辊压机及磨辊堆焊要点.doc

第一部分 堆焊材料的磨损1.磨损的基本概念磨损是由摩擦引起的，在建材、冶金、矿山、电力、机械、国防以及航空、航天等等行业处处存在摩擦，处处都有磨损。材料磨损是两个以上的物体摩擦表面在法向力的作用下，相对运动及有关介质、环境温度的作用使其发生形状、尺寸、组织和性能变化的过程。从磨损的特征与结果分析，任何一种磨损都发生在物体的工作表面上，但不仅物体表面宏观发生变化，而且物体微观组织结构及其性能也会发生变化。从物理与化学观点分析，磨损是发生在两物体相对运动的表面，而且是在很薄的一层工作表面上，在磨损过程中一个重要的特征是机械能转变为热能，加热与冷却都以非常快的速度进行，物体表面具有相当大的活性和相当高的自由能，材料表面与亚表面的组织与性能同内部是不一样的。对固体金属来说，当温度低时，原子活动较弱，低温变形后，表面的原子数将不会有多大变化，而在高的温度下，表面原子的活动能力增强，因此，材料的结构可能会出现某种程度的调整与改变，结果使金属性质和能量发生变化。材料表面原子会与环境（介质）发生相互作用，产生物理吸附、化学吸附或化学反应，使材料表面可能产生加工硬化层或者形成表面织构，将会影响材料的磨损过程。可以说磨损是一个动态过程。从原子与作用力分析，由于相互接触的两物体表面，其中一物体表面的原子能与另一物体表面的原子极靠近，甚至进入斥力场，在相对运动时，两表面分子就会产生能量损耗。在相对运动中将有些原子进入斥力场，而有另一些原子将离开斥力场，其变化大小，决定于接触程度，而其定量数决定于统计学的相率。当两物体充分接近时，原子将被排斥而其自然的趋向是回到它原来的位置上去，然而这是个似乎不可能的假说，即原子可能被撞击出，并运动得足够远，以至进入相对表面上另一个原子场内，在这里得到新的平衡位置。也就是说原子可以从一个物体表面上被对面的另一个物体表面俘获去。按汤姆林逊的著作，这就是磨损的实质。不管如何定义磨损，材料的磨损必然包括三大要素：1、材料的表面特征；2、另一物质（液体、气体和固体）的接触特性，即接触方式、力的传递和表面变形等；3、相对运动。磨损是一个广泛的领域，可以说每一种磨损都有几种性质不同、互不相关的机理存在，因此在分类上也常出现混乱现象。常见的分类方法见图所示。磨 损 分 类 图2.磨粒磨损的分类在这些类型的磨损中，磨料磨损最为普遍存在，约占各种磨损的50%，粘着磨损次之，约占15%，腐蚀磨损约占8%。划伤式磨损又称低应力磨粒磨损，碾压式磨料磨损又称高应力磨粒磨损。辊压机和煤、立磨的表面磨损均属于高应力磨粒磨损范围。磨粒磨损按磨损表面的数量可分为两体磨损和三体磨损。两体磨损特点是硬质颗粒直接作用于被磨材料的表面上。三体磨损的特点是硬质颗粒处于两个被磨表面之间。显然辊压机和立磨的磨损属于三体磨损。磨粒磨损按金属硬度又可分为硬磨料磨损和软磨料磨损。硬磨料磨损条件是金属表面硬度Hm/磨料硬度Ha0.8；软磨料磨损条件是金属表面硬度Hm/磨料硬度Ha0.8，在实际应用场合Hm/Ha远大于1的情况下，磨损仍然会发生。因此，我们可以知道辊压机和立磨的磨损显然属于软磨料磨损范围。3.磨粒磨损基本模型与原理3.1磨粒磨损简化模型目前，普遍采用拉宾诺维奇（Rabinowicz）提出的磨粒磨损简化模型来讨论磨粒磨损问题。见下图3-1，并导出定量计算公式。 磨料磨损的简化模型模型计算假设条件：a磨粒磨损中的磨料为圆锥体；b被磨材料为不产生任何变形的刚体；c磨损过程为滑动过程。磨粒在载荷P的作用下，被压入较软的金属材料中，并在切向力作用下沿较软的金属表面滑动距离为L，犁出一道沟，其深度为t。那么单位滑动距离磨损掉的金属材料体积，即被迁移的沟槽体积（阴影部分），用下式可以算出，即 式中 V磨损掉的体积，mm3； r 磨粒圆锥体的半径，mm； t 磨粒压入金属材料的深度，mm； L滑动距离，mm。可以得出 V/L=rt因为磨料压入金属材料内的深度，取决于压力的大小和材料硬度的比值，所以 t=rctg r2=P/H 代入上式式中 磨粒圆锥体夹角； P法向载荷，N； H金属材料的硬度,MPa；得到： V/L=P/Hctg令磨料磨损系数 Kabr= ctg/则 V/L= KabrP/H V= Kabr此式表明，在一定磨料条件下，单位距离内磨损体积与外加载荷和滑动距离成正比，而与材料的硬度成反比，并且可以显然看出“”角越小，即磨粒越尖锐，磨损越严重。在上面的方程中的磨损系数Kabr为理论值，仅考虑到磨粒的形状系数，并且假定所有的磨料都参加切削、犁出的沟槽体积全部成为切屑。实际上，在磨损过程中所发生的现象是十分复杂的，包括外部载荷，施力情况，磨粒硬度、相对运动、迎角与环境以及材料的组织和性能等等，磨损系数应该是上面的几何因数ctg/与比例常数的乘积，实际比例常数是在所有磨粒中能产生磨损碎屑的比例分数。对于三体磨损时，磨粒大约有90%的时间处于滚动而不发生磨损，只有10%的时间是在滑动并磨损表面。在辊压机与立磨的比较中，辊压机的实际比例常数由于物料破碎后形成的磨粒尖角更加尖锐，磨损系数要大于立磨的比例常数，当物料中石英砂的比例（SiO2）的比例高时，磨粒中能产生磨损碎屑的比例分数明显变大，因此磨料磨损系数大。这也就是含硅高的矿石和熟料更难磨，堆焊耐磨层磨损快的根本原因。3.2磨粒磨损机理3.2.1微观切削磨损机理磨粒在材料表面的作用力分为法向力和切向力两个分力。法向力使磨粒压入表面；切向力使磨粒向前推进，当磨粒形状与运动方向适当时，磨粒如同刀具一样，在表面进行切削而形成切屑。当然这种切屑的宽度和深度都很小，因此切削也很小，所以称之为微观切削。切削磨损占整个磨损的比例很大，但总的看切削的概率不是很大。其原因是：a磨粒形状较圆钝；b在犁沟过程中磨粒的棱角不是棱边对着运动方向；c磨粒和被磨表面之间的夹角（迎角）太小；d表面材料塑性很高。在这种情况下，磨粒在表面滑过后，往往只能犁出一条沟来，而把材料推向两边和前面，不能切出切屑（即只发生塑性变形，而不产生切屑）。特别是松散的磨粒，大致有90%磨粒发生滚动接触，只能压出印痕，而形成犁沟的概率只有10%，这样切削的可能性就更小了。所以说微观切削是一种常见的磨损机理，但是概率又是不大的机理。3.2.2多次塑变磨损机理在磨粒磨损中，当磨粒滑过被磨材料表面时，除了切削以外，大部分把材料推向两边或边缘，这些材料的塑性变形很大，但却没能脱离母体，在沟底及沟槽附近的材料也有较大的变形。对于那些未切削而堆积到两侧的塑性变形金属称为犁皱。受到随后的磨粒作用时，可能把已堆积的材料压平，也可能使已变形的沟底材料遭受再一次的犁皱变形，如此反复塑变，导致材料产生加工硬化或其他强化作用最终剥落而成为磨屑。这种形式的磨粒磨损在辊压机辊面、球磨机的磨球和衬板、颚式破碎机的齿板以及圆锥式破碎机的壁上所造成的磨损最具有典型性。当磨粒的硬度超过零件表面材料的硬度时，在冲击力的作用下，磨料压入材料表面，使材料发生塑性流动，形成凹坑及其周围的凸缘。当第二颗磨粒再压入凹坑及其周围的凸缘时，又重复发生塑性流动，如此反复塑性变形和加工硬化，终于使材料逐渐硬化而脆性剥落以致成为切屑。从微观的角度看来，就是材料多次塑性变形引起材料的晶格畸变，当积累到一定程度，有些截面（当外力不变时）由于应力增长（或集中）而逐渐丧失塑性并转变为脆性状态，在冲击力的作用下裂断成磨屑。对于辊压机的辊面和大部分的磨粒磨损均属于多次塑变磨损。磨损表面图3.2.3疲劳磨损机理疲劳磨损是由重复作用应力循环引起的一种特殊破坏形式，这种应力循环的应力幅不超过材料的弹性极限。疲劳磨损是因表面层微观组织受到周期载荷作用而产生的。其特征是材料在强化过程发展的同时，过程的速度主要取决于周围的介质及其对强化的作用。标准疲劳过程常有发展的潜伏期，在此期间内表面不出现任何破坏层，材料外部发生硬化而不会发生亚微观破坏。当进一步发展时，在合金层表面出现硬化的滑移塑变层和裂纹。近年来发现材料在超过弹性极限的周期性重复应力作用下有破坏现象，称为低周疲劳磨损，扩大了疲劳磨损的概念。辊压机辊面的磨损有一部分应该划入疲劳磨损的范畴。从破坏后的工件表面来看，是很难区分疲劳磨损和多次塑变磨损的。他们的破坏形式和条件等都在不断地讨论之中。3.2.4微观断裂磨损机理磨损时磨粒压入被磨表面而具有静压的压力状态，所以多数材料都会发生塑性变形。但有些材料尤其是脆性材料，可能是断裂机理占主要地位。当断裂发生时，压痕周围的材料都要被磨损剥落。脆性材料的压痕断裂，其外部条件决定于载荷大小、磨粒的形状和尺寸以及周围环境等，其内部条件主要决定于材料的硬度和断裂韧性等。在磨损过程中，磨粒如果近似看成球形，当颗粒的曲率半径很小，常会变成弹-塑性变形，不会产生微观断裂磨损，当颗粒的曲率半径很大，即压头比较尖锐时，压痕未达到临界尺寸，不会发生断裂，产生多次塑变磨损和疲劳磨损，而这个临界尺寸随着材料硬度的降低和断裂韧性的提高而增大。环境对脆性断裂磨损有影响，在SiO2磨料作用下，若有水和酸性溶液存在，会使断裂增多。在软磨料磨损条件下，一般不会产生微观断裂磨损。3.3辊压机及立磨磨损分析对于辊压机来说，其辊面除了保证耐磨以外，更多的是要考虑抗疲劳剥落能力（这在本文的后面会分析），因此辊压机辊面的材料必须有好的塑韧性。辊压机的耐磨性主要是依靠条纹层来保证的。其磨损过程与立磨辊面和耐磨复合板的过程基本相似。对于以上工件来说，其破碎和承受的磨损物料主要是生料（石灰石，CaCO3）及其高温煅烧后的熟料。前面提到辊压机和立磨的磨损都属于软磨料磨损。这是根据物料和耐磨表面硬度决定的。下表列出了相关的物料的硬度值，由于不同物料采用的硬度标准不同，根据对照表进行了换算，可能会略有偏差，但不会很大。物料莫氏硬度H显微硬度Hv（Kg/mm2，载荷100g）洛氏硬度HRc石灰石3172-熟料4.5-4.9500-60049-54石英（SiO2）71120-刚玉（AI2O3）92100-辊压机耐磨层基体5.161556YSD-M焊丝熔敷金属基体5.574262YSD-S（含Nb）焊丝熔敷金属基体6.2950（由于碳化物太小，无法完全打到基体）-YSD-145（含W、Mo、V、Nb）焊丝熔敷金属基体7.11150（由于碳化物太小，无法完全打到基体）碳化铬Cr7C38.51500-碳化铌NbC9-9.42400-碳化钒VC9.4-9.62800-碳化钨WC9-9.42400-碳化钼Mo2C8.5-8.81700-YSD-M焊丝熔敷金属碳化物8.5-8.61590-1780YSD-S焊丝熔敷金属碳化物8.91785-2000YSD-145焊丝熔敷金属碳化物8.8-9.21900-2290HRc最大可以打到68，相当于Hv940；最小可以打到20.5，相当于Hv241附注：相关的硬度表示方法莫氏硬度 表示矿物硬度的一种标准。1812年由德国矿物学家莫斯(Frederich Mohs)首先提出。应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕，用测得的划痕的深度分十级来表示硬度。硬度值并非绝对硬度值，而是按硬度的顺序表示的值。测定矿物相对硬度的10种标准矿物由小到大分为10级：滑石1，石膏2，方解石3，萤石4，磷灰石5，正长石6，石英7，黄玉8，刚玉9，金刚石10。人的手指甲莫氏硬度大约是2.5，皮肤大概是1.5，黄金大概是2.5-3，铂金大概是4-4.5，纯铁是4-5，玻璃5.5，牙齿6-7，铬和钨钢约9，目前已合成出大于10，即比天然金刚石还要硬的聚合纳米钻石。维氏硬度 表示材料硬度的一种标准。由英国科学家维克斯首先提出。以49.03980.7N的负荷,将相对面夹角为136的方锥形金刚石压入器压材料表面,保持规定时间后，用测量压痕对角线长度，再按公式来计算硬度的大小。他表示绝对硬度。单位是Kg/mm2。洛氏硬度 洛氏硬度试验是现今最通用的普通压痕硬度试验之一，分为A、B、C三种标准，通用的是HRc，采用球锥菱形压头，初始压力98.07N(合10kgf)，加压后的力是1471N(合150kgf)，最后根据压痕深度计算硬度值。洛氏硬度没有单位，是一个无纲量的力学性能指标。显然，无论是对于单一生料石灰石，还是单一熟料这些物料来说，辊压机耐磨层、条纹层以及磨辊堆焊层的宏观硬度（基体硬度）Hm远大于物料硬度Ha，即Hm/Ha远大于1，是典型的软磨料磨损。3.3.1由于碳化物与基体金属的硬度差，总是先磨损基体，然后再磨损或冲击掉碳化物，如此反复，最终完成堆焊层的磨损。 堆焊层磨损示意图首先减少物料中高硬度颗粒（如SiO2，AI2O3等）的比例，会减少磨损量。因为磨损是相对的，物料在犁铧金属表面的同时，其自身也发生磨损、破碎，对于石灰石和熟料这些软磨料来说，很快就会磨损、破碎，从而失去磨损条件。而对于高硬度颗粒来说，其显微硬度高，相对于堆焊层的基体已经进入硬磨料磨损的范围。这时，物料颗粒对于堆焊层基体犁铧的沟显然更深、更快、距离也更远。堆焊层的磨损量随着这些高硬度颗粒的比例增加而成级数增加。对于磨损颗粒的滑动运动来说，只要磨损条件不发生变化或者颗粒不发生磨耗，这样的多次塑变磨损将会以极快的磨损速度进行下去，直到工件被磨损破坏。为了更早的破坏磨损条件，降低磨损量，有必要在基体中设置阻碍颗粒滑动的障碍，因此对于这种磨损条件的工件其耐磨材料多选择高铬铸铁型合金体系作为堆焊材料。在这个合金体系的熔敷金属当中，含有大量的Cr7C3和其他的一次碳化物，其显微硬度可以达到Hv1500以上，会远高于磨料颗粒的硬度和基体硬度，磨料颗粒很难在其表面犁铧出沟来。所以，磨料颗粒在基体表面犁铧的过程中，当遇到碳化物的阻碍时，会在力的作用下发生滚动甚至破碎，从而脱离磨损条件和磨损表面。并且磨损表面上，碳化物的密度越大（即障碍物越多），磨料颗粒在基体表面犁铧的距离越短，磨损量也越小，因此，提高磨粒磨损寿命的第二个条件是提高堆焊层中碳化物的数量和密度，这在细颗粒磨损状态下更为突出，所以在这种工况下必须通过焊接工艺（如控温、急冷获得温度过冷度）或成分调整（获得成分过冷度）来使得基体中碳化物析出的更多，更细小、密集。大家都知道，在堆焊立磨时往往要控温和急冷，这是为了获得熔池结晶时的温度过冷度，在熔池结晶的过程中，一次碳化物的凝固析出温度（熔点）一般均在2000以上，远高于熔池的凝固温度（约1300）,从热动力学的角度来说，过冷度越大，一次碳化物析出的热动力越大，析出的速度、数量相应增加，而一次碳化物析出的数量越多，其在长大的过程中由于相互阻碍而最终会获得更细小而密集的碳化物分布（这建立在碳化物达到一定密度的基础上）。而对于单一的高C、Cr合金来说，由于Cr的碳化物Cr7C3熔点较低，接近熔池的凝固温度，因此必须要有相当的温度过冷度，否则一次碳化物析出的热动力不足，会严重影响碳化物的析出数量。而碳化物析出的数量少，另一个副作用就是单一碳化物长得体积过大，这样长出的碳化物比较脆，很容易发生脆断，从而影响耐磨寿命。为了弥补高C、Cr单一合金温度过冷的不足，总是在合金中加入必要的强碳化物形成元素，最常用的就是Zr和Nb，因为这两个元素的碳化物熔点即析出温度最高，因此可以大大提高熔池中碳化物的成分过冷度。也就是说在熔池3000以上时，就已经有Zr和Nb的碳化物析出了，并且这两种碳化物的体积有很大区别，如下图1400倍的组织照片才能清楚的看到Nb的一次碳化物，而50倍的显微组织就已经可以清楚的看到Cr的碳化物了。这些细小的碳化物会成为Cr碳化物形成的核心（即起到所谓的形核剂的作用），由于这些核心的存在，提高了Cr碳化物形成的热动力，Cr、C易在核心处富集，形成局部的成分饱和，在未达到Cr碳化物析出温度时就可以以形核剂为核心析出Cr碳化物，提高了Cr碳化物析出的温度，这就是成分过冷。并且形成的复合碳化物硬度更高。对耐磨损有利。通过过冷度的控制，可以得到细小、密集的碳化物来提高磨损寿命，当磨损颗粒接触到磨损表面时，由于碳化物足够细小、密集，颗粒体积会大于碳化物的间隙，同时有多个碳化物在阻碍颗粒犁铧，颗粒也就无法直接完全犁铧到基体金属，对于减少犁铧，提高磨损寿命有利，一般来说，水渣磨的磨损要比生料磨磨损快很多，一方面是磨损颗粒本身的硬度高，另一方面是水渣颗粒小，对堆焊层基体金属的犁铧更直接，因此磨损速度更快。煤、立磨物料出口的位置的磨辊磨损更严重，由于在负压的作用下，风选物料的细颗粒从这一磨辊的辊面滑过，必然要造成该磨辊磨损严重（另一个原因是物料的速度快，这在后面会提到）。 十字花型的Nb碳化物 1400 六棱柱型的Cr碳化物 50六棱柱型的Cr碳化物 350碳化物熔点硬度Hv碳化物熔点硬度HvTiC31403200NbC37302400ZrC35302600Cr7C319001500VC31002800Mo2C26901700WC28702400B4C27203700其次对于基体来说，主要产生的都是多次塑变磨损和疲劳磨损，因此，当磨损条件具备时（环境、压力、物料颗粒形态、咬入角、咬入速度等），颗粒在基体上犁出很多的沟，在相当数量的磨料颗粒重复作用下该处反复塑性变形和加工硬化，终于使材料逐渐硬化而脆性剥落以致成为切屑。犁出的沟的密度、深度和长度，决定了堆焊层的磨损量。对于硬度材料来说，沟的深度对于磨损量的影响远大于塑变次数的影响。因此，提高磨粒磨损寿命的第三个条件是，提高堆焊金属基体硬度，可以降低犁沟深度，因此可以减少磨损量，提高耐磨损寿命，对于单一的高C、Cr合金来说，其基体显微硬度是Hv750-950左右。最后，碳化物的自身韧性和生长方向对于磨损也是有很大影响的。由于堆焊层基体的显微硬度（Hv750-950左右）远低于碳化物的显微硬度（Hv1500以上），因此基体总是先被磨损，而碳化物不易被磨损，经过一段时间，碳化物在耐磨层表面的微观上成为很多的突起物，大家都知道以碳、铬为主生成的碳化物是六棱柱型，而当碳化物平行于磨损表面生长时，在基体磨损后很容易大部分突出于表面，在颗粒的撞击下，会发生脆断自动从基体表面剥落，失去障碍物的作用，对于磨损寿命提高的贡献有限。 平行于磨损面的碳化物表面剥落脆断 定向结晶的一次C、Cr化合物定向结晶抗磨损示意图当碳化物垂直于磨损表面生长时，碳化物深埋于基体中，不易从基体中脱落，只有基体磨损到相当深度，碳化物突起到一定高度时，在磨损颗粒的冲击作用下，而发生微观脆断磨损。这里涉及到两个问题，第一是碳化物的方向问题，应该说垂直于磨损表面并不是最佳方向，而近似于垂直方向的杂乱分布（要有足够密度）更有利于碳化物间相互支撑，且倾斜方向更有利于碳化物抵抗磨损颗粒冲击而不发生脆性断裂。对于提高磨损寿命有利。第二是碳化物自身的韧性、硬度。显然碳化物的硬度越高，其耐颗粒磨损的能力越强，其作为障碍物存在的时间越长，对提高耐磨寿命越有利；碳化物的韧性越高，其抗冲击脆断的能力越强，发挥磨损障碍物的时间、能力越强，对提高磨损寿命越有利，上表中列出的合金元素加入后，与C、Cr形成复合碳化物，比单一的C、Cr化合物硬度高，对提高碳化物的硬度都有利。但是，加入B、W会增加碳化物的体积，降低韧性，甚至碳化物本身受冲击后会产生微观裂纹，很少加入或很少大量加入；而加入其他的合金元素对于提高碳化物的硬度和韧性都有好处。 钨的碳化物体积较大且较脆 175 含硼的C、Cr化合物横截面微观裂纹 1400在这里插入一下辊压机破碎熟料和立磨破碎生料的区别，辊压机主要以挤压破碎为主，是将熟料挤压成料饼，起预破碎和预磨损的作用，粉磨成细粉水泥工作是由水泥球磨来完成的。而立磨则完全不同，对生料的挤压、破碎、粉磨均由立磨来完成，由于承担了细粉粉磨的工作，从上面的分析可以知道，因此虽然立磨的体积和有效耐磨层的厚度远大于辊压机，但是从磨损的角度来说，立磨的磨损更严重。辊压机只需要6-8mm的耐磨层加上4-8mm的条纹层就足够获得需要的耐磨能力了。3.3.2其他因素对耐磨性的影响除了合金体系本身的影响外，外在因素包括压力、环境、速度、物料硬度、物料体积）对磨损也有很大的影响。从上面的磨损数学模型可以知道，物料压力越大，磨损越严重。上面的分析已提到物料的硬度越高，体积越小、越尖锐，对堆焊层基体的犁铧和切削能力越强，磨损就会越严重。当物料中含有较高的水分和酸性液体时，由于增加了原子的活性，对于耐磨损不利。物料在堆焊层表面滑动的速度越快，自身携带的能量也越大，在滑动的过程中，通过犁铧磨损表面，大部分被消耗掉，动能转变为热能等其他能量，所以物料的速度越快，造成的磨损越严重，这是出料口处磨辊相对磨损更严重的另一个原因。环境温度对于磨损的影响很大，下表列出了不同合金成分在不同温度下的宏观硬度可以看出来当碳量较低时在温度升高到300以上后硬度下降的很快。从金属学原理的角度来说，高碳铬合金的室温基体是马氏体组织，在熔池凝固、冷却的过程中，面心立方的奥氏体向体心立方的马氏体转变，只有点阵的变化而无成分的变化，实际上就是原子的位置发生了变化，或者形象点说，立方点阵发生切变变形，而变为菱形。由于体心立方晶格体积较大，因此转变过程中，晶格的体积会膨胀，在均匀转变的过程中，所有的晶格都努力膨胀，又限制其他晶格的膨胀，然而随着温度的降低，原子的活度在急速的降低，因此无法自由顺畅的运动到自己应到的位置，最终，形成的体心立方晶格都是扭曲的、变形的，实际上残余应力很大一部分就是这样来的。由于晶格的扭曲变形，造成位错堆积等一系列后果，所以马氏体的硬度相当高。而反过来堆焊层金属在较高的温度下，原子的活度增加，体积膨胀给了马氏体晶格有序排列的基础，在足够的时间内，马氏体晶格会重新有序排列，变形、孪晶、位错大部分变小或消失，硬度自然就会下降，这也是高温消除残余应力的原理之一。当C含量增加到4.5以上时情况有所改善，但高温硬度降低的还是很严重，随着C含量的增加，奥氏体晶格数量也大为增加，奥氏体晶格的长大受到限制，C、Cr化合物数量增加，并固溶于奥氏体晶格内，在马氏体转变过程中增大了奥氏体和马氏体晶格的畸变，并且未溶的碳化物会阻碍奥氏体晶格长大。这些都会促进马氏体转变时晶格的扭曲、变形，同时阻碍温度升高时马氏体晶格的有序排列，自然对于抗高温有利。对于晶格的阻碍加入W、Mo、V、Nb等合金后情况明显改善，YSD-145焊丝的堆焊金属在500时硬度几乎没有下降。这是因为这些合金生成的化合物也就是合金碳化物，体积更小，在奥氏体中的溶解度更大，因此对于马氏体转变时增大了晶格的畸变，并且这些合金间的结合力非常大，即使在高温的作用下，也很难被分开，相互限制了活度，可以有效阻碍在高温时马氏体的有序排列，并且这些合金的加入增加了一次碳化物的密度、硬度和熔化温度，所以，在很高的温度下宏观硬度也下降不多。因此，在有一定温度的环境下工作的磨辊，堆焊材料中必须加入相当量的合金。合金主成分24硬度 HRc300硬度 HRc500硬度 HRcC2.5Cr25B2.5654531C3.5Cr25564630C5.2Cr28615032C5.2Cr28Mo1635745C5.2Cr28Nb7Mo5V3W1656361综上，对于承担耐磨作用的辊压机条纹和煤、立磨堆焊层来说，其合金体系选择的原则如下：1、 熔敷金属的基体必须有足够的硬度，也就是说堆焊层的宏观硬度要高于60以上；2、 熔敷金属中必须含有大量的高硬度一次碳化物，并足够细小；3、 通过合金成分及工艺控制使熔敷金属中的碳化物的生长方向要近似垂直于磨损表面；4、 一次碳化物的韧性要好，不能出现显微裂纹；5、 为了提高基体和一次碳化物的硬度、耐温能力和韧性，有必要在焊丝中添加W、Mo、V、Nb、Ti合金的一种或几种。第二部分 堆焊材料的疲劳1.辊压机的工作原理辊压机是水泥厂普遍采用的预粉磨系统，它由两个速度相同，作相对运动的辊子所组成，物料由上部喂入辊间的缝隙内，在双辊间受到挤压（挤压力一般认为可达300MPa），因而在辊压机两辊间的物料受到高压挤压研磨，变成为充满裂纹的扁平料饼，这个料饼应该用手可以碾碎。这些料饼中含有大量的细粉，其中小于90微米的可占30%，有约80%的物料小于2mm。物料在辊压机的辊缝间实现层压粉碎，大体经历以下三个阶段：1、满料密实阶段，当物料在重力和咬入力的组合作用下进入粉碎腔后，开始受到较小的压力作用，各颗粒因受压而相互靠紧、密实，故体积变化较大，随着辊子转动，推动物料前进，颗粒的密度增大，应力强度上升，由于两辊间隙越来越小，颗粒之间已有点接触变为面接触，有些颗粒开始沿解理面破碎，但这种破碎与寻常的破碎机基本相同。2、层压粉碎阶段，当密实的颗粒群继续向两辊的最小间隙处前进时，进一步密实为各种颗粒群构成的料层，由于其密实度增高，应力强度急剧增高，细颗粒会在高压的作用下填满颗粒间的间隙，导致颗粒之间的间隙趋向于零，这样在高应力作用下的层压过程中，颗粒之间存在着很高的应力，当应力升高到材料的压碎极限时，众多的颗粒便产生概率极高的粉碎行为或产生众多的微裂纹。此时的压力曲线的斜率变得很大。3、结团排料阶段，由于颗粒粉碎概率增高，已粉碎的众多细颗粒必然在高应力作用下向颗粒间隙处“流动”，重新排列自己的位置，物料体积也不断发生变化，个别“难碎的”大颗粒必然被众多的细颗粒所包围，此时粒间应力传递相当离散。颗粒重新排列的料层挤压到两辊最小间隙处时，料层密实度更高，有时甚至高达85%，于是产生了“结团”行为，这就是所谓的“料饼”。此时应力继续增大到极大值，压力曲线的斜率因粒间应力离散开始变小，直到变为零。此时料饼通过工作间隙处，以连续料饼的形态排出粉碎腔，进入打散设备。总之，挤压磨的层压粉碎作用经历了“密实-粉碎-结团”三个动态作用过程，各过程具有一定的交互性，不存在严格的界限。目前，对于辊缝间的的压力分布，很多研究者进行了实测和模拟分析，下面是两个分布图H为料高，P为压力，两个分布图基本相似。 前面已经提过，辊压机受到的磨损属于高应力的三体磨料磨损，其耐磨损的能力主要由条纹层来获得。实际上，除了磨损外，辊压机在使用中还有另一个常遇到的失效模式，就是辊面疲劳剥落。2.疲劳的基本概念对于立磨、辊压机等耐磨堆焊工件尤其是辊压机在使用过程中经常会出现表面剥落掉块的情况，深度和面积不定，这都属于疲劳破坏的范畴。疲劳破坏是机械零部件在循环变应力的作用下产生的，与在静压力的作用下的失效有本质区别。静强度失效，是由于零部件的危险截面中，产生过大的残余变形而失效或最终断裂。而疲劳破坏是由于在零部件的局部高应力区，较弱的晶粒在变应力的作用下形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展最终导致疲劳破坏。也就是说，在静强度计算中，所用的材料强度指标是屈服强度极限s和抗拉强度极限b，这是基本应力。而在疲劳强度计算中，所用的材料强度指标是疲劳极限强度r，计算的出发点是局部应力（或称峰值应力）。疲劳寿命 假设材料没有初始裂纹，经过一定的应力循环后，由于疲劳损伤的累积而形成裂纹。裂纹在应力循环下继续扩展，直至发生截面脆性断裂。裂纹形成前的应力循环次数，称为疲劳的无裂纹寿命，裂纹形成后直到疲劳断裂的应力循环次数称为疲劳的裂纹扩展寿命。前者的寿命原告于后者寿命，材料的总疲劳寿命为两者之和。疲劳极限 按国标GB/T4337-1984用一组试样进行疲劳试验，试样受“无数次”（超过107次）应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值，称为材料的疲劳极限。也称无限寿命疲劳强度。工程上常用-1表示。各种材料的疲劳极限应该用疲劳试验求得（下表列出了一些钢材的疲劳极限），当材料的疲劳极限没有给出时，人们根据目前已知的材料疲劳极限得出了一个经验公式：-1=0.5b 仔细观察这个疲劳极限表会发现一个有趣的问题。目前，所有的辊压机设计和研究使用者都知道，辊压机在正常使用情况下，其辊面所受到的挤压力范围是50-300MPa，一般情况下应该在200MPa左右，显然这个工作压力远低于辊压机常用的母体材料45钢、40Cr、30CrMo（b=800MPa，-1400MPa）、34CrNiMo（b=900MPa，-1450MPa）的疲劳极限，而辊压机的表面堆焊材料的疲劳极限更是远高于这个数值，以这个标准推论的话，辊压机只会发生磨损，不会发生疲劳剥落。而实际情况往往是在距辊面20-30mm的位置发生疲劳剥落。这一方面是条纹层的裂纹向下延伸，到达最大剪切应力的深度，而疲劳，另一方面就是在辊压机运行过程中出现意外情况而引起辊面压力在某处某时超过了材料的强度极限或在相当长的时间内超过了疲劳极限而使材料在最大剪切深度处产生了微裂纹。所以我们在辊压机运行的过程中必须要避免这种情况发生。如何避免在后面会谈到。高周疲劳 是指低应力、高循环周次的疲劳。其破坏应力常低于材料的屈服点，应力循环周次在105以上，交变应力幅是决定高周疲劳寿命的主要因素。是最常见的一种疲劳破坏模式。低周疲劳 是指高应力、低循环周次的疲劳。其工作应力接近或高于材料的屈服点，应力循环周次在104-105以下。每一次循环中材料均产生一定量的塑性应变，而且该交变的塑性应变在这种疲劳中起着主要作用，故又称塑性疲劳或应变疲劳。压力容器、飞机起落架等高应力水平的零件，常发生这种疲劳。3.疲劳破坏的过程疲劳破坏具有以下特征：1、疲劳裂纹都会经历裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展三个阶段。对于焊接结构，裂纹多起源于焊接接头表面几何不连续、引起应力集中的部位，如焊趾、弧坑、咬边、单面焊焊根未焊透、角变形或错边等。少数起源于接头内部较大的焊接缺陷，如气孔、夹渣、未熔合等。2、在疲劳断口上可以观察到裂纹源、光滑或贝壳状的疲劳裂纹扩展区和粗糙的瞬断区，见上图。根据断口特征，可以判断剥落的性质和原因。3、疲劳破坏具有突发性，疲劳裂纹的萌生和稳定扩展不易发现，失稳扩展（断裂，对于辊压机来说就是辊面的突然剥落掉块）是突然发生的，没有预兆，难以预防。辊压机的疲劳剥落是由循环变应力、拉应力、和塑性应变同时作用而造成的。循环变应力使裂纹形成，拉应力使裂纹扩展，塑性应变影响整个疲劳过程。如三者缺一，则疲劳不可能形成及扩展。有多种模型可以说明辊压机疲劳过程中裂纹延伸扩展的机理，这里介绍一个最为大家经常引用的“塑性钝化”模型。如图当辊压机辊面运行相当的时间后，在辊体的内部会产生若干微裂纹。当卸载时（即辊面自由状态）疲劳产生的微裂纹闭合，尖端处于尖锐状态。原始裂纹顶端曲率半径为0，裂纹顶点位置为A，载荷大小为0。开始加载时，即辊面接触物料，开始挤压，直至转到最小辊缝位置，在挤压过程中，随着应力上升，裂纹顶端先弹性张开，达到一定的应力时，裂纹张开和钝化达到e（材料常数：加载过程中，弹性钝化到塑性钝化的临界值），出现塑性变形，使裂纹尖端变钝，当应力上升到最大值，裂纹达到最大钝化max。在加载的时间内，裂纹钝化过程保持焦点O不变，裂纹顶端向前总的扩展量AC=max-0。当辊面转过最小辊缝后，其受到的压力急剧减少，裂纹受到的应力也迅速下降，由于裂纹顶端区域塑性残余张应变的影响，弹性区域向塑性区施加反向压应力，产生闭合效应，且无法恢复的单调塑性区内会出现一个较小的反转塑性区，反转塑性区内，裂纹顶端又发生了与拉伸时反向的弹塑性变形，并导致裂纹顶端重新变锐。通常大气环境中，裂纹尖端复锐时，多余的自由表面不能全部消失，从而形成条纹痕迹，见上图。裂纹一个应力循环周期内的实际扩展量是：a=（max-0）-（e-0）=max-e 如此反复的裂纹扩展，直到辊面失稳剥落。4.辊压机的疲劳失效分析对于正常运转的辊压机，其转速为20-25周/min，每转一周就是一个应力循环周次，即1200-1500周/h。一般来说3000h以内，不会出现局部的疲劳剥落，其应力循环周次大于3.6106，显然属于高周疲劳的范围。下图描绘了辊压机固定辊与活动辊以及之间物料的三体磨损系统。位于两辊间隙中的物料的流动，形成了具有不同磨损机制的两个系统，如图中的区域I(满料密实阶段)和区域II（层压粉碎阶段和结团排料阶段）。区域I内的辊面受到物料的低应力磨粒磨损，而区域内的辊面同时受到物料的挤压和磨损，属于高应力磨粒磨损。在区域内，辊面由于磨损失效或由于挤压剥落而失效，两者哪一个处于主导地位，主要取决于辊面承受物料的磨损能力和辊体承受周期性变化的挤压力即抗疲劳的能力。周期性变化的挤压力，使辊面发生了弹性变形，甚至塑性变形。在辊面下一定深度产生最大剪切应力，在该剪切应力的作用下，若辊体的疲劳强度低于疲劳剪切应力的最大值，则疲劳剪切应力最大值所处位置会产生疲劳裂纹，在疲劳剪切应力不断作用下，新产生的裂纹或在堆焊辊面过程中产生的原有裂纹不断扩展、增大，导致辊面的局部剥落，甚至大范围剥落，最终因挤压、磨损，辊面破坏严重而无法正常使用。所以对剪切应力最大值所处位置的探讨是有必要的。确定了位置即深度，可以在此处提高辊材或堆焊层的疲劳强度，就提高了挤压辊的抗疲劳剥落的寿命。那么最大剪切应力所处位置在辊面以下有多深，按林兹接触理论，一对轴线平行的辊挤压时，除在辊面产生压应力，还在辊面下有剪切应力，其最大值在辊面以下具有固定深度。以1200800mm规格的辊压机为例，当两个钢辊在一定压力下直接接触时，根据纯弹性理论，最大剪切应力为辊面以下0.786b的深度，b为两辊面挤压接触的矩形面的宽度的。有以下公式：式中：P总压力 =（121）E1+（122）E2泊桑系数，对于碳钢一般为0.3两个钢辊的1=2=0.3； E 弹性模量，物体受到应力产生弹性应变，应力除以应变就是弹性模量，各种钢的弹性模量差别很小，金属合金化对其弹性模量影响也很小，一般均取206GPa。两个钢辊的E1=E2=206GPa；可以计算出（1-0.09）E1+(1-0.09)E21.82206GPa0.0088GPa10000.0000088MPa0.0000088 N / mm2l两个钢辊的长度，l=800mm；R两个钢辊的半径，R1=R2=600mm； P - 压力单位：N （牛顿）设定总压力为P=130000 N （约合13吨压力，辊压机的单位面积工作压力根据不同设计，一般为50-300MPa）b0.74 mm设最大剪切应力为辊面以下深度为h：h=0.786b=0.7860.74 mm=0.581 mm0.581 mm这一深度是两钢辊直接接触挤压时的最大剪切应力在辊面下的深度。而在两辊间隙中挤压着水泥熟料，情况就不同了。辊压机是相对回转的固定辊与活动辊对两辊间隙中的水泥熟料（物料）进行挤压，水泥熟料是松散的，挤压后的弹性模量远小于钢材，而且如图中 S1和S2之间物料的挤压密度是逐渐增加的，对辊子的挤压力也是逐渐增加的，所以按纯弹性理论推算的数据没有经过积分，是不准确的。另外，随着两辊挤压的水泥熟料（物料）增加，咬入角增大，辊面被挤压的矩形面积增大，这比两钢辊在同压力情况下挤压面积大得多，宽度增大得多。按纯弹性理论推算的数据最大疲劳剪切应力距离辊面的深度，就应该是物料与辊面接触的面积上辊面弧长的一半的0.786倍。这个数值是很容易计算的。 接触辊面辊面弧长= L= D(3600) 那么剪切应力的最大值发生在辊表面下的深度h近似为： h=0.786=0.7860.5D(360) =0.7860.53.1412001/36 41即剪切应力的最大值是发生在辊表面下的深度为41mm，按照这个方法可以大概估算疲劳深度，当然，这个误差非常大，实际理论疲劳深度远小于此值。但从中可以得到两个规律，1、辊径与疲劳深度成正比，辊径越大，其可能发生疲劳的深度越大；2、咬入角与疲劳深度成正比，咬入角越大，可能发生疲劳的深度越大，而咬入角的大小取决于物料的种类、粒度、形态及两辊的间隙、辊压、辊面状态（条纹形状）、辊径及转速等因素。影响最大的显然是辊缝间隙和辊压，辊缝间隙越小，辊压越大，都会使得咬入角变大，使得疲劳深度变深，说得夸张一点，如果辊缝间隙够大或泄压的状态，也就是说物料近似自由通过的话，辊压机只有磨损，而没有疲劳。如果辊缝间隙过小或辊压过大，疲劳的深度会很深，进入低周疲劳范畴，疲劳寿命很低，甚至会超过机械设计安全系数的范围，出现轴根处的断裂，尤其是1200800mm规格的辊压机，其设计辊缝和辊压就比较高，如果使用不当，很容易出现疲劳剥落和其他一些问题，如轴承寿命低，与轴承接触面处的轴面磨损严重等附加问题，在多个厂家甚至出现过轴根的断裂。而其他规格的辊压机这些问题要少很多。冀东水泥扶风公司1200800mm规格辊压机轴根裂纹在这里近似的对辊压进行一下积分，为了简化计算，将上面料高与压力的关系曲线简化为直线。 H PH料高，mm；P压力，MPa这样，H与P的关系可以用一元一次方程来表达： P=-AH+B当H=0时，B=Pmax=150MPa，当P=0时，A=H料高辊缝间最大咬入角处的料高，mm；上面的方程式确定： P=-H+ Pmax由于辊宽是常数，所以辊面积在咬入角区间内的面积就是接触面积 S=L弧长M=M显然，我们要在辊子与物料的接触面积上积分，我们认为辊宽M上布满了物料，并且要确定料高H与咬入角之间的方程： H=(R+)tg式中：a辊缝，mm；这样我们就确定了压力P与咬入角之间的方程： P=-H+ Pmax=-(R+)tg+ Pmax辊面受到的总压力为转化为咬入角就是：=RMmax由于H料高=(R+)tgmax，因此上式变为：RMmax（Pmax-Pmaxmax）= RMmaxPmax（1-max）设定Pmax=150MPa；max=10；辊径1200mm，R=600mm；辊宽M=800mm。可以计算出辊面的总压力约为10368977.78N，将这个总压力值带入公式，再乘以系数0.786。0.786b=0.7860.002050322335.2mm可以得到接近的理论最大剪切深度约等于5.2mm。这个数值如果考虑到安全系数和数学模型的误差的话，那么，辊压机的最大剪切应力的深度是在10mm左右，正好是过渡层的深度，这可能也就是辊压机堆焊层设计的理论依据之一。通过理论分析我们知道了，实际上辊压机的理论疲劳深度并不深。为了克服疲劳确定了堆焊材料的选材依据：1.底层、过渡层的材料的疲劳强度（近似于抗拉强度的一半，）要高于受到的辊压力，简单地说考虑辊压机最大的压力300MPa，设计安全系数0.8，那么，需要的强度是=750MPa；2.由于辊压机的母材，普遍采用45钢和40Cr以上的材质，且经过调质，其可焊性较差，对于底层的塑、韧性指标要求必须很高，保证可焊性，尤其是在线堆焊的焊材要保证很好的冷焊性。焊层和母材熔合区、过热区没有焊接缺陷，首先当然是合金的相互熔合性，实际上目前常用的底层材料合金体系都是低合金高强钢，熔合性与合金体系无关，有关的是选择的保护渣系，渣系决定了不同焊材与母材的润湿性（代表相互熔合的能力）和其本身的熔深能力。3.耐磨层除了保证足够的耐磨损能力外，其最大的要求是要能够阻止条纹层的裂纹穿过耐磨层，延伸到过渡层；4.条纹层必须要有足够的耐磨性，同时最重要的是要控制条纹的裂纹细少，且裂纹能够只在条纹自身开裂，而不延伸。除了以上原则外，还应考虑：熔点差异当熔敷金属与母材金属熔化温度相差很大时，就会因为它们熔化不同步，熔点低的金属过早熔化而发生流淌或者与高熔点金属产生未熔合。此外，熔点高的金属凝固和收缩早，会使尚处于部分凝固和薄弱状态的低熔点金属产生应力，可能导致裂纹。因此，采用必要的过渡层来过渡这一差异很必要。导热率和比热容差异 这是影响堆焊件热循环、温度场分布和结晶过程的重要因素。当两种金属导热率和比热容相差很大时，会导致热输入失衡，熔化量不均或改变焊道及其两侧的结晶条件。导热率高的金属热影响区宽，冷却速度快容易淬硬，导热低的金属则发生过热。单位质量的物质升高(降低)一定温度吸收(或放出)的热量对上述两点的差异，应对高熔点或导热低的金属适当预热或将热源略微侧重该金属（预热无法改变这种差异，但会使热输入趋于均衡，即两者的热输入相对比值更接近于1，这也是预热的另一容易被忽视的作用）。 线膨胀系数差异(对焊接是很重要的)线膨胀系数差异较大时，由于彼此间冷却收缩不一致，会引起较大的堆焊内应力，严重时能导致堆焊裂纹。在高温运行时，将产生热应力。如果受到周期热循环，就成为交变应力，使堆焊层因热疲劳而过早失效。这种热应力是无法消除的（焊后热处理可以消除焊接残余应力，但热应力是在使用过程中产生的）。在工程上常选用线膨胀系数介乎两种金属之间的金属做过渡层的填充金属再进行进行堆焊，以减少线膨胀系数差异所造成的热应力。或者降低堆焊过程的热输入，减少由于热产生的差异。线膨胀系数（由于外界温度、压力（主要指温度）变化时，物体的线性尺寸随温度、压力（主要指温度）的变化率）比热容（单位质量物质的热容量，