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威尔朗科技?
耐磨材料在疏浚行业的应用讨论
    目前,工程机械主要由钢铁材料构成,由于其作业条件、作业对象、使用环境的特殊性,对所用材料的要求除一般的强度、刚度、焊接性能等外,还要求具有耐磨性、耐冲击性、耐疲劳性、低温韧性、耐腐蚀性。在工程机械制造过程中,应根据零部件工作的性质与特点正确选用材料,并根据使用条件进行科学的加工,保证工艺过程中材料的金相组织、力学物理性能不发生较大变化,维持材料性能的稳定性,以保证工程机械的使用性能。耐磨材料多用于制造在磨损环境中工作的零部件,因此在性能上要求更为严格。
    0.引言
    近年来国内大型耙吸挖泥船、绞吸挖泥船的发展呈现出迅猛的态势。针对疏浚土质的多样性,特别是土质为中粗沙夹砾石时,对疏浚设备磨损加剧,因此对挖泥船的过流设备及输泥管线的耐磨性能提出了更高的要求。为了减少维修,提高施工效率,对耐磨材料的选用显然很重要。
    1.耐磨材料在挖泥船上的应用现状
    1.1挖泥船上疏浚设备的磨损
    挖泥船的磨损经常发生且不可避免,从机具切削吸入泥沙开始,在泥泵的作用下,泥浆通过吸排泥管路到排出的过程,泥沙所到之处磨损无处不在:机具(耙头、绞刀、斗轮)、吸排泥管线、泥泵过流部件、还有泥门、装载箱等等。而磨损是一个非常复杂的过程,与磨损过程输送的泥浆性质、速度和压力等因素都有关。由于疏浚过程中的介质是泥沙(海)水,不同的泥沙颗粒、浓度、速度及压力对疏浚设备产生不同的冲击、带来不同程度的磨损。通过对多种抗磨材料的冲击与磨损的研究表明,从早先的白口铸铁到如今的高铬白口铸铁都是以其优良的耐磨性能闻名于世。但它属于脆性材料,加工难度大,应用范围受限,通常用作泥泵的过流部件如泵胆、叶轮、前后衬板等等。而对输泥管线,直管选用低碳钢,磨损严重的三通、弯头等管件多采用35硅锰(ZG35SiMn)或35铬钼(ZG35CrMo)。
    1.2耐磨材料的应用
    1.2.1锰钢
    早先的挖泥船输泥直管采用普通的低碳钢,但普通钢管耐磨及耐蚀性差,使用寿命短,需要频繁补焊及更换。因此对重要部位采用低合金锰钢板或内衬钢板。16锰(16Mn)虽强度大大好于热轧钢板(Q235),但耐磨性差强人意。
    高锰钢如Mn13,具有加工硬化的特性。当受到剧烈冲击或较大压力时,会产生表面迅速加工硬化,硬度提高具有高的耐磨性,而心部仍为奥氏体具有良好的韧性,所以常常应用在挖泥机具中,如耙头的底部衬板等。但在载荷偏小处使用,零件表面不产生硬化特性,而使耐磨性不足,不适合使用。
    1.2.2耐磨复合内衬
    陶瓷材料具有极高的耐磨性。陶瓷以其高耐磨、高硬度、耐氧化、耐腐蚀等综合性能被广泛使用,越来越多的挖泥船的油缸活塞杆表面都采用陶瓷镀层。
    由于传统碳钢材料耐磨性能差,使用寿命较短,挖泥船输泥管线一直在探究选用何种材料、以何种方法延长使用寿命,来降低系统的运行成本,减少检修和材料消耗。普遍采用的是耐磨陶瓷作为防磨内衬。如在输泥管道使用陶瓷内衬复合管应是不错的选择,可以大大延长管线使用寿命。然而在管道弯头,因经常有大的石块冲击,使用陶瓷内衬,在受到垂直冲击时,这种脆性材料表面最容易碎裂剥落。此外,由于管线压力输送时,陶瓷层难以与外层钢管发生同步周期性的弹性变形而使内衬易破裂脱落,且成本高,实际效果不理想,所以在挖泥船输泥管线上未被广泛应用。
    1.2.3特殊热处理的耐磨钢板
    该类钢板是通过热处理方法提高钢板的硬度来实现其耐磨功能的。它具有可焊性、冷成型及可机加工性特点。
    1.2.4双金属离心铸造复合管
    继普通白口铸铁之后,高铬白口铸铁因其具有良好的抗磨性能在工业中得到了广泛应用,直到20世纪末,应用最广的高铬铸铁是15 Gr-3 Mo型高铬一钼白口铸铁(含碳量2. 8 % -3%),这种铸铁的特点是Cr/C≥5。进入21世纪,我国不少厂家已经能够生产含Cr量要求大于18%的高铬铸铁(国外挖泥泵的过流部件多采用23%-30% Cr的高铬铸铁)。
    双金属离心铸造复合管是由两种不同的金属构成:外层为普通的碳钢、内层则采用高铬铸铁,通过控制铸型的旋转速度、浇注温度和速度、两种金属浇注的间隔时问,采用合适的热处理工艺,使管层之问在高温下结合面互熔。离心铸造的优点是铸件结晶细密、铸造缺陷少,机械性能好,结合面牢固,管体内表面光滑平整。由于外层无需预先轧制生产无缝管,双层金属一次浇铸完成,生产成本较低,缺点是厚度误差略大,近年来已在挖泥船上开始选用。
    1.2.5夹套高铬铸管夹套高铬铸管是一种复合管,主要用于制作一些弯管或三通管等铸件。它的外层是普通的碳钢管,内层叠套一个高铬铸造管,管与管之问的空隙填充特殊的水泥砂浆。外层碳钢管可以根据铸件的形状特点采用焊接或螺栓连接。一些挖泥船上的弯管、三通四通管都有应用,但其重量较大。
    1.2.6碳化铬堆焊钢板
    堆焊是提高材料耐磨性能的途径之一。常用的堆焊方法有电弧堆焊、等离了堆焊、激光堆焊[4]等。
    碳化铬堆焊钢板是在中低碳钢基板上堆焊一层或多层含有大量碳化铬硬质颗粒的耐磨合金。要得到高品质的耐磨板必须按高碳高铬要求来配比各种合金含量,即:C: 4.0%-5.5%, Cr: 28%-40%。有了优良的先天成分,配以合理的冶金熔敷制造工艺,这样耐磨层的稀释率低,形成大量六方形碳化物硬质颗粒,微观硬度高,与基板冶金结合,抗拉强度高,已广泛使用于疏浚、矿山、水泥、煤电等重磨耗产业并证明其具有极优越的耐磨特性。
    目前国内市面上的大多数堆焊板的主要化学成分为C: 2%-3%, Cr: 13%-25%,基板与耐磨层稀释率较大,表面不平整变形大。除先天的化学成分外,生产过程中的电流、速度等工艺参数直接影响合金的显微组织和硬质相的形态及分布,对堆焊板成品的综合力学性能及耐磨性能影响很大。由于国内外对碳化铬复合板都没有统一的标准,所以高铬堆焊耐磨板特性并不是都一样,市面上有多种不同的产品,其耐磨耗度特性与普通锰钢板比较分布约在4-25倍之问。由于产品良莠不齐,鱼龙混杂,如果选择不当,往往得不偿失,性价比极其不合理。
    2.耐磨材料的选用原则
    耐磨材料的选用涉及设计、制造、使用、价格等很多实际问题,盲目地追求硬度,除了会使成本提高造成浪费外并不一定能取得理想的效果,所以要根据使用工况、零件的结构设计等因素综合考虑,即:1)耐磨件的使用环境(温度、介质等);2)工作条件及受力情况(正负压、流速、流量、载荷、震动、冲击等);3)与使用设备的良好匹配性;4)性价比合理。
    对一些受力构件,参与结构强度的部件应选择热处理的耐磨钢板以兼顾强度、韧性等。比如泥门的锥面钢板,既受到泥沙的冲刷磨蚀,又必须承受冲击及巨大的压力,考虑装载过程中受力状态不同,可选用兼具高强度和塑韧性的耐磨热处理板。对吸排泥管线,可选用高铬耐磨钢板。弯管可采用高铬耐磨板卷管拼焊的虾节管,或者采用夹套高铬铸管。
    另外,耐磨钢板后续的加工工序必须严格按要求进行。因为焊接时热影响区的组织会发生变化,硬度也会波动,所以耐磨钢板在卷管及拼焊时都要严格按照施工工艺要求实施。对弯管可以采用其他它工艺,如在普通碳钢弯管内壁采用自动堆焊,这样就能减少拼接焊缝且流道光顺。
    设计中可综合考虑,采用降低泥浆流速,加大弯管的曲率半径及适当增加厚度等方法。通过合理选用耐磨材料,再辅以降低磨损的措施,就能达到减轻磨损的目的。
    3.结语
    由于磨损所造成的经济损失十分惊人,要实现最大化的利润,就要正确选择和使用材料、降低磨耗、提高使用的可靠性从而获得较高的经济效益。挖泥船上过流部件的选材必须充分考虑疏浚介质的影响,针对其磨损大的特点,从材质的选用环节入手,降低磨损以提高设备的耐用度。随着科学技术的进步将有更多的新技术、新材料、新工艺应用到挖泥船的疏浚设备中。
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