Tecnologia Essencial do Arame de Solda Resistente ao Desgaste: Como o Pó de Ferro Cromo de Alto Carbono Aumenta a Resistência ao Desgaste

I. Análise dos principais fatores que influenciam a resistência ao desgaste do arame de solda resistente ao desgaste

1.1 Composição e Microestrutura do Material da Matriz do Arame de Soldagem

O material da matriz do arame de solda é a base para a resistência ao desgaste do arame, e sua composição química e microestrutura exercem um impacto fundamental na resistência ao desgaste do metal depositado. Do ponto de vista da composição química, elementos como carbono, manganês e silício no material da matriz não apenas afetam o desempenho do processo de soldagem do arame, mas também interagem com elementos no material de reforço para regular a formação e distribuição de fases de reforço no metal depositado. Por exemplo, o carbono pode formar carbonetos com elementos como cromo e tungstênio, enquanto o manganês pode melhorar a fluidez da poça de fusão e aumentar a compactação das juntas soldadas. Em termos de microestrutura, o tamanho do grão e a composição de fases do material da matriz determinam diretamente as propriedades mecânicas iniciais do metal depositado. Um material de matriz com estrutura de grãos finos tipicamente apresenta maior resistência e tenacidade, proporcionando um excelente suporte para a distribuição uniforme de fases de reforço. Além disso, a proporção de fases como perlita e ferrita na matriz também afeta a dureza e a resistência ao desgaste do metal depositado. A regulação racional da microestrutura da matriz é uma base importante para melhorar a resistência ao desgaste.

1.2 Tipos e regras de distribuição das fases de reforço da liga

As fases de reforço da liga são elementos essenciais para melhorar a resistência ao desgaste do arame de solda resistente ao desgaste, e seu tipo, quantidade, tamanho e estado de distribuição determinam diretamente o efeito dessa melhoria. No metal depositado do arame de solda resistente ao desgaste, as fases de reforço da liga mais comuns incluem carbonetos, nitretos, boretos, etc. Entre elas, as fases de carboneto são amplamente utilizadas devido à sua alta dureza e estabilidade. Diferentes tipos de fases de carboneto apresentam diferentes durezas e estabilidades. Por exemplo, a dureza do Cr₇C₃ atinge valores de 1800–2200 HV, muito superiores à do material da matriz, exercendo um efeito significativo na melhoria da resistência ao desgaste. Além disso, o padrão de distribuição das fases de reforço da liga também é crucial. Fases de reforço uniformemente dispersas podem impedir mais eficazmente o movimento das partículas abrasivas e evitar o desgaste local excessivo. Por outro lado, a agregação e segregação das fases de reforço levam a um desempenho irregular do metal depositado, reduzindo sua resistência ao desgaste e tenacidade. Portanto, a seleção racional do tipo de fases de reforço da liga e a regulação de sua distribuição uniforme por meios técnicos são elementos-chave para melhorar a resistência ao desgaste do arame de solda resistente ao desgaste.

1.3 Mecanismo de regulação do processo de soldagem na resistência ao desgaste do metal depositado

O processo de soldagem é um procedimento fundamental que conecta o arame de solda ao material matriz e forma o metal depositado. Seus parâmetros (como corrente de soldagem, tensão, velocidade de soldagem, tipo de gás de proteção, etc.) desempenham um papel importante na regulação da composição química, microestrutura e resistência ao desgaste do metal depositado. A magnitude da corrente e da tensão de soldagem afeta diretamente a entrada de calor da soldagem, que, por sua vez, influencia a temperatura e a taxa de resfriamento da poça de fusão. Uma entrada de calor maior aumentará a temperatura da poça de fusão, causando o crescimento dos grãos do metal depositado e a dissolução excessiva das fases de reforço, reduzindo assim sua dureza e resistência ao desgaste. Por outro lado, uma entrada de calor menor pode levar a uma soldagem insuficiente, resultando em defeitos como penetração incompleta e inclusão de escória, que também afetam o desempenho do metal depositado. A velocidade de soldagem afeta a qualidade da formação e a taxa de resfriamento do metal depositado; uma velocidade de soldagem adequada pode garantir que o metal depositado tenha uma espessura uniforme e uma estrutura densa. O tipo e a vazão do gás de proteção são utilizados principalmente para prevenir a oxidação da poça de fusão, garantir a estabilidade do processo de soldagem e evitar os efeitos adversos dos produtos de oxidação no desempenho do metal depositado. Portanto, a otimização dos parâmetros do processo de soldagem para alcançar uma regulação precisa da microestrutura do metal depositado é uma garantia importante para melhorar a resistência ao desgaste do arame de solda resistente ao desgaste.

1.4 Indicadores Essenciais de Avaliação e Métodos de Teste Padronizados para Resistência ao Desgaste

A avaliação precisa da resistência ao desgaste de arames de solda resistentes ao desgaste é fundamental para promover a pesquisa, o desenvolvimento e a aplicação de tecnologias nesse setor. Atualmente, uma série de indicadores de avaliação essenciais e métodos de teste padronizados foram estabelecidos na indústria. Os principais indicadores de avaliação incluem dureza, perda por desgaste e resistência relativa ao desgaste. A dureza é um índice importante para medir a resistência do material à deformação e ao desgaste localizados, geralmente testada pelos métodos de dureza Brinell (HB), dureza Rockwell (HRC) ou dureza Vickers (HV). Metais depositados com alta dureza geralmente apresentam melhor resistência ao desgaste. A perda por desgaste refere-se à perda de massa ou volume do material sob determinadas condições de desgaste; quanto menor a perda por desgaste, melhor a resistência ao desgaste do material. A resistência relativa ao desgaste é obtida comparando-se a perda por desgaste do material testado com a de um material padrão, o que reflete de forma mais intuitiva as vantagens de resistência ao desgaste do material testado. Os métodos de teste padronizados incluem principalmente o teste de desgaste abrasivo, o teste de desgaste por impacto e o teste de desgaste por deslizamento. Diferentes métodos de teste simulam diferentes condições de desgaste, permitindo uma avaliação abrangente da resistência ao desgaste de arames de solda resistentes ao desgaste em diferentes condições de serviço. Por exemplo, o teste de desgaste abrasivo simula principalmente as condições de trabalho de máquinas de mineração submetidas a corte abrasivo, enquanto o teste de desgaste por impacto simula as condições de trabalho de máquinas de engenharia submetidas à ação combinada de impacto e desgaste. Através de métodos de teste e indicadores de avaliação padronizados, é possível fornecer dados objetivos e precisos para a comparação de desempenho e para a pesquisa e o desenvolvimento tecnológico de arame de solda resistente ao desgaste.

II. Processo de preparação e tecnologia de adaptação de pó de ferro-cromo com alto teor de carbono em arame de solda resistente ao desgaste

2.1 Otimização do processo de preparação de arame de solda resistente ao desgaste e método de adição de pó de ferro-cromo com alto teor de carbono

2.1.1 Projeto de proporção e processo de mistura uniforme de pó de ferro-cromo com alto teor de carbono em arame tubular para soldagem

O arame tubular para soldagem é um dos suportes mais utilizados para pó de ferro-cromo de alto carbono. Em seu processo de preparação, o projeto da proporção e a mistura uniforme do pó de ferro-cromo de alto carbono são fundamentais para garantir o desempenho do arame. Em termos de projeto da proporção, é necessário determinar adequadamente a proporção de pó de ferro-cromo de alto carbono e outros componentes (como pó de ferro, ferromanganês, ferrossilício, grafite, formador de escória, etc.) de acordo com a resistência ao desgaste desejada, o desempenho do processo de soldagem e os requisitos gerais de propriedades mecânicas do arame. Se a proporção de pó de ferro-cromo de alto carbono for muito baixa, haverá formação insuficiente de fases de carboneto e o efeito de reforço será insignificante. Se a proporção for muito alta, a tenacidade do metal depositado diminuirá, a suscetibilidade a trincas de soldagem aumentará e o custo também aumentará. Geralmente, é razoável controlar a proporção de pó de ferro-cromo de alto carbono no arame tubular para soldagem entre 20% e 40%. Em termos de processo de mistura uniforme, para garantir a distribuição homogênea do pó de ferro-cromo de alto carbono no núcleo do fluxo, é necessário adotar equipamentos de mistura eficientes e processos de mistura adequados. Atualmente, os equipamentos de mistura mais comuns incluem misturadores cônicos e misturadores de dupla hélice. Durante o processo de mistura, parâmetros como tempo de mistura e velocidade de rotação precisam ser controlados para evitar misturas irregulares ou aglomeração de partículas. Além disso, antes da mistura, o pó de ferro-cromo de alto carbono e os demais componentes precisam ser secos para remover a umidade e as impurezas, garantindo a qualidade da mistura e o desempenho do processo de soldagem do arame de solda.

2.1.2 Tecnologia de preparação de revestimento em pó de ferro-cromo de alto carbono na superfície de arame de solda sólido

Além do arame tubular para soldagem, o revestimento da superfície do arame sólido com um revestimento contendo pó de ferro-cromo de alto carbono também é uma importante aplicação desse material. O princípio básico dessa tecnologia de preparação consiste em misturar o pó de ferro-cromo de alto carbono com aglutinantes e outros elementos de liga para preparar o material de revestimento por meio de determinados métodos tecnológicos. Esse revestimento é aplicado uniformemente sobre a superfície do arame sólido, formando uma camada com determinada espessura e resistência após a secagem e cura. A chave dessa tecnologia reside no desenvolvimento da formulação do material de revestimento e na otimização dos processos de revestimento. Na formulação do material de revestimento, o teor de pó de ferro-cromo de alto carbono precisa ser ajustado de forma adequada, de acordo com o desempenho desejado. O aglutinante deve apresentar boa resistência de adesão e estabilidade em altas temperaturas para garantir que o revestimento não se desprenda ou se decomponha durante o processo de soldagem. Em termos de processos de revestimento, os métodos comuns incluem revestimento por imersão, revestimento por aspersão, revestimento por rolo, etc. O método de revestimento por imersão apresenta as vantagens de um processo simples e baixo custo, porém com baixa uniformidade na espessura do revestimento. O método de revestimento por aspersão permite obter uma espessura uniforme, mas apresenta altos custos de equipamento. O método de revestimento por rolo combina as vantagens de um processo simples e de uma espessura uniforme, sendo, portanto, amplamente utilizado. Além disso, os processos de secagem e cura do revestimento são cruciais; a temperatura e o tempo precisam ser controlados para garantir que o revestimento tenha boa resistência e estabilidade, evitando defeitos durante o processo de soldagem.

2.2 Estudo Experimental sobre a Otimização da Quantidade de Adição de Pó de Ferro Cromo-Carbono de Alto Teor de Carbono

2.2.1 Influência da quantidade de adição na eficiência de deposição do arame de solda

A quantidade de pó de ferro-cromo com alto teor de carbono adicionada não só afeta a resistência ao desgaste do metal depositado, como também tem um impacto significativo na eficiência de deposição do arame de solda. A eficiência de deposição é um índice importante para medir o desempenho da soldagem do arame, referindo-se à razão entre a massa de metal depositado e a massa de arame de solda consumido por unidade de tempo. Numerosos estudos experimentais constataram que existe uma relação não linear entre a quantidade de pó de ferro-cromo com alto teor de carbono adicionada e a eficiência de deposição. Quando a quantidade adicionada é pequena, o pó de ferro-cromo com alto teor de carbono tem pouco efeito na eficiência de deposição. Com o aumento da quantidade adicionada, a eficiência de deposição melhora gradualmente, pois alguns elementos presentes no pó de ferro-cromo com alto teor de carbono podem melhorar a fluidez da poça de fusão e promover a fusão e a deposição do arame de solda. No entanto, quando a quantidade adicionada ultrapassa um determinado limite, a eficiência de deposição começa a diminuir. Isso ocorre porque o pó de ferro-cromo com alto teor de carbono possui alta densidade; a adição excessiva diminui a velocidade de fusão do arame de solda. Entretanto, a formação de fases de carboneto em excesso aumentará a viscosidade da poça de fusão, dificultando o fluxo e a formação do metal depositado. Portanto, é necessário determinar a faixa ideal de adição de pó de ferro-cromo com alto teor de carbono por meio de experimentos de otimização para garantir a resistência ao desgaste do metal depositado, levando em consideração a alta eficiência de deposição.

2.2.2 Lei de Evolução da Resistência ao Desgaste do Metal Depositado com Diferentes Quantidades de Adição

A resistência ao desgaste do metal depositado apresenta uma clara evolução com diferentes quantidades de pó de ferro-cromo com alto teor de carbono adicionadas. Os resultados dos testes mostram que, com o aumento da quantidade de pó de ferro-cromo com alto teor de carbono adicionada, o número de fases de carboneto no metal depositado aumenta gradualmente, e a dureza e a resistência ao desgaste também aumentam correspondentemente. Quando a quantidade adicionada atinge um determinado valor, a dureza e a resistência ao desgaste do metal depositado atingem o pico. Se a quantidade adicionada continuar a aumentar, a dureza e a resistência ao desgaste do metal depositado não melhoram, mas diminuem, e a tenacidade também diminui significativamente. Isso ocorre porque, quando a quantidade adicionada é muito alta, o número de fases de carboneto é excessivo, levando à agregação e segregação, o que resulta em uma microestrutura irregular do metal depositado e concentração de tensão localizada. Durante o processo de desgaste, há maior probabilidade de ocorrência de trincas, acelerando a falha por desgaste. Além disso, o excesso de fases de carboneto também reduz o desempenho do processo de soldagem do metal depositado e aumenta o risco de trincas na solda. Portanto, determinar a quantidade ideal de pó de ferro-cromo com alto teor de carbono por meio de experimentos é fundamental para alcançar um equilíbrio entre a resistência ao desgaste e as propriedades mecânicas abrangentes do metal depositado.

2.3 Tecnologia de regulação de compatibilidade entre o pó de ferro-cromo de alto carbono e outros componentes do arame de solda

A compatibilidade entre o pó de ferro-cromo com alto teor de carbono e outros componentes do arame de solda (como metal matriz, outros elementos de liga, formadores de escória, desoxidantes, etc.) afeta diretamente o desempenho do processo de soldagem e o desempenho do metal depositado. Portanto, é necessário adotar tecnologias de controle eficazes para garantir uma boa compatibilidade. Primeiramente, em termos de seleção de componentes, é necessário escolher outros componentes de forma adequada, considerando a composição química e as propriedades físicas do pó de ferro-cromo com alto teor de carbono. Por exemplo, selecionar ferromanganês, ferrossilício, etc., com boa capacidade de desoxidação, como desoxidantes, pode remover eficazmente o oxigênio da poça de fusão, evitando a formação de óxidos entre o oxigênio e o cromo e prevenindo o impacto na formação de fases de carboneto. Selecionar formadores de escória adequados pode garantir a formação de uma escória de boa qualidade durante o processo de soldagem, proteger a poça de fusão e o cordão de solda e reduzir a geração de defeitos. Em segundo lugar, em termos de regulação de proporções, é necessário otimizar a proporção de cada componente por meio de experimentos para evitar problemas de compatibilidade causados ​​por quantidades excessivas ou insuficientes de determinado componente. Por exemplo, uma proporção excessivamente alta de formadores de escória pode levar ao excesso de escória, afetando a formação do metal depositado; uma proporção insuficiente de desoxidantes não consegue remover eficazmente os elementos nocivos. Além disso, a interação entre os diversos componentes pode ser melhorada e a compatibilidade aumentada pela adição de uma quantidade adequada de ligas-mãe ou elementos de terras raras. Os elementos de terras raras possuem bons efeitos de purificação e modificação, podendo refinar os grãos, melhorar a distribuição das fases de carboneto, aumentar a força de ligação entre os diversos componentes e melhorar o desempenho geral do arame de solda.