Основные технологии износостойкой сварочной проволоки: как высокоуглеродистый хроможелезный порошок повышает износостойкость.

I. Анализ ключевых факторов, влияющих на износостойкость износостойкой сварочной проволоки.

1.1 Состав и микроструктура матричного материала сварочной проволоки

Матричный материал сварочной проволоки является основой износостойкой сварочной проволоки, и его химический состав и микроструктура оказывают фундаментальное влияние на износостойкость наплавленного металла. С точки зрения химического состава, такие элементы, как углерод, марганец и кремний в матричном материале, не только влияют на характеристики процесса сварки сварочной проволоки, но и взаимодействуют с элементами в упрочняющем материале, регулируя образование и распределение упрочняющих фаз в наплавленном металле. Например, углерод может образовывать карбиды с такими элементами, как хром и вольфрам, а марганец может улучшать текучесть расплавленной ванны и повышать плотность сварных соединений. С точки зрения микроструктуры, размер зерна и фазовый состав матричного материала напрямую определяют исходные механические свойства наплавленного металла. Матричный материал с мелкозернистой структурой обычно обладает более высокой прочностью и ударной вязкостью, обеспечивая превосходную основу для равномерного распределения упрочняющих фаз. Кроме того, доля таких фаз, как перлит и феррит, в матрице также влияет на твердость и износостойкость наплавленного металла. Рациональное регулирование микроструктуры матрицы является важной основой для повышения износостойкости.

1.2 Типы и правила распределения упрочняющих фаз сплавов

Упрочняющие легирующие фазы являются ключевыми элементами для повышения износостойкости сварочной проволоки, и их тип, количество, размер и распределение напрямую определяют эффект повышения износостойкости. В наплавленном металле сварочной проволоки в качестве упрочняющих легирующих фаз обычно используются карбиды, нитриды, бориды и др. Среди них карбидные фазы широко используются благодаря своей высокой твердости и стабильности. Различные типы карбидных фаз обладают разной твердостью и стабильностью. Например, твердость Кр₇C₃ достигает 1800–2200 ВВ, что значительно выше, чем у матричного материала, и оказывает существенное влияние на повышение износостойкости. Кроме того, решающее значение имеет также закономерность распределения упрочняющих легирующих фаз. Равномерно распределенные упрочняющие фазы более эффективно препятствуют движению абразивных частиц и предотвращают чрезмерный локальный износ. Напротив, агрегация и сегрегация упрочняющих фаз приводят к неравномерности характеристик наплавленного металла, снижая его износостойкость и ударную вязкость. Таким образом, рациональный выбор типа упрочняющих фаз сплава и регулирование их равномерного распределения техническими средствами являются ключевыми звеньями в повышении износостойкости сварочной проволоки.

1.3 Механизм регулирования процесса сварки по износостойкости наплавленного металла

Процесс сварки является ключевой процедурой, соединяющей сварочную проволоку с основным материалом и формирующей наплавленный металл. Параметры этого процесса (такие как сварочный ток, напряжение, скорость сварки, тип защитного газа и т. д.) играют важную регулирующую роль в химическом составе, микроструктуре и износостойкости наплавленного металла. Величина сварочного тока и напряжения напрямую влияет на подводимую теплоту сварки, которая, в свою очередь, влияет на температуру и скорость охлаждения расплавленной ванны. Более высокая подводимая теплота повысит температуру расплавленной ванны, вызовет укрупнение зерен наплавленного металла и чрезмерное растворение упрочняющих фаз, тем самым снижая его твердость и износостойкость. С другой стороны, более низкая подводимая теплота может привести к недостаточной сварке, вызывая такие дефекты, как неполное проплавление и включение шлака, что также влияет на характеристики наплавленного металла. Скорость сварки влияет на качество формования и скорость охлаждения наплавленного металла; разумная скорость сварки может обеспечить равномерную толщину и плотную структуру наплавленного металла. Тип и расход защитного газа в основном используются для предотвращения окисления расплавленной ванны, обеспечения стабильности процесса сварки и избежания негативного воздействия продуктов окисления на характеристики наплавленного металла. Поэтому оптимизация параметров процесса сварки для достижения точного регулирования микроструктуры наплавленного металла является важной гарантией повышения износостойкости сварочной проволоки.

1.4 Основные показатели оценки и стандартизированные методы испытаний износостойкости

Точная оценка износостойкости сварочной проволоки является основой для развития технологических исследований, разработок и применения. В настоящее время в отрасли сформирован ряд основных показателей оценки и стандартизированных методов испытаний. Основные показатели оценки включают твердость, износ, относительную износостойкость и т. д. Твердость является важным показателем для измерения сопротивления материала локальной деформации и износу, обычно измеряется методами твердости по Бринеллю (ХБ), Роквеллу (ХРК) или Виккерсу (ВВ). Наплавленный металл с высокой твердостью, как правило, обладает лучшей износостойкостью. Износ относится к потере массы или объема материала при определенных условиях износа; чем меньше износ, тем лучше износостойкость материала. Относительная износостойкость определяется путем сравнения износа испытуемого материала с износом стандартного материала, что позволяет более наглядно отразить преимущества износостойкости испытуемого материала. Стандартизированные методы испытаний включают в себя испытания на абразивный износ, ударный износ, износ при скольжении и т. д. Различные методы испытаний имитируют различные условия износа, что позволяет проводить комплексную оценку износостойкости сварочной проволоки в различных условиях эксплуатации. Например, испытание на абразивный износ в основном имитирует условия работы горнодобывающей техники, подвергающейся абразивной резке, в то время как испытание на ударный износ имитирует условия работы строительной техники, подвергающейся комбинированному воздействию удара и износа. Благодаря стандартизированным методам испытаний и показателям оценки можно обеспечить объективную и точную информацию для сравнения характеристик и технологических исследований и разработок износостойкой сварочной проволоки.

II. Процесс получения и технология адаптации высокоуглеродистого хроможелезного порошка в износостойкой сварочной проволоке.

2.1 Оптимизация процесса подготовки износостойкой сварочной проволоки и метода добавления высокоуглеродистого хроможелезного порошка

2.1.1 Расчет соотношения компонентов и процесс равномерного смешивания порошка высокоуглеродистого хроможелеза в порошковой сварочной проволоке

Сварочная проволока с порошковой проволокой является одним из наиболее широко используемых носителей для высокоуглеродистого хромистого железного порошка. В процессе ее приготовления ключевыми факторами, обеспечивающими качество сварочной проволоки, являются правильное соотношение и равномерное смешивание высокоуглеродистого хромистого железного порошка. Что касается соотношения, необходимо разумно определить пропорцию высокоуглеродистого хромистого железного порошка и других компонентов (таких как железный порошок, ферромарганец, ферросилиций, графит, шлакообразователь и т. д.) в соответствии с целевыми требованиями к износостойкости, характеристикам сварочного процесса и комплексным механическим свойствам сварочной проволоки. Если доля высокоуглеродистого хромистого железного порошка слишком низка, образуется недостаточное количество карбидных фаз, и упрочняющий эффект будет незначительным. Если же доля слишком высока, снижается ударная вязкость наплавленного металла, увеличивается вероятность образования сварочных трещин, а также возрастает стоимость. Как правило, целесообразно контролировать долю высокоуглеродистого хромистого железного порошка в порошковой сварочной проволоке в диапазоне от 20% до 40%. Что касается равномерного смешивания, для обеспечения равномерного распределения высокоуглеродистого хромистого железного порошка внутри порошковой проволоки необходимо использовать эффективное смесительное оборудование и рациональные процессы смешивания. В настоящее время обычно используются такие смесительные устройства, как конические смесители и двухспиральные смесители. В процессе смешивания необходимо контролировать такие параметры, как время смешивания и скорость вращения, чтобы избежать неравномерного смешивания или агломерации частиц. Кроме того, перед смешиванием высокоуглеродистый хромистый железный порошок и другие компоненты необходимо просушить для удаления влаги и примесей, что обеспечивает качество смешивания и сварочные характеристики проволоки.

2.1.2 Технология нанесения покрытия из высокоуглеродистого хроможелезного порошка на поверхность твердой сварочной проволоки

Помимо порошковой сварочной проволоки, важным методом нанесения покрытия, содержащим высокоуглеродистый хромистый железный порошок, является также покрытие поверхности сплошной сварочной проволоки. Суть этой технологии заключается в смешивании высокоуглеродистого хромистого железного порошка со связующими и другими легирующими элементами для получения покрытия с помощью определенных технологических методов, равномерном нанесении их на поверхность сплошной сварочной проволоки и формировании покрытия определенной толщины и прочности после сушки и отверждения. Ключ к этой технологии заключается в разработке рецептуры покрытия и оптимизации процесса нанесения покрытия. В рецептуре покрытия содержание высокоуглеродистого хромистого железного порошка необходимо разумно регулировать в соответствии с целевыми характеристиками. Связующее должно обладать хорошей прочностью сцепления и высокотемпературной стабильностью, чтобы гарантировать, что покрытие не отслоится и не разложится в процессе сварки. Что касается процессов нанесения покрытия, то распространенными методами являются погружное нанесение, распыление, валковое нанесение и т. д. Метод погружного нанесения имеет преимущества простоты процесса и низкой стоимости, но характеризуется плохой равномерностью толщины покрытия. Метод распыления позволяет получить равномерную толщину покрытия, но имеет высокую стоимость оборудования. Метод валкового нанесения покрытия сочетает в себе преимущества простоты процесса и равномерной толщины покрытия, поэтому он широко используется. Кроме того, процессы сушки и отверждения покрытия также имеют решающее значение; необходимо контролировать температуру и время, чтобы обеспечить прочность и стабильность покрытия и избежать дефектов в процессе сварки.

2.2 Экспериментальное исследование по оптимизации количества добавки высокоуглеродистого хромо-железного порошка

2.2.1 Влияние количества добавки на эффективность наплавки сварочной проволоки

Добавление высокоуглеродистого хромистого железного порошка влияет не только на износостойкость наплавленного металла, но и оказывает существенное воздействие на эффективность наплавки сварочной проволоки. Эффективность наплавки является важным показателем качества сварки, представляющим собой отношение массы наплавленного металла к массе израсходованной сварочной проволоки в единицу времени. Многочисленные экспериментальные исследования показали наличие нелинейной зависимости между количеством добавленного высокоуглеродистого хромистого железного порошка и эффективностью наплавки. При небольшом количестве добавки высокоуглеродистый хромистый железный порошок оказывает незначительное влияние на эффективность наплавки. С увеличением количества добавки эффективность наплавки постепенно улучшается, поскольку некоторые элементы в высокоуглеродистом хромистом железном порошке могут улучшить текучесть расплавленной ванны и способствовать плавлению и наплавке сварочной проволоки. Однако, когда количество добавки превышает определенный порог, эффективность наплавки начинает снижаться. Это связано с высокой плотностью высокоуглеродистого хромистого железного порошка; избыточное добавление замедляет скорость плавления сварочной проволоки. Между тем, образование избыточных карбидных фаз увеличит вязкость расплавленного металла, препятствуя его течению и формированию наплавленного металла. Поэтому необходимо определить оптимальный диапазон добавления высокоуглеродистого хромистого железного порошка путем проведения оптимизационных экспериментов, чтобы обеспечить износостойкость наплавленного металла при одновременном обеспечении высокой эффективности осаждения.

2.2.2 Закономерности изменения износостойкости осажденного металла при различном количестве добавок

Износостойкость наплавленного металла демонстрирует очевидную закономерность изменения в зависимости от количества добавленного высокоуглеродистого хромистого железного порошка. Результаты испытаний показывают, что с увеличением количества добавленного высокоуглеродистого хромистого железного порошка количество карбидных фаз в наплавленном металле постепенно увеличивается, и, соответственно, твердость и износостойкость также возрастают. Когда количество добавки достигает определенного значения, твердость и износостойкость наплавленного металла достигают пика. Если количество добавки продолжает увеличиваться, твердость и износостойкость наплавленного металла не улучшаются, а наоборот, снижаются, а ударная вязкость также значительно уменьшается. Это происходит потому, что при слишком большом количестве добавки количество карбидных фаз становится избыточным, что приводит к агрегации и сегрегации, в результате чего образуется неравномерная микроструктура наплавленного металла и локальная концентрация напряжений. В процессе износа возникает склонность к образованию трещин, ускоряя разрушение от износа. Кроме того, избыток карбидных фаз также снижает сварочные характеристики наплавленного металла и увеличивает риск образования сварочных трещин. Таким образом, определение оптимального количества порошка высокоуглеродистого хромистого железа экспериментальным путем является ключом к достижению баланса между износостойкостью и комплексными механическими свойствами осаждаемого металла.

2.3 Технология регулирования совместимости высокоуглеродистого хроможелезного порошка с другими компонентами сварочной проволоки

Совместимость высокоуглеродистого хромистого железного порошка с другими компонентами сварочной проволоки (такими как матричный металл, другие легирующие элементы, шлакообразователи, раскислители и т. д.) напрямую влияет на характеристики сварочного процесса и качество наплавленного металла. Поэтому для обеспечения хорошей совместимости необходимо применять эффективные технологии регулирования. Во-первых, при выборе компонентов необходимо разумно подбирать другие компоненты в соответствии с химическим составом и физическими свойствами высокоуглеродистого хромистого железного порошка. Например, выбор ферромарганца, ферросилиция и т. д., обладающих хорошей раскисляющей способностью, в качестве раскислителей позволяет эффективно удалять кислород из расплавленной ванны, предотвращать образование оксидов между кислородом и хромом и препятствовать образованию карбидных фаз. Выбор соответствующих шлакообразователей обеспечивает образование качественного шлака в процессе сварки, защищает расплавленную ванну и сварной шов, а также снижает вероятность образования дефектов. Во-вторых, что касается регулирования соотношения компонентов, необходимо оптимизировать их пропорции экспериментальным путем, чтобы избежать проблем совместимости, вызванных избыточным или недостаточным количеством определенного компонента. Например, чрезмерно высокое содержание шлакообразующих веществ может привести к образованию избыточного шлака, влияющего на формирование наплавленного металла; недостаточное содержание раскислителей не позволит эффективно удалить вредные элементы. Кроме того, взаимодействие между различными компонентами и совместимость можно улучшить путем добавления соответствующего количества лигатур или редкоземельных элементов. Редкоземельные элементы обладают хорошим очищающим и модифицирующим действием, что позволяет измельчать зерна, улучшать распределение карбидных фаз, повышать прочность сцепления между различными компонентами и улучшать комплексные характеристики сварочной проволоки.