水泥挤压辊堆焊层与45钢母材的结合性能

发布时间：2020-06-05 09:26

【摘要】：水泥工业作为我国国民经济的基础,有着良好的发展前景。辊压机作为水泥生产过程中重要的破碎设备,其核心部件为挤压辊。挤压辊长期受到物料的高应力磨粒磨损和循环应力作用,容易产生疲劳磨损失效。为了提高辊面工作层的耐磨性,常在挤压辊表面堆焊耐磨金属。虽然表面耐磨层可以起到提高挤压辊耐磨性的作用,但是,由于辊体金属与辊面耐磨层金属的成分和微观组织不同,导致两者在性能上存在差异,材料间的结合性能较差,在疲劳磨损作用下导致耐磨层剥落失效。因此,研究如何提高挤压辊表面耐磨层的耐磨性及耐磨层与母材的结合性能,延长部件的使用寿命,减少设备维护时间,具有重要的科学意义和实用价值。本文采用的堆焊材料包括:3种市售焊丝、6种自制改变高碳铬铁加入量和6种自制改变石墨加入量的堆焊焊丝,在45钢母材上制备堆焊层。研究了各种堆焊层的成分、微观结构、硬度、耐磨性和及其与45钢母材的结合强度。在现有可用于测试电弧堆焊层与钢母材结合性能测试方法的基础上,提出了新型十字交叉推离试验法。主要试验结果如下:(1)分析了奥氏体钢,含铌合金钢和高铬合金铸铁三种市售焊丝在45钢母材上的堆焊层组织。采用十字交叉推离试验法测试3种市售焊丝堆焊层与45钢母材的结合强度依次为369MPa、191MPa和48MPa。对十字交叉推离试样进行观察分析,确定了断裂路径和断口特征。含铌合金钢及过共晶高铬合金铸铁堆焊层与过渡层(奥氏体钢)堆焊层的结合强度依次为322MPa和163MPa,明显高于耐磨层与45钢母材的结合强度。且由断裂路径可以明显观察到裂纹延伸至过渡层停止扩展,说明奥氏体钢过渡层可以有效限制裂纹扩展。(2)分析了不同高碳铬铁加入量堆焊层的成分和微观组织,并研究了C、Cr含量对堆焊层微观组织与耐磨性的影响规律。结果表明,6种不同高碳铬铁加入量的一系列堆焊层中C、Cr含量逐渐升高,微观组织主要为马氏体、奥氏体及弥散分布于基体中的NbC硬质相组成。当高碳铬铁加入量为0%时,堆焊层中C、Cr含量较低,基体组织为马氏体和残余奥氏体的混合组织。堆焊层中C,Cr含量增加,堆焊层的钢基体组织中马氏体减少,残余奥氏体逐渐增加;当高碳铬铁加入量为7.5%时开始出现独立奥氏体,随着C、Cr含量增加,独立奥氏体最终连成片状。在焊接冶金反应中,Nb元素首先与C元素结合生成NbC,随着C、Cr含量增加,析出NbC的数量增多,尺寸变大,堆焊层中最大NbC尺寸由1μm增大到4μm。基体组织和NbC硬质相共同决定材料的耐磨性;高碳铬铁加入量为5%时,基体组织中独立奥氏体含量较少,NbC硬质相数量增加和尺寸增大,堆焊层的硬度和耐磨性能最好,堆焊层上部平均显微硬度为861HV_(0.2),耐磨性能可达45钢基体的5.7倍。高碳铬铁量继续增加时,由于基体中奥氏体增多,导致硬度降低,耐磨性变差。(3)研究了6种不同石墨加入量对堆焊层成分、微观组织与耐磨性的影响规律。由不同石墨添加药芯焊丝制备的一系列堆焊层中C含量逐渐增加,微观组织主要为铁素体、马氏体、奥氏体及弥散分布于基体中的NbC硬质相组成。当石墨加入量为0%时,C含量较低,堆焊层基体组织为铁素体、马氏体和NbC,随石墨加入量增加,堆焊层中C含量增加,基体组织中铁素体消失,马氏体减少,奥氏体增加,最终出现片状的独立奥氏体;NbC数量增加,尺寸变大,堆焊层中NbC尺寸由1μm增大到6μm。堆焊层硬度与基体组织类型和NbC颗粒尺寸密切相关,耐磨性与表面硬度变化趋势一致。当石墨的加入量为3%时,耐磨合金的硬度为61.8HRC,耐磨性最好,是45钢母材的3倍。(4)采用十字交叉推离试验法测试不同高碳铬铁加入量堆焊层与45钢母材的结合强度。高碳铬铁加入量为0%时结合强度最高,为513MPa,随着高碳铬铁加入量的增加,由于大块NbC对基体的割裂作用,结合强度降低,当高碳铬铁加入量为7.5%时结合强度最低,为147MPa,高碳铬铁继续增加,堆焊层中奥氏体含量增加,塑性韧性较好,结合强度有所升高,当高碳铬铁加入量为13%时结合强度为283MPa。推离法测试堆焊层与45钢母材的结合强度先降低后升高,呈U形分布。(5)采用十字交叉推离试验法测试不同石墨加入量堆焊层与45钢母材的结合强度,结合强度的变化主要受成分和组织变化的影响。石墨加入量为0%时,堆焊层C含量为0.5%,结合强度较高,为355MPa,随着石墨加入量的增加,结合强度降低,当石墨加入量为2%时,C含量为1.01%,此时结合强度最低,为147MPa,石墨继续增加,堆焊层中C含量进一步增加,堆焊层中奥氏体含量增加,塑性韧性较好,结合强度有所升高,石墨加入量为5%时堆焊层中C含量为1.64%,堆焊层与母材结合强度最高,为460MPa。推离法测试堆焊层与45钢母材的结合强度先减少后增加,呈V形变化。改变高碳铬铁和石墨药芯焊丝制备堆焊层组织变化相似,与45钢母材的结合强度变化趋势也相同。
【图文】：

挤压辊,高锰钢,耐磨堆焊,磨辊

图 1.2 失效的挤压辊ig.1.2 The squeeze roller which failure occurs中耐磨堆焊技术应用现状及发展前景造每一道工序都要进行粉磨工作，耐磨堆焊材，因此，耐磨材料的发展水平决定了水泥行中，耐磨材料经历了 3 个阶段，由高锰钢→普金钢[32]。高锰钢主要应用于我国水泥工业中的条件下，粉磨设备磨损失效分析表明：高锰钢工硬化，，耐磨性优越，但屈服强度低，使用中负荷小的条件下，耐磨性很差。20 世纪 70 年主要为普通白口铁、抗磨球墨铸铁；70 年代后磨的磨辊及磨盘、辊压机的磨辊等均采用高铬

示意图,横向拉伸,示意图

（1）拉伸法拉伸法主要包括横向拉伸法和垂直拉伸法，是目前测试涂层与基体结合强度的常用方法。图1.3为横向拉伸法示意图，Shiao[42]等人利用横向拉伸法，将横向载荷施加到氮化钛涂层和不锈钢母材上，用界面开裂时的临界剪切应力来表征涂与层界面间的结合强度，此方法属于半定量的方法[43]。有一种垂直拉伸法多用于热喷涂涂层与基体材料结合强度的测量，其原理如图1.4所示。对于薄涂层可利用粘结剂把涂层与加载物粘结为整体，通过对加载物施加载荷FP，测量出涂层与基体分离时的最大载荷
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG455;TQ172.632.5

【参考文献】