CN101214593B - 高强耐磨耐高温纳米合金焊条 - Google Patents
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Abstract
本项发明为一种合金钢材焊接及其堆焊所使用的焊条材料，该种焊条材料以H08A钢为焊芯，其特征在于包覆在焊芯外边的焊药成分由钨w、铌Nb、钼Mo、铬Cr、钒V、锰Mn、铁Fe和渣剂等多种成分按指定比例组成。用该种焊条焊制的材料在焊缝处形成的晶粒组织致密，可以达到纳米级，高强、高硬、耐热、耐腐蚀。可广泛用于钢的焊接或将其堆焊于轧辊表面工程机械刃件等处，提高部件的耐磨性能，效果极佳。
Description
技术领域
本项发明属于一种合金钢材焊接及其堆焊所使用的焊条材料。
背景技术
自黑色冶金行业发达以来，钢铁材料就一直作为人类社会工业生产中最重要的结构材料之一而被广泛使用，而且正日益发挥着越来越重要的作用。随着社会的不断进步，人们期望生产制造出具有非常优异综合性能的先进钢铁材料，以此满足社会的特别需求。应该说近年来相关学科的技术创新为钢铁材料的发展提供了许多条件，使得钢铁材料的性能有了很大的改善，钢材质量显著提高。
钢材质量的显著提高以及钢材品种的增加无疑为钢铁材料的应用带来了更广泛的前景。但是在其使用的过程中，使得钢材熔接在一起的焊接材料(以下简称焊条)也同样的重要。没有焊接材料，钢材间只能依靠螺栓等零件实现相互连接，如果真的如此，则钢材特别是钢板的利用将大打折扣。因此焊接材料的研究也越发活跃起来。目前，焊条的种类和牌号正逐步增多，同时也出现了带有特殊功能的合金焊条，以其作为特殊的堆焊材料使用，发挥出特殊的性能。
作为堆焊料使用的合金焊条多应用在轧辊表面，工程机械铲头或锋刃处，依靠堆焊出的材料结构致密，因而可以明显提高产品的耐磨耐冲击性能。
发明内容
本项申请完成了一种具有十分优良性能的焊条发明。其发明的原理在于将一些能够有效制约钢晶粒长大的合金元素混合在渣剂之中形成焊药，当焊药内的焊芯在电流的作用下高温熔化时，焊药一并熔化且其中的合金元素进入到焊心和焊药熔化后共同形成的高温熔池之中，高度均匀分散到瞬间形成的钢水中且很快凝固，形成钢铁合金材料，把钢板等熔接在一起，或者形成堆焊层。
与以往的焊条相比，本发明制造的焊条同样由焊芯和包覆在焊芯外边的焊药两部分构成，采用一般的焊条制作设备及其工艺条件进行生产，其中焊芯同样使用的是市场所普遍出售的H08A钢普通焊芯，但使用的焊药是由本项发明所完成的特殊成分配制而成的。该种焊药是由钨W、铌Nb、钼Mo、铬Cr、钒V、锰Mn、铁Fe和渣剂等多种成分按指定比例组成，其具体比例如下表1所示：
表1
| 元素名称 | 钨(W) | 铌(Nb) | 钼(Mo) | 铬(Cr) | 钒(V) | 锰(Mn) | 铁(Fe) | 渣剂 |
| 重量％ | 6.0-16.0 | 1.0-6.0 | 6.0-14.0 | 2.0-6.0 | 5.0-12.0 | 4.0-7.0 | 16.0-21.0 | 36.0-58.0 |
其中表1中所列的渣剂主要由自焊条渣剂市场购进的石英、长石、太白粉、大理石、金红石、萤石、白泥、石墨等物料组成，其中各种物料在焊药材料中所占的重量百分数如表2所列：
表2
| 成分名称 | 石英 | 长石 | 太白粉 | 大理石 | 金红石 | 萤石 | 白泥 | 石墨 |
| 重量％ | 2.0-4.0 | 2.0-5.0 | 2.0-5.0 | 11.0-15.0 | 10.0-13.0 | 5.0-9.0 | 3.0-6.0 | 其余 |
如前所述，本项发明所实现的纳米合金焊条，采用的制作方法同普通焊条制作方法相同。即按照上述成分称量出各种合金元素，鉴于各种单一合金元素价格昂贵，也可以使用各元素的合金材料，如含有钨元素的碳化钨、含有金属铌的铌铁合金等，同时购入渣剂中的各项成分，按比例配制混匀后加入配制焊药普遍使用的粘结剂，制成焊药待用，取普通的H08A钢为焊条芯，利用普通的焊条压制机将已经配制好的焊药压在焊条表面，再经干燥制得成品，包装出厂。
此种焊条的使用方法和普通焊条完全相同，利用普通的焊接设备，实施焊接作业，包括普通意义的焊接和特殊情况下的堆焊。
本项发明制取的纳米合金钢焊条，焊接后焊缝内的金属组织致密、坚固，具有极好的焊接性能。其中作为堆焊材料使用时，堆焊形成的焊层合金组织经过透射电子显微镜和X射线衍射仪进行检测，有80％晶粒粒度小于50纳米(nm)，其中东北大学测试中心利用透射电镜对试样进行了多角度监测，试样中的品粒平均粒径为30-40纳米。因此此项发明创造的合金钢焊条材料其焊接冷却后形成的焊缝金属可以称为纳米结构合金材料。
分析此种纳米结构合金材料形成的原因，是因为该种焊条在电弧的作用下熔化后瞬间形成一个不断沿着焊接前进方向移动的瞬间熔池，熔池内的金属合金元素高度弥散，其粒子被彼此包围、分隔，形成多个单相的超微粒子，一个相的超微粒子无法翻越进入另一个相的超微粒子之中，从而避免了粒子的聚集和晶粒长大，因此超粒微子大小比较稳定，且由于其体积效应，缩小了其它原子的溶入空间。同时超量处于非晶状态的界面原子阻碍固态加热过程中合金元素的原子和铁原子的扩散位移，故焊缝和堆焊材料即便是在升温、降温时也不会发生相变，淬火也无马氏体转变，所以它具有很高的热稳定性。例如，在生产上已经试用于烧结机的单齿辊上，尽管单齿辊的负载温度在800℃以上，可使用效果相当良好。另外将其堆焊在钎具钢刃处，可延长寿命2-3倍。由于超微粒子的体积效应；还有，随着纳米粒子的直径减少，能级间隙增大，电子移动困难，电阻率增大，从而材料的抗腐蚀性能也得到了明显增强。
总之，这种焊条材料焊接后所形成的纳米合金钢具有高强度、高硬度、高耐热性和高耐蚀性好，同时，具有良好的韧性。因此具有良好的应用前景。主要包括：
可以代替高价进口的耐磨焊条进行堆焊，修复冶金、矿山用大型设备，甚至可以替代30万元左右/吨的莱立特合金钢进行使用。
可用于石化工业耐磨、耐蚀且耐热的部件上，比如堆焊在裂变反应管的内壁上。
堆焊在大型冶金设备的耐磨部位，可以大大改善冶金设备的耐磨性能，获得满意的效果，且有望解决大型轧辊的耐用性问题。
本合金钢在军工方面可表现出更加卓越的性能，堆焊在隐形飞机外壳、坦克装甲及履带、发射管、潜艇外壳等，因其纳迷级组织结构，可以获得十分满意的效果，由此产生的经济效果和社会效益等将十分显著。
在航空航天领域，通过堆焊。可以提高各类飞行器的有关性能。
实施例：本项发明的具体实施例如下
实施方式1
按照本项发明制作1000千克焊条，所使用的焊药配方如表3所列：
表3
| 元素名称 | 钨(W) | 铌(Nb) | 钼(Mo) | 铬(Gr) | 钒(V) | 锰(Mn) | 铁(Fe) | 渣剂 |
| 重量％ | 13.62 | 2.43 | 10.30 | 2.11 | 6.56 | 5.01 | 18.03 | 41.94 |
其中表3中所列的渣剂物料组成，如表4所列：
表4
| 成分名称 | 石英 | 长石 | 太白粉 | 大理石 | 金红石 | 萤石 | 白泥 | 石墨 |
| 重量％ | 3.10 | 2.58 | 3.52 | 12.03 | 10.56 | 5.11 | 3.34 | 1.70 |
实施方式2
按照本项发明制作2000千克焊条，所使用的焊药配方如表5所列
表5
| 元素名称 | 钨(W) | 铌(Nb) | 钼(Mo) | 铬(Gr) | 钒(VO | 锰(Mn) | 铁(Fe) | 渣剂 |
| 重量％ | 11.06 | 1.98 | 11.14 | 4.42 | 8.12 | 4.16 | 16.01 | 43.11 |
其中表5中所列的渣剂物料组成，如表6所列：
表6
| 成分名称 | 石英 | 长石 | 太白粉 | 大理石 | 金红石 | 萤石 | 白泥 | 石墨 |
| 重量％ | 3.12 | 2.80 | 4.15 | 11.01 | 11.02 | 6.10 | 3.11 | 1.80 |
经过检验，实施例1获得的1号焊条焊接完成后焊接处取下的焊肉有关指标为：
晶粒粒度：平均粒度30.6mn
硬度：62HRC
抗压强度：3980Mpa
实施例2获得的2号焊条焊接完成后焊接处取下的焊肉有关指标为：
晶粒粒度：平均粒度34.6mn
硬度：65HRC
抗压强度：3900Mpa
Claims (1)
1.一种合金钢材焊接及其堆焊所使用的焊条材料，该种焊条以H08A钢为焊芯，其特征在于包覆在焊芯外边的焊药成分按重量百分数分别为：6.0≤钨W≤16.0，1.0≤铌Nb≤6.0，6.0≤钼Mo≤14.0，2.0≤铬Cr≤6.0，5.0≤钒V≤12.0，4.0≤锰Mn≤7.0，16.0≤铁Fe≤21.0，2.0≤石英≤4.0，2.0≤长石≤5.0，2.0≤钛白粉≤5.0，11.0≤大理石≤14.0，10.0≤金刚石≤13.0，5.0≤萤石≤9.0，3.0≤白泥≤6.0，其余成分为石墨。
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