采煤機械截齒用低相變點高硬度耐磨堆焊焊條的研制

承德石油高等?？茖W校機械工程系 湯立松

影響采煤工作效率及設備使用壽命的原因主要是截齒的質量，截齒的主要失效形式就是磨損失效，針對截齒磨損失效，本文以提高采煤機械設備所用截齒堆焊層的硬度、耐磨為主要研究目的，選購價格低廉的添加合金Cr、C、B、Si、Mn，運用鋼的馬氏體低溫轉變原理，降低截齒堆焊時熔池中形成馬氏體過程的溫度轉變點，研制出一種成本低、焊接工藝性能佳、抗裂性能好、高強度耐磨的焊條，運用在采煤機械設備截齒堆焊上。

1 試驗方法

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

表1 合金元素正交水平表L9(34)

2 試驗結果及討論

2.1 焊條工藝性能分析

對以上焊條配方按相同焊接參數進行堆焊，在焊接過程中通過觀察焊條記錄的焊接過程中的穩定性、飛濺程度、發塵量大小、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、B：良、C：中、D：差、E：極差五個級別進行表示，堆焊過程中穩弧性處于C級的為SY1，原因為焊條熔滴向焊縫中高速、大結塊過渡，造成堆焊層出現偏移現象，其余8組電弧燃燒均穩定，主要是因為本文試驗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短路過渡現象，降低整個焊接燃燒區電壓，使合金元素平穩過渡到堆焊焊縫中；9組試驗焊條發塵量均較大，主要因為所添加合金元素目數較小，容易與焊條藥皮所產生的焊接氣氛混合，在高溫作用下形成金屬蒸發，但為獲得優質的合金元素堆焊層，選用目數較小合金是必要的；9組焊條焊接過程中所形成飛濺物較少，且易敲落，是因為在本次試驗焊條藥皮成分中未添加大理石，使造氣所產生的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良好，是因為添加合金元素后容易形成易脫落的氧化物，使焊渣較為容易清理；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最優。

2.2 硬度結果分析

對9組焊條堆焊層進行洛氏硬度測量，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，取其平均值，測量結果如表2所示，

表2 洛氏硬度測量結果

對以上數據運用正交因素分析方法對硬度結果進行計算得出以下結論：

（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）通過正交分析計算極差得到對堆焊層硬度影響因素排序為：Cr＞Si＞B＞C，試驗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過程中結合程度較好，結合界限規則，可防止所熔覆堆焊層與截齒母材之間的脫落，并達到最小化的稀釋母材，防止母材稀釋改變堆焊層化學成分，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′強化相的存在切斷了大片狀馬氏體組織，從而起到細化組織作用，增加了堆焊層的韌性，且三者之間交錯配合及交錯嵌入，也防止截齒在工況使用環境下的脫落。

圖1 熔覆金屬組織形貌

3 結論

對Cr、C、B、Mn四種合金元素進行正交，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′強化相（MC）+殘余奧氏體。