专题研究
煤化工设备耐磨层堆焊材料及工艺
张金深1，李辉2，武爱兵1
（1.中石化宁波工程有限公司，浙江宁波315207；2.中石化炼化工程集团洛阳技术研发中心，河南洛阳471003）
摘要：采用3种商用堆焊合金材料和3种堆焊工艺分别在Q345R,316L基材上制备9种耐磨层"采用金相显微镜和扫描电子显微镜对堆焊合金的组织和形貌进行表征"利用图像分析软件-洛氏硬度计和摩擦磨损试验机对耐磨层的孔隙率、硬度和耐磨性进行测试"结果表明，堆焊层的孔隙率均在3.5%以下，大部分在0.5%以下°碳化物的尺寸、形状-分布和化学成分，以及基体组织决定了堆焊层的耐磨性，HF600焊接材料+GMAW工艺制备的试样具有最好的耐磨性°
关键词：煤化工设备；堆焊；耐磨层；组织
中图分类号：TG455
Hardfacing materials and process for wear resistant layer
of coal chemical equipment
Zhang Jinshen1,Lt Hut2,Wu Ailing1
(1.Sinopec Ningbo Engineering Co.Ltd.,Ningbo315207,Zhejiang,China;
2.SEG Luoyang R&D Centea of Tehnology,Luoyang471003,Henan,China)
Abstracl:Nine kinds of wear-resistane layers were prepared on Q345R and316L substrates by three dineent hardfacing process with three commercial hardfacing alloy mateeals.Microstructure and morphology of the hard-facing alloy were characterized by opticd microscope and scmning electron microscope.The porosity,hardnes and weae resistanci of weeo layee were tested by image analysis software,rockwell hardnes testee and friction and wear testing machine.The—su IS s showed that the porosity of hardfacing layeo was below3.5%,most were unda-
0.5%.The wear resistanci of hardfacing layes was determined by the size,shape,distribution and chemical com
position of the corbines,as w V I as by the rmarx microstructure.The best wer resistancc was obtained in HF600 hardfacing alloys and GMAW(Gas met arc welding)process samples.
Key words：coo I chemicco equipment；hardfacing；wer resistant layer;microstructure
0前言
磨损是机械零部件三大失效形式之一。据统计，磨损导致构件损坏约占总失效的70%-80%，磨损失效不仅会造成大量的资源浪费，还可能直接或间接的造成事故'1-4]°在煤化工领域，设备和管道由于磨损带来的失效更是频频出现'5-7]°煤气化过程中黑水和炉渣常对真空闪蒸罐和渣放料罐等设备也会产生严重的磨损。堆焊是一种常用的提高设备表面性能的技术手段，通过焊接将合金均匀地沉积在软材料（通常是低碳钢或中碳钢）的表面上，以提高表面的硬度和耐磨性，而不显著降低延性和韧性。目前商业上有各种各样的堆焊合金可用来防止磨损，针对煤化工设备，国内设计公司及制造商常堆
2020年第6期13
专题研究
焊钻基材料达到抗磨损的效果，但其价格昂贵、工艺复杂、容易出现焊接裂纹并且修复困难[8'9]o因此选择一种合适的堆焊合金及相应的堆焊工艺来代替昂贵的钻基合金堆焊是当前工程上亟需解决的一个问题。
该文选择不同堆焊材料和堆焊工艺制备一系列的耐磨堆焊层，通过与钻基焊材比较，筛选出了价格合
理、性能优良的耐磨堆焊合金及工艺，用于指导实际工况的而磨层选材工作。1试验
1.1材料选择和工艺设计
堆焊母材为Q345R和316L钢板，堆焊层材料为商用的HF600,ERCCoCr-A,GFH-51-0，该文同时考虑单层堆焊和双层堆焊，其中过渡层材料为ER309LM+，母材及焊材的主要化学成分见表1"制备的不同堆焊层的焊材及焊接方法见表2-表3°堆焊后分别进行在620'进行焊后热处理"
表1焊材、过渡层材料及基体材料的化学元素组成（质量分数,％）
材料C C-Ni Mv M a Si P S Fr其他
HF6000.440
9.070.110.020.40 2.970.0160.001余量—
ERCCoCo-A 1.150
27.50 2.00—0.900.90—— 3.60Co：余量;W：4.10
GFH-51-03.620
15.460.080.02 1.61 1.250.0210.017余—
ER309LMv0.02723.5112.61 2.10 1.310.460.0200.002余—
Q345R 0.120
0.130.080.05 1.250.500.0200.006余—
316L0.02116.9110.22 2.03 1.510.970.0210.008余—
表2不同耐磨堆焊层基材、焊材及焊接方法
编号甘++焊材焊接方法
备注
基叼
过渡层耐磨层渡层磨层
1Q345R ER309LMv HF600GMAW GMAW
2Q345R ER309LMv ERCCvC-AA GMAW FCAW
3Q345R ER309LMv GFH-51-0GMAW FCAW
GMAW：实芯焊丝气体保护焊4316L ER309LMv HF600GMAW GMAW
SMAW：焊条电弧焊
5316L ER309LMv ERCCvC-AA GMAW FCAW FCAW：药芯焊丝电弧焊6316L ER309LMv GFH-51-0GMAW FCAW编号2,5,8为气保护
7316L—HF600—GMAW编号3,6,9为自保护
8316L—ERCCvC--A—FCAW
9316L—GFH-51-0—FCAW
1■0结构表征
采用金相显微镜（0M,Axiover-40MAT,Carlos zeiss）对耐磨层的组织进行表征"浸蚀液为4%硝酸酒精溶液"采用场发射扫描电子显微镜（FEAEM,Zeiss, SUPRA55，德国）对耐磨层表面形貌进行观察"测
试前，样品经过喷金处理"
1.0性能测试
采用图像法对堆焊层的孔隙率进行计算，所用软件为Image Proplus6°采用HRA50DT型洛氏硬度计对堆焊层的硬度进行测量"每种样品选取10个不同
142020年第6期
机"制造％摘——焊册
专题研究
表3不同耐磨堆焊层焊接工艺参数
编号
焊接电流$A
电弧电 ％/V
焊接速度&/（ cm -mf 1)
护体
预热度
后热处理
1
160 〜20022 〜2820 〜2580%Ar+20%C02
—
—
2140 〜180
22 〜2620 〜25
Ar
"200
350 °C x2 h
3400 〜45028 〜32
35 〜45
—
"120—4
160 〜20022 〜2820 〜2580%Ar+20%C02
—
—
5
140 〜180
22 〜2620 〜25
A)
" 200350 °C x2 h
6400 〜45028 〜32
35 〜45
—
" 120
—7160 〜20022 〜2820 〜2580%Ar +20%C02
—
—
8
140 〜180
22 〜2620 〜25
A
" 200350 °C x2 h
9400 〜45028 〜32
35 〜45
—
" 120
—过渡层160 〜200
24 〜2820 〜25
98%Ar +2%02
—
—
点进行测量，结果表示为平均值土标准偏差。对于耐
磨层，硬度测量时所用
为120。金 ， 为
1 500 N ，硬度表示为HRC ；对于Q345和316L ，由于材
料硬度较低， 采用淬硬钢球，
为1 000 N ，硬度
表示为HRF ，为了便于比较，将HRF 换算成HRC 。耐 磨性参考标准ASTM G99-17，采用HT-600型销盘式高 摩擦磨损试验机进行。摩擦副选用弘凡小，设置
10 N ，摩擦半径4 mm ,
速度为365 -min ，时间
为30 min 。摩擦系数由系统软件自动 ，磨损
磨 损前后试样的质量损失表示。
2结果与讨论
2.1 表面形貌
图1 ~图3是9种堆焊层的表面形貌。1号、3号、
7号、8号、9号试样表面气孔明显较多。试样表面都有
的球状物，其中1号、3号、4号、5号,8号、9号试样 表面的球状物。可以看岀，不加过渡层的单层堆焊
制备的堆焊层（7号、8号、9号试样）表面质量较差。
图1 1〜3号试样堆焊层的表面形貌
（a ） 4号试样 （b ） 5五号试样 （c ） 6号试样
图2 4〜6号试样堆焊层的表面形貌
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机"制$%摘——册
（a ） 7号试样 （#） 8号试样 （c ） 9号试样
图3 7〜9号试样堆焊层的表面形貌
27孔隙率
图4为堆焊层的孔隙率。1号、8号试样表面层孔 隙率较大，在1.7%〜2.7%左右；2号试样表面层的孔 隙率最小，为0.04%，其余表面层都在0.5%以下；其中
2号和8号试样采用的是FCAW + ERCCoCr-W ，说明
该工艺堆焊层孔隙率较差。采用FCAW + GFH-51-0
材料制备的耐磨层硬度在51〜55 HRC （ 1号、4号、7号
试样），采用ERCCoCeA 材料制备的耐磨层硬度在46 -50 HRC （2号、5号、8号试样），采用GFHA1-0材料制备
的耐磨层硬度在57〜60 HRC （3号、6号、9号试样）。均高于Q345和316L 基体的硬度。说明选用铁基焊材
制备的堆焊层比钻基焊材的硬度高。
的3号试样其过渡层孔隙率最大，其余过渡层孔隙率
都在0.5%以下。
O
$0'0$0'4"3%2L L ((&)w
槪無云唤牌毎
o o o o O
4 3 2 1U H H
总悝醛
体
基 9
8765432
5
4
3
2
试样
图5堆焊层和基体表面洛氏硬度值
图4堆焊层的孔隙率
2.3硬度性能
图5是耐磨层和基体表面洛氏硬度值。采用HF600
27耐磨性能
图6和图7是9种堆焊层及基体的经磨损试验后的
磨损量和摩擦系数。
磨层的耐磨性能 高于
Q345基体，高316L 基体。2号、5号-8号试样的耐磨
*卑
徼
图6磨损30 min 后的磨损量
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期
机"#$%摘——焊册
专题研究
5432
a
a
a a a
3
软能蹩>驳忙
Q345、乡
勿 316L
别是组织中的碳化物，在Fe-0r-0系耐磨堆焊合金组织
中常见的碳化物包括:M 7C 3型、M 23C 6型和M 3C 型，其
中M 7C 3型具有密排六方点阵，硬度为1 200〜1 800
HV ，呈六角形杆状及板条状不连续的分布在奥氏体基
体中；M 23C 6具有面心立方点阵，是以Cr 为主的间隙碳
化物，硬度为1 000〜1 100 HV ； M 3C 型具有渗碳体点
阵，硬度为840 -1 100 HV ，呈网状分布。高銘 组 织中銘的3种碳化物的 与C-含量和C 有密
123456789 基体
试样
图7堆焊层及基体的摩擦系数
性较其他耐磨层稍差。1号和4号试样的耐磨性能最
好。说明采用GMAW + HF600的耐磨性能最好，采用
FCAW + ERCCoCr-A 最差。
2.5耐磨性能分析
从硬度数据可以看出，焊材&FHA1-0堆焊的耐磨
层硬度最高，其次是焊材HF600，钻基焊材ERCCoC-A 硬度最低。从耐磨性数据可以看出，焊材HF600的耐
磨性能最好，焊材GFHA1-0稍低于HF600，焊材ERC-
CoC--A 耐磨性同样是最低。
堆焊层的硬度通常与堆焊层的组织有关［10-11：，特
切关系，只有当銘含量较高，且銘碳比在3. 5〜10. 2之
间时，才能
生M 7C 3型碳化物［12-13：o
图：是4号试样（焊材为HF600）和6号试样（焊
材为GFHA1-O ）表面层的金相组织,2种表面层的组织
均由初生碳化物与共晶组织组成，基体由马氏体、奥氏 体与铁素体组成，经XRD 物相
，初生碳化物和共
组织的碳化物均为M 7C 3型碳化物，可以看出4号试 样的初生M 7C 3
立分布，
基体的连续性,
这是其具有良好的硬度和耐磨性的主要原因。HF600 （碳0.44% &含銘9%、
3%） 其銘碳比超过
10.2，但由于硅的 ，
碳在奥氏体中的 ！
度， 碳 ，以碳化物的形
出，使其
M 7C 3型 生碳化物。
，的 基体中奥氏体
M &C ：
50
（a ） 4号试样（低倍）
（#） 4号试样（高倍）
（d ） 6号试样（高倍）
50 !m
（c ） 6号试样（低倍）
图8堆焊层表面层金相组织
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