Kerntechnologie verschleißfester Schweißdrähte: Wie hochkohlenstoffhaltiges Chrom-Eisenpulver die Verschleißfestigkeit verbessert
I. Analyse der wichtigsten Einflussfaktoren auf die Verschleißfestigkeit von verschleißfestem Schweißdraht
1.1 Zusammensetzung und Mikrostruktur des Schweißdrahtmatrixmaterials
Das Matrixmaterial des Schweißdrahts bildet die Grundlage für verschleißfestes Schweißen. Seine chemische Zusammensetzung und Mikrostruktur haben einen grundlegenden Einfluss auf die Verschleißfestigkeit des Schweißguts. Chemisch betrachtet beeinflussen Elemente wie Kohlenstoff, Mangan und Silizium im Matrixmaterial nicht nur die Schweißleistung des Schweißdrahts, sondern interagieren auch mit Elementen im Verstärkungsmaterial, um die Bildung und Verteilung von Verstärkungsphasen im Schweißgut zu steuern. Kohlenstoff kann beispielsweise mit Elementen wie Chrom und Wolfram Carbide bilden, während Mangan die Fließfähigkeit des Schmelzbads verbessert und die Dichte der Schweißverbindungen erhöht. Hinsichtlich der Mikrostruktur bestimmen Korngröße und Phasenzusammensetzung des Matrixmaterials direkt die anfänglichen mechanischen Eigenschaften des Schweißguts. Ein feinkörniges Matrixmaterial weist typischerweise eine höhere Festigkeit und Zähigkeit auf und bietet optimale Voraussetzungen für die gleichmäßige Verteilung von Verstärkungsphasen. Darüber hinaus beeinflusst der Anteil von Phasen wie Perlit und Ferrit in der Matrix die Härte und Verschleißfestigkeit des Schweißguts. Eine gezielte Steuerung der Matrixmikrostruktur ist eine wichtige Grundlage für die Verbesserung der Verschleißfestigkeit.
1.2 Arten und Verteilungsregeln der Legierungsverfestigungsphasen
Legierungsverfestigungsphasen sind die Kernelemente zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von verschleißfestem Schweißdraht. Ihre Art, Menge, Größe und Verteilung bestimmen direkt den Effekt der Verschleißfestigkeitsverbesserung. Im Schweißgut von verschleißfestem Schweißdraht umfassen gängige Legierungsverfestigungsphasen hauptsächlich Carbide, Nitride, Boride usw. Aufgrund ihrer hohen Härte und Stabilität werden Carbide häufig eingesetzt. Verschiedene Carbide weisen unterschiedliche Härten und Stabilitäten auf. Beispielsweise erreicht die Härte von Cr₇C₃ Werte von bis zu 1800–2200 HV, was deutlich über der des Grundmaterials liegt und die Verschleißfestigkeit erheblich verbessert. Darüber hinaus ist die Verteilung der Legierungsverfestigungsphasen entscheidend. Gleichmäßig verteilte Verfestigungsphasen können die Bewegung von Abrasivpartikeln effektiver behindern und übermäßigen lokalen Verschleiß vermeiden. Umgekehrt führen Aggregation und Entmischung der Verfestigungsphasen zu ungleichmäßigen Eigenschaften des Schweißguts und verringern dessen Verschleißfestigkeit und Zähigkeit. Daher sind die rationale Auswahl der Art der Legierungsverfestigungsphasen und die Regulierung ihrer gleichmäßigen Verteilung durch technische Mittel Schlüsselfaktoren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von verschleißfestem Schweißdraht.
1.3 Regulierungsmechanismus des Schweißprozesses hinsichtlich der Verschleißfestigkeit des abgeschiedenen Metalls
Der Schweißprozess ist ein Schlüsselschritt, der den Schweißdraht mit dem Grundwerkstoff verbindet und das Schweißgut formt. Seine Prozessparameter (wie Schweißstrom, Spannung, Schweißgeschwindigkeit, Schutzgasart usw.) spielen eine wichtige Rolle für die chemische Zusammensetzung, das Mikrogefüge und die Verschleißfestigkeit des Schweißguts. Die Höhe von Schweißstrom und -spannung beeinflusst direkt die Wärmeeinbringung, welche wiederum die Temperatur und die Abkühlgeschwindigkeit des Schmelzbades bestimmt. Eine höhere Wärmeeinbringung erhöht die Temperatur des Schmelzbades, führt zu Kornvergröberung im Schweißgut und übermäßiger Auflösung von Festigkeitsphasen, wodurch Härte und Verschleißfestigkeit sinken. Andererseits kann eine zu geringe Wärmeeinbringung zu unzureichendem Schweißen und damit zu Fehlern wie unvollständigem Durchschweißen und Schlackeneinschlüssen führen, was ebenfalls die Eigenschaften des Schweißguts beeinträchtigt. Die Schweißgeschwindigkeit beeinflusst die Formgebung und die Abkühlgeschwindigkeit des Schweißguts; eine angemessene Schweißgeschwindigkeit gewährleistet eine gleichmäßige Dicke und ein dichtes Gefüge. Die Art und Durchflussrate des Schutzgases dienen hauptsächlich dazu, die Oxidation des Schmelzbades zu verhindern, die Stabilität des Schweißprozesses zu gewährleisten und negative Auswirkungen von Oxidationsprodukten auf die Eigenschaften des Schweißguts zu vermeiden. Daher ist die Optimierung der Schweißprozessparameter zur präzisen Steuerung des Mikrogefüges des Schweißguts eine wichtige Voraussetzung für die Verbesserung der Verschleißfestigkeit von verschleißfestem Schweißdraht.
1.4 Kernbewertungsindikatoren und standardisierte Prüfmethoden für die Verschleißfestigkeit
Die genaue Bewertung der Verschleißfestigkeit von verschleißfestem Schweißdraht ist die Grundlage für die Förderung von Forschung, Entwicklung und Anwendung. In der Industrie haben sich mittlerweile eine Reihe von Kernbewertungsindikatoren und standardisierten Prüfverfahren etabliert. Zu den Kernbewertungsindikatoren zählen Härte, Verschleißverlust und relative Verschleißfestigkeit. Die Härte ist ein wichtiger Kennwert für die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen lokale Verformung und Verschleiß und wird üblicherweise mit Brinell- (HB), Rockwell- (HRC) oder Vickers-Härteverfahren (HV) bestimmt. Schweißgut mit hoher Härte weist im Allgemeinen eine bessere Verschleißfestigkeit auf. Der Verschleißverlust beschreibt den Massen- oder Volumenverlust des Materials unter bestimmten Verschleißbedingungen; je geringer der Verschleißverlust, desto besser die Verschleißfestigkeit. Die relative Verschleißfestigkeit wird durch Vergleich des Verschleißverlusts des Prüfmaterials mit dem eines Referenzmaterials ermittelt und verdeutlicht die Vorteile des Prüfmaterials hinsichtlich der Verschleißfestigkeit. Standardisierte Prüfverfahren umfassen unter anderem Abrasions-, Schlag- und Gleitverschleißtests. Unterschiedliche Prüfverfahren simulieren verschiedene Verschleißbedingungen und ermöglichen so eine umfassende Bewertung der Verschleißfestigkeit von verschleißfestem Schweißdraht unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Beispielsweise simuliert der Abrasionsverschleißtest hauptsächlich die Arbeitsbedingungen von Bergbaumaschinen beim abrasiven Schneiden, während der Schlagverschleißtest die Arbeitsbedingungen von Baumaschinen unter kombinierter Belastung durch Schlag und Verschleiß simuliert. Durch standardisierte Prüfmethoden und Bewertungskriterien lassen sich objektive und präzise Daten für den Leistungsvergleich sowie die technologische Forschung und Entwicklung von verschleißfestem Schweißdraht gewinnen.
II. Herstellungsverfahren und Anpassungstechnologie von hochkohlenstoffhaltigem Chrom-Eisenpulver in verschleißfestem Schweißdraht
2.1 Optimierung des Herstellungsverfahrens für verschleißfesten Schweißdraht und des Zugabeverfahrens für hochkohlenstoffhaltiges Chromeisenpulver
2.1.1 Mischungsverhältnis und Verfahren zur gleichmäßigen Vermischung von hochkohlenstoffhaltigem Chrom-Eisen-Pulver in Fülldraht-Schweißdraht
Fülldraht ist eines der am häufigsten verwendeten Trägermaterialien für hochkohlenstoffhaltiges Chromeisenpulver. Bei der Herstellung sind die richtige Mischungszusammensetzung und die gleichmäßige Vermischung des hochkohlenstoffhaltigen Chromeisenpulvers entscheidend für die Leistungsfähigkeit des Schweißdrahts. Die Mischungszusammensetzung muss entsprechend den Anforderungen an Verschleißfestigkeit, Schweißleistung und die allgemeinen mechanischen Eigenschaften des Schweißdrahts optimal gewählt werden. Ist der Anteil an hochkohlenstoffhaltigem Chromeisenpulver zu gering, bilden sich nicht genügend Karbidphasen, und die Festigkeitssteigerung ist unbedeutend. Ist der Anteil zu hoch, sinkt die Zähigkeit des Schweißguts, die Anfälligkeit für Schweißrisse steigt, und die Kosten erhöhen sich. Im Allgemeinen empfiehlt sich ein Anteil von 20 % bis 40 % hochkohlenstoffhaltigem Chromeisenpulver im Fülldraht. Um eine gleichmäßige Verteilung des hochkohlenstoffhaltigen Chromeisenpulvers im Flussmittelkern zu gewährleisten, ist der Einsatz effizienter Mischanlagen und geeigneter Mischverfahren erforderlich. Gängige Mischanlagen sind Kegelmischer und Doppelhelixmischer. Während des Mischvorgangs müssen Parameter wie Mischzeit und Drehzahl kontrolliert werden, um ungleichmäßiges Mischen oder Partikelagglomeration zu vermeiden. Vor dem Mischen müssen das hochkohlenstoffhaltige Chromeisenpulver und die anderen Komponenten getrocknet werden, um Feuchtigkeit und Verunreinigungen zu entfernen. Dies gewährleistet die Mischqualität und die Schweißleistung des Schweißdrahts.
2.1.2 Herstellungstechnologie einer hochkohlenstoffhaltigen Chrom-Eisen-Pulverbeschichtung auf der Oberfläche von massivem Schweißdraht
Neben Fülldrahtschweißen ist die Beschichtung von Massivdraht mit einer Schicht aus hochkohlenstoffhaltigem Chrom-Eisen-Pulver eine wichtige Anwendungsform dieses Pulvers. Kern dieser Technologie ist das Mischen des Pulvers mit Bindemitteln und anderen Legierungselementen. Die Beschichtungsmaterialien werden anschließend gleichmäßig auf den Massivdraht aufgetragen und bilden nach dem Trocknen und Aushärten eine Schicht mit definierter Dicke und Festigkeit. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Zusammensetzung der Beschichtungsmaterialien und der Optimierung der Beschichtungsprozesse. Der Anteil des hochkohlenstoffhaltigen Chrom-Eisen-Pulvers in der Beschichtungsmaterialzusammensetzung muss entsprechend den gewünschten Eigenschaften angepasst werden. Das Bindemittel muss eine gute Haftfestigkeit und Hochtemperaturstabilität aufweisen, um ein Ablösen oder Zersetzen der Beschichtung während des Schweißprozesses zu verhindern. Gängige Beschichtungsverfahren sind Tauchbeschichtung, Sprühbeschichtung und Walzenbeschichtung. Die Tauchbeschichtung ist einfach und kostengünstig, weist jedoch eine geringere Gleichmäßigkeit der Schichtdicke auf. Das Sprühbeschichtungsverfahren ermöglicht eine gleichmäßige Schichtdicke, ist jedoch mit hohen Anlagenkosten verbunden. Das Walzenbeschichtungsverfahren vereint die Vorteile eines einfachen Prozesses mit einer gleichmäßigen Schichtdicke und findet daher breite Anwendung. Darüber hinaus sind die Trocknungs- und Aushärtungsprozesse der Beschichtung entscheidend; Temperatur und Zeit müssen präzise gesteuert werden, um eine hohe Festigkeit und Stabilität der Beschichtung zu gewährleisten und Defekte beim Schweißen zu vermeiden.
2.2 Experimentelle Studie zur Optimierung der Zugabemenge von hochkohlenstoffhaltigem Chromeisenpulver
2.2.1 Einfluss der Zugabemenge auf die Schweißdrahtabscheidungseffizienz
Die Zugabemenge von hochkohlenstoffhaltigem Chromeisenpulver beeinflusst nicht nur die Verschleißfestigkeit des Schweißguts, sondern auch maßgeblich die Abschmelzleistung des Schweißdrahts. Die Abschmelzleistung ist ein wichtiger Kennwert für die Schweißleistung und beschreibt das Verhältnis der Masse des abgeschiedenen Metalls zur Masse des verbrauchten Schweißdrahts pro Zeiteinheit. Zahlreiche experimentelle Studien haben einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Zugabemenge von hochkohlenstoffhaltigem Chromeisenpulver und der Abschmelzleistung festgestellt. Bei geringen Zugabemengen hat das Pulver kaum Einfluss auf die Abschmelzleistung. Mit zunehmender Zugabemenge verbessert sich die Abschmelzleistung allmählich, da bestimmte Elemente im hochkohlenstoffhaltigen Chromeisenpulver die Fließfähigkeit des Schmelzbads verbessern und das Aufschmelzen und Abschmelzen des Schweißdrahts fördern. Überschreitet die Zugabemenge jedoch einen bestimmten Schwellenwert, sinkt die Abschmelzleistung wieder. Dies liegt an der hohen Dichte des hochkohlenstoffhaltigen Chromeisenpulvers; eine zu hohe Zugabe verlangsamt die Schmelzgeschwindigkeit des Schweißdrahts. Gleichzeitig erhöht die Bildung überschüssiger Carbidphasen die Viskosität des Schmelzbades und behindert so den Fluss und die Bildung des abgeschiedenen Metalls. Daher ist es notwendig, den optimalen Zugabebereich von hochkohlenstoffhaltigem Chromeisenpulver durch Optimierungsexperimente zu bestimmen, um die Verschleißfestigkeit des abgeschiedenen Metalls bei gleichzeitig hoher Abscheidungseffizienz zu gewährleisten.
2.2.2 Gesetz der Entwicklung der Verschleißfestigkeit von abgeschiedenem Metall bei unterschiedlichen Zugabemengen
Die Verschleißfestigkeit des Schweißguts zeigt ein deutliches Abhängigkeitsverhältnis von der Zugabemenge des hochkohlenstoffhaltigen Chrom-Eisenpulvers. Testergebnisse belegen, dass mit zunehmender Zugabemenge des hochkohlenstoffhaltigen Chrom-Eisenpulvers die Anzahl der Karbidphasen im Schweißgut steigt und Härte und Verschleißfestigkeit entsprechend zunehmen. Ab einer bestimmten Zugabemenge erreichen Härte und Verschleißfestigkeit des Schweißguts ihren Maximalwert. Bei weiterer Erhöhung der Zugabemenge verschlechtern sich Härte und Verschleißfestigkeit, und auch die Zähigkeit nimmt deutlich ab. Dies ist auf die übermäßige Anzahl an Karbidphasen bei zu hoher Zugabemenge zurückzuführen, die zu Aggregation und Entmischung führen. Dadurch entsteht ein ungleichmäßiges Mikrogefüge des Schweißguts und lokale Spannungskonzentrationen. Im Verschleißprozess treten vermehrt Risse auf, was den Verschleiß beschleunigt. Zudem beeinträchtigen überschüssige Karbidphasen die Schweißbarkeit des Schweißguts und erhöhen das Risiko von Schweißrissen. Daher ist die experimentelle Bestimmung der optimalen Zugabemenge von hochkohlenstoffhaltigem Chromeisenpulver der Schlüssel zur Erzielung eines Gleichgewichts zwischen Verschleißfestigkeit und umfassenden mechanischen Eigenschaften des abgeschiedenen Metalls.
2.3 Kompatibilitätsregelungstechnologie zwischen hochkohlenstoffhaltigem Chrom-Eisenpulver und anderen Komponenten von Schweißdraht
Die Kompatibilität zwischen hochkohlenstoffhaltigem Chromeisenpulver und anderen Schweißdrahtkomponenten (wie Grundwerkstoff, Legierungselementen, Schlackenbildnern, Desoxidationsmitteln usw.) beeinflusst direkt die Schweißleistung und die Eigenschaften des Schweißguts. Daher sind wirksame Regelungstechniken erforderlich, um eine gute Kompatibilität zu gewährleisten. Zunächst ist bei der Komponentenauswahl eine sinnvolle Auswahl der anderen Komponenten entsprechend der chemischen Zusammensetzung und den physikalischen Eigenschaften des hochkohlenstoffhaltigen Chromeisenpulvers notwendig. Beispielsweise können Ferromangan, Ferrosilicium usw. mit guter Desoxidationswirkung als Desoxidationsmittel den Sauerstoff im Schmelzbad effektiv entfernen, die Bildung von Oxiden zwischen Sauerstoff und Chrom verhindern und die Bildung von Karbidphasen hemmen. Die Auswahl geeigneter Schlackenbildner gewährleistet die Bildung einer guten Schlacke während des Schweißprozesses, schützt das Schmelzbad und die Schweißnaht und reduziert die Entstehung von Fehlern. Zweitens ist es im Hinblick auf die Mischungsverhältnisregelung notwendig, die Anteile der einzelnen Komponenten experimentell zu optimieren, um Kompatibilitätsprobleme aufgrund von Über- oder Unterdosierungen bestimmter Komponenten zu vermeiden. Beispielsweise kann ein zu hoher Anteil an Schlackenbildnern zu übermäßiger Schlackebildung führen und die Ausbildung des Schweißguts beeinträchtigen; ein zu geringer Anteil an Desoxidationsmitteln kann schädliche Elemente nicht effektiv entfernen. Darüber hinaus lässt sich die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Komponenten verbessern und die Kompatibilität durch die Zugabe geeigneter Mengen an Vorlegierungen oder Seltenerdelementen erhöhen. Seltenerdelemente besitzen gute Reinigungs- und Modifizierungseigenschaften, wodurch sie das Korn verfeinern, die Verteilung der Karbidphasen verbessern, die Bindungskräfte zwischen den verschiedenen Komponenten erhöhen und die Gesamtleistung des Schweißdrahts steigern.