Podstawowa technologia drutu spawalniczego odpornego na zużycie: w jaki sposób proszek żelaza o wysokiej zawartości węgla i chromu zwiększa odporność na zużycie

I. Analiza kluczowych czynników wpływających na odporność na zużycie drutu spawalniczego odpornego na zużycie

1.1 Skład i mikrostruktura materiału matrycy drutu spawalniczego

Materiał osnowy drutu spawalniczego stanowi podstawę odpornego na zużycie drutu spawalniczego, a jego skład chemiczny i mikrostruktura wywierają zasadniczy wpływ na odporność na zużycie stopiwa. Z punktu widzenia składu chemicznego, pierwiastki takie jak węgiel, mangan i krzem w materiale osnowy nie tylko wpływają na wydajność procesu spawania drutem spawalniczym, ale także oddziałują z pierwiastkami w materiale zbrojenia, regulując powstawanie i rozkład faz wzmacniających w stopionym metalu. Na przykład węgiel może tworzyć węgliki z pierwiastkami takimi jak chrom i wolfram, podczas gdy mangan może poprawiać płynność jeziorka stopowego i zwiększać zwartość spoin. Pod względem mikrostruktury, wielkość ziarna i skład fazowy materiału osnowy bezpośrednio determinują początkowe właściwości mechaniczne stopionego metalu. Materiał osnowy o drobnoziarnistej strukturze charakteryzuje się zazwyczaj wyższą wytrzymałością i udarnością, stanowiąc doskonały nośnik dla równomiernego rozkładu faz wzmacniających. Ponadto, udział faz takich jak perlit i ferryt w osnowie również wpływa na twardość i odporność na zużycie stopionego metalu. Racjonalna regulacja mikrostruktury matrycy stanowi istotną podstawę poprawy odporności na zużycie.

1.2 Typy i zasady dystrybucji faz wzmacniających stop

Fazy ​​wzmacniające stop są kluczowymi elementami poprawiającymi odporność na zużycie drutu spawalniczego odpornego na zużycie, a ich rodzaj, ilość, rozmiar i stan rozmieszczenia bezpośrednio determinują efekt poprawy odporności na zużycie. W stopiwie drutu spawalniczego odpornego na zużycie, typowe fazy wzmacniające stop obejmują głównie węgliki, azotki, borki itp. Spośród nich, fazy węglikowe są szeroko stosowane ze względu na ich wysoką twardość i stabilność. Różne rodzaje faz węglikowych charakteryzują się różną twardością i stabilnością. Na przykład, twardość Cr₇C₃ sięga nawet 1800–2200 HV, co jest wartością znacznie wyższą niż twardość materiału osnowy, wywierając znaczący wpływ na poprawę odporności na zużycie. Ponadto, kluczowe znaczenie ma również zasada rozmieszczenia faz wzmacniających stop. Równomiernie rozproszone fazy wzmacniające mogą skuteczniej hamować ruch cząstek ściernych i zapobiegać nadmiernemu zużyciu lokalnemu. Z kolei agregacja i segregacja faz wzmacniających prowadzi do nierównomiernej pracy stopionego metalu, zmniejszając jego odporność na zużycie i wytrzymałość. Dlatego też racjonalny dobór rodzaju faz wzmacniających stop oraz regulacja ich równomiernego rozkładu za pomocą środków technicznych stanowią kluczowe ogniwa w procesie poprawy odporności na zużycie drutu spawalniczego odpornego na ścieranie.

1.3 Mechanizm regulacji procesu spawania w zakresie odporności na zużycie stopionego metalu

Proces spawania to kluczowy proces łączenia drutu spawalniczego z materiałem osnowy i formowania stopiwa. Parametry procesu (takie jak prąd spawania, napięcie, prędkość spawania, rodzaj gazu osłonowego itp.) odgrywają istotną rolę w regulacji składu chemicznego, mikrostruktury i odporności na zużycie stopiwa. Wartość prądu i napięcia spawania bezpośrednio wpływa na ilość ciepła doprowadzonego podczas spawania, co z kolei wpływa na temperaturę i szybkość chłodzenia jeziorka spawalniczego. Wyższe ciepło doprowadzone powoduje wzrost temperatury jeziorka spawalniczego, rozrost ziarna stopionego metalu i nadmierne rozpuszczanie faz wzmacniających, zmniejszając tym samym jego twardość i odporność na zużycie. Z drugiej strony, niższe ciepło doprowadzone może prowadzić do niewystarczającego spawania, co skutkuje defektami, takimi jak niepełne przetopienie i wtrącenia żużla, które również wpływają na właściwości stopiwa. Prędkość spawania wpływa na jakość formowania i szybkość chłodzenia stopiwa; rozsądna prędkość spawania może zapewnić równomierną grubość i zwartą strukturę stopiwa. Rodzaj i natężenie przepływu gazu osłonowego służą głównie zapobieganiu utlenianiu jeziorka stopowego, zapewnieniu stabilności procesu spawania oraz uniknięciu niekorzystnego wpływu produktów utleniania na właściwości stopiwa. Dlatego optymalizacja parametrów procesu spawania w celu precyzyjnej regulacji mikrostruktury stopiwa jest istotną gwarancją poprawy odporności na zużycie drutu spawalniczego odpornego na zużycie.

1.4 Podstawowe wskaźniki oceny i znormalizowane metody testowania odporności na zużycie

Dokładna ocena odporności na zużycie drutu spawalniczego odpornego na zużycie stanowi podstawę promowania badań technologicznych, rozwoju i zastosowań. Obecnie w przemyśle opracowano szereg podstawowych wskaźników oceny i znormalizowanych metod testowania. Podstawowe wskaźniki oceny obejmują głównie twardość, ubytek zużycia, względną odporność na zużycie itp. Twardość jest ważnym wskaźnikiem do pomiaru odporności materiału na lokalne odkształcenia i zużycie, zwykle badaną metodą twardości Brinella (HB), twardości Rockwella (HRC) lub twardości Vickersa (HV). Osad o wysokiej twardości ma na ogół lepszą odporność na zużycie. Ubytek zużycia odnosi się do utraty masy lub objętości materiału w określonych warunkach zużycia; im mniejszy ubytek zużycia, tym lepsza odporność materiału na zużycie. Względną odporność na zużycie uzyskuje się poprzez porównanie ubytku zużycia badanego materiału ze zużyciem materiału standardowego, co może bardziej intuicyjnie odzwierciedlać zalety odporności na zużycie badanego materiału. Standaryzowane metody badań obejmują głównie badanie zużycia ściernego, udarowego, ślizgowego itp. Różne metody badań symulują różne warunki zużycia, umożliwiając kompleksową ocenę odporności na zużycie drutu spawalniczego odpornego na zużycie w różnych warunkach eksploatacji. Na przykład, badanie zużycia ściernego symuluje głównie warunki pracy maszyn górniczych poddawanych cięciu ściernemu, podczas gdy badanie zużycia udarowego symuluje warunki pracy maszyn inżynieryjnych poddawanych jednoczesnemu działaniu udaru i zużycia. Dzięki standaryzowanym metodom badań i wskaźnikom oceny możliwe jest uzyskanie obiektywnych i dokładnych danych wspierających porównanie wydajności oraz badania i rozwój technologiczny drutu spawalniczego odpornego na zużycie.

II. Proces przygotowania i technologia adaptacji proszku żelaza wysokowęglowego i chromowego w odpornym na zużycie drucie spawalniczym

2.1 Optymalizacja procesu przygotowania drutu spawalniczego odpornego na zużycie i metody dodawania proszku żelaza o wysokiej zawartości węgla i chromu

2.1.1 Projektowanie proporcji i równomierny proces mieszania proszku żelaza wysokowęglowego z chromem w drucie spawalniczym z rdzeniem topnikowym

Drut spawalniczy z rdzeniem topnikowym jest jednym z najczęściej stosowanych nośników proszku żelaza wysokowęglowego i chromu. W procesie jego przygotowania, kluczowe dla zapewnienia odpowiedniej wydajności drutu spawalniczego jest odpowiednie dobranie proporcji i równomierne mieszanie proszku żelaza wysokowęglowego i chromu. W procesie doboru proporcji, konieczne jest rozsądne określenie proporcji proszku żelaza wysokowęglowego i chromu oraz innych składników (takich jak proszek żelaza, żelazomangan, żelazokrzem, grafit, materiał żużlotwórczy itp.) zgodnie z docelową odpornością na zużycie, wydajnością procesu spawania oraz kompleksowymi wymaganiami dotyczącymi właściwości mechanicznych drutu spawalniczego. Zbyt niska zawartość proszku żelaza wysokowęglowego i chromu spowoduje powstanie niewystarczającej ilości faz węglikowych, a efekt wzmocnienia będzie nieznaczny. Zbyt wysoka zawartość powoduje zmniejszenie wytrzymałości stopiwa, wzrost podatności na pęknięcia spawalnicze oraz wzrost kosztów. Zasadniczo, rozsądnym jest kontrolowanie zawartości proszku żelaza wysokowęglowego i chromu w drucie spawalniczym z rdzeniem topnikowym w zakresie od 20% do 40%. Aby zapewnić równomierny proces mieszania, konieczne jest zastosowanie wydajnego sprzętu mieszającego i racjonalnych procesów mieszania. Obecnie powszechnie stosowanymi urządzeniami mieszającymi są mieszalniki stożkowe i mieszalniki z podwójną spiralą. Podczas procesu mieszania należy kontrolować parametry takie jak czas mieszania i prędkość obrotową, aby uniknąć nierównomiernego mieszania lub aglomeracji cząstek. Ponadto, przed mieszaniem, proszek żelaza chromowego i inne składniki muszą zostać wysuszone w celu usunięcia wilgoci i zanieczyszczeń, co zapewnia jakość mieszania i wydajność spawania drutem spawalniczym.

2.1.2 Technologia przygotowania powłoki proszkowej z żelaza wysokowęglowego i chromu na powierzchni litego drutu spawalniczego

Oprócz drutu spawalniczego z rdzeniem topnikowym, powlekanie powierzchni litego drutu spawalniczego powłoką zawierającą proszek żelaza chromowego o wysokiej zawartości węgla jest również ważną formą zastosowania proszku żelaza chromowego o wysokiej zawartości węgla. Istotą tej technologii jest zmieszanie proszku żelaza chromowego o wysokiej zawartości węgla ze spoiwami i innymi elementami stopowymi w celu przygotowania materiałów powłokowych za pomocą określonych środków technologicznych, równomiernego pokrycia nimi powierzchni litego drutu spawalniczego i utworzenia powłoki o określonej grubości i wytrzymałości po wysuszeniu i utwardzeniu. Kluczem do tej technologii jest opracowanie receptury materiałów powłokowych i optymalizacja procesów powlekania. W recepturze materiału powłokowego zawartość proszku żelaza chromowego o wysokiej zawartości węgla musi być odpowiednio dostosowana do docelowych właściwości. Spoiwo powinno charakteryzować się dobrą wytrzymałością i stabilnością w wysokich temperaturach, aby zapewnić, że powłoka nie odpadnie ani nie ulegnie rozkładowi podczas procesu spawania. Wśród procesów powlekania, powszechne metody obejmują powlekanie zanurzeniowe, natryskowe, walcowe itp. Metoda powlekania zanurzeniowego charakteryzuje się prostotą procesu i niskim kosztem, ale niską równomiernością grubości powłoki. Metoda powlekania natryskowego pozwala uzyskać równomierną grubość powłoki, ale wiąże się z wysokimi kosztami sprzętu. Metoda powlekania walcowego łączy w sobie zalety prostoty procesu i równomiernej grubości powłoki, dlatego jest szeroko stosowana. Ponadto kluczowe znaczenie mają procesy suszenia i utwardzania powłoki; temperatura i czas muszą być kontrolowane, aby zapewnić dobrą wytrzymałość i stabilność powłoki oraz uniknąć defektów podczas procesu spawania.

2.2 Badania eksperymentalne nad optymalizacją ilości dodawanego proszku żelaza wysokowęglowego i chromu

2.2.1 Wpływ ilości dodatku na wydajność osadzania drutu spawalniczego

Dodatek proszku żelaza wysokowęglowego z chromem nie tylko wpływa na odporność na zużycie stopionego metalu, ale także znacząco wpływa na wydajność napawania drutu spawalniczego. Wydajność napawania jest ważnym wskaźnikiem pomiaru wydajności spawania drutu spawalniczego, odnoszącym się do stosunku masy stopionego metalu do masy zużytego drutu spawalniczego w jednostce czasu. Wiele badań eksperymentalnych wykazało nieliniową zależność między dodaną ilością proszku żelaza wysokowęglowego z chromem a wydajnością napawania. Przy niewielkiej ilości dodanego proszku żelaza wysokowęglowego z chromem, wpływ na wydajność napawania jest niewielki. Wraz ze wzrostem ilości dodanego proszku, wydajność napawania będzie stopniowo wzrastać, ponieważ niektóre pierwiastki w proszku żelaza wysokowęglowego z chromem mogą poprawiać płynność jeziorka stopowego i sprzyjać topnieniu i napawaniu drutu spawalniczego. Jednakże, gdy dodana ilość przekroczy określony próg, wydajność napawania zacznie spadać. Dzieje się tak, ponieważ proszek żelaza wysokowęglowego z chromem ma wysoką gęstość; nadmierna ilość dodanego proszku spowolni szybkość topienia drutu spawalniczego. Jednocześnie tworzenie się nadmiernej ilości faz węglikowych zwiększa lepkość jeziorka stopowego, utrudniając przepływ i formowanie osadzanego metalu. Dlatego konieczne jest określenie optymalnego zakresu dodawania proszku żelaza chromowego o wysokiej zawartości węgla poprzez eksperymenty optymalizacyjne, aby zapewnić odporność osadzanego metalu na zużycie, przy jednoczesnym uwzględnieniu wysokiej wydajności osadzania.

2.2.2 Prawo ewolucji odporności na zużycie metalu osadzonego przy różnych ilościach dodatków

Odporność na zużycie stopionego metalu wykazuje oczywistą tendencję ewolucyjną wraz z różnymi ilościami dodawanego proszku żelaza chromowego o wysokiej zawartości węgla. Wyniki badań pokazują, że wraz ze wzrostem ilości dodawanego proszku żelaza chromowego o wysokiej zawartości węgla liczba faz węglikowych w stopionym metalu stopniowo wzrasta, a twardość i odporność na zużycie również odpowiednio rosną. Gdy ilość dodawanego metalu osiągnie określoną wartość, twardość i odporność na zużycie stopionego metalu osiągają szczyt. Jeśli ilość dodawanego metalu będzie nadal rosła, twardość i odporność na zużycie stopionego metalu nie poprawią się, lecz spadną, a wytrzymałość również znacznie spadnie. Dzieje się tak, ponieważ zbyt duża ilość dodawanego metalu powoduje nadmierną liczbę faz węglikowych, co prowadzi do agregacji i segregacji, a w rezultacie do nierównomiernej mikrostruktury stopionego metalu i lokalnej koncentracji naprężeń. Podczas procesu zużycia podatne są na pęknięcia, przyspieszając awarię. Ponadto, nadmierna ilość faz węglikowych obniża również wydajność procesu spawania stopionego metalu i zwiększa ryzyko pęknięć spawalniczych. Dlatego też ustalenie optymalnej ilości dodanego proszku żelaza chromowego o wysokiej zawartości węgla poprzez eksperymenty stanowi klucz do osiągnięcia równowagi między odpornością na zużycie i kompleksowymi właściwościami mechanicznymi osadzanego metalu.

2.3 Technologia regulacji kompatybilności pomiędzy proszkiem żelaza wysokowęglowego i chromowego a innymi składnikami drutu spawalniczego

Zgodność między proszkiem żelaza chromowego o wysokiej zawartości węgla a innymi składnikami drutu spawalniczego (takimi jak metal osnowy, inne pierwiastki stopowe, substancje żużlotwórcze, odtleniacze itp.) bezpośrednio wpływa na wydajność procesu spawania drutem spawalniczym oraz właściwości stopiwa. Dlatego też konieczne jest wprowadzenie skutecznych technologii regulacyjnych w celu zapewnienia dobrej kompatybilności. Po pierwsze, przy doborze składników należy rozsądnie dobrać inne składniki, biorąc pod uwagę skład chemiczny i właściwości fizyczne proszku żelaza chromowego o wysokiej zawartości węgla. Na przykład, wybór żelazomanganu, żelazokrzemu itp. o dobrych właściwościach odtleniających, ponieważ odtleniacze mogą skutecznie usuwać tlen z jeziorka spawalniczego, zapobiegać tworzeniu się tlenków między tlenem a chromem i zapobiegać wpływowi na powstawanie faz węglikowych. Wybór odpowiednich substancji żużlotwórczych może zapewnić powstawanie dobrego żużla podczas procesu spawania, chronić jeziorko spawalnicze i spoinę oraz redukować powstawanie defektów. Po drugie, w zakresie regulacji proporcji, konieczna jest eksperymentalna optymalizacja proporcji każdego składnika, aby uniknąć problemów z kompatybilnością spowodowanych nadmierną lub niewystarczającą ilością danego składnika. Na przykład, zbyt wysoki udział substancji żużlotwórczych może prowadzić do nadmiernej ilości żużla, co wpływa na formowanie osadzanego metalu; niewystarczający udział odtleniaczy nie pozwala skutecznie usunąć szkodliwych pierwiastków. Ponadto, interakcje między różnymi składnikami można poprawić, a kompatybilność można zwiększyć, dodając odpowiednią ilość stopów głównych lub pierwiastków ziem rzadkich. Pierwiastki ziem rzadkich mają dobre właściwości oczyszczające i modyfikujące, co może prowadzić do rozdrobnienia ziaren, poprawy rozkładu faz węglikowych, wzmocnienia siły wiązania między różnymi składnikami i poprawy ogólnej wydajności drutu spawalniczego.