专利名称：一种焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韧性方法
技术领域：
本发明涉及在摩擦磨损和磨粒磨损工况条件下使用的大型机械设备耐磨件服役 寿命的制造加工技术。也涉及一种同时提高部件耐磨性和韧性的方法。
背景技术：
物料颗粒减小是很多行业(如冶金、矿山、建材、火电厂、化工、陶瓷、筑路等)产品 生产中不可缺少的工艺过程。粒度减小是靠粉碎作业(包括破碎和粉磨)来完成的。对于 在完成粉碎作业的机械耐磨件(如衬板、磨辊、滚筒、压铸模具等)，其因反复使用，长期的 与物料进行摩擦，而因磨粒磨损使部件失效。以球磨机的磨辊为例，当球磨机粉磨物料时， 滚筒转动，物料与磨辊产生剧烈摩擦，磨辊产生表面疲劳磨损，主要是由于形状不规则的磨 粒在磨辊表面进行反复的犁沟、碾压，导致裂纹形成扩展，最后以片状磨屑断裂脱落，这与 磨粒的粒度大小有关。磨煤机制粉系统作为燃烧电站的主要系统，其运行状况直接关系到 锅炉带负荷能力及炉内燃烧稳定性，其中磨辊为主要易磨损件。由于磨辊在服役中既承受 煤的摩擦磨损，又承受煤的高应力接触疲劳作用，特别是受到两者的联合交互作用，使得磨 辊的使用寿命很短，在某些严酷的工况条件下，寿命只有三到四个月。特别是由于我国火力 发电厂燃烧煤质较差，铁块、石块、木块等杂质较多，导致磨辊磨损更加严重，由于磨辊磨损 严重，使得磨煤机长期在低输出力情况下运行，导致锅炉磨煤备用系数严重不足。多年来， 耐磨件的磨损，造成了相当大的人力、物力损失而由此引发的锅炉停运、机组少发、不发造 成的间接经济损失更大。传统的研究方法是从整个部件或整个部件表面出发解决问题，使 整个部件或整个部件表面得到改善，但它不能有效地解决耐磨材料韧性和耐磨性不能兼得 的缺陷，产生为保证耐磨部件的韧性而牺牲耐磨性或为保证耐磨性而牺牲韧性这样不能克 服的矛盾，使得耐磨性提高不大或生产成本过高，因而如何提高耐磨件的使用寿命，是一个 迫在眉睫的难题。
发明内容
本发明的目的是突破传统从整体或整个表面进行处理改善的方法，提出一种更为 合理、行之有效的焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韧性方法，开发通过焊接成形制备 单元体在耐磨件一定厚度的工作表面形成模仿生物体的软硬相间耦合结构区域的制造技 术。它有效地解决了耐磨材料韧性和耐磨性不能兼得的缺陷，克服了耐磨部件为保证韧性 而牺牲耐磨性或为保证耐磨性牺牲韧性的矛盾，使耐磨部件的服役寿命大幅度提高，同时 也大大降低生产成本，提高生产效率。具有加工工艺简单、性能可靠、加工成本低等优点。本发明的上述目的可通过以下技术方案实现一种焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韧性方法，采用以下步骤a)根据耐磨部件使用要求和尺寸大小，模仿形成生物体的软硬相间耦合结构，对 部件表面凹坑和沟槽单元体的几何尺寸和分布进行设计，沟槽的几何尺寸为宽3-25mm， 深3-25mm，间距3_25mm，凹坑的直径、深和间距均为3_25mm ；部件表面的凹坑或沟槽按网格
3状或平行条状分布，或沟槽与凹坑混合分布；b)选择单元体的焊接材料，根据部件要求的服役寿命，选择普通材料焊条或特定的合金材料焊条或选择生产使用的耐磨焊接材料并预置成焊条；c)采用手工或机械焊接的方法，根据所选合金调整焊接工艺参数，再根据预置的 凹坑或沟槽宽度选定焊丝或焊芯直径，其直径小于或等于预置的凹坑或沟槽宽度的二分 之一，将选定的合金焊丝焊熔填充到预置的凹坑或沟槽内，填充后的单元体高于部件表面 0_3mmo所述的部件表面凹坑和沟槽单元体的几何尺寸和分布按一下要求确定部件要求 的服役寿命越高、尺寸越大，预置凹坑或沟槽的宽度和深度应越大，分布应越密。所述的特定的合金材料焊条包括金高铬铸铁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%，高碳钒高速钢 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沟槽单元体分布采用软硬相间的结构，所述的平行条状 按与部件轴线夹角呈O 90排列分布。所述的部件表面的凹坑和沟槽单元体按单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沟槽单元体或按一排沟槽一排凹坑交叉分布，或按二排 沟槽二排凹坑交叉分布，或按一排沟槽二排凹坑分布，或者按二排沟槽一排凹坑交叉分布。改善材料及其制件的抗表面疲劳磨损和磨粒磨损性能一直是研究的热点，但是由 于这类碾磨件的工作环境极其恶劣并辅以疲劳磨损问题的复杂性，结果是往往部件的使用 寿命提高不大且成本大为提高。生物经过亿万年的进化，不仅能够适应自然，而且其进化程 度接近完善，他们一些奇妙的功能远远超过人类自身先前的设计，并逐渐成为解决疑难工 程问题的答案。通过观察自然界具有优异抗疲劳的生物(如贝壳、树叶、蜻蜓翅膀等)发现 他们都有非常相似的特征1.它们都具有软硬相交替的结构；2.该结构中硬质单元自身可 以有不同的分布形态；3.硬质单元的相对高硬度均来自其与软质单元的组成材料或组织 结构差别。这种形态、结构和组成材料的有机耦合使得生物具有优异的力学性能和止裂抗 疲劳功能。由此本发明提出了采用焊接熔敷技术，在耐磨件表层加工形成类似生物体中硬质 单元，获得其组织不同于母体，机械性能、硬度等大大高于母体的高耐磨合金金属材料的单 元体，和如同在部件表层增加了坚固的桩钉或加强筋的特殊结构。具体的做法是首先采用 机械加工的方法在部件的表面，加工出类似生物体筋、脉分布的沟槽或凹坑并按一定规律 排列，沟槽排列的方向为与部件轴线的夹角呈0 90°。再用生产使用的耐磨焊接材料 或某种特定合金材料如高铬铸铁、高速钢等预置成焊条，采用焊接的方法，将特定合金焊条 填充到预置的凹坑或者沟槽内完成填充，使合金材料和母材熔化后一起迅速凝固在表面， 使之高于部件表面0-3mm，获得模仿生物体表软硬相间的仿生耦合区域，焊接法填充到槽 (坑)内不同种类的合金形成的仿生耦合单元体，具有比基材更好的强度和耐磨性，这种方 法改变了部件表层为单一化学成分及组织的状态，变为软硬相间的结构，可以使原来是单 一化学成分及组织材料的韧性和耐磨性大为提高，从而使部件的韧性同时也提高耐磨性。 这种方法同原来的激光熔凝法相比，最大特点就是可以深度熔敷和大体积熔敷，凹坑或者 沟槽的深度可以增大到25mm，宽度也可以增大到25mm，因此可以制备出深度和体积更大仿生单元体，可以大大弥补以往激光熔敷技术熔敷层浅或熔敷单元体小的不足，对于大型机 械耐磨部件，可以大大提高生产效率，
具体实施例方式表1.是以MPS型中速磨煤机为对象的实例。表1，MPS型中速磨煤机应用实例 注高铬铸铁、高碳、钒高速钢的成分列表如下表2.高铬铸铁焊条的化学成分Wt% 表3.高碳、钒高速钢焊条的化学成分Wt%
权利要求
一种焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韧性方法，其特征在于，采用以下步骤a)根据耐磨部件使用要求和尺寸大小，模仿形成生物体的软硬相间耦合结构，对部件表面凹坑和沟槽单元体的几何尺寸和分布进行设计，沟槽的几何尺寸为宽3-25mm，深3-25mm，间距3-25mm，凹坑的直径、深和间距均为3-25mm；部件表面的凹坑或沟槽按网格状或平行条状分布，或沟槽与凹坑混合分布；b)选择单元体的焊接材料，根据部件要求的服役寿命，选择普通材料焊条或特定的合金材料焊条或选择生产使用的耐磨焊接材料并预置成焊条；c)采用手工或机械焊接的方法，根据所选合金调整焊接工艺参数，再根据预置的凹坑或沟槽宽度选定焊丝或焊芯直径，其直径小于或等于预置的凹坑或沟槽宽度的二分之一，将选定的合金焊丝焊熔填充到预置的凹坑或沟槽内，填充后的单元体高于部件表面0-3mm。
2.根据权利要求1所述的一种焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韧性方法，其特征 在于，所述的部件表面凹坑和沟槽单元体的几何尺寸和分布按一下要求确定部件要求的 服役寿命越高、尺寸越大，预置凹坑或沟槽的宽度和深度应越大，分布应越密。
3.根据权利要求1所述的一种焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韧性方法，其特 征在于，所述的特定的合金材料焊条包括金高铬铸铁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%，高碳钒高速钢 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.根据权利要求1所述的一种焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韧性方法，其特征 在于，所述的部件表面的凹坑和沟槽单元体分布采用软硬相间的结构，所述 的平行条状按 与部件轴线夹角呈0 90排列分布。
5.根据权利要求1所述的一种焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韧性方法，其特征 在于，所述的部件表面的凹坑和沟槽单元体按单一尺寸均勻分布或不同尺寸混合分布。
6.根据权利要求1所述的一种焊接熔凝提高大型耐磨部件耐磨性和韧性方法，其特征 在于，所述的部件表面的凹坑和沟槽单元体或按一排沟槽一排凹坑交叉分布，或按二排沟 槽二排凹坑交叉分布，或按一排沟槽二排凹坑分布，或者按二排沟槽一排凹坑交叉分布。
全文摘要
本发明涉及提高在摩擦磨损和磨粒磨损工矿条件下使用的大型机械设备耐磨件服役寿命的方法和制造加工技术。该方法在机械部件受摩擦表面较深厚度的区域上，模仿生物体的耦合结构，加工制作出具有一定深度和宽度的槽或凹坑，利用特制或普通焊条采用焊接熔凝技术将槽或凹坑内的空间填满制成仿生耦合单元体。形成由仿生耦合单元体区域和工件原组成区域构成软硬相间的仿生物体结构的仿生耦合区域，表面成为仿生耦合单元体。它有效地解决了耐磨材料韧性和耐磨性不能兼得的缺陷，克服了耐磨部件为保证韧性而牺牲耐磨性或为保证耐磨性牺牲韧性的矛盾，使耐磨部件的服役寿命大幅度提高，同时，也大大降低生产成本，提高生产效率。
文档编号B23K31/02GK101862916SQ20101018863
公开日2010年10月20日 申请日期2010年6月1日 优先权日2010年6月1日
发明者任振安, 任露泉, 周倜, 周宏 , 孙大千, 张志辉, 张舟, 张鹏, 邱小明 申请人:吉林大学