證實(shí)了這一點(diǎn)。圖4所示為金陵電廠的金屬陶瓷堆焊磨碗襯板使用9 500 h和石洞口二廠的金屬陶瓷堆焊磨碗襯板使用15 000 h的磨損情況。神華國(guó)華壽光發(fā)電有限責(zé)任公司首先在1號(hào)機(jī)組4臺(tái)主力磨煤機(jī)上安裝使用了金屬基金屬陶瓷相磨碗襯板及輥套，目前磨煤機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、正常。在耐磨件改造前，神華國(guó)華壽光發(fā)電有限責(zé)任公司廠單臺(tái)鍋爐4臺(tái)磨煤機(jī)每次大修時(shí)間約為10 000 h，費(fèi)用備品備件約160萬(wàn)元，堆焊費(fèi)用48萬(wàn)元，人工檢修費(fèi)用48萬(wàn)元，累計(jì)約256萬(wàn)元。改造后檢修時(shí)間延長(zhǎng)了1.5～2.0倍，使用壽命達(dá)到15 000～20 000 h一次大修，費(fèi)用節(jié)約128～256萬(wàn)元/次，平均節(jié)約約200萬(wàn)元/次。

除可以堆焊強(qiáng)化外，堆焊磨輥輥套、堆焊磨碗襯板使用中磨損到一定尺寸后，還可以再次通過(guò)堆焊修復(fù)使用，并保持原性能，有效降低成本。

3 結(jié)論

（1）和常規(guī)焊絲堆焊耐磨層相比，金屬陶瓷相堆焊耐磨層成分中Cr和C元素的含量更高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為29.8%和5.8%。堆焊耐磨層中含有強(qiáng)碳化物形成元素。

（2）金屬陶瓷相呈纖維狀分布，垂直于工作面，體積分?jǐn)?shù)高于常規(guī)堆焊焊絲堆焊耐磨層，達(dá)到64.7%，碳化物尺度更加細(xì)小。

（3）金屬陶瓷相堆焊耐磨層的平均硬度為64.7 HRC，高于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層。

（4）金屬陶瓷相堆焊耐磨層的耐磨性高于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層。針盤磨損試驗(yàn)條件下，其磨損失重為常規(guī)焊絲堆焊耐磨層的38%;金屬陶瓷相堆焊磨盤、磨輥在實(shí)際工作條件下的使用壽命為常規(guī)焊絲堆焊磨盤、磨輥的1.5～2.0倍。

致謝

感謝華能金陵電廠、華能玉環(huán)電廠、寧海電廠對(duì)調(diào)研的大力支持與協(xié)助，感謝江蘇瑞米克金屬技術(shù)有限公司提供焊接、取樣、檢測(cè)等便利條件。

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