刮板機順槽中板增材技術

張彩霞

摘要：針對煤礦井下綜采設備輸送機順槽中板的磨損問題，開展了磨鋼中板的表面堆焊技術研究及應用。采用明弧自動自保護堆焊工藝，新型金屬粉型耐磨焊絲，運用及時冷卻工藝，在高強耐磨鋼上進行了堆焊工藝試驗;同時還進行了四槍堆焊專機的工藝調試及冷卻工裝的設計。實驗表明冷堆焊工藝有效降低了軟化區域，解決了高強耐磨耐磨鋼堆焊難點;新型高碳高鉻藥芯焊絲提高了刮板機極易磨損部位的耐磨性;專機及冷卻工裝，使堆焊技術快速在刮板輸送機順槽中板上得到了應用，降低了生產成本。

Abstract： To deal with the wear failure of coal conveying equipment scraper conveyor crossheading medium plate， the study on increasing material technology of scraper conveyor high strength-wear resistant steel with surfacing process was prepared. By using the open arc automatic self-protection surfacing process， the surfacing welding on the high strength-wear resistant steel were made with high-carbon-and-high-chrom iumflux-cored wire. The equipment debugging of surfacing special machine and the design of cooling frock were made also. The tests indicated that cold surfacing welding process reduced the soften region， solved the surfacing problem of high strength-wear resistant steel; High-carbon-and-high-chromium flux-cored wire improved the wear-resistance， enhanced the application effect of high strength-wear resistant steel on scraper conveyor; Special machine and cooling frock improved wearability of the scraper conveyer worn position seriously and reduced the cost.

關鍵詞：高強耐磨鋼;金屬粉型耐磨焊絲;四搶堆焊專機;冷卻工藝

Key words： high strength-wear resistant steel;high-carbon-and-high-chromium flux-cored wire;special surfacing machine; cooling frock

中圖分類號：TD528? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）02-0129-03

0? 引言

煤礦機械刮板輸送機是現代化采煤工藝中不可缺少的主要設備，擔負著煤礦井下繁重的運輸任務，工作條件惡劣，全國報廢的刮板運輸機達到近20萬噸。輸送機經常磨損失效的順槽產品包括中部槽及轉載機各槽體，絕大多數是在高速、重載、沖擊、振動、摩擦和介質腐蝕的工況條件下工作，主要磨損失效部位是中、底板，經常出現磨薄甚至磨漏情況。為了提高產品耐磨性，保證整套設備的使用壽命，局部堆焊是最有效、操作最簡單的方式。刮板輸送機順槽的中、底板材質大多采用高強耐磨鋼[1-2]，所以研究高強耐磨鋼上堆焊技術非常必要。實踐證明合金粉塊堆焊、等離子堆焊等方法存在各種弊端，合金粉塊堆焊不易操作、勞動強度大;等離子熔覆、激光熔覆等表面技術[3]成本高、對工件表面要求嚴格。所以本文采用了明弧自動自保護堆焊工藝。

1? 試驗過程

堆焊是指借用一定的熱源手段將具有一定使用性能的合金材料熔覆在母材材料的表面，以賦予母材特殊使用性能或使零件恢復原有形狀尺寸的工藝方法。目前，堆焊是一種很成熟的手段與方法，但是高強耐磨鋼屬于低溫回火馬氏體鋼，以此為基體的堆焊沒有進行過深入的研究。

1.1 材料選擇

長期以來，抗磨損增材工藝，我們采用的是焊條堆焊、粉塊堆焊、藥芯焊絲堆焊，所用堆焊材料為D256、Fe-05、PK-YZ5、XGG9705。D256、Fe-05需手工操作、勞動強度大、有損身體健康;合金粉末價格高、成本高;普遍采用的PK-YZ5、XGG9705為馬氏體堆焊合金，屬于中高碳低合金鋼堆焊藥芯焊絲，主要成分含有鉻、鉬、釩、硼等，堆焊組織為馬氏體和殘余奧氏體，由于馬氏體的顯微硬度遠低于煤礦井下物料的顯微硬度，所以抗磨損效果不理想，不能滿足產品壽命需求。

為了加強耐磨性，改變由堆焊合金中馬氏體來抗磨損的機理，本文堆焊材料選擇金屬粉型高碳高Cr鑄鐵[4-6]明弧堆焊焊絲YD888，化學成分如表1。而D888高耐磨鑄鐵堆焊焊絲[7-8]，主要依靠堆焊層中彌散分布的碳化物硬質相來抵抗磨粒磨損。而且該材料通過焊絲藥芯中的造氣劑在電弧高溫作用下產生的氣體對熔滴和熔池進行保護。

1.2 試驗工藝

由于高強耐磨鋼屬于低溫回火鋼，在高溫下會退火降低硬度及耐磨性，此次堆焊試驗在此類鋼種上采取了及時冷卻的方法。

堆焊母材、堆焊材料、堆焊工藝參數、堆焊冷卻條件等如表2。

1.3 硬度檢測

堆焊后的硬度檢測包括焊道表面及截面，硬度檢測數值如表3。

由表可以看出：

①選用相同的焊材，冷卻條件不同，堆焊層硬度會明顯不同。焊道及時水冷能提高表面硬度及斷面硬度。

②堆焊層碳化物硬質相的微觀硬度遠高于基體及煤矸石的硬度。

1.4 金相檢測

在各項性能比較后，我們進行了堆焊層金相[9-10]檢驗，圖1（a）為堆焊層表面金相，圖1（b）為堆焊層斷面金相，由金相圖可知：

①高碳高絡藥芯焊絲堆焊，堆焊層金相組織為復合碳化物加殘余奧氏體。

②冷卻后，碳化物呈垂直向上生長，這樣會增強碳化物的抗磨損性能。

1.5 耐磨性檢測

鑒于刮板機槽體類的磨損失效形式主要是磨粒磨損，故磨損檢測采用濕式橡膠輪磨損試驗機，型號MLS-225，磨料為石英砂，橡膠輪轉速250轉/分，每一試樣預磨1500轉，第一次稱重后正式磨1500轉，磨損數據見表4。

根據表4數據對比，把日本SSAB公司HARDOX450板耐磨性比作“1”，則YD888焊絲堆焊下的耐磨層的耐磨性為“5.9”。

2? 中板堆焊應用

2.1 堆焊設備調試

根據中板堆焊工藝需求，研制了堆焊的專用設備——四槍堆焊專機，如圖2。同時，為了實現所需的工藝條件，本文中調試了堆焊專機的程序與參數，包括焊接模式、焊接速度、橫梁速度、焊接長度、焊槍擺幅、焊槍行走方向、焊槍滯后等。經過調試，專機可以實現4種焊接模式：網格、菱形格、鋸齒形、直焊道;四把焊槍可以實現單槍堆焊、多槍堆焊、焊后自動抬高、自動偏移、自動復位等功能;焊槍后方150mm處設有淋水裝置，可以隨著焊接對焊道實現及時冷卻。

四槍堆焊專機半自動堆焊取代了我們長期應用的手工電弧堆焊方式，不僅提高了堆焊質量與堆焊效率，同時還減輕了操作者的勞動強度、改善了勞動環境、保障了職業健康、帶動了操作者的積極性。

2.2 堆焊冷卻工裝

本研究中，在堆焊平臺上增設了水冷卻裝置，如圖3。該裝置包括支撐板、壓板、水管、水槽、水泵等。采用了噴水的方式，冷卻水直接噴到堆焊中板下表面，可以及時帶走堆焊熱量，實現堆焊件強制冷卻工藝。該裝置實現了中板定位、中板卡緊、中板冷卻的功能。

3? 生產應用

在明弧自動自保護的工藝條件下，采用下噴上淋的強制冷卻方式，我們在四槍堆焊專機上進行了中板增材技術的應用，如圖4為增材后的中板，中板表面的堆焊網格、菱形格及鋸齒內部可以存放煤粉，增加潤滑性。中板堆焊的成功應用，提高了堆焊表面質量、提高了刮板輸送機各類槽體的耐磨性。

4? 結論

①明弧自保護堆焊中，不用外加保護氣源，基板與耐磨堆焊層為冶金結合，強度高。

②采用新型高碳高鉻自保護金屬粉芯焊絲，替代了依靠馬氏體的抗磨損機理。堆焊中板達到增材目的，堆焊道表面硬度HRC≥48，碳化物硬質相微觀硬度達到800。堆焊層耐磨性可達HARDOX450鋼種的5.9倍，顯著提高了耐磨性。

③在中板增材技術中，同時采用了上淋下噴的及時冷卻工藝，降低了堆焊的軟化區，解決了以低溫回火鋼為基體堆焊的難題。

④四槍堆焊專機可以實現多槍半自動堆焊，取代了手工電弧堆焊，提高了堆焊質量和堆焊效率、減輕了勞動強度、改善了勞動環境。

⑤堆焊冷卻裝置可以及時、有效地實現高強耐磨鋼冷堆焊工藝。

⑥中板增材技術在短時間內得到了成功應用，提高了刮板輸送機各類槽體耐磨性，提高了產品的壽命與競爭力。

參考文獻：

[1]丁瑋，林曉娉，劉文開，等.低碳馬氏體細晶粒鋼的顯微組織及耐磨性[J].金屬熱處理，2007，32（1）：6-8.

[2]柳翊，楊滌心，謝敬佩，等.高強韌耐磨鋼磨損性能的研究[J].材料熱處理，2009，38（6）：26-28.

[3]錢苗根.現代表面技術[M].北京：機械工業出版社，1998.

[4]蘇俊義.鉻系耐磨白口鑄鐵[M].北京：國防工業出版社，1990.

[5]郝石堅.高碳耐磨鑄鐵[M].北京：煤炭工業出版社，1992.

[6]何獎愛，王玉瑋.材料磨損與耐磨材料[M].東北大學出版社.

[7]Kotecki J， Ogborn J S. Abrasion resist ance of iron-based hardf ac-ingalloys[J]. Welding Journal， 1994， 57（3）：269-278.

[8]Wang Z H， Wang Q B， Cui L， etal. Influence of cooling rate andcomposition on orientation of prmiary carbides of Fe-Cr-C hard fac-ing alloys [J]. Science and Technology ofWelding and Joining，2008， 13（7）： 656-662.

[9]楊威，魏建軍，黃智泉.Fe-Cr-C系高碳高鉻耐磨堆焊合金微觀組織分析[J].焊接學報，2007，28（3）：85-87.

[10]王清寶，王智慧.Fe-Cr-C系高耐磨堆焊合金組織及性能[J].焊接學報，2004，25（6）：119-124.