高硼合金在布料溜槽表面堆焊分析

王琪

（中鋼集團西安重機有限公司 陜西西安710201）

1 前言

布料溜槽是煉鐵高爐無料鐘布料器中的一個重要設備，通過其旋轉實現高爐內爐料的均勻撒布。布料溜槽處于高爐的上部，屬于高溫（900℃左右）磨損的工況。原料從5m高的落差沖擊布料溜槽表面，對其造成極大的沖擊與磨損，大大縮短了布料溜槽的使用壽命［1－2］。為了提高高爐布料溜槽的使用壽命，國內主要采用在槽身表面堆焊高鉻（Cr30%，C5%，Nb1%）堆焊合金的工藝制作溜槽。王智慧等［3］對高鉻堆焊合金熱處理后的硬度和耐磨性研究結果表明：熱處理后高鉻堆焊金屬硬度下降25%，耐磨性會下降32%。針對高鉻堆焊合金高溫（750℃以上）時宏觀硬度與抗磨性能顯著下降的缺陷，目前普遍采用增加堆焊層厚度的方式解決。針對這種情況，本文采用硼化物作為研究對象，制備布料溜槽堆焊合金，并通過硬度，金相，磨粒磨損實驗對硼化物在堆焊合金中的作用進行了分析。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

試驗采用自行設計的兩種埋弧堆焊藥芯焊絲，直徑為3.6mm，焊劑107S。試板材質為16Mn鋼，規格為200mm×100mm×10mm，熔敷金屬的主要化學成分見表1。

表1 堆焊金屬熔敷金屬主要成分（%）

2.2 試驗方法

試驗采用直徑為3.6mm的兩種埋弧堆焊藥芯焊絲。焊接時焊槍擺動，擺幅25mm～30mm，單層堆焊厚度3mm～5mm，為降低母材的稀釋作用，堆焊三層厚度10mm。工藝參數及工藝性能見表2，空冷后磨平，在HRC－150型洛氏硬度計上測試焊態硬度。

表2 堆焊工藝參數及性能

3 堆焊合金性能分析

3.1 堆焊合金硬度測試

高爐布料溜槽工作溫度在950℃左右，由于目前無法測量950℃下堆焊合金的高溫硬度，設計采用將兩種堆焊合金加熱到950℃保溫2h隨爐冷卻的方式測試兩種堆焊合金的宏觀硬度。將試樣打磨拋光測試宏觀洛氏硬度值見表3。

表3 室溫與950℃熱處理后堆焊層硬度值比較

從熱處理后對試樣的硬度測試結果來看，試樣2堆焊合金熱處理前后宏觀洛氏硬度基本無變化，硬度大于HRC60，顯著高于高鉻堆焊合金。

3.2 堆焊層組織

圖1a表明在常溫及950℃保溫2h隨爐冷卻后高硼堆焊層的金相組織基本未發生變化，硬質相仍然存在。通過XRD分析確認，堆焊合金中硼化物主要為Fe2B硬質相。雖然硼化物以B4C的形式添加到焊絲中，但通過金相及XRD觀察分析可以確定：B4C在電弧高溫作用下完全分解，高溫下游離態的B與Fe生成了Fe2B硬質相。Fe2B顯微硬度高HV（1200～1800）具有良好的抗磨作用［4］。由于熱處理前后Fe2B在堆焊層中未發生變化，因此堆焊層硬質相未減少，耐磨粒磨損性能未下降。

圖1 試樣2高硼堆焊合金金相組織

3.3 耐磨性試驗

將950℃感應加熱后的2個堆焊試樣，采用線切割，制作尺寸為55mm×25mm×12mm的磨粒磨損試樣。磨粒磨損試驗參數如下：橡膠輪轉速為300r／min、橡 膠 輪 硬 度60HS、載 荷 分 別 為150N，磨料為0.212mm～0.425mm的石英砂、預磨5000r，精磨20000r。試驗前，先對樣品稱重，試驗后再對試樣稱重，兩次重量差即為試驗過程中試樣的磨損量，磨損量越大，代表耐磨性越差，磨損量越少，耐磨性越強。本實驗以950℃感應加熱后高鉻堆焊合金層作為標準試樣，其他材料的相對耐磨性，結果見表4。

表4 950℃熱處理后磨粒磨損試驗

圖2 試樣2XRD分析及顯微結構

圖3 堆焊層截面的SEM形貌

磨粒磨損實驗表明：950℃保溫2h隨爐冷卻后，含硼化物的堆焊合金耐磨粒磨損性能顯著優于高鉻堆焊合金，能夠提高2.5倍。

4 結論

本文分析了一種以硼化物為硬質相的堆焊合金材料；通過硬度實驗表明：950℃保溫2h隨爐冷卻后，高硼堆焊合金宏觀硬度未發生顯著變化，硬度穩定；通過金相組織觀察發現，堆焊合金中含有大量硬質相；通過XRD分析確定，硬質相為Fe2B；通過磨粒磨損試驗表明：950℃保溫2h隨爐冷卻后，與高鉻堆焊合金相比，高硼堆焊合金的抗磨損性能提高2.5倍。試驗對比表明：采用高硼堆焊材料能夠滿足布料溜槽使用要求。