Tecnologia di base del filo di saldatura resistente all'usura: come la polvere di ferro e cromo ad alto tenore di carbonio migliora la resistenza all'usura
I. Analisi dei principali fattori che influenzano la resistenza all'usura del filo di saldatura resistente all'usura
1.1 Composizione e microstruttura del materiale della matrice del filo di saldatura
Il materiale della matrice del filo per saldatura è il fondamento del filo per saldatura resistente all'usura e la sua composizione chimica e microstruttura esercitano un impatto fondamentale sulla resistenza all'usura del metallo depositato. Dal punto di vista della composizione chimica, elementi come carbonio, manganese e silicio presenti nella matrice non solo influenzano le prestazioni del processo di saldatura del filo per saldatura, ma interagiscono anche con gli elementi del materiale di rinforzo per regolare la formazione e la distribuzione delle fasi di rinforzo nel metallo depositato. Ad esempio, il carbonio può formare carburi con elementi come cromo e tungsteno, mentre il manganese può migliorare la fluidità del bagno fuso e la compattezza dei giunti saldati. In termini di microstruttura, la granulometria e la composizione delle fasi della matrice determinano direttamente le proprietà meccaniche iniziali del metallo depositato. Un materiale della matrice con una struttura a grana fine presenta in genere maggiore resistenza e tenacità, fornendo un eccellente supporto per la distribuzione uniforme delle fasi di rinforzo. Inoltre, la proporzione di fasi come perlite e ferrite nella matrice influisce anche sulla durezza e sulla resistenza all'usura del metallo depositato. La regolazione razionale della microstruttura della matrice è una base importante per migliorare la resistenza all'usura.
1.2 Tipi e regole di distribuzione delle fasi di rinforzo della lega
Le fasi di rinforzo della lega sono gli elementi fondamentali per migliorare la resistenza all'usura del filo di saldatura antiusura, e il loro tipo, quantità, dimensione e stato di distribuzione determinano direttamente l'effetto del miglioramento della resistenza all'usura. Nel metallo depositato del filo di saldatura antiusura, le fasi di rinforzo della lega più comuni includono principalmente carburi, nitruri, boruri, ecc. Tra queste, le fasi di carburo sono ampiamente utilizzate grazie alla loro elevata durezza e stabilità. Diversi tipi di fasi di carburo presentano durezza e stabilità diverse. Ad esempio, la durezza del Cr₇C₃ raggiunge i 1800-2200 HV, un valore molto più elevato di quello del materiale della matrice, esercitando un effetto significativo sul miglioramento della resistenza all'usura. Inoltre, anche la regola di distribuzione delle fasi di rinforzo della lega è fondamentale. Fasi di rinforzo uniformemente distribuite possono ostacolare più efficacemente il movimento delle particelle abrasive ed evitare un'eccessiva usura locale. Al contrario, l'aggregazione e la segregazione delle fasi di rinforzo porteranno a prestazioni non uniformi del metallo depositato, riducendone la resistenza all'usura e la tenacità. Pertanto, la selezione razionale del tipo di fasi di rinforzo della lega e la regolazione della loro distribuzione uniforme attraverso mezzi tecnici sono elementi chiave per migliorare la resistenza all'usura del filo di saldatura resistente all'usura.
1.3 Meccanismo di regolazione del processo di saldatura sulla resistenza all'usura del metallo depositato
Il processo di saldatura è una procedura chiave che collega il filo di saldatura al materiale della matrice e forma il metallo depositato. I suoi parametri di processo (come corrente di saldatura, tensione, velocità di saldatura, tipo di gas di protezione, ecc.) svolgono un importante ruolo regolatore nella composizione chimica, nella microstruttura e nella resistenza all'usura del metallo depositato. L'entità della corrente e della tensione di saldatura influenza direttamente l'apporto termico di saldatura, che a sua volta influenza la temperatura e la velocità di raffreddamento del bagno di fusione. Un apporto termico maggiore aumenterà la temperatura del bagno di fusione, causerà un ingrossamento dei grani del metallo depositato e un'eccessiva dissoluzione delle fasi di rinforzo, riducendone così la durezza e la resistenza all'usura. D'altra parte, un apporto termico inferiore può portare a una saldatura insufficiente, con conseguenti difetti come penetrazione incompleta e inclusione di scorie, che influiscono anche sulle prestazioni del metallo depositato. La velocità di saldatura influisce sulla qualità di formatura e sulla velocità di raffreddamento del metallo depositato; una velocità di saldatura ragionevole può garantire che il metallo depositato abbia uno spessore uniforme e una struttura densa. Il tipo e la portata del gas di protezione sono utilizzati principalmente per prevenire l'ossidazione del bagno di fusione, garantire la stabilità del processo di saldatura ed evitare effetti negativi dei prodotti di ossidazione sulle prestazioni del metallo depositato. Pertanto, l'ottimizzazione dei parametri del processo di saldatura per ottenere una regolazione precisa della microstruttura del metallo depositato è un'importante garanzia per migliorare la resistenza all'usura del filo di saldatura antiusura.
1.4 Indicatori di valutazione di base e metodi di prova standardizzati per la resistenza all'usura
Una valutazione accurata della resistenza all'usura del filo per saldatura resistente all'usura è la base per promuovere la ricerca, lo sviluppo e l'applicazione tecnologica. Attualmente, nel settore sono stati sviluppati una serie di indicatori di valutazione fondamentali e metodi di prova standardizzati. Gli indicatori di valutazione fondamentali includono principalmente durezza, perdita per usura, resistenza all'usura relativa, ecc. La durezza è un indice importante per misurare la resistenza del materiale alla deformazione locale e all'usura, solitamente misurata con i metodi di durezza Brinell (HB), Rockwell (HRC) o Vickers (HV). Il metallo depositato con elevata durezza presenta generalmente una migliore resistenza all'usura. La perdita per usura si riferisce alla perdita di massa o di volume del materiale in determinate condizioni di usura; minore è la perdita per usura, migliore è la resistenza all'usura del materiale. La resistenza all'usura relativa si ottiene confrontando la perdita per usura del materiale testato con quella del materiale standard, che può riflettere in modo più intuitivo i vantaggi in termini di resistenza all'usura del materiale testato. I metodi di prova standardizzati includono principalmente prove di usura abrasiva, prove di usura da impatto, prove di usura da scorrimento, ecc. Diversi metodi di prova simulano diverse condizioni di usura, consentendo una valutazione completa della resistenza all'usura del filo di saldatura resistente all'usura in diverse condizioni di servizio. Ad esempio, la prova di usura abrasiva simula principalmente le condizioni di lavoro di macchinari per l'industria mineraria sottoposti a taglio abrasivo, mentre la prova di usura da impatto simula le condizioni di lavoro di macchinari per l'ingegneria sottoposti all'azione combinata di impatto e usura. Attraverso metodi di prova standardizzati e indicatori di valutazione, è possibile fornire un supporto di dati oggettivo e accurato per il confronto delle prestazioni e la ricerca e lo sviluppo tecnologico del filo di saldatura resistente all'usura.
II. Processo di preparazione e tecnologia di adattamento della polvere di ferro e cromo ad alto tenore di carbonio nel filo di saldatura resistente all'usura
2.1 Ottimizzazione del processo di preparazione del filo di saldatura resistente all'usura e metodo di aggiunta di polvere di ferro e cromo ad alto tenore di carbonio
2.1.1 Progettazione del rapporto e processo di miscelazione uniforme della polvere di ferro e cromo ad alto tenore di carbonio nel filo di saldatura animato
Il filo animato per saldatura è uno dei vettori più utilizzati per la polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio. Nel processo di preparazione, la progettazione del rapporto e il processo di miscelazione uniforme della polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio sono fondamentali per garantire le prestazioni del filo per saldatura. In termini di progettazione del rapporto, è necessario determinare ragionevolmente la proporzione di polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio e di altri componenti (come polvere di ferro, ferromanganese, ferrosilicio, grafite, formatori di scorie, ecc.) in base alla resistenza all'usura desiderata, alle prestazioni del processo di saldatura e ai requisiti generali delle proprietà meccaniche del filo per saldatura. Se la proporzione di polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio è troppo bassa, si formeranno fasi di carburo insufficienti e l'effetto rinforzante sarà insignificante. Se la proporzione è troppo alta, la tenacità del metallo depositato diminuirà, la suscettibilità alle cricche di saldatura aumenterà e anche i costi aumenteranno. In generale, è ragionevole controllare la proporzione di polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio nel filo per saldatura animato tra il 20% e il 40%. In termini di processo di miscelazione uniforme, per garantire la distribuzione uniforme della polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio all'interno del nucleo del flusso, è necessario adottare apparecchiature di miscelazione efficienti e processi di miscelazione ragionevoli. Attualmente, le apparecchiature di miscelazione comunemente utilizzate includono miscelatori conici e miscelatori a doppia elica. Durante il processo di miscelazione, parametri come il tempo di miscelazione e la velocità di rotazione devono essere controllati per evitare una miscelazione irregolare o l'agglomerazione delle particelle. Inoltre, prima della miscelazione, la polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio e gli altri componenti devono essere essiccati per rimuovere umidità e impurità, garantendo la qualità della miscelazione e le prestazioni del processo di saldatura del filo.
2.1.2 Tecnologia di preparazione del rivestimento in polvere di ferro cromo ad alto tenore di carbonio sulla superficie del filo di saldatura solido
Oltre al filo animato per saldatura, anche il rivestimento della superficie del filo pieno per saldatura con un rivestimento contenente polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio è un'importante forma di applicazione della polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio. Il fulcro di questa tecnologia di preparazione consiste nel miscelare polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio con leganti e altri elementi di lega per preparare materiali di rivestimento attraverso determinati mezzi tecnologici, ricoprirli uniformemente sulla superficie del filo pieno per saldatura e formare un rivestimento con un certo spessore e resistenza dopo l'essiccazione e la polimerizzazione. La chiave di questa tecnologia risiede nella progettazione della formula dei materiali di rivestimento e nell'ottimizzazione dei processi di rivestimento. Nella formula del materiale di rivestimento, il contenuto di polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio deve essere ragionevolmente regolato in base alle prestazioni desiderate. Il legante deve avere una buona forza di adesione e stabilità alle alte temperature per garantire che il rivestimento non si stacchi o si decomponga durante il processo di saldatura. Per quanto riguarda i processi di rivestimento, i metodi più comuni includono il rivestimento per immersione, il rivestimento a spruzzo, il rivestimento a rullo, ecc. Il metodo di rivestimento per immersione presenta i vantaggi di un processo semplice e a basso costo, ma di una scarsa uniformità dello spessore del rivestimento. Il metodo di rivestimento a spruzzo consente di ottenere uno spessore uniforme, ma presenta costi di attrezzatura elevati. Il metodo di rivestimento a rullo combina i vantaggi di un processo semplice e di uno spessore uniforme, ed è quindi ampiamente utilizzato. Inoltre, anche i processi di essiccazione e polimerizzazione del rivestimento sono cruciali; temperatura e tempo devono essere controllati per garantire al rivestimento una buona resistenza e stabilità ed evitare difetti durante il processo di saldatura.
2.2 Studio sperimentale sull'ottimizzazione della quantità di aggiunta di polvere di ferro e cromo ad alto tenore di carbonio
2.2.1 Influenza della quantità aggiunta sull'efficienza di deposizione del filo di saldatura
La quantità aggiunta di polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio non solo influisce sulla resistenza all'usura del metallo depositato, ma ha anche un impatto significativo sull'efficienza di deposizione del filo di saldatura. L'efficienza di deposizione è un indice importante per misurare le prestazioni di saldatura del filo di saldatura, e si riferisce al rapporto tra la massa di metallo depositato e la massa di filo di saldatura consumato per unità di tempo. Numerosi studi sperimentali hanno dimostrato che esiste una relazione non lineare tra la quantità aggiunta di polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio e l'efficienza di deposizione. Quando la quantità aggiunta è piccola, la polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio ha scarso effetto sull'efficienza di deposizione. Con l'aumento della quantità aggiunta, l'efficienza di deposizione migliorerà gradualmente poiché alcuni elementi presenti nella polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio possono migliorare la fluidità del bagno fuso e favorire la fusione e la deposizione del filo di saldatura. Tuttavia, quando la quantità aggiunta supera una certa soglia, l'efficienza di deposizione inizierà a diminuire. Questo perché la polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio ha un'elevata densità; un'aggiunta eccessiva rallenterà la velocità di fusione del filo di saldatura. Nel frattempo, la formazione di fasi di carburo eccessive aumenterà la viscosità del bagno fuso, ostacolando il flusso e la formazione del metallo depositato. Pertanto, è necessario determinare l'intervallo ottimale di aggiunta di polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio attraverso esperimenti di ottimizzazione per garantire la resistenza all'usura del metallo depositato, tenendo conto al contempo di un'elevata efficienza di deposizione.
2.2.2 Legge di evoluzione della resistenza all'usura del metallo depositato con diverse quantità di aggiunta
La resistenza all'usura del metallo depositato mostra un'evidente legge evolutiva con diverse quantità di aggiunta di polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio. I risultati dei test mostrano che con l'aumento della quantità di aggiunta di polvere di cromo e ferro ad alto tenore di carbonio, il numero di fasi di carburo nel metallo depositato aumenta gradualmente e, di conseguenza, anche la durezza e la resistenza all'usura aumentano. Quando la quantità di aggiunta raggiunge un certo valore, la durezza e la resistenza all'usura del metallo depositato raggiungono il picco. Se la quantità di aggiunta continua ad aumentare, la durezza e la resistenza all'usura del metallo depositato non miglioreranno, ma diminuiranno, e anche la tenacità diminuirà significativamente. Questo perché quando la quantità di aggiunta è troppo elevata, il numero di fasi di carburo è eccessivo, portando ad aggregazione e segregazione, che si traducono in una microstruttura irregolare del metallo depositato e concentrazione di stress locale. Durante il processo di usura, è probabile che si verifichino cricche, accelerando il cedimento per usura. Inoltre, un numero eccessivo di fasi di carburo ridurrà anche le prestazioni del processo di saldatura del metallo depositato e aumenterà il rischio di cricche di saldatura. Pertanto, determinare la quantità ottimale di polvere di ferro e cromo ad alto tenore di carbonio mediante esperimenti è la chiave per raggiungere un equilibrio tra la resistenza all'usura e le proprietà meccaniche complessive del metallo depositato.
2.3 Tecnologia di regolazione della compatibilità tra polvere di ferro cromo ad alto tenore di carbonio e altri componenti del filo di saldatura
La compatibilità tra la polvere di ferro-cromo ad alto tenore di carbonio e altri componenti del filo di saldatura (come il metallo della matrice, altri elementi di lega, formatori di scoria, disossidanti, ecc.) influisce direttamente sulle prestazioni del processo di saldatura del filo e sulle prestazioni del metallo depositato. Pertanto, è necessario adottare tecnologie di regolazione efficaci per garantire una buona compatibilità. In primo luogo, in termini di selezione dei componenti, è necessario selezionare ragionevolmente altri componenti in base alla composizione chimica e alle proprietà fisiche della polvere di ferro-cromo ad alto tenore di carbonio. Ad esempio, è consigliabile selezionare ferromanganese, ferrosilicio, ecc. con una buona capacità di disossidazione, poiché i disossidanti possono rimuovere efficacemente l'ossigeno nel bagno di fusione, evitare la formazione di ossidi tra ossigeno e cromo e prevenire l'impatto sulla formazione di fasi di carburo. La selezione di formatori di scoria appropriati può garantire la formazione di scorie di buona qualità durante il processo di saldatura, proteggere il bagno di fusione e il cordone di saldatura e ridurre la generazione di difetti. In secondo luogo, in termini di regolazione del rapporto, è necessario ottimizzare la proporzione di ciascun componente attraverso esperimenti per evitare problemi di compatibilità causati da quantità eccessive o insufficienti di un determinato componente. Ad esempio, una percentuale eccessivamente elevata di formatori di scorie può portare a un eccesso di scorie, influenzando la formazione del metallo depositato; una percentuale insufficiente di disossidanti non può rimuovere efficacemente gli elementi nocivi. Inoltre, l'interazione tra i vari componenti può essere migliorata e la compatibilità può essere aumentata aggiungendo una quantità appropriata di leghe madri o elementi di terre rare. Gli elementi di terre rare hanno buoni effetti di purificazione e modifica, che possono raffinare i grani, migliorare la distribuzione delle fasi di carburo, aumentare la forza di legame tra i vari componenti e migliorare le prestazioni complessive del filo di saldatura.