李冬生，張旭貴，侯光輝，張亞楠，劉 丹，李致遠(yuǎn)

(中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041)

打殼錘頭作為預(yù)焙陽極鋁電解槽自動(dòng)下料系統(tǒng)的重要部件之一,需要不斷周期性的打開電解質(zhì)殼面,進(jìn)行電解原料的添加。打殼錘頭由于長期受到堅(jiān)硬殼面的摩擦磨損,電解原料的磨粒磨損,電解質(zhì)熔鹽的高溫腐蝕,使得錘頭材料不斷損失,最后因錘頭端部尺寸減小,形成“鉛筆尖”形狀而失效[1-2],如圖1所示。電解鋁企業(yè)常用的錘頭為Q235鋼或45#鋼,其耐磨性較差,使用壽命一般為3～6個(gè)月。對(duì)打殼錘頭的頻繁更換和維修,不但加重電解操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,增加企業(yè)生產(chǎn)成本,而且大量損失的錘頭材料進(jìn)入鋁液,造成鋁液中Fe雜質(zhì)含量過高,造成原鋁品質(zhì)下降[3-6]。

圖1 鋁電解打殼錘頭

等離子堆焊技術(shù)(PTA)是以高溫等離子體為熱源,同時(shí)熔化預(yù)先置于工件表面的合金粉末和工件近表層,然后隨等離子弧的移動(dòng),合金粉末與基體表面迅速加熱并一起熔化、混合、擴(kuò)散、凝固,等離子束離開后自激冷卻,形成一層高性能的合金層,實(shí)現(xiàn)零件表面強(qiáng)化的一種先進(jìn)堆焊技術(shù),原理如圖2所示。等離子堆焊技術(shù)特點(diǎn)主要有:①可制備多種類型的功能性涂層；②涂層與基體為冶金結(jié)合,結(jié)合力強(qiáng)；③涂層與基體組織均勻；④涂層熔覆的稀釋率低；⑤易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化[7-8]。

圖2 等離子堆焊原理圖

本文將等離子堆焊技術(shù)應(yīng)用于鋁電解打殼錘頭中,在錘頭表面熔覆高強(qiáng)耐磨涂層,以提高打殼錘頭的耐磨性能,從而達(dá)到延長打殼錘頭的使用壽命,降低鋁液雜質(zhì)含量,提高原鋁品質(zhì),減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度,降低企業(yè)生產(chǎn)成本的目的。

1 試 驗(yàn)

1.1 基體材料

試驗(yàn)基體材料選用焊接性能優(yōu)異且價(jià)格低廉的Q235鋼,其成分如表1所示。

表1 Q235鋼成分 %

1.2 涂層材料

試驗(yàn)涂層材料選用自制復(fù)合耐磨粉料,該耐磨粉由合金粉和碳化物增強(qiáng)粉組成。其中圖3(a)為合金粉形態(tài),該合金粉呈球狀,粒度為50～150 μm。圖3(b)為加入碳化物增強(qiáng)相后復(fù)合粉末的形態(tài),該碳化物增強(qiáng)相顆粒呈板條狀均勻的分布于球形合金粉末中。

圖3 合金粉末與復(fù)合粉末形態(tài)圖

1.3 等離子堆焊工藝

等離子堆焊的工藝條件為:離子氣流量5.6～6.0 L/min,保護(hù)氣流量12～13 L/min,送粉氣流量為4.2～4.5 L/min,送粉率為40～65 g/min,堆焊速度為500～700 mm/min,堆焊電流為180～195 A。

1.4 分析測(cè)試方法

將堆焊樣品經(jīng)線切割分別制作成尺寸為20 mm×15 mm×4 mm的長方體試樣塊,用丙酮洗凈樣品表面油污,然后分別在80#、220#、500#、1000#、2000#砂紙上進(jìn)行打磨,保證樣品的平整光滑,最后用酒精沖洗干凈,干燥后在高精度(精度10-5g)天平上稱重備用,記錄磨損實(shí)驗(yàn)前樣品的重量。耐磨試驗(yàn)在CETR-UMT-3型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,具體試驗(yàn)參數(shù)見表2,試驗(yàn)機(jī)如圖4(a)所示,試驗(yàn)過程示意圖如圖4(b)所示,摩擦球在樣品表面沿運(yùn)動(dòng)方向做反復(fù)摩擦運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)束后立即用高精度天平稱其重量,實(shí)驗(yàn)前后兩次重量的差值即為材料的失重,反應(yīng)了材料的耐磨性能。

表2 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖4 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)及耐磨測(cè)試示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 堆焊涂層的界面形態(tài)

圖5為Q235基體與堆焊涂層的熔合面的形貌。其中圖(a)左側(cè)顏色較深的區(qū)域?yàn)镼235基體材料,右側(cè)顏色較淺的區(qū)域?yàn)槎押竿繉?。從圖(a)中可以看出,在等離子堆焊過程中,涂層材料經(jīng)過高溫熔化在基體表面形成熔池,熔池內(nèi)的液態(tài)合金與基體一起熔化、混合、擴(kuò)散、凝固,最終二者形成牢固的冶金結(jié)合。圖(b)為堆焊涂層中碳化物增強(qiáng)相的形貌分布圖,其中顏色較深的區(qū)域?yàn)楹辖鸩牧?白色亮塊為碳化物增強(qiáng)相材料,從圖中可以看出,加入的碳化物增強(qiáng)相呈島狀均勻的分布于合金層材料中,強(qiáng)化相與合金層的熔覆性能匹配性能較好,在熔合線處沒有出現(xiàn)開裂和孔洞的現(xiàn)象,對(duì)涂層起到了有效的骨架強(qiáng)化作用。

圖5 Q235基體與堆焊涂層的熔合面形貌

2.2 磨損樣品宏觀形貌分析

圖6是普通錘頭材料與堆焊涂層樣品經(jīng)過線性往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)測(cè)試后,劃痕形貌的宏觀照片。從圖中我們可以清晰的看出,普通錘頭材料表面硬度低,耐磨性較差,在30 min,40 N壓力的磨損條件下,材料表面磨損嚴(yán)重,留下的劃痕坑較寬較深,而等離子堆焊涂層硬度高,耐磨性較好,在同樣的磨損條件下的表面劃痕坑則較窄較淺,堆焊涂層材料體現(xiàn)出了明顯的耐磨效果。

圖6 摩擦磨損測(cè)試樣品表面宏觀形貌

經(jīng)過稱重,堆焊涂層的質(zhì)量損失為6×10-5g,普通錘頭材料的質(zhì)量損失為254×10-5g,堆焊涂層的線性耐磨性大約是普通錘頭的40倍,耐磨性能得到了大幅的提高。

2.3 磨損樣品微觀形貌分析

圖7是普通錘頭材料與堆焊涂層樣品經(jīng)過線性往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)測(cè)試后,劃痕形貌的微觀照片。從圖片(a)(b)可以分別看出普通錘頭材料劃痕寬度達(dá)到1400 μm,而堆焊涂層僅為150 μm,二者相差近10倍。

圖7(c)為普通錘頭材料劃痕坑的微觀形貌照片。從圖中可以看出,普通錘頭表面劃痕坑呈現(xiàn)出凹坑和梨溝狀,材料的損失主要為粘著磨損,并存在一定的磨粒磨損。在磨損過程中,摩擦力F主要由FX和FY構(gòu)成,其中FX對(duì)樣品表面產(chǎn)生顯微摩擦磨損,FY對(duì)樣品產(chǎn)生壓入的磨粒磨損。由于普通錘頭材料為鐵素體加珠光體組織(硬度120 HB),材料硬度低,強(qiáng)度差,很容易發(fā)生塑性變形并脫落,脫落的小顆粒附著在對(duì)磨球與試樣表面直接接觸,隨著摩擦?xí)r間的延長,逐漸形成了粘著磨損紋路的溝梨狀磨痕,抗磨損性能較差[9]。

圖7(d)為堆焊涂層劃痕坑的微觀形貌照片。從圖中可以看出,堆焊涂層樣品表面的劃痕坑相對(duì)平整光滑。由于涂層材料為馬氏體組織(硬度500 HV),材料的硬度高,強(qiáng)度大,自身擁有良好的抗磨性能。添加的碳化物強(qiáng)化相(硬度1800 HV),均勻熔嵌在合金涂層內(nèi)部,在反復(fù)的線性摩擦磨損條件下,對(duì)磨鋼球在涂層表面產(chǎn)生的的顯微切削運(yùn)動(dòng)由于受到大顆粒碳化物硬質(zhì)相的阻礙,摩擦運(yùn)動(dòng)僅僅是在碳化物表面進(jìn)行,沒有對(duì)合金層造成有效的磨損,減少了對(duì)涂層材料的磨損,因此劃痕坑較淺[10]。

圖7 摩擦磨損測(cè)試樣品表面微觀形貌

2.4 動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)

圖8(a)(b)分別為普通錘頭材料與堆焊涂層材料的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)曲線。從曲線上可以看出,普通錘頭材料由于基體硬度較低,摩擦初期接觸面由于瞬間受到載荷40 N壓力,在樣品表面首先產(chǎn)生一定的塑性形變,此時(shí)接觸面仍保持相對(duì)光滑的形態(tài),此時(shí)摩擦系數(shù)較小;隨著線性往復(fù)摩擦?xí)r間的增加,接觸面開始產(chǎn)生粘著磨損,逐漸形成溝梨狀,不斷進(jìn)行磨削磨損,磨粒再次壓入材料表面進(jìn)行反復(fù)的摩擦運(yùn)動(dòng),磨損量繼續(xù)增大,表面粗糙度隨之增大,因此動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)呈不斷上升趨勢(shì)。等離子堆焊耐磨涂層材料由于涂層材料本身硬度較高,摩擦初期接觸面受到載荷壓力幾乎不產(chǎn)生形變;同時(shí),涂層材料中添加的碳化物增強(qiáng)相對(duì)涂層本體再次起到保護(hù)和支撐作用,強(qiáng)化了堆焊涂層的硬度和耐磨性能,隨著線性往復(fù)摩擦?xí)r間的增加,接觸面的粗糙度沒有發(fā)生變化,因此動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)呈平穩(wěn)趨勢(shì),體現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能。

圖8 摩擦磨損測(cè)試樣品動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)曲線

3 工業(yè)應(yīng)用

鋁電解耐磨打殼錘頭在國內(nèi)某電解鋁企業(yè)200 kA系列電解槽進(jìn)行上槽試用,分別在錘頭使用3個(gè)月、6個(gè)月、20個(gè)月對(duì)錘頭的磨損情況進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì),具體數(shù)據(jù)見表3。通過對(duì)比可知,普通Q235鋼錘頭耐磨性較差,在使用6個(gè)月后需要更換新錘頭,平均磨損重量為8.25 kg;同期相比,耐磨打殼錘頭無需更換,平均磨損重量為0.47 kg。截止目前,耐磨錘頭使用壽命已超過20個(gè)月,平均磨損重量為1.25 kg,而普通錘頭已更換3根,累計(jì)質(zhì)量損失為27.52 kg。采用等離子堆焊的方法在錘頭表面制備耐磨涂層,可明顯提高打殼錘頭的耐磨性能,將錘頭的使用壽命提高5倍～10倍,減少錘頭的更換次數(shù),按照50萬噸/年電解鋁企業(yè)計(jì)算,可節(jié)約錘頭綜合更換費(fèi)用120萬/年。

表3 打殼錘頭使用情況

4 結(jié) 論

(1)堆焊涂層與碳鋼基體形成牢固的冶金結(jié)合,碳化物強(qiáng)化相呈島狀均勻分布于涂層材料中,有效的起到了骨架和支撐作用。

(2)通過摩擦磨損試驗(yàn)可以看出,堆焊涂層的表面的劃痕坑平整光滑,寬度為150 μm,質(zhì)量損失僅為0.06 mg,其耐磨性為普通錘頭材料的40倍以上。

(3)采用等離子堆焊的方法在錘頭表面制備耐磨涂層,可明顯提高打殼錘頭的耐磨性能,大幅增加錘頭的使用壽命,對(duì)電解鋁企業(yè)降低生產(chǎn)成本有著重要的意義。

圖9 普通錘頭與耐磨錘頭使用性能對(duì)比