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合理选择通风机耐磨堆焊材料

高建华 李 昂 侯金波 李长山/四平鼓风机股份有限公司    

摘要:阐述了预选堆焊材料的原则和方法。对堆焊材料的工艺性作了比较,给出了堆焊材料相对耐磨性试验的结果。最后说明了直接在产品上进行跟踪试验、鉴定耐磨性及考虑经济性做出药芯焊丝和焊条选择等情况。

关键词:通风机;耐磨;堆焊材料

中图分类号:TG44   文献标识码:B

The Reasonable Selection of Wear-resistant Surfacing Material of Fans

Abstract: This paper specified the principle and method of pre-selecting surfacing material and compared the technology of surfacing material. And the testing result of surfacing material relative wear-resisting is come out. Finally, some conditions such as the tracking test directly on products, the identification of wear-resisting and the selection of flux-cored wire and electrodes considering economy are specified.

Key words: fan; wear-resisting; surfacing material

0  引言

  经受着含有磨料的气流冲击,使风机迊风面的金属表面产生低应力磨料磨损和冲刷磨损,这是一种普遍现象。低应力磨料磨损是固态磨料以某种速度,较自由地与所接触的金属表面做相对运动引起的[1]。冲刷磨损是含有粉尘的气体高速冲向金属表面形成的磨损,其影响因素有粉尘或固体颗粒浓度及硬度与被磨表面间的 相对速度 冲击角等[2]

  近年来,风机叶轮的线速度提高很快,相同工况下风机磨损速度加快,对耐磨堆焊技术要求越来越高。为选择出具有良好的耐冲击性、抗磨料磨损性的堆焊材料,提高堆焊技术、延长风机使用寿命,进行了大量的堆焊试验。耐磨堆焊是把填充金属熔敷在基体表面以提供抗磨损、抗冲击、防擦伤等保护层的工艺过程。要充分发挥堆焊技术的优势必须解决好两方面的问题:一是正确选用堆焊材料;二是选定合适的堆焊方法及相应的堆焊工艺。

1  预选堆焊材料

  合理地选择堆焊材料,才能使风机堆焊件具有较高的使用寿命。收集适合于高温或常温条件下、受低应力磨料磨损和冲刷磨损风机零部件堆焊材料的相关资料,预选了两类堆焊合金中的12种堆焊材料:一类是具有非常好的耐磨料磨损性、较好的耐热性、良好的抗冲击性的 高铬合金铸铁堆焊材料;一类是具有较好的抗冲击性、良好的耐磨料磨损性的马氏体堆焊材料[3]

  (1)手工电弧焊堆焊方法:预选3种高铬合金铸铁堆焊焊条;

  (2)CO2气体保护堆焊方法:预选6种马氏体堆焊药芯焊丝和3种高铬合金铸铁堆焊药芯焊丝。

2  堆焊材料的工艺性比较

  在10mm×200mm×600mm钢号为Q345A试板上,按照表1堆焊工艺参数,尽量选用工艺参数的下限值,减少合金元素的烧损,获得熔深浅、稀释率较低的堆焊层。模拟风机叶片堆焊形式,每种堆焊材料各堆焊一件。在堆焊过程中进行工艺性比较:包括电弧的稳定性、烟尘及飞溅大小、焊缝成型情况、有无裂纹等。

表1 堆焊工艺参数

堆焊材料

材料规格φ/mm

保护气体

气体流量/(L/min)

电流/A

电压/V

药芯堆焊焊丝

1.6

CO2

16~20

220~280

23~30

堆焊焊条

4.0

150~180

23~26

  堆焊工艺性比较结果如下。

  (1)手工电弧堆焊:3种高铬合金铸铁堆焊焊条,堆焊时容易引弧、电弧稳定、烟尘较大、有飞溅、成型正常、堆焊层有分布不均的可见裂纹、工艺性尚可。

  (2)CO2气体保护堆焊:在所选堆焊材料中马氏体堆焊药芯焊丝含碳量和合金成分较少,因此,提出一条基本要求即堆焊层应成型光滑、无明显裂纹。

  其中3种马氏体堆焊药芯焊丝,堆焊时烟尘相对大一些,堆焊层有少量可见裂纹,被淘汰;其余3种马氏体堆焊药芯焊丝,堆焊时送丝畅通、易引弧、电弧稳定、烟尘与飞溅相对较少、多层堆焊后无明显裂纹、成型美观、堆焊工艺性良好。

  3种高铬合金铸铁堆焊药芯焊丝,堆焊时电弧较稳定、烟尘大、飞溅相对多一些,在堆焊层出现细小横向裂纹,工艺性尚可。

3  堆焊材料的相对耐磨性试验

3.1  试件堆焊和试样加工

  以Q345A钢板20mm×80mm×250mm作为基材,采用3种马氏体堆焊药芯焊丝、3种高铬合金铸铁药芯焊丝、3种高铬合金铸铁堆焊焊条,按表1的堆焊工艺参数分别堆焊尺寸为35mm×200mm堆焊层、多道堆焊、堆焊3层 , 堆焊层高度保证达到6~7mm。

  先将试件堆焊面在磨床上加工出平面,以加工的平面为基准在基材侧刨削试件厚度至15mm,之后采用线切割方法在每块试件上加工出3件15mm×26mm×56mm耐磨试样,编号做标识。

  加工材质为Q345A,尺寸为15mm×26mm×56mm试样6件, 做相对耐磨性试验的基准试样。

3.2  相对耐磨性试验

  将耐磨试样分成两部分,委托郑州机械研究所做相对耐磨试验,试验结果如下。

  第一部分:CO2气体保护焊药芯焊丝堆焊的6种试样,模拟风机工况进行了纯磨粒磨损试验,试样编号6#代表Q345A钢基准试样;编号1#、2#、4#代表马氏体堆焊药芯焊丝堆焊试样;3#、无编号、7#代表高铬合金铸铁药芯焊丝堆焊试样,其试验结果见表2。

表2 试样磨粒磨损试验结果

序号

试样编号/#

硬度/HRC

试样平均失重/g

相对耐磨性ε

1

6

0.374

1

2

1

55.9

0.190

1.968

3

2

60.1

0.190

1.968

4

4

54.7

0.185

2.022

5

3

58.4

0.040

9.35

6

7

58.3

0.028

13.357

7

无编号

63.1

0.0133

28.12

  第二部分:手工焊条电弧焊堆焊的3种耐磨试样试验结果见表3;试验设备:MLS-225型湿砂橡胶轮式磨损试验机;介质组成:1.5kg石英砂(50~90目)+1kg水。

表3 试验结果

试样编号

材料

编号

试验前质量/g

预磨800r/min

试验后质量/g

磨制3000r/min

质量差/g

平均差/g

硬度/HRC

相对耐磨性ε

A1

A

171.7819

171.3977

0.3842

0.4012

1

A2

170.3843

169.9848

0.3995

A3

172.1533

171.7332

0.4201

41

4

170.0599

169.9766

0.0833

0.0591

62.04

6.788

42

158.1341

158.0885

0.0456

62.42

43

172.2874

172.2388

0.0486

63.88

51

5

169.0192

168.9586

0.0606

0.0687

63.15

5.839

52

167.4092

167.3147

0.0945

61.85

53

167.2313

167.1802

0.0511

62.76

61

6

166.7901

166.7296

0.0605

0.0528

65.54

7.598

62

168.9813

168.9336

0.0477

65.84

63

168.7927

168.7423

0.0504

64.56

4  在产品上应用鉴定堆焊材料的耐磨性

4.1  直接在产品上进行跟踪试验

  辽宁省一个水泥生产线,原位置运行的一台吸尘风机没有采取任何防磨措施,仅运行了4个多月,就因为叶片严重磨损不能使用了。经同用户商定,在新制造的叶轮上,采用相对耐磨性相近的3种马氏体堆焊药芯焊丝进行堆焊。药芯焊丝堆焊金属主要成分见表4。

    这台风机共计12个叶片,按叶片图样尺寸每种药芯焊丝堆焊4片叶片,测取所有叶片出口侧堆焊层高度基本在3~3.4mm ,做好标识。

表4 药芯焊丝堆焊金属的主要成分

序号

C

Cr

Mn

Mo

V

其余

1

≤ 0.6

5~10

1.5~2.5

1.5~2.5

0.5~1.0

2

0.2~0.5

4.7

< 1.0

< 1.0

< 1.0

3

0.3~0.6

8.0~10

0.5~1.5

1.0~1.35

0.5~1.0

1.0

  堆焊后按叶片图样外形尺寸在压力机上弯曲成型,对耐磨堆焊层进行了弯曲成型工艺性比较,3种堆焊材料的耐磨层弯曲成型形性均较好,无脱落现象,成型后基本无明显的裂纹 。

4.2  鉴定耐磨性

  这台风机正常运行8个多月后,利用用户对设备的检修时机,对叶片出口侧堆焊层的磨损程度进行了测试;其中一种堆焊材料的堆焊层磨损掉0.5~0.7mm,另外两种堆焊材料的堆焊层磨损掉0.4~0.6mm。叶片堆焊后至少为用户减少一次更换设备的投入,可提高风机使用寿命2倍以上,对延长风机使用寿命具有显著的效果。用户对这台采取堆焊的风机特别满意。

5  堆焊材料的选择

  根据试验结果和实际应用情况选出最佳的堆焊材料。本着满足风机使用要求的前提考虑经济合理性的基本原则,根据堆焊材料的硬度与相对耐磨性试验结果、产品使用情况、堆焊成本等综合考虑,选择堆焊材料。

  硬度显示了抵抗外物进入的能力,硬度在55HRC左右才具备较好的耐磨性 [2];对试验结果理论上分析所选堆焊材料,应具有较好的耐磨性;相对耐磨性ε值越大,表示堆焊层越耐磨,高铬合金铸铁堆焊材料的相对耐磨性ε值远远高于马氏体堆焊材料,耐磨性要好于马氏体堆焊材料。

  药芯焊丝堆焊生产效率为手工焊条堆焊的2倍以上,具有高效率、低能耗、低劳动力成本、高的材料利用率等优点,而且叶片堆焊变形相对小一些,堆焊层形状尺寸较规则,堆焊质量稳定,比手工焊条堆焊具有明显低的综合成本。因此,优选 CO2气体保护堆焊方法 , 保留手工电弧焊堆焊方法。

  (1) CO2气体保护堆焊堆焊药芯焊丝的选择

  产品使用中耐磨性相近的两种马氏体堆焊药芯焊丝,价格上每吨相差6000元 ,为降低堆焊成本,选择价格低的,硬度为55.9HRC、相对耐磨性ε值为1.986的那一种堆焊药芯焊丝。

  还选择了一种在此类堆焊合金中堆焊工艺性相对好一点,硬度为58.3HRC ,相对耐磨性ε值为13.357高铬合金铸铁堆焊药芯焊丝。

  (2)手工焊条电弧堆焊堆焊焊条的选择

  为满足风机结构特殊性和产品使用需要,选择了一种平均硬度为62.78HRC,相对耐磨性ε值为6.788的堆焊焊条。这种焊条价格比相对耐磨性ε值最高的堆焊焊条每吨低24000元,相对耐磨性ε值仅低了0.81。

  需要在介质温度高、粉尘浓度大、伴有冲击的磨料磨损工况条件下运行的风机,选用价格相对高的高铬合金铸铁堆焊药芯焊丝或堆焊焊条;介质粉尘浓度相对较少、低应力磨料磨损的条件下,选用廉价马氏体堆焊药芯焊丝;堆焊材料的主要成分见表5。

表5 药芯焊丝堆焊金属的主要成分(%)

熔敷金属

类型

C

Cr

Mn

Mo

V

Ni

Nb+W+

Mo+V

马氏体

≤ 0.6

5~10

1.5~2.5

1.5~2.5

0.5~1.0

高铬合金铸铁

3.5~4.5

18~24

1~1.5

< 0.5

< 5

 注:所选堆焊焊条是专利产品本文没提供堆焊金属成分。

  (3)在大量堆焊试验的基础上,掌握了所选堆焊方法与堆焊材料的工艺特点,编制了相应的堆焊工艺,有效地保证了堆焊质量并获得较理想硬度的堆焊层。

6  结论

  (1)首先分析风机运行工况,确定磨损形式,预选多种堆焊材料。

  (2)初步制定堆焊工艺,对预选堆焊材料进行了工艺性检测与对比。

  (3)对堆焊层进行硬度测定与相对耐磨性试验。

  (4)在产品实际使用中对堆焊材料的耐磨性进行鉴定筛选。

  (5)考虑堆焊材料的工艺性、耐磨性及综合成本,最后合理选定堆焊材料,制定堆焊工艺。

  合理地选用堆焊材料对提高堆焊技术具有重大的经济意义,可促进堆焊质量的不断提高,降低成本,从而达到延长风机使用寿命的目的。


参 考 文 献

[1] 王娟,等.表面堆焊与热喷涂技术[M].化学工业出版社,2004.7.

[2] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册[M].机械工业出版社,2007.10.

[3] 吴树雄,尹士科.焊丝选用指南[M].化学工业出版社,2002.5.

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  评论人:kdggzucoceq   打分:85 分  发表时间:2010-4-28 17:30:40
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