卓金管件有限公司金属基陶瓷磨盘衬板表面堆焊结合性研究学习体会
文献概况与研究背景
张海燕等2022年发表于《水泥》杂志的这篇文章，针对金属基陶瓷磨盘衬板的堆焊修复问题展开研究。该文选用自主研发的药芯焊丝，在报废的陶瓷磨盘衬板上进行修复性堆焊，利用着色探伤、光学显微镜和扫描电镜等技术手段，对堆焊层与磨盘衬板的结合性、堆焊层应力释放裂纹的扩展情况进行了检测与表征。研究结果表明，自主研发的药芯焊丝所形成的堆焊层与磨盘衬板结合性良好，应力释放裂纹扩展细密均匀。该文的实践意义在于：改变了陶瓷磨盘衬板"只换不修"的局面，对水泥行业降本增效具有积极意义。
陶瓷磨盘衬板工况与修复需求
磨盘衬板的工作条件
水泥磨盘衬板是水泥磨机（如立磨、球磨）中的关键耐磨部件，其工作条件极为苛刻：
| 工况参数 | 典型范围 | 对衬板的影响 |
|---|---|---|
| 工作温度 | 100~200 ℃ | 高温加速磨损 |
| 磨料 | 水泥熟料、生料 | 磨粒磨损 |
| 压力 | 高负荷碾压 | 压溃和塑性变形 |
| 冲击 | 物料冲击 | 冲击疲劳 |
| 化学环境 | 碱性环境 | 化学腐蚀 |
典型失效模式
- 磨粒磨损：磨料颗粒对衬板表面的切削和犁沟作用。
- 冲击疲劳：物料反复冲击导致的表面疲劳剥落。
- 化学腐蚀：碱性环境对金属基体的腐蚀。
- 热疲劳：温度循环导致的热应力疲劳。
修复需求分析
传统做法是衬板磨损后整体更换，存在以下问题：
- 成本高：陶瓷磨盘衬板价格昂贵，整体更换成本高。
- 停机时间长：更换衬板需要停机，影响生产连续性。
- 资源浪费：衬板基体仍有使用价值，整体更换造成资源浪费。
堆焊修复技术可以解决上述问题，但关键挑战在于：陶瓷磨盘衬板通常由金属基体和高硬度陶瓷层组成，陶瓷层与金属基体的热膨胀系数差异大，堆焊过程中容易产生裂纹和剥落。
堆焊工艺与焊材设计
药芯焊丝设计
该文选用自主研发的药芯焊丝进行堆焊修复。药芯焊丝的设计要点包括：
- 合金成分设计：焊丝成分应与陶瓷磨盘衬板的金属基体相匹配，保证冶金结合。
- 脱氧剂添加：药芯中含有脱氧剂，防止堆焊层氧化。
- 造渣剂添加：药芯中含有造渣剂，保护熔池，改善焊缝成形。
- 合金收得率：药芯焊丝的合金收得率应高，保证堆焊层成分稳定。
堆焊工艺参数
| 工艺参数 | 设定范围 | 控制目的 |
|---|---|---|
| 焊接电流 | 150~250 A | 控制熔敷率 |
| 焊接电压 | 22~30 V | 控制弧长 |
| 焊接速度 | 5~15 cm/min | 控制热输入 |
| 预热温度 | 200~300 ℃ | 降低热应力 |
| 层间温度 | ≤400 ℃ | 防止过热 |
| 焊道厚度 | 3~5 mm | 保证结合强度 |
多层堆焊策略
对于陶瓷磨盘衬板，采用多层堆焊策略：
- 过渡层：第一层采用与金属基体成分相近的焊材，保证冶金结合。
- 功能层：后续层采用高硬度耐磨合金焊材，提供耐磨性能。
- 表面层：最后一层采用高硬度合金，提高表面硬度和耐磨性。
结合性检测与分析
检测手段
该文采用多种检测手段对堆焊层与磨盘衬板的结合性进行表征：
- 着色探伤（PT）：检测堆焊层表面的裂纹、气孔等缺陷。
- 光学显微镜（OM）：观察堆焊层与基体的界面组织。
- 扫描电镜（SEM）：观察界面微观形貌和元素分布。
界面结合分析
堆焊层与金属基体的界面结合类型包括：
- 冶金结合：堆焊层与基体形成连续的金属键结合，结合强度最高。
- 机械结合：堆焊层嵌入基体表面，通过机械互锁实现结合。
- 扩散结合：堆焊层与基体在界面发生元素扩散，形成过渡层。
对于陶瓷磨盘衬板，由于陶瓷层与金属基体之间存在明显的界面，堆焊层与陶瓷层的结合主要依靠机械结合和扩散结合。堆焊过程中，陶瓷层表面的金属化处理和堆焊层对陶瓷层的熔渗作用可以提高结合强度。
应力释放裂纹分析
堆焊过程中，由于热应力和组织应力，堆焊层中不可避免地会产生裂纹。该文对应力释放裂纹的扩展情况进行了研究，结果表明裂纹扩展细密均匀。这一结果具有重要的工程意义：
- 细密裂纹：裂纹间距小，单条裂纹长度短，对堆焊层的整体性能影响有限。
- 均匀分布：裂纹分布均匀，应力释放均匀，避免应力集中。
- 可控性：通过工艺参数控制，可以控制裂纹的形态和分布。
工程应用价值与推广前景
经济效益
堆焊修复相较于整体更换衬板，经济效益显著：
| 项目 | 整体更换 | 堆焊修复 | 节省比例 |
|---|---|---|---|
| 材料成本 | 高 | 低 | 60%~70% |
| 停机时间 | 长 | 短 | 50%~60% |
| 人工成本 | 高 | 低 | 40%~50% |
| 综合成本 | 高 | 低 | 50%~60% |
质量效益
堆焊修复后的衬板质量取决于：
- 结合强度：堆焊层与基体的结合强度应满足使用要求。
- 硬度均匀性：堆焊层硬度应均匀，避免局部软点。
- 表面质量：堆焊层表面应平整，无明显缺陷。
- 尺寸精度：修复后的衬板尺寸应符合设计图纸要求。
推广前景
该文的研究成果为陶瓷磨盘衬板的堆焊修复提供了技术依据，具有重要的推广前景：
- 水泥行业：磨盘衬板是水泥磨机的关键耐磨部件，堆焊修复可以大幅降低维护成本。
- 矿山行业：类似工况的耐磨部件也可以采用堆焊修复技术。
- 电力行业：磨煤机衬板等耐磨部件的修复。
- 冶金行业：球磨机衬板等耐磨部件的修复。
学习反思与技术展望
该文的研究体现了"以修代换"的理念，符合循环经济和绿色制造的发展方向。在实际应用中，需要注意以下几点：
- 堆焊修复的工艺参数需要根据具体工况进行优化，不能简单套用。
- 修复后的衬板需要定期检测，监控堆焊层的使用状态。
- 修复工艺的操作人员需要专业培训，掌握工艺要点和质量控制方法。
- 修复工艺的标准需要建立，确保修复质量的可追溯性。
从技术发展趋势看，堆焊修复技术将向以下方向发展：
- 智能化：焊接过程参数自动监控和优化。
- 自动化：堆焊机器人实现高效修复。
- 材料创新：开发新型耐磨合金焊材。
- 工艺优化：多工艺复合修复技术。
该文的研究为陶瓷磨盘衬板的堆焊修复提供了科学依据，对水泥行业降本增效具有重要的实践意义。