采煤機(jī)械截齒用低相變點(diǎn)高硬度耐磨堆焊焊條的研制

承德石油高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系 湯立松

影響采煤工作效率及設(shè)備使用壽命的原因主要是截齒的質(zhì)量，截齒的主要失效形式就是磨損失效，針對(duì)截齒磨損失效，本文以提高采煤機(jī)械設(shè)備所用截齒堆焊層的硬度、耐磨為主要研究目的，選購(gòu)價(jià)格低廉的添加合金Cr、C、B、Si、Mn，運(yùn)用鋼的馬氏體低溫轉(zhuǎn)變?cè)?，降低截齒堆焊時(shí)熔池中形成馬氏體過程的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)，研制出一種成本低、焊接工藝性能佳、抗裂性能好、高強(qiáng)度耐磨的焊條，運(yùn)用在采煤機(jī)械設(shè)備截齒堆焊上。

1 試驗(yàn)方法

本文采用正交試驗(yàn)的方法，對(duì)Cr、C、B、Mn四種合金元素進(jìn)行正交，以所焊接堆焊層的硬度及焊接過程中表現(xiàn)出的工藝性能為考核目標(biāo)，正交表如表1所示。

表1 合金元素正交水平表L9(34)

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 焊條工藝性能分析

對(duì)以上焊條配方按相同焊接參數(shù)進(jìn)行堆焊，在焊接過程中通過觀察焊條記錄的焊接過程中的穩(wěn)定性、飛濺程度、發(fā)塵量大小、堆焊層成型以及藥皮脫渣性能來考量所研制焊條的工藝性能，按A：優(yōu)、B：良、C：中、D：差、E：極差五個(gè)級(jí)別進(jìn)行表示，堆焊過程中穩(wěn)弧性處于C級(jí)的為SY1，原因?yàn)楹笚l熔滴向焊縫中高速、大結(jié)塊過渡，造成堆焊層出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，其余8組電弧燃燒均穩(wěn)定，主要是因?yàn)楸疚脑囼?yàn)過程中向藥皮配方中加入了大量易電離材料，防止焊接過程中出現(xiàn)短路過渡現(xiàn)象，降低整個(gè)焊接燃燒區(qū)電壓，使合金元素平穩(wěn)過渡到堆焊焊縫中；9組試驗(yàn)焊條發(fā)塵量均較大，主要因?yàn)樗砑雍辖鹪啬繑?shù)較小，容易與焊條藥皮所產(chǎn)生的焊接氣氛混合，在高溫作用下形成金屬蒸發(fā)，但為獲得優(yōu)質(zhì)的合金元素堆焊層，選用目數(shù)較小合金是必要的；9組焊條焊接過程中所形成飛濺物較少，且易敲落，是因?yàn)樵诒敬卧囼?yàn)焊條藥皮成分中未添加大理石，使造氣所產(chǎn)生的CO2變少，電離氣氛變少，從而使飛濺變少；表中所試制焊條脫渣性能均表現(xiàn)良好，是因?yàn)樘砑雍辖鹪睾笕菀仔纬梢酌撀涞难趸铮购冈^為容易清理；綜上所述，通過考量五種因素下焊條工藝性能，SY5組焊條工藝性能表現(xiàn)最優(yōu)。

2.2 硬度結(jié)果分析

對(duì)9組焊條堆焊層進(jìn)行洛氏硬度測(cè)量，選用載荷重量為150Kg，在堆焊層上按十字交叉法由里至外依次選用5點(diǎn)，取其平均值，測(cè)量結(jié)果如表2所示，

表2 洛氏硬度測(cè)量結(jié)果

對(duì)以上數(shù)據(jù)運(yùn)用正交因素分析方法對(duì)硬度結(jié)果進(jìn)行計(jì)算得出以下結(jié)論：

（1）Cr水平因素：2＞1＞3；C水平因素：2＞3＞1；B水平因素：2＞3＞1；Si水平因素：3＞2＞1；

（2）通過正交分析計(jì)算極差得到對(duì)堆焊層硬度影響因素排序?yàn)椋篊r＞Si＞B＞C，試驗(yàn)的最佳組合焊條配方為SY5組，硬度為64.28。

2.3 熔覆金屬組織形貌

選用SY5組焊條配方重新壓制焊條，采用相同焊接工藝參數(shù)施焊，垂直于焊接方向切取試樣拋光后，采用苦味酸腐蝕，組織形貌如圖1所示，由圖可以看出，焊縫金屬與母材之間在高溫焊接冶金反應(yīng)過程中結(jié)合程度較好，結(jié)合界限規(guī)則，可防止所熔覆堆焊層與截齒母材之間的脫落，并達(dá)到最小化的稀釋母材，防止母材稀釋改變堆焊層化學(xué)成分，降低堆焊層耐磨性。熔覆金屬組織形貌為馬氏體組織+γ′強(qiáng)化相（MC）+殘余奧氏體，由于組織中馬氏體的大量存在，增加了堆焊層的耐磨性及硬度，γ′強(qiáng)化相的存在切斷了大片狀馬氏體組織，從而起到細(xì)化組織作用，增加了堆焊層的韌性，且三者之間交錯(cuò)配合及交錯(cuò)嵌入，也防止截齒在工況使用環(huán)境下的脫落。

圖1 熔覆金屬組織形貌

3 結(jié)論

對(duì)Cr、C、B、Mn四種合金元素進(jìn)行正交，觀察9組焊條的工藝性能，得到一種焊接工藝性能較好的焊條配方，試驗(yàn)的最佳組合焊條配方為SY5組，硬度為64.28，觀察熔覆組織形貌為馬氏體組織+γ′強(qiáng)化相（MC）+殘余奧氏體。