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专题讨论 马 鸣等:钴基耐磨硬质合金焊条电弧焊

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  第 40 卷 第 2 期 2010 年 2 月 Electric Welding Machine Vol.40 No.2 Feb.2010 钴基耐磨硬质合金焊条电弧焊堆焊 国产化试验研究 马 鸣,李宜男,李春光 (哈尔滨锅炉厂有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150046) 摘要:随着现代化煤化工业技术的蓬勃发展,对材料的耐磨损性能有了更高的要求,某些产品结构设 计要求在母材表面堆焊钴基硬质合金,而进口堆焊焊条存在价格高、制造周期长等问题。为降低生产成 本,需对钴基硬质合金堆焊焊条进行国产化试验研究。通过实验,掌握了国产钴基硬质合金堆焊焊条的焊 接性,制定了合理的堆焊工艺,并通过堆焊层化学成分分析、剖面宏观检测以及表面硬度测定试验,在 保证产品堆焊质量的前提下,满足堆焊层的性能要求。 关键词:钴基硬质合金;堆焊;国产化 专 题 中图分类号:TG445 文献标识码:A 文章编号:10 01-2303(2010)02-00132-04 讨 Investigation of percentage of home-made parts test for hard wearing 论 ︱ Co-base Kentanium overlay using SMAW ︱ MA Ming,LI Yi-nan,LI Chun-guang 锅 (Harbin Boiler Co., Ltd.,Harbin 150046,China) 炉 压 Abstract:With the high development of the coal chemical modernized industry,it is higher requirement for abradability of material, 力 and according to design requirement,some products need overlay hard-facing Cobalt base kentanium with SMAW on the base metal 容 surfacing,but problems are higher prices and longer manufacturing circle to overlay consumable imports.In order to reduce production 器 焊 costs,we need to research and investigation of percentage of home-made parts test for hard-facing Cobalt base kentanium overlay with 接 SMAW.Through this test,we grasped the nature of home-made welding and developed a reasonable build-up overlay procedure.By means of chemical analysis,macro-test and surface hardness-test for overlay layer,to get the suitable overlay process,to meet the capability requirement of overlay layer on the premise of quality. Key words:Co-base Kentanium;overlay;percentage of home-made parts 0 前言 硬质合金是以难熔金属碳化物(WC、TiC、Cr2C3 等)为基体,以铁族金属(Co、Fe、Ni)作粘结剂,用粉 末冶金方法制造的一种多相复合材料。硬质合金具 有硬度高、耐磨性好、红硬性好、机械强度高、弹性 模量高、耐磨蚀性好、抗氧化性能好、热膨胀系数小 以及化学性能稳定等优点,其缺点是韧性较差、易 发生脆性断裂,且硬度有待于进一步提高。 现代化煤化工业技术的蓬勃发展对材料的耐 冲击和耐磨损性能有了更高的要求。某煤气化项目 收 稿 日 期 :2009-01-31 作 者 简 介:马 鸣(1983—),男,黑龙江哈尔滨人,工程师,学 士,主要从事压力容器制造工艺工作。 ·132· Electric Welding Machine 中煤锁、灰锁和膨胀冷凝器部件,根据其结构和运 行特点,部分部件需堆焊硬质合金,例如:煤锁的阀 体开起与阀座频繁接触,接触面应有较高的耐磨性, 需要堆焊高硬度的耐磨硬质合金,并进行加工、PT 和 透光检验;内摆杆等部件需堆焊硬质合金;膨胀冷 凝器中的半管也需要堆焊硬质合金。由于堆焊硬度 要求高,面积大,为了避免在堆焊过程中出现裂纹等 缺陷,焊接预热温度应大于 600 ℃,工作环境非常 恶劣;堆焊质量要求高,PT 检查,不得有气孔、裂纹、 划痕及其他影响密封可靠性的缺陷。进口硬质合 金焊材相对造价高,为了保证产品制造质量并降低 成本,进行了耐磨硬质合金堆焊国产化的焊接工艺 试验,包括堆焊电参数的选择、堆焊层硬度检测等。 专题讨论 马 鸣等:钴基耐磨硬质合金焊条电弧焊堆焊国产化试验研究 第2期 1 耐磨堆焊原理及堆焊方法 耐磨层堆焊是在一个韧性好的母材上堆焊具有 高耐磨性的材料,从而获得具有高耐磨性的表层和 综合性能优良的零部件,同时节省贵重金属,降低 制造成本[1]。钴基堆焊金属主要是指钴铬钨堆焊合金, 即通常所谓的斯太立合金。该类堆焊金属 w(Cr)=25% ~33%,w(W)=3%~21%。铬主要提高抗氧化性,钨主要 是提高高温(540 ℃~650 ℃)蠕变强度。斯太立合金在 650 ℃仍能保持较高的硬度,是其区别于铁基、镍基 堆焊合金的重要特点,也是该合金在堆焊中应用较 多的重要原因。由于焊气化项目中需堆焊的堆焊部 件结构复杂、堆焊面积大,宜采用焊条电弧焊进行 堆焊。EDCoCr 型为钴基硬质合金堆焊焊条,熔敷金 属 具 有 综 合 耐 热 性 、耐 腐 蚀 性 和 抗 氧 化 性 能 ,在 600 ℃以上的高温中能保持高的硬度。调整 w(C)和 w(W)可改其硬度和韧性,以适应不同用途的要求。 含碳量越低,韧性越好,而且能够承受冷热条件下 的冲击,适用于高温高压阀门、热锻模、热剪切机刀 刃等的堆焊。高碳的硬度高,耐磨性能好,但抗冲击 能力弱,且不易加工,常用于牙轮钻头轴承、锅炉旋 转叶轮、粉碎机刀口、螺旋送料机等部件的堆焊。 2 堆焊要求 堆焊层总厚度 5 mm,其中过渡层 2 mm,耐磨 层 3 mm,堆焊要求如表 1 所示。焊件基材材质有: 25Cr2MoVA、15CrMoR、20MnMo、16MnR。 表 1 堆焊要求(堆焊方法为 SMAW) 过渡层要求 耐磨层要求 耐磨层 耐磨层 是否 硬度 加工 /HRC E309Mo,φ 4.0 mm 钴基 1 号,φ 4.0 mm 堆焊 1 层,厚度 2 mm 堆焊 1 层,厚度 3 mm 否 ≥40 E309Mo,φ 4.0 mm 钴基 1 号,φ 4.0 mm 堆焊 1 层,厚度 2 mm 堆焊 2 层,加工后厚度 3 mm 是 ≥40 E309Mo,φ 4.0 mm 钴基 2 号,φ 4.0 mm 否 堆焊 1 层,厚度 2 mm 堆焊 2 层,加工后厚度 3 mm ≥44 3 堆焊用焊材 根据需堆焊部件的特殊结构,为保证耐磨层的 化学成分和硬度要求,经过大量试验,最终挑选出 符合产品要求的焊材,如表 2 所示。 EDCo106 钴基合金堆焊焊条采用连铸生产的 Co106 合金焊丝为芯棒和钛钙型药皮,可交直流两 表 2 堆焊焊条要求(φ 4.0 mm) 牌号 AWS 标准 GB 标准 烘焙温度 及时间 Shield EDCo106(D802) ECoCr-A GB EDCoCr-A-03 250 ℃/1 h Shield EDCo112(D812) ECoCr-B GB EDCoCr-B-03 250 ℃/1 h 用,但以直流反接为宜。CoCr-A 合金中碳和钨含量 较低,韧性较好,堆焊层可用硬质合金刀具加工,用 于要求在 650 ℃工作时仍能保持良好的耐磨、耐冲 击和一定耐蚀性零件的堆焊。其熔敷金属化学成分 要求值、检验值如表 3 所示,符合产品要求。 表 3 Shield EDCo106(D802)熔敷金属化学成分 % 元素 w(C) w(Cr) w(W) w(Si) w(Ni) w(Mn) 要求值 0.7~1.4 25~32 3.0~6.0 ≤2.0 ≤3.0 ≤2.0 检验值 1.34 30.26 5.55 0.52 2.34 1.00 元素 w(Mo) w(Fe) w(P) w(S) w(Co) w(其他) 要求值 ≤1.0 ≤5.0 ≤0.03 ≤0.03 余 ≤1.0 专 题 检验值 0.11 2.60 0.01 0.001 余 — 讨 EDCo112 钴基合金堆焊焊条采用连铸生产的 论 ︱ Co112 合金焊丝为芯棒和钛钙型药皮,可交直流两 ︱ 用,以直流反接为宜。CoCr-B 合金硬度中等,钨含量 锅 较高,还有一定的高温耐磨粒磨损性能,堆焊层只 炉 压 能用磨削加工。其用于要求在 650 ℃工作时仍能保 力 持良好的耐磨、耐冲击和一定耐蚀性零件的堆焊。 容 熔敷金属化学成分要求值、检验值如表 4 所示,符合 器 产品要求。 焊 接 表 4 Shield EDCo112(D812)熔敷金属化学成分 % 元素 w(C) w(Cr) w(W) w(Si) w(Ni) w(Mn) 要求值 1.0~1.7 25~32 7.0~9.5 ≤2.0 ≤3.0 ≤2.0 检验值 1.44 31.08 8.93 0.68 2.27 0.88 元素 w(Mo) 要求值 ≤1.0 检验值 0.10 w(Fe) ≤5.0 2.64 w(P) ≤0.03 0.01 w(S) w(Co) w(其他) ≤0.03 余 ≤1.0 0.001 余 — 4 堆焊工艺试验及结果分析 4.1 堆焊工艺试验 4.1.1 焊前清理 采用打磨、钢丝刷、化学溶剂擦洗方法,将待堆 焊处清理干净,使之露出金属光泽。 4.1.2 堆焊工艺参数 根据焊道表面成形质量和堆焊层高度,相应进 行设备调试,采取窄焊道不摆动堆焊,短弧操作,最 终选定满足产品堆焊要求的焊接电参数,如表 5 所示。 Electric Welding Machine ·133· 专题讨论 第 40 卷 表 5 堆焊电参数 层数 焊接 种类 方法 极性 电流 I/A 电压 焊接速度 U/V v/mm·min-1 1—过渡层 SMAW DCEP 135~145 22~27 280~290 2,3—耐磨层 SMAW DCEP 130~140 22~27 140~145 4.1.3 压道量的要求 过渡层堆焊一层,高度 2+0.2 mm;耐磨层堆焊 两层,每层堆焊高度 3+0.2 mm。在保证堆焊层有效厚 度的前提下,根据焊道搭接处的成形情况,相应调 整压道量的大小在 50%为宜。 4.2 影响钴基硬质合金堆焊质量的因素分析 (1)焊前清理方式。基材表面清理不及时,极易 导致堆焊后堆焊层存在夹渣或堆焊层表面出现气孔, 影响堆焊质量,因此要特别注意堆焊前清理工作。 (2)堆焊件刚性固定及堆焊区域的划分。由于堆 焊温度较高、堆焊面积较大、堆焊部件刚性大等原 因易产生焊接变形,所以应适当加装防变形固定拉 筋,合理划分堆焊区域,有效减少或避免焊接变形。 以灰锁堆焊部件防磨衬板为例,焊件背面装好刚性 固定防变形板,并采用 J507、φ 4.0 mm 焊条按如图 1 所示要求焊好,放入可持续加热的堆焊工装内部 (见图 2、图 3)。按图 4 要求先焊 1 区,然后焊 2 区、3 区、4 区、5 区和 6 区。堆焊过程中应尽量保持整个工 件的温度不变。堆焊方向从中部向两边堆焊。 专 题 讨 论 ︱ ︱ 图 1 耐磨堆焊试板固定示意 锅 炉 压 力 容 器 焊 接 图 2 耐磨堆焊加热工装结构简图 图 3 耐磨堆焊加热装置 (3)预热温度及层(道)间温度的控制。为防止堆焊 后产生裂纹,堆焊前需对基材进行高温加热,同时 严格控制堆焊层(道)间温度,焊后及时后热和缓冷。 经过反复试验最终确定满足产品要求的温度范围 详见表 6。 (4)堆焊层厚度的控制。采用焊条电弧焊进行堆 焊,为控制稀释率,宜采用小电流短弧操作。同时注 意到在耐磨层高温下堆焊,较难控制熔敷金属厚度, 堆焊速度太慢又影响堆焊效率,经反复试验后制定 了合理的电参数,即堆焊电流 130~140 A,电弧电压 22~27 V,耐磨层堆焊速度 140~145 mm/min(为便于 操作工熟练掌握,即规定每根焊条堆焊长度 140~145 mm, 焊条头剩余 60 mm)。 ·134· Electric Welding Machine 图 4 耐磨堆焊操作示意 (5)堆焊层(道)间清理和收弧要求。为避免产生 焊接缺陷,应采用专用砂轮和不锈钢刷严格清理道 间和层间焊渣;同时注意收弧时需填满弧坑,试验 表明钴基堆焊时极易出现弧坑裂纹,因此收弧时必 须填 5 次以上弧坑,每次间隔 1 s,填满为止。 (6)堆焊后消应力热处理。钴基合金堆焊层一般 在焊态使用,不能通过热处理强化,但为了减少开 裂倾向,采用退火方式进行热处理,温度 615 ℃±15 ℃ /1h 缓冷至 100 ℃以下出炉。 4.3 堆焊层探伤要求 加工后的硬质合金表面进行磁粉(MT)或渗透 检验(PT)Ⅰ级合格,不允许有裂纹、针孔、线性缺陷 和其他任何影响密封的缺陷。 专题讨论 马 鸣等:钴基耐磨硬质合金焊条电弧焊堆焊国产化试验研究 第2期 表 6 耐磨堆焊预热、后热及层(道)间控制要求 牌号 最小预热温度 Tmin /℃ Shield EDCo106(D802) ≥120(过渡层) 钴基 1 号 ≥500(耐磨层) 最大层(道)间 温度 Tmax/℃ 预热保持方式 后热 120~200(过渡层) 烤枪加热维持道(层) 若堆焊中断,必须立即进行 560 ℃±15 ℃ 500~630(耐磨层) 间温度 500 ℃~630 ℃ 保温 2 h 缓冷至 100 ℃以下的后热处理 Shield EDCo112(D812) ≥120(过渡层) 钴基 2 号 ≥550(耐磨层) 120~200(过渡层) 烤枪加热维持道(层) 若堆焊中断,立即进行 580 ℃±15 ℃保温 550~650(耐磨层) 间温度 550 ℃~650 ℃ 2 h 缓冷至 100 ℃以下的后热处理 4.4 堆焊层硬度测定及结果分析 4.4.1 堆焊层横向剖面宏观检测试验 试验结果:未发现缺陷,合格。通过宏观检测试 验,表明在此焊接工艺参数下,堆焊焊道表面成形 质量较好,基材、过渡层、耐磨层之间熔合较好,无 堆焊缺陷。 4.4.2 堆焊层表面硬度 HRC 测定 堆焊层表面硬度 HRC 测定结果如表 7 所示。 堆焊试样如图 5、图 6 所示。 5 产品应用 此堆焊工艺已成功地应用于哈锅厂在制的煤 锁、灰锁等部件的硬质合金堆焊。 6 结论 (1)在采用大面积钴基硬质合金堆焊产品时,焊 前加装防变形固定装置并清理待堆焊表面,焊后及 时清理层(道)间药皮和焊渣。 (2)必须保证预热温度不低于规定值,同时严格 控制层(道)间温度,及时做好后热处理和消应力热 专 题 图 5 D802 堆焊试样 讨 论 ︱ ︱ 锅 炉 压 力 容 器 焊 接 图 6 D812 堆焊试样 表 7 堆焊层表面硬度 HRC 测定 基材材质 过渡层要求 25Cr2MoVA 15CrMoR E309Mo,φ 4.0 mm, 20MnMo 堆焊 1 层,厚度 2 mm 16MnR 耐磨层要求 钴基 1 号(D802), φ 4.0 mm,堆焊 2 层, 每层厚度 3 mm 堆焊层加工到距基材表面 5 mm 处检测堆焊层表面硬度/HRC 42.8,44.3,45.1,45.6,46.3,46.6,47.7,47.8,49.0,50.5 43.9,44.5,45.2,45.2,45.7,45.8,45.1,46.6,51.0,51.3 46.0,47.2,47.8,48.1,49.2,54.3,55.7,56.7,57,61.1 42.9,44.7,44.8,45.2,46.3,48.1,48.7,49.1,51.2,53.4 15CrMoR 20MnMo 16MnR E309Mo,φ 4.0 mm, 堆焊 1 层,厚度 2 mm 钴基 2 号(D812), φ 4.0 mm,堆焊 2 层, 每层厚度 3 mm 45.2,43.9,44.5,45.1,45.2,45.7,45.8,46.6,51.0,51.3 46.0,46.6,47.1,47.6,47.8,48.3,52.5,52.9,53.5,54.4 46.0,46.7,47.5,47.7,48.0,48.0,50.7,50.9,51.2,61.4 处理防止缺陷的产生。 (3)焊接过程中宜采用较小的焊接电参数短弧 分道焊接,收弧时注意填满弧坑以防止产生弧坑裂 纹。钴基硬质合金堆焊国产化试验研究及产品的成 功应用,有利于了解和掌握钴基硬质合金的堆焊特 性,优化硬质合金堆焊工艺,降低产品制造成本,同 时为承制相关容器积累了经验并提供了技术支持 和质量保证。 参考文献: [1] 史耀武.中国材料工程大典[M].北京:化学工业出版社,2006. 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