王演銘 王鋒 李智華

摘要： 采用明弧自保焊在Q235鋼板表面堆焊了金屬陶瓷相耐磨層，測定了耐磨層的成分、金相組織、硬度和耐磨性，并和常規(guī)焊絲堆焊耐磨層進行了對比。結果表明，金屬陶瓷相堆焊耐磨層成分中Cr和C的含量更高，質量分數(shù)分別為29.8%和5.8%;堆焊耐磨層中含有強碳化物形成元素，析出的碳化物尺度更加細小;金屬陶瓷相呈纖維狀分布，垂直于工作面，體積分數(shù)高于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層，達到64.7%;金屬陶瓷相堆焊耐磨層的平均硬度為64.7 HRC，高于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層;金屬陶瓷相堆焊耐磨層的耐磨性高于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層，其磨損失重量僅為常規(guī)焊絲堆焊耐磨層的38%。采用金屬陶瓷相堆焊耐磨層的磨煤機磨碗襯板及輥套的檢修時間可延長1.5～2.0倍。

關鍵詞： 金屬陶瓷; 磨碗襯板和輥套; 成分; 金相組織; 耐磨性

中圖分類號： TG 455

Abstract： The surface of Q235 steel plate was overlaid with cermet wear-resistant layer by open arc self-shielded welding. The composition， microstructures， hardness and wear resistance of the hardfaced layer were analyzed， compared with those of the conventional hadfacing wire. The results showed that the contents（mass fraction） of Cr and C of cermet phase in hardfaced layer were higher， which were 29.8% and 5.8% respectively. The cermet hardfaced layer contained strong carbide forming elements， and the precipitated carbides were finer. Cermet phase was distributed in fiber shape， perpendicular to the working surface. Volume fraction of the cermet phase was 64.7%， higher than that of conventional hardfacing wire. The average hardness of cermet hardfaced layer was 64.7 HRC， higher than that of conventional hardfacing wire. Wear resistance of cermet phase hardfaced layer was higher than that of conventional hardfacing wire， and its wear loss was only 38% of that of conventional hardfacing wire. Maintenance cycle of grinding bowl liner and roller sleeve of coal mill with cermet phase hardfaced wear-resistant layer could be prolonged by 1.5～2.0 times， and remarkable economic benefits were obtained.

Key words： ?cermet; grinding bowl liner; grinding roller sleeve; composition; microstructures; wear resistance

0 前言

中速磨煤機碾磨件的使用壽命是影響燃煤電廠機組負荷及綜合運行成本的重要因素。如何提高碾磨件，尤其是磨碗襯板、磨輥套的使用壽命，減少檢修次數(shù)，是各個燃煤電廠急需解決的問題。

建國后，中國沒有中速磨煤機的設計生產基礎，引進消化吸收成了國內生產中速磨煤機的必經之路。1985年中國從美國引進了全套的RP系列碗式磨煤機制造技術，又從德國引進了MPS系列磨煤機技術，1989年從美國引進了HP系列磨煤機的生產技術[1]。中國目前所生產的磨煤機幾乎都是這些磨煤機的翻版或改進型，壽光電廠使用的MW31B/L-Dyn型中速磨煤機就是原上海重型機器廠引進的HP系列磨煤機的改進型號。

引進初期， HP系列磨煤機的磨碗襯板及磨輥套生產工藝均為整體鑄造，其材質為以ZGr20為代表的高鉻鑄鐵，襯板及輥套存在使用壽命短、襯板斷裂等一系列無法解決的問題，造成電廠檢修任務繁重、維護使用成本增加[2]。隨著焊接技術的進步，原上重廠又從美國司太立公司引進了當時比較先進的堆焊技術，在磨碗襯板和磨輥套的磨損面上進行堆焊強化。堆焊技術的采用提高了中速磨煤機碾磨部件的使用壽命，國內其它廠家紛紛效仿，短時間內國內從事堆焊強化的企業(yè)增加到了數(shù)百家。隨著技術的不斷進步，原上重廠引進的堆焊技術從材料體系和堆焊工藝上都已經不能滿足國內電力行業(yè)發(fā)展的需要，而國內絕大部分堆焊企業(yè)缺乏自主研發(fā)能力，依舊停留在簡單模仿抄襲的階段，造成了堆焊強化市場魚龍混雜、良莠不齊、惡性競爭的混亂局面，致使燃煤電廠在碾磨部件的采購上面臨選擇性難題。

金屬陶瓷硬度高、耐磨性好、和鋼鐵類基體相容性好，應用于磨碗襯板和磨輥套耐磨強化可以獲得非常好的效果[3-6]。將金屬陶瓷耐磨層復合到磨碗襯板和磨輥套上，可以采用復合熔鑄法[3]或者堆焊法[4]。文中在低碳鋼基體上進行了金屬陶瓷堆焊試驗，并和國內某常規(guī)堆焊焊絲堆焊樣品進行了對比。

1 試驗材料和試驗方法

堆焊母材選用Q235，成分見表1。母材尺寸500 mm×500 mm×20 mm。堆焊焊絲為金屬陶瓷相焊絲，焊絲直徑為2.8 mm。同時采用一種國內某廠同直徑常規(guī)堆焊焊絲進行對比。

采用線切割方法從堆焊好的試板取樣，放入加熱爐中，以100 ℃/h的速度升溫至1 150 ℃，保溫2 h，隨爐冷卻。然后用牛頭刨床刨取堆焊層碎末50 g，按照GB/T 11352—2009標準，采用碳硫分析儀（CS844）和ICP原子發(fā)射光譜儀（iCAP6300）對金屬陶瓷相堆焊耐磨層和常規(guī)堆焊耐磨層的化學成分進行測定。

用線切割從堆焊好的試板上割取尺寸為15 mm×15 mm×20 mm的試塊，堆焊表面及一個側面作為金相面，按照GB/T 3488.1—2014規(guī)定的方法進行磨光，并用4%硫酸銅鹽酸溶液進行腐蝕，獲得金相試樣[5]。在光學顯微鏡下分別對堆焊表面和側面進行觀察，采用Image Pro Plus軟件對金屬陶瓷相的比例進行了測定。

采用HR-150A型洛氏硬度儀進行了硬度測量，載荷1 470 N，加載時間5 s。

用線切割從堆焊好的試板上割取尺寸為60 mm×60 mm×20 mm的試塊，在磨床上將表面和背面磨平，采用針盤磨損試驗機對堆焊試板進行了耐磨性能測試。對磨副為YG8硬質合金，針盤相對運動速度為0.8 m/s，載荷為49 N。每5 min用電子天平測量一次試樣磨損失重，天平精度為0.1 mg。

2 試驗結果與分析

金屬陶瓷相堆焊耐磨層和常規(guī)堆焊耐磨層的化學成分見表3。

可以看出，金屬陶瓷相堆焊耐磨層成分中Cr和C的含量很高，分別為29.8%和5.8%，可以使堆焊層中析出更多Cr7C3型碳化物。除了Cr，金屬陶瓷相堆焊耐磨層中還含有Mo，Ti，Nb等強碳化物形成元素，不僅可以進一步增加碳化物的析出量，而且使析出的碳化物尺度更加細小，在提高堆焊層硬度和耐磨性的同時，使堆焊層保持一定的韌性，極大地提高堆焊層的綜合性能。

而常規(guī)焊絲堆焊的耐磨層中，Cr和C的含量明顯低于金屬陶瓷相堆焊耐磨層，同時幾乎沒有強碳化物形成元素，無法促進Cr7C3型碳化物細化，必然導致碳化物組織粗大。常規(guī)焊絲堆焊的耐磨層中B的含量遠高于金屬陶瓷相堆焊耐磨層。B元素的大量使用雖然會使耐磨層的常溫硬度得到提升，但會使耐磨層抗沖擊能力大大降低，研究表明，高B材料在300 ℃的溫度下宏觀硬度會降低3～5 HRC[7-8]。

金屬陶瓷相堆焊耐磨層金相組織如圖1所示。工作面上均勻密布準六邊形一次碳化物，同時伴有少量固溶體和共晶組織，碳化物平均寬度約為0.03 mm，這些碳化物即是由Cr，Mo，Nb，W，V等元素與碳形成的金屬陶瓷相;從試樣的縱剖面上看，金屬陶瓷相呈纖維狀分布，方向一致性好，基本垂直于工作面，其平均長度約1 mm，長寬比大于30。用Image Pro Plus對初生碳化物進行面積測定，測得初生碳化物的體積分數(shù)為64.7%。

常規(guī)焊絲堆焊的耐磨層金相組織如圖2所示。其組織粗大、結晶方向紊亂、耐磨相比例少，初生碳化物的體積分數(shù)為60.1%。共晶和固溶體含量明顯高于金屬陶瓷相堆焊耐磨層。更主要的是碳化物尺寸粗大，從而使其脆性增大，耐磨性能下降。金相組織的分析結果和成分分析的結果顯示出高度的一致性。

硬度測試結果見表4。

金屬陶瓷相堆焊耐磨層的平均硬度為64.7 HRC，高于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層的平均硬度為60.1 HRC。金屬陶瓷相堆焊耐磨層中Cr和C的含量高，而且還含有Mo，Ti，Nb等強碳化物形成元素，初生碳化物尺寸細小、排列方向規(guī)則、體積分數(shù)高，是其宏觀硬度更高的主要原因[9]。

金屬陶瓷相堆焊耐磨層和常規(guī)焊絲堆焊耐磨層的磨損失重如圖3所示。隨著磨損時間增加，2種堆焊層的失重都在增加，但金屬陶瓷相堆焊耐磨層的磨損失重量更小，而且增加速度更慢。磨損25 min后，其失重量僅為常規(guī)焊絲堆焊耐磨層的38%。更高的Cr和C含量，使耐磨層中碳化物含量更高;強碳化物形成元素的存在使碳化物尺寸更加細小。更高含量的細小尺寸碳化物使堆焊層保持一定韌性的同時，提高了堆焊層的硬度，增加了堆焊層的耐磨性。

特別是，定向排列的碳化物之間的間距隨著碳化物含量提高、碳化物尺寸減小而減小。對比圖1和圖2可以看出，金屬陶瓷相堆焊耐磨層中碳化物之間的間距明顯小于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層中碳化物之間的間距。在磨粒磨損模式下，耐磨層中碳化物之間的間距越大，中間較軟的基體金屬越容易暴露于磨粒的磨損作用下，產生“挖掘”效應。當較軟的基體金屬被選擇性磨損后，碳化物失去支撐，在外力作用下很容易碎裂、剝落，導致磨損加速。而耐磨層中碳化物之間的間距減小，碳化物對基體金屬的保護作用增強，特別是當碳化物之間的間距小于磨粒尺寸時，基體金屬完全處于碳化物的保護之下，磨損主要發(fā)生在碳化物和磨粒之間。有基體金屬的有效支撐，高硬度的碳化物將表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能。因此，在相同磨損條件下，碳化物含量更高、尺寸更細小的金屬陶瓷相堆焊耐磨層表現(xiàn)出了更好的耐磨性。

從文中的試驗分析結果可以看出采用金屬陶瓷相焊絲進行堆焊，可以極大地提高零部件的耐磨性。金屬陶瓷相焊絲堆焊在實際生產中的應用也證實了這一點。圖4所示為金陵電廠的金屬陶瓷堆焊磨碗襯板使用9 500 h和石洞口二廠的金屬陶瓷堆焊磨碗襯板使用15 000 h的磨損情況。神華國華壽光發(fā)電有限責任公司首先在1號機組4臺主力磨煤機上安裝使用了金屬基金屬陶瓷相磨碗襯板及輥套，目前磨煤機運行穩(wěn)定、正常。在耐磨件改造前，神華國華壽光發(fā)電有限責任公司廠單臺鍋爐4臺磨煤機每次大修時間約為10 000 h，費用備品備件約160萬元，堆焊費用48萬元，人工檢修費用48萬元，累計約256萬元。改造后檢修時間延長了1.5～2.0倍，使用壽命達到15 000～20 000 h一次大修，費用節(jié)約128～256萬元/次，平均節(jié)約約200萬元/次。

除可以堆焊強化外，堆焊磨輥輥套、堆焊磨碗襯板使用中磨損到一定尺寸后，還可以再次通過堆焊修復使用，并保持原性能，有效降低成本。

3 結論

（1）和常規(guī)焊絲堆焊耐磨層相比，金屬陶瓷相堆焊耐磨層成分中Cr和C元素的含量更高，質量分數(shù)分別為29.8%和5.8%。堆焊耐磨層中含有強碳化物形成元素。

（2）金屬陶瓷相呈纖維狀分布，垂直于工作面，體積分數(shù)高于常規(guī)堆焊焊絲堆焊耐磨層，達到64.7%，碳化物尺度更加細小。

（3）金屬陶瓷相堆焊耐磨層的平均硬度為64.7 HRC，高于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層。

（4）金屬陶瓷相堆焊耐磨層的耐磨性高于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層。針盤磨損試驗條件下，其磨損失重為常規(guī)焊絲堆焊耐磨層的38%;金屬陶瓷相堆焊磨盤、磨輥在實際工作條件下的使用壽命為常規(guī)焊絲堆焊磨盤、磨輥的1.5～2.0倍。

致謝

感謝華能金陵電廠、華能玉環(huán)電廠、寧海電廠對調研的大力支持與協(xié)助，感謝江蘇瑞米克金屬技術有限公司提供焊接、取樣、檢測等便利條件。

參考文獻

[1] 張一鈞.淺談我國中速磨煤機的發(fā)展與設計[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2009（25）：299.

[2] 馬海堂， 李興武.大容量鍋爐配套磨煤機綜述[J].電站輔機，2006（3）：36-38.

[3] 張斌.三種不同材質磨煤機的輥套和襯板使用情況[J].水泥技術，2019（5）：40-45.

[4] 史震偉， 朱海寶.磨煤機耐磨件修復工藝的優(yōu)化及經濟效益分析[J].發(fā)電與空調，2017，38（3）：37-39.

[5] 康志新， 周麗霞， 許國紅， 等. 磨煤機磨輥和襯板堆焊層耐磨性的研究[J]. 焊接， 1996（10）： 7-11.

[6] 李振英， 戴麗萍， 侯明， 等. 磨輥明弧堆焊系統(tǒng)自動控制方法[J]. 焊接學報， 2008， 29（4）：82-84.

[7] 莊明輝， 李慕勤， 王軍， 等. 氮氣保護粉/絲復合堆焊高硼鐵基合金的組織及結構[J]. 焊接學報， 2015， 36（9）： 60-64.

[8] 宋小波， 李曉延， 賀定勇， 等. 硼含量對Fe-Cr-C堆焊層性能的影響[J]. 焊接， 2009（11）： 38-40.

[9] 王智慧， 王清寶.Fe-Cr-C耐磨堆焊合金中初生碳化物生長方向的控制[J].焊接學報，2004，25（1）：103-106.