Kärnteknik för slitstark svetstråd: Hur kromjärnpulver med hög kolhalt förbättrar slitstyrkan
I. Analys av viktiga påverkande faktorer på slitstyrka hos slitstark svetstråd
1.1 Sammansättning och mikrostruktur av svetstrådsmatrismaterial
Matrismaterialet i svetstråd är grunden för slitstark svetstråd, och dess kemiska sammansättning och mikrostruktur har en fundamental inverkan på slitstyrkan hos den avsatta metallen. Ur ett kemiskt sammansättningsperspektiv påverkar element som kol, mangan och kisel i matrismaterialet inte bara svetstrådens svetsningsprestanda utan interagerar också med element i armeringsmaterialet för att reglera bildandet och fördelningen av förstärkningsfaser i den avsatta metallen. Till exempel kan kol bilda karbider med element som krom och volfram, medan mangan kan förbättra smältbadets flytförmåga och öka kompaktheten hos svetsade fogar. När det gäller mikrostruktur bestämmer kornstorleken och fassammansättningen hos matrismaterialet direkt de initiala mekaniska egenskaperna hos den avsatta metallen. Ett matrismaterial med en finkornig struktur har vanligtvis högre hållfasthet och seghet, vilket ger en utmärkt bärare för en jämn fördelning av förstärkningsfaser. Dessutom påverkar andelen faser som perlit och ferrit i matrisen också hårdheten och slitstyrkan hos den avsatta metallen. Rationell reglering av matrismikrostrukturen är en viktig grund för att förbättra slitstyrkan.
1.2 Typer och distributionsregler för legeringsförstärkningsfaser
Legeringsförstärkande faser är kärnelementen för att förbättra slitstyrkan hos slitstark svetstråd, och deras typ, kvantitet, storlek och distributionstillstånd avgör direkt effekten av förbättringen av slitstyrkan. I den avsatta metallen i slitstark svetstråd inkluderar vanliga legeringsförstärkande faser huvudsakligen karbider, nitrider, borider etc. Bland dem används karbidfaser i stor utsträckning på grund av deras höga hårdhet och stabilitet. Olika typer av karbidfaser har olika hårdhet och stabilitet. Till exempel når hårdheten hos Cr₇C₃ så högt som 1800–2200 HV, vilket är mycket högre än matrismaterialets, vilket har en betydande effekt på att förbättra slitstyrkan. Dessutom är fördelningsregeln för legeringsförstärkande faser också avgörande. Likformigt spridda förstärkande faser kan mer effektivt hindra rörelsen av slipande partiklar och undvika överdrivet lokalt slitage. Omvänt kommer aggregering och segregering av förstärkande faser att leda till ojämn prestanda hos den avsatta metallen, vilket minskar dess slitstyrka och seghet. Därför är rationellt val av typ av legeringsförstärkande faser och reglering av deras enhetliga fördelning genom tekniska medel viktiga länkar för att förbättra slitstyrkan hos slitstark svetstråd.
1.3 Reglermekanism för svetsprocessen gällande slitstyrka hos avsatt metall
Svetsprocessen är en viktig procedur som förbinder svetstråden med matrismaterialet och bildar den avsatta metallen. Dess processparametrar (såsom svetsström, spänning, svetshastighet, typ av skyddsgas etc.) spelar en viktig reglerande roll för den avsatta metallens kemiska sammansättning, mikrostruktur och slitstyrka. Storleken på svetsströmmen och spänningen påverkar direkt svetsvärmetillförseln, vilket i sin tur påverkar temperaturen och kylningshastigheten för den smälta poolen. En högre värmetillförsel kommer att öka temperaturen i den smälta poolen, orsaka kornförgrovning av den avsatta metallen och överdriven upplösning av förstärkningsfaser, vilket minskar dess hårdhet och slitstyrka. Å andra sidan kan en lägre värmetillförsel leda till otillräcklig svetsning, vilket resulterar i defekter såsom ofullständig penetration och slagginträngning, vilket också påverkar den avsatta metallens prestanda. Svetshastigheten påverkar formningskvaliteten och kylningshastigheten för den avsatta metallen; en rimlig svetshastighet kan säkerställa att den avsatta metallen har en jämn tjocklek och tät struktur. Typ och flödeshastighet av skyddsgas används huvudsakligen för att förhindra oxidation av den smälta poolen, säkerställa svetsprocessens stabilitet och undvika negativa effekter av oxidationsprodukter på den avsatta metallens prestanda. Därför är optimering av svetsprocessparametrar för att uppnå exakt reglering av mikrostrukturen hos den avsatta metallen en viktig garanti för att förbättra slitstyrkan hos slitstark svetstråd.
1.4 Kärnindikatorer för utvärdering och standardiserade testmetoder för slitstyrka
Noggrann utvärdering av slitstyrkan hos slitstark svetstråd är grunden för att främja teknisk forskning, utveckling och tillämpning. För närvarande har en serie centrala utvärderingsindikatorer och standardiserade testmetoder utformats inom branschen. Centrala utvärderingsindikatorer inkluderar huvudsakligen hårdhet, slitstyrka, relativ slitstyrka etc. Hårdhet är ett viktigt index för att mäta materialets motståndskraft mot lokal deformation och slitage, vanligtvis testat med Brinell-hårdhet (HB), Rockwell-hårdhet (HRC) eller Vickers-hårdhet (HV) metoder. Avsatt metall med hög hårdhet har generellt bättre slitstyrka. Slitstyrka avser materialets massförlust eller volymförlust under vissa slitageförhållanden; ju mindre slitstyrka, desto bättre är materialets slitstyrka. Relativ slitstyrka erhålls genom att jämföra slitstyrkan hos det testade materialet med standardmaterialets, vilket mer intuitivt kan återspegla det testade materialets slitstyrkafördelar. Standardiserade testmetoder inkluderar huvudsakligen sliptest, slagtest, glidtest etc. Olika testmetoder simulerar olika slitageförhållanden, vilket möjliggör en omfattande utvärdering av slitstyrkan hos slitstark svetstråd under olika driftsförhållanden. Till exempel simulerar slitagetestet huvudsakligen arbetsförhållandena för gruvmaskiner som utsätts för slipande skärning, medan slag- och slitagetestet simulerar arbetsförhållandena för verkstadsmaskiner som utsätts för kombinerad påverkan av slag och slitage. Genom standardiserade testmetoder och utvärderingsindikatorer kan objektivt och noggrant dataunderstöd tillhandahållas för prestandajämförelse samt teknisk forskning och utveckling av slitstark svetstråd.
II. Beredningsprocess och anpassningsteknik för kromjärnpulver med hög kolhalt i slitstark svetstråd
2.1 Optimering av slitstark svetstrådsberedning och tillsatsmetod för kromjärnpulver med hög kolhalt
2.1.1 Blandningsförhållande och enhetlig blandningsprocess för kromjärnpulver med hög kolhalt i flussfylld svetstråd
Flusskärnad svetstråd är en av de mest använda bärarna för kromjärnpulver med hög kolhalt. I dess framställningsprocessen är förhållandedesignen och den enhetliga blandningsprocessen för kromjärnpulver med hög kolhalt nyckeln till att säkerställa svetstrådens prestanda. När det gäller förhållandedesign är det nödvändigt att rimligen bestämma andelen kromjärnpulver med hög kolhalt och andra komponenter (såsom järnpulver, ferromangan, ferrokisel, grafit, slaggbildare, etc.) i enlighet med önskad slitstyrka, svetsprocessens prestanda och omfattande mekaniska egenskapskrav för svetstråden. Om andelen kromjärnpulver med hög kolhalt är för låg kommer otillräckliga karbidfaser att bildas och förstärkningseffekten blir obetydlig. Om andelen är för hög kommer segheten hos den avsatta metallen att minska, känsligheten för svetssprickor kommer att öka och kostnaden kommer också att stiga. Generellt sett är det rimligt att kontrollera andelen kromjärnpulver med hög kolhalt i flusskärnad svetstråd mellan 20 % och 40 %. När det gäller en enhetlig blandningsprocess är det nödvändigt att använda effektiv blandningsutrustning och rimliga blandningsprocesser för att säkerställa en jämn fördelning av kromjärnpulver med hög kolhalt inuti flussmedelskärnan. Vanligt förekommande blandningsutrustning inkluderar koniska blandare och dubbelspiralblandare. Under blandningsprocessen måste parametrar som blandningstid och rotationshastighet kontrolleras för att undvika ojämn blandning eller partikelagglomerering. Dessutom måste kromjärnpulver med hög kolhalt och andra komponenter torkas före blandning för att avlägsna fukt och föroreningar, vilket säkerställer blandningskvaliteten och svetstrådens svetsprocessprestanda.
2.1.2 Framställningsteknik för pulverbeläggning av kromjärn med hög kolhalt på ytan av solid svetstråd
Förutom flusskärnad svetstråd är beläggning av ytan på solid svetstråd med en beläggning innehållande kromjärnpulver med hög kolhalt också en viktig tillämpningsform av kromjärnpulver med hög kolhalt. Kärnan i denna beredningsteknik är att blanda kromjärnpulver med hög kolhalt med bindemedel och andra legeringselement för att framställa beläggningsmaterial genom vissa tekniska metoder, belägga dem jämnt på ytan av solid svetstråd och bilda en beläggning med en viss tjocklek och hållfasthet efter torkning och härdning. Nyckeln till denna teknik ligger i formeldesignen för beläggningsmaterial och optimering av beläggningsprocesser. I beläggningsmaterialets formel måste innehållet av kromjärnpulver med hög kolhalt justeras rimligt i enlighet med målprestanda. Bindemedlet bör ha god bindningsstyrka och högtemperaturstabilitet för att säkerställa att beläggningen inte faller av eller sönderfaller under svetsprocessen. När det gäller beläggningsprocesser inkluderar vanliga metoder doppbeläggning, sprutbeläggning, valsbeläggning etc. Doppbeläggningsmetoden har fördelarna med enkel process och låg kostnad men dålig enhetlighet i beläggningstjockleken. Spraybeläggningsmetoden kan erhålla en jämn beläggningstjocklek men har höga utrustningskostnader. Valsbeläggningsmetoden kombinerar fördelarna med en enkel process och jämn beläggningstjocklek, så den används ofta. Dessutom är beläggningens torknings- och härdningsprocesser också avgörande; temperatur och tid måste kontrolleras för att säkerställa att beläggningen har god styrka och stabilitet och undvika defekter under svetsprocessen.
2.2 Experimentell studie av optimering av tillsatsmängd av kromjärnpulver med hög kolhalt
2.2.1 Inverkan av tillsatsmängd på svetstrådens avsättningseffektivitet
Tillsatsmängden kromjärnpulver med hög kolhalt påverkar inte bara den avsatta metallens slitstyrka utan har också en betydande inverkan på svetstrådens avsättningseffektivitet. Avsättningseffektivitet är ett viktigt index för att mäta svetstrådens svetsprestanda och hänvisar till förhållandet mellan massan av avsatt metall och massan av förbrukad svetstråd per tidsenhet. Ett stort antal experimentella studier har funnit att det finns ett icke-linjärt samband mellan tillsatsmängden kromjärnpulver med hög kolhalt och avsättningseffektivitet. När tillsatsmängden är liten har kromjärnpulver med hög kolhalt liten effekt på avsättningseffektiviteten. Med ökningen av tillsatsmängden kommer avsättningseffektiviteten gradvis att förbättras eftersom vissa element i kromjärnpulver med hög kolhalt kan förbättra smältbadets flytförmåga och främja smältning och avsättning av svetstråden. Men när tillsatsmängden överstiger ett visst tröskelvärde kommer avsättningseffektiviteten att börja minska. Detta beror på att kromjärnpulver med hög kolhalt har en hög densitet; överdriven tillsats kommer att sakta ner svetstrådens smälthastighet. Samtidigt kommer bildandet av överdrivna karbidfaser att öka viskositeten hos smältbadet, vilket hindrar flödet och formningen av den avsatta metallen. Därför är det nödvändigt att bestämma det optimala tillsatsintervallet för kromjärnpulver med hög kolhalt genom optimeringsexperiment för att säkerställa slitstyrkan hos den avsatta metallen samtidigt som man tar hänsyn till hög avsättningseffektivitet.
2.2.2 Evolutionslagen för slitstyrka hos avsatt metall med olika tillsatsmängder
Slitstyrkan hos deponerad metall visar en tydlig utvecklingslag med olika tillsatta mängder kromjärnpulver med hög kolhalt. Testresultat visar att med ökningen av tillsatt mängd kromjärnpulver med hög kolhalt ökar antalet karbidfaser i den deponerade metallen gradvis, och hårdheten och slitstyrkan ökar också i enlighet därmed. När tillsatsmängden når ett visst värde når hårdheten och slitstyrkan hos den deponerade metallen sin topp. Om tillsatsmängden fortsätter att öka kommer hårdheten och slitstyrkan hos den deponerade metallen inte att förbättras utan istället minska, och segheten kommer också att minska avsevärt. Detta beror på att när tillsatsmängden är för hög är antalet karbidfaser för stort, vilket leder till aggregering och segregering, vilket resulterar i en ojämn mikrostruktur hos den deponerade metallen och lokal spänningskoncentration. Under slitageprocessen är sprickor benägna att uppstå, vilket accelererar slitagebrott. Dessutom kommer för stora karbidfaser också att minska svetsprocessprestandan hos den deponerade metallen och öka risken för svetssprickor. Därför är det viktigt att bestämma den optimala tillsatta mängden kromjärnpulver med hög kolhalt genom experiment för att uppnå en balans mellan slitstyrkan och de övergripande mekaniska egenskaperna hos den deponerade metallen.
2.3 Teknik för kompatibilitetsreglering mellan kolhaltigt kromjärnpulver och andra komponenter i svetstråd
Kompatibiliteten mellan kromjärnpulver med hög kolhalt och andra komponenter i svetstråd (såsom matrismetall, andra legeringselement, slaggbildare, deoxidationsmedel etc.) påverkar direkt svetstrådens svetsprocessprestanda och den avsatta metallens prestanda. Därför måste effektiva regleringstekniker användas för att säkerställa god kompatibilitet. För det första är det, när det gäller komponentval, nödvändigt att rimligt välja andra komponenter i enlighet med den kemiska sammansättningen och de fysikaliska egenskaperna hos kromjärnpulver med hög kolhalt. Till exempel kan val av ferromangan, ferrokisel etc. med god deoxidationsförmåga eftersom deoxidationsmedel effektivt avlägsna syre i smältbadet, undvika bildandet av oxider mellan syre och krom och förhindra påverkan på bildandet av karbidfaser. Att välja lämpliga slaggbildare kan säkerställa bildandet av bra slagg under svetsprocessen, skydda smältbadet och svetssömmen och minska genereringen av defekter. För det andra, när det gäller reglering av förhållandet, är det nödvändigt att optimera andelen av varje komponent genom experiment för att undvika kompatibilitetsproblem orsakade av överdrivna eller otillräckliga mängder av en viss komponent. Till exempel kan en alltför hög andel slaggbildare leda till överskott av slagg, vilket påverkar bildandet av den avsatta metallen; en otillräcklig andel deoxidationsmedel kan inte effektivt avlägsna skadliga element. Dessutom kan interaktionen mellan olika komponenter förbättras och kompatibiliteten förbättras genom att tillsätta en lämplig mängd förlegeringar eller sällsynta jordartsmetaller. Sällsynta jordartsmetaller har goda renings- och modifieringseffekter, vilket kan förfina korn, förbättra fördelningen av karbidfaser, öka bindningskraften mellan olika komponenter och förbättra svetstrådens övergripande prestanda.