一種焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韌性方法
2023-05-30 07:36:41 2
專利名稱：一種焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韌性方法
技術領域：
本發明涉及在摩擦磨損和磨粒磨損工況條件下使用的大型機械設備耐磨件服役 壽命的製造加工技術。也涉及一種同時提高部件耐磨性和韌性的方法。
背景技術：
物料顆粒減小是很多行業(如冶金、礦山、建材、火電廠、化工、陶瓷、築路等)產品 生產中不可缺少的工藝過程。粒度減小是靠粉碎作業(包括破碎和粉磨)來完成的。對於 在完成粉碎作業的機械耐磨件(如襯板、磨輥、滾筒、壓鑄模具等)，其因反覆使用，長期的 與物料進行摩擦，而因磨粒磨損使部件失效。以球磨機的磨輥為例，當球磨機粉磨物料時， 滾筒轉動，物料與磨輥產生劇烈摩擦，磨輥產生表面疲勞磨損，主要是由於形狀不規則的磨 粒在磨輥表面進行反覆的犁溝、碾壓，導致裂紋形成擴展，最後以片狀磨屑斷裂脫落，這與 磨粒的粒度大小有關。磨煤機制粉系統作為燃燒電站的主要系統，其運行狀況直接關係到 鍋爐帶負荷能力及爐內燃燒穩定性，其中磨輥為主要易磨損件。由於磨輥在服役中既承受 煤的摩擦磨損，又承受煤的高應力接觸疲勞作用，特別是受到兩者的聯合交互作用，使得磨 輥的使用壽命很短，在某些嚴酷的工況條件下，壽命只有三到四個月。特別是由於我國火力 發電廠燃燒煤質較差，鐵塊、石塊、木塊等雜質較多，導致磨輥磨損更加嚴重，由於磨輥磨損 嚴重，使得磨煤機長期在低輸出力情況下運行，導致鍋爐磨煤備用係數嚴重不足。多年來， 耐磨件的磨損，造成了相當大的人力、物力損失而由此引發的鍋爐停運、機組少發、不發造 成的間接經濟損失更大。傳統的研究方法是從整個部件或整個部件表面出發解決問題，使 整個部件或整個部件表面得到改善，但它不能有效地解決耐磨材料韌性和耐磨性不能兼得 的缺陷，產生為保證耐磨部件的韌性而犧牲耐磨性或為保證耐磨性而犧牲韌性這樣不能克 服的矛盾，使得耐磨性提高不大或生產成本過高，因而如何提高耐磨件的使用壽命，是一個 迫在眉睫的難題。
發明內容
本發明的目的是突破傳統從整體或整個表面進行處理改善的方法，提出一種更為 合理、行之有效的焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韌性方法，開發通過焊接成形製備 單元體在耐磨件一定厚度的工作表面形成模仿生物體的軟硬相間耦合結構區域的製造技 術。它有效地解決了耐磨材料韌性和耐磨性不能兼得的缺陷，克服了耐磨部件為保證韌性 而犧牲耐磨性或為保證耐磨性犧牲韌性的矛盾，使耐磨部件的服役壽命大幅度提高，同時 也大大降低生產成本，提高生產效率。具有加工工藝簡單、性能可靠、加工成本低等優點。本發明的上述目的可通過以下技術方案實現一種焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韌性方法，採用以下步驟a)根據耐磨部件使用要求和尺寸大小，模仿形成生物體的軟硬相間耦合結構，對 部件表面凹坑和溝槽單元體的幾何尺寸和分布進行設計，溝槽的幾何尺寸為寬3-25mm， 深3-25mm，間距3_25mm，凹坑的直徑、深和間距均為3_25mm ；部件表面的凹坑或溝槽按網格
3狀或平行條狀分布，或溝槽與凹坑混合分布；b)選擇單元體的焊接材料，根據部件要求的服役壽命，選擇普通材料焊條或特定的合金材料焊條或選擇生產使用的耐磨焊接材料並預置成焊條；c)採用手工或機械焊接的方法，根據所選合金調整焊接工藝參數，再根據預置的 凹坑或溝槽寬度選定焊絲或焊芯直徑，其直徑小於或等於預置的凹坑或溝槽寬度的二分 之一，將選定的合金焊絲焊熔填充到預置的凹坑或溝槽內，填充後的單元體高於部件表面 0_3mmo所述的部件表面凹坑和溝槽單元體的幾何尺寸和分布按一下要求確定部件要求 的服役壽命越高、尺寸越大，預置凹坑或溝槽的寬度和深度應越大，分布應越密。所述的特定的合金材料焊條包括金高鉻鑄鐵C 1. 5-5. 2、Cr 30-39、Si < 0. 8、 Mn < 0. 8、S，P < 0. 08、B 0-0. 2%稀土元素 0-0. 32%，高碳釩高速鋼 C 1. 7-3. 2, Cr 4-5、 Mo4-5、W 4-5、V 3-10、Si, Mn < 0. 35、S，P < 0. 03。所述的部件表面的凹坑和溝槽單元體分布採用軟硬相間的結構，所述的平行條狀 按與部件軸線夾角呈O 90排列分布。所述的部件表面的凹坑和溝槽單元體按單一尺寸均勻分布或不同尺寸混合分布。所述的部件表面的凹坑和溝槽單元體或按一排溝槽一排凹坑交叉分布，或按二排 溝槽二排凹坑交叉分布，或按一排溝槽二排凹坑分布，或者按二排溝槽一排凹坑交叉分布。改善材料及其製件的抗表面疲勞磨損和磨粒磨損性能一直是研究的熱點，但是由 於這類碾磨件的工作環境極其惡劣並輔以疲勞磨損問題的複雜性，結果是往往部件的使用 壽命提高不大且成本大為提高。生物經過億萬年的進化，不僅能夠適應自然，而且其進化程 度接近完善，他們一些奇妙的功能遠遠超過人類自身先前的設計，並逐漸成為解決疑難工 程問題的答案。通過觀察自然界具有優異抗疲勞的生物(如貝殼、樹葉、蜻蜓翅膀等)發現 他們都有非常相似的特徵1.它們都具有軟硬相交替的結構；2.該結構中硬質單元自身可 以有不同的分布形態；3.硬質單元的相對高硬度均來自其與軟質單元的組成材料或組織 結構差別。這種形態、結構和組成材料的有機耦合使得生物具有優異的力學性能和止裂抗 疲勞功能。由此本發明提出了採用焊接熔敷技術，在耐磨件表層加工形成類似生物體中硬質 單元，獲得其組織不同於母體，機械性能、硬度等大大高於母體的高耐磨合金金屬材料的單 元體，和如同在部件表層增加了堅固的樁釘或加強筋的特殊結構。具體的做法是首先採用 機械加工的方法在部件的表面，加工出類似生物體筋、脈分布的溝槽或凹坑並按一定規律 排列，溝槽排列的方向為與部件軸線的夾角呈0 90°。再用生產使用的耐磨焊接材料 或某種特定合金材料如高鉻鑄鐵、高速鋼等預置成焊條，採用焊接的方法，將特定合金焊條 填充到預置的凹坑或者溝槽內完成填充，使合金材料和母材熔化後一起迅速凝固在表面， 使之高於部件表面0-3mm，獲得模仿生物體表軟硬相間的仿生耦合區域，焊接法填充到槽 (坑)內不同種類的合金形成的仿生耦合單元體，具有比基材更好的強度和耐磨性，這種方 法改變了部件表層為單一化學成分及組織的狀態，變為軟硬相間的結構，可以使原來是單 一化學成分及組織材料的韌性和耐磨性大為提高，從而使部件的韌性同時也提高耐磨性。 這種方法同原來的雷射熔凝法相比，最大特點就是可以深度熔敷和大體積熔敷，凹坑或者 溝槽的深度可以增大到25mm，寬度也可以增大到25mm，因此可以製備出深度和體積更大仿生單元體，可以大大彌補以往雷射熔敷技術熔敷層淺或熔敷單元體小的不足，對於大型機 械耐磨部件，可以大大提高生產效率，
具體實施例方式表1.是以MPS型中速磨煤機為對象的實例。表1，MPS型中速磨煤機應用實例 注高鉻鑄鐵、高碳、釩高速鋼的成分列表如下表2.高鉻鑄鐵焊條的化學成分Wt% 表3.高碳、釩高速鋼焊條的化學成分Wt%
權利要求
一種焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韌性方法，其特徵在於，採用以下步驟a)根據耐磨部件使用要求和尺寸大小，模仿形成生物體的軟硬相間耦合結構，對部件表面凹坑和溝槽單元體的幾何尺寸和分布進行設計，溝槽的幾何尺寸為寬3-25mm，深3-25mm，間距3-25mm，凹坑的直徑、深和間距均為3-25mm；部件表面的凹坑或溝槽按網格狀或平行條狀分布，或溝槽與凹坑混合分布；b)選擇單元體的焊接材料，根據部件要求的服役壽命，選擇普通材料焊條或特定的合金材料焊條或選擇生產使用的耐磨焊接材料並預置成焊條；c)採用手工或機械焊接的方法，根據所選合金調整焊接工藝參數，再根據預置的凹坑或溝槽寬度選定焊絲或焊芯直徑，其直徑小於或等於預置的凹坑或溝槽寬度的二分之一，將選定的合金焊絲焊熔填充到預置的凹坑或溝槽內，填充後的單元體高於部件表面0-3mm。
2.根據權利要求1所述的一種焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韌性方法，其特徵 在於，所述的部件表面凹坑和溝槽單元體的幾何尺寸和分布按一下要求確定部件要求的 服役壽命越高、尺寸越大，預置凹坑或溝槽的寬度和深度應越大，分布應越密。
3.根據權利要求1所述的一種焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韌性方法，其特 徵在於，所述的特定的合金材料焊條包括金高鉻鑄鐵C 1. 5-5. 2、Cr 30-39、Si < 0. 8、 Mn < 0. 8、S，P < 0. 08、B 0-0. 2%稀土元素 0-0. 32%，高碳釩高速鋼 C 1. 7-3. 2、Cr 4-5、 Mo4-5、W 4-5、V 3-10、Si，Mn < 0. 35、S,P < 0. 03。
4.根據權利要求1所述的一種焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韌性方法，其特徵 在於，所述的部件表面的凹坑和溝槽單元體分布採用軟硬相間的結構，所述 的平行條狀按 與部件軸線夾角呈0 90排列分布。
5.根據權利要求1所述的一種焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韌性方法，其特徵 在於，所述的部件表面的凹坑和溝槽單元體按單一尺寸均勻分布或不同尺寸混合分布。
6.根據權利要求1所述的一種焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韌性方法，其特徵 在於，所述的部件表面的凹坑和溝槽單元體或按一排溝槽一排凹坑交叉分布，或按二排溝 槽二排凹坑交叉分布，或按一排溝槽二排凹坑分布，或者按二排溝槽一排凹坑交叉分布。
全文摘要
本發明涉及提高在摩擦磨損和磨粒磨損工礦條件下使用的大型機械設備耐磨件服役壽命的方法和製造加工技術。該方法在機械部件受摩擦表面較深厚度的區域上，模仿生物體的耦合結構，加工製作出具有一定深度和寬度的槽或凹坑，利用特製或普通焊條採用焊接熔凝技術將槽或凹坑內的空間填滿製成仿生耦合單元體。形成由仿生耦合單元體區域和工件原組成區域構成軟硬相間的仿生物體結構的仿生耦合區域，表面成為仿生耦合單元體。它有效地解決了耐磨材料韌性和耐磨性不能兼得的缺陷，克服了耐磨部件為保證韌性而犧牲耐磨性或為保證耐磨性犧牲韌性的矛盾，使耐磨部件的服役壽命大幅度提高，同時，也大大降低生產成本，提高生產效率。
文檔編號B23K31/02GK101862916SQ20101018863
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月1日 優先權日2010年6月1日
發明者任振安, 任露泉, 周倜, 周宏 , 孫大千, 張志輝, 張舟, 張鵬, 邱小明 申請人:吉林大學