CN101406994A - 一种高碳高铬高铌铸铁自保护药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

一种高碳高铬高铌铸铁自保护药芯焊丝，以钢带为外皮，药芯成份按质量百分比为：10～30％的铌铁；20～30％的高碳铬铁；0.1～3％的V；0.2～3％的W；0.6～0.8％的锰铁；0.2～0.8％的75硅铁；20～30％的碳化铬；5～12％的石墨；1～10％的铝镁合金；1～5％的碳化硅；1～3％的硼铁；配重比在46～54％之间。本发明硬度高，耐磨性极好，抗氧化能力高，抗冲击能力强，可广泛应用于火力发电厂、水泥厂磨煤机磨辊、磨盘；高炉投料设备(投料槽、料钟、储料区、筛板)；矿渣立磨、破碎机锤头和滚筒、钢厂烧结设备工件。

Description

一种高碳高铬高铌铸铁自保护药芯焊丝

技术领域

本发明属于高硬度材料焊接领域，涉及一种焊丝，具体地说涉及一种含有高碳高铌铬铁的自保护堆焊药芯焊丝。熔覆金属中的铌含量大于5％，具有高硬度和所属材料加工工程中的焊接领域。

背景技术

日常使用的钢厂烧结设备工件、火力发电厂磨煤机磨辊、磨盘及水泥厂立磨磨辊、磨盘衬瓦、高炉投料设备(投料槽、料钟、储料区、筛板)、矿渣立磨、破碎机锤头和滚筒、挖掘机的铲齿、耐磨钢板等许多装备中，存在着的低、中、高温严重耐磨工件的堆焊修复。堆焊修复上述工件方式中，由于明弧焊本身具有的堆焊性能可靠、不易引起母材开裂变形、以及生产率高、劳动强度低、焊层耐磨性好等优点，特别是它解决了埋弧焊有些部位不能堆焊(如磨盘中速磨底座)的问题，在短短几年里，就得到广泛推广和应用。高硬度高耐磨的无渣型自保护药芯焊丝成为最为广泛应用的合金材料。

对于磨粒磨损工况，铁基合金(即高铬合金铁)是比较常见和适用的堆焊合金体系。在伴有各种应力状态或冲击作用实际工况下，这类堆焊合金的高硬(抗磨好)和韧化(不剥落)的组合优化问题，可以通过调整硬质相的种类、数量及其分布形态与基体组织的合理配置得以实现。传统的高铬铸铁堆焊合金熔覆金属主要为碳化铬及少量的碳化硼和碳化钛。传统材料焊后不但硬度不高(不高于HRC60)耐磨性差，使用寿命短，而且经常出现致命缺陷-掉块，严重损害生产装备，造成巨大的经济损失。

铌在高碳铬铁中的重要性表现：在铌的沉淀物和固熔Nb可使高铬铸铁硬度增加，耐磨性增加，组织细化，Nb在奥氏体中对抑制马氏体转变起重大作用。

1、铌作为强碳化物形成元素，只要有足够的碳，在适当条件下，就形成高硬度高耐磨的(2000HV)MC型碳化物，强烈提高材料的硬度和耐磨性。本专利中此合金体系铌含量高(6％～8％)，碳含量较多(5～7％)，同时在堆焊过程中层间温度低(＜120℃)，铌在焊接过程中大部分形成高硬度高耐磨的碳化铌NbC，强化了铬的碳化物。同时，还有少量部分Nb固熔于基体中，强化了基体，合金体系中加入锰、钨、钼等元素，这类元素一部分以原子状态进入固溶体中，另一部分形成置换式合金渗碳体，如(Fe、Mn)₃C、(Fe，Cr)₃C等，这些元素强化了基体，避免了工作过程中掉块的危险。

2、铌的沉淀物NbC和固熔Nb能阻碍碳化物的聚集，可使高铬铸铁组织细化，抗时效裂纹能力加强，焊道表面的裂纹宽度细如发丝，裂纹间距小，有效的释放内应力，降低了掉块的可能性。

3、铌使高碳铬铁强度性能增加，屈服强度提高，铌的高温性能稳定，耐冲击，高温耐磨性好，温度高达摄氏600度时仍然保持卓越的耐磨性和冲击韧性。

铌在高碳铬铁中的作用十分重要，但高碳铬铁自保护药芯焊丝中加入铌，在堆焊熔池阶段，铌优先与空气中的氧结合生成含铌氧化物-尖晶石形化合物二价NbO，能与三价金属氧化物(AI₂O₃、Cr₃O₂)形成具有体心立方结构的尖晶石形化合物MeO·Me₂O₃，紧紧的黏在焊道表面，产生严重的黏渣。同时飞溅增大，焊丝的浸润性差。由于上述难点，含铌的高碳铬铁自保护药芯焊丝在国内未见任何专利和报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高碳高铬高铌铸铁自保护药芯焊丝，以克服含铌高碳铬铁自保护药芯焊丝黏渣、飞溅大、浸润性差等难点。

为实现上述目的，本发明提供的一种高碳高铬高铌铸铁自保护药芯焊丝，以钢带为外皮，药芯成份按质量百分比为：

10～30％的铌铁；

20～30％的高碳铬铁；

0.1～3％的V；

0.2～3％的W；

0.6～0.8％的锰铁；

0.2～0.8％的75硅铁；

20～30％的碳化铬；

5～12％的石墨；

1～10％的铝镁合金；

1～5％碳化硅；

1～3％的硼铁；

1～5％的萤石；

1～5％的氟化钡；

1～3％的碳酸钡；

0～4％氟硅酸钠；

0～3％大理石；

0～5％氟化锂；

0～3％的碳酸锂。

所述的高碳高铬高铌铸铁自保护药芯焊丝，其中，钢带的厚度×宽度为：0.3×16mm、0.4×18mm或0.5×21mm。

所述的高碳高铬高铌铸铁自保护药芯焊丝，其中，焊丝直径为1.6～4.0mm。

所述的高碳高铬高铌铸铁自保护药芯焊丝，其中，焊丝的配重比在46～54％之间。

本发明提供的高碳高铬高铌铸铁自保护药芯焊丝具有：

1)堆焊层满足特定的化学成分，金相组织主要为奥氏体+少量莱氏体+各种碳化物。基体具有良好的韧性组织奥氏体，有较高的抗事故能力，以防物料中硬质物的破坏；表面具有高硬度高耐磨组织碳化物。从而实现了基体和耐磨相的良好结合，极大程度的提高了熔覆金属的韧性和耐磨性。

2)堆焊层表面具有均匀的裂纹形貌，同时具有优良的抗掉块能力。堆焊层表面具有适当而均匀的硬度(范围：58～64HRC)，及良好的耐磨性能。

3)堆焊层中无气孔、夹渣、咬边、焊道表面清洁无渣等焊接缺陷，焊丝的浸润性要好，熔化速率高，熔敷金属量：10～15Kg/h。焊材堆焊工艺性能优良。

4)堆焊时电弧稳定；飞溅小；焊道成型美观；加入多种多量合金元素，提高焊丝熔化时电弧区的温度和熔池存在时间，适当降低堆焊金属熔点和扩大堆焊金属结晶温度区间，降低液体金属的粘度和表面张力，浸润性好；堆焊后熔敷金属中存在有大量的碳化物、铌化物以及一定数量的氮化物，使堆焊金属具有高的硬度和良好的韧性，适合多层多道焊，堆焊层厚度可高达70mm，具有良好的可焊性和抗掉块能力。广泛应用于低、中、高温严重低中应力耐磨工件的堆焊修复。

具体实施方式

本发明的高碳高铬高铌铸铁自保护药芯焊丝，其所属药芯焊丝质量百分比如下：

钢带：钢带厚度(mm)×宽度(mm)为：0.3×16，0.4×18，0.5×21及相关带，配重比在46～52％之间。焊丝直径：Φ1.6～Ф4.0mm。

药芯组份为：10～30％的铌铁，20～30％的高碳铬铁，0.1～3％的V，0.2～3％的W，0.6～0.8％的锰铁，0.2～0.8％的75硅铁，20～30％的碳化铬，5～12％的石墨，1～10％的铝镁合金，1～5％碳化硅，1～3％的硼铁，1～5％的萤石，1～5％的氟化钡，1～3％的碳酸钡。

焊丝中还可能含有以下几种成分：

0～4％氟硅酸钠，0～3％大理石，0～5％氟化锂，0～3％的碳酸锂等矿物质。

药芯中主要成分作用如下：

石墨：

(1)石墨与合金元素作用可产生碳化物，这正是提高堆焊金属硬度与耐磨性所需要的。

(2)石墨在电弧高温下有很强氧化性，氧化后生成CO气体，可以作为电弧下熔池的保护气体。由于石墨在高温下是很强的脱氧剂，因此，保证了合金元素的过渡；石墨脱氧反应可产生大量的热，有利于金属的热电离，提高焊丝的引弧和稳弧性能。

高碳铬铁和碳化铬：

引入C和Cr，在熔覆金属中，随碳和铬含量的增多，碳化物数量增多，而碳的影响比较明显。当碳含量一定时，随铬含量的增加，碳化物宽度变窄；当铬含量一定时，碳含量的增加使得碳化物的宽度稍有增加，并使碳化物的形貌和分布发生变化，堆焊层硬度和耐磨性随含C量增加而增加。

铌铁：

强碳化物形成元素只要有足够的碳，在适当条件下，就形成高硬度高耐磨的碳化物，在此合金体系中由于铌含量较大，碳含量较多，绝大部分铌在焊接过程中形成高硬度的碳化铌，强化熔覆金属的碳化物，增加了抗磨损程度；很少部分强化了基体，促使合金体系向奥氏体转化，使基体组织有足够的韧性，防止在磨损过程中掉块。

锰和硅铁：

在堆焊过程中脱氧脱硫，产生大量的热量加快焊接反应速度，同时可提高堆焊熔覆金属的强度和硬度。

钒铁：

钒在高碳铬铁中的主要作用是析出二次碳化物，降低基体的碳含量。同时又能取代共晶碳化物中的部分铬，降低了碳化物中的含铬量，，随钒含量的增加，共晶碳化物中铬量降低，增加了基体中铬含量，促使连续冷却曲线右移，有提高奥氏体稳定的可能性。生成的碳化物又有利于提高合金体系的耐磨。

钨铁：

钨跟钼相似，一部分生成碳化物，另一部分强化基体。

铝镁合金：

脱氧剂，同时可减少氮向金属内部的扩散，保证焊道不出现气孔。

碳化硅：

向熔覆金属中渗入高硬度高耐磨的陶瓷材料，可极大提高材料的耐磨性和硬度。

硼铁：

B在缝凝固过成中与N结合为BN，降低固溶N的含量，固溶B能抑制γ晶问的先共析铁索体的析出，与碳反应生成BC，提高材料的耐磨性，但用量多会产生脆硬现象。

萤石：

强稀释剂，使焊缝中气体易于逸出，能脱硫，与氢反应生成HF减少白点倾向。萤石熔点低，易行成CaF₂气囊，防止空气侵入钢液表面，减少气体对熔池焊道的污染。主要作用是造渣，

氟硅酸钠：

主要起造渣和造气作用，调整熔清的物化性能，调整熔池的熔点、粘度、表面张力和流动性，改善脱渣性。

Ca₂CO₃：

受热分解产生CO₂气体保护焊缝不被氧、氮化，同时起稳定电弧和脱硫。

BaF、LiF、Li₂CO₃、Ba₂CO₃：

加入多量的上述物质可完全抑制气孔的产生，降低铝镁合金及铝的加入量，可得到无气孔等缺陷和冲击韧性良好的焊缝。加入后可使电弧电压低，电弧短，减少了自保护药芯焊丝焊接时熔滴的吸收氮量。调整焊渣熔化温度，降低熔池粘度。

钢带：

钢带厚度(mm)×宽度(mm)为：0.3×16，0.4×18，0.5×21及相关带，配重比在46～53％之间。焊丝直径：Φ1.6～Φ4.0mm。

实施例1：

采用普通碳钢带H08A，厚度为0.3mm，宽度为16mm。

药芯成份为：高碳铬铁：250克，碳化铬：277克，75硅铁：8克，锰铁：8克，铌铁：190克，石墨：100克，钨：20克，钒20克，铝镁合金：20克，碳化硅：15克，硼铁：12克，萤石：30克，氟化钡：15克，碳酸钡：10克，氟化锂：4克，碳酸锂7克，氟硅酸钠：14克。共1000克粉子，配重比为53％。

实施例2：

采用普通碳钢带H08A，厚度为0.3mm，宽度为16mm。

药芯成分为：高碳铬铁：250克，碳化铬：277克，75硅铁：8克，锰铁：8克，铌铁：190克，石墨：100克，钨：20克，钒20克，铝镁合金：20克，碳化硅：15克，硼铁：12克，萤石：25克，氟化钡：13克，碳酸钡：21克，氟硅酸钠：21克。共1000克粉子，配重比为53％。

实施例3：

采用普通碳钢带H08A，厚度为0.3mm，宽度为16mm。

药芯成分为：高碳铬铁：250克，碳化铬：277克，75硅铁：8克，锰铁：8克，铌铁：190克，石墨：100克，钨：20克，钒20克，铝镁合金：20克，碳化硅：15克，硼铁：12克，萤石：20克，氟化钡：10克，碳酸钡：10克，氟化锂：4克，碳酸锂12克，大理石：24克。共1000克粉子，配重比为53％。

实施例4：

采用普通碳钢带H08A，厚度为0.3mm，宽度为16mm。

药芯成份为：高碳铬铁：200克，碳化铬：290克，75硅铁：2克，锰铁：6克，铌铁：220克，石墨：95克，钨：3克，钒2克，铝镁合金：49克，碳化硅：40克，硼铁：10克，萤石：33克，氟化钡：30克，碳酸钡：20克。共1000克粉子，配重比为53％。

比较例：不含铌的高碳铬铁自保护药芯焊丝：

采用普通碳钢带H08A，厚度为0.3mm，宽度为16mm。

高碳铬铁：789克，75硅铁：8克，锰：8克，石墨：100克，铝镁合金：27克，萤石：40克，氟化钡：8克，碳酸钡20克。共1000克粉子。配重比为53％。

将上述实施例均制成直径为Φ3.2mm的焊丝，堆焊焊丝进行机械性能实验：

1)化学成分

在250mm×200mm×20mm的A3钢试件上，沿长度中点宽度方向堆焊四层，层间温度在150℃以下，堆焊电流为350-420A，在焊道表面去屑进行化学分析，测熔覆金属合金含量。

2)硬度试验：

在HR-150洛氏硬度计上打洛氏硬度，一般测5点取平均值，若碰到硬度特殊高点和特殊低点则不计。

3)磨粒磨损试验

在250mm×200mm×20mm的A3钢试件上，沿长度中点宽度方向堆焊五层，层间温度在150℃以下。注意以堆焊层表面为准向母材方向加工6mm，以保证堆焊层厚度，以堆焊的上半面作为试验面。

进行磨损试验的条件如下：

橡胶轮直径为178mm，硬度为60(邵尔硬度)，所加法码重量为10kg，橡胶轮转速为240r/min。先将试样预磨1000转后，在精度为万分之一的天平上称重，然后正式试验磨2000转称重，两次重量差为磨损试验失重量，一种焊丝制三个试样，测量平均失重量。与不含铌的自保护高铬铸铁磨损量进行比较。相对耐磨性ε，规定不含铌的高碳铬铁耐磨性为1，则ε＝试样平均磨损量/高碳铬铁平均磨损量。

所研制的高碳铬铌铁如表1所示：

表1化学成分分析：

可见，含铌量高的自保护药芯焊丝，硬度高，耐磨性极好。耐磨性要高于普通高铬铸铁的四倍，含铌的高碳铬铁自保护药芯焊丝高温(700℃)耐磨性能高，抗氧化能力高，抗冲击能力强，广泛应用于火力发电厂、水泥厂磨煤机磨辊、磨盘；高炉投料设备(投料槽、料钟、储料区、筛板)；矿渣立磨、破碎机锤头和滚筒、钢厂烧结设备工件。

Claims (4)

1、一种高碳高铬高铌铸铁自保护药芯焊丝，以钢带为外皮，药芯成份按质量百分比为：

10～30％的铌铁；

20～30％的高碳铬铁；

0.1～3％的V；

0.2～3％的W；

0.6～0.8％的锰铁；

0.2～0.8％的75硅铁；

20～30％的碳化铬；

5～12％的石墨；

1～10％的铝镁合金；

1～5％碳化硅；

1～3％的硼铁；

1～5％的萤石；

1～5％的氟化钡；

1～3％的碳酸钡；

0～4％氟硅酸钠；

0～3％大理石；

0～5％氟化锂；

0～3％碳酸锂。

2、如权利要求1所述的高碳高铬高铌铸铁自保护药芯焊丝，其中，钢带的厚度×宽度为：0.3×16mm、0.4×18mm或0.5×21mm。

3、如权利要求1所述的高碳高铬高铌铸铁自保护药芯焊丝，其中，焊丝直径为1.6～4.0mm。

4、如权利要求1所述的高碳高铬高铌铸铁自保护药芯焊丝，其中，焊丝的配重比在46～54％之间。