CN101670501A

CN101670501A - 一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝

Info

Publication number: CN101670501A
Application number: CN200910024041A
Authority: CN
Inventors: 王新虎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2010-03-17

Abstract

本发明涉及一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝。目前的耐磨堆焊焊丝及合金种类很多，有些耐磨性很好，但有些合金脆性很大、韧性较低，不适合存在低度冲击的磨料磨损工况。本发明铁基耐磨堆焊药芯焊丝的合金元素按重量百分比包含：碳(C)0.3～1.0％、硼(B)1.0～7.0％、钛(Ti)0.2～4.0％、钒(V)0.2～3.0％、硅(Si)0.1～1.5％、锰(Mn)0.2～2.0％、稀土(RE)0.00～0.10％、铬(Cr)0～3.0％、钼(Mo)0～1.0％、钨(W)0～1.0％、镍(Ni)0～2.0％、铌(Nb)0～0.5％、锆(Zr)0～0.5％。本发明在钢铁工件表面上单层堆焊形成厚度约1～3毫米的耐磨层，该耐磨层有优良的耐磨性、良好的韧性，不易开裂，而且成本低，可以减少在低度冲击、强烈磨粒磨损工况下机械配件或工具的磨损。

Description

一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝

技术领域

本发明属机械、钢铁材料等领域，具体说是一种用于在钢铁工具表面堆焊耐磨层的一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝。

背景技术

目前的耐磨堆焊焊丝及合金种类很多，有些耐磨性很好，但有些合金脆性很大、韧性较低，不适合存在低度冲击的磨料磨损工况；有些适合低度冲击的磨料磨损工况的合金含有贵金属如Nb、W、Cr、Ni、等很多，成本较高。例如中国专利耐磨堆焊合金材料(申请号200510043305.1)涉及一种耐磨堆焊合金材料，其合金具体组成含量(重量％)为：W 5-30、Nb 2-15、V 3-12、Mo 1-8、Cr 1-5、B 2-7、稀土0.01-2、余量为Fe。该发明不含碳元素，以重金属硼化物为硬质强化相，硼化物在合金中起耐磨骨架作用，对合金基体相产生保护效应。其显微硬度均在HV1700～2800之间。该发明可以制成堆焊焊条、药芯焊丝、块状堆焊材料或粉末堆焊材料。可用于旋流器、泥浆泵、疏浚泵等的修复堆焊和制造。显然该发明耐磨性很好，但由于贵金属很多，所以成本较高。又例如中国专利高抗裂耐磨高铬铸铁型堆焊药芯焊丝(申请号200510127968.1)应用于承受高应力、高度冲击磨损部件如钢厂磨煤辊、水泥磨盘、破碎机锤头、冷(热)轧棍等的堆焊修复。焊丝的药芯成分质量百分含量范围如下：43～70％碳化铬，10～25％钒铁，1～5％75#+[#]硅铁，3～8％金属锰，1～3％铝镁合金，2～5％硼铁，2～6％钛铁，1～5％铌铁，2～8％钼铁。该发明所研发的堆焊焊丝熔敷金属属于高铬铸铁类，含碳量超过2％，含有大量铬的碳化物，同时含有较多的锰，所以硬度高，耐磨性好，适合高度冲击磨损工况，但由于贵金属比较多，所以成本很高，同时也不适合低度冲击、强烈磨粒磨损工况。又例如中国专利一种高硬度高耐磨自保护金属芯堆焊焊丝(200410101554.7)，其特征在于所述的金属芯包括以下质量百分比含量的物质：64～77％碳化铬，4～8％75#硅铁，5～10％金属锰，1～3％铝镁合金，2～5％硼铁，2～6％钛铁，1～5％铌铁，1～8％钒铁。该发明主要应用于磨煤辊、水泥磨盘、钢厂淄槽、冷(热)轧辊等的堆焊修复。该发明堆焊焊丝熔敷金属属于高铬铸铁类，含碳量超过2％，含有大量铬的碳化物，同时含有较多的锰，所以硬度高，耐磨性好，适合高度冲击磨损工况，但由于贵金属如铌、铬比较多，所以成本很高，同时也不适合低度冲击、强烈磨粒磨损工况。

一些承受低度冲击下的磨粒磨损的机械装备如石油钻具，目前大多堆焊高铬铸铁合金，此类堆焊合金耐磨性好，但脆性大，易开裂，有裂纹存在，容易剥落，而且含铬很多，成本较高。所以有时石油钻具也堆焊高铬钢类合金，虽然合金韧性提高，但耐磨性下降。所以发明耐磨性好、韧性好、不易开裂、成本低的耐磨堆焊合金具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对低度冲击、强烈磨粒磨损工况，克服目前堆焊耐磨合金硬度与韧性不匹配、成本高的缺点，本发明提供一种在钢铁工具表面堆焊耐磨合金材料的一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝，其堆焊合金成本较低，硬度高，韧性好，裂纹敏感性低，耐磨性优良。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝的合金元素按重量百分比包含：碳(C)0.3～1.0％、硼(B)1.0～7.0％、硅(Si)0.1～1.5％、锰(Mn)0.2～2.0％、钛(Ti)0.2～4.0％、钒(V)0.2～3.0％。

一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝的合金元素按重量百分比包含：碳(C)0.3～1.0％、硼(B)1.0～7.0％、硅(Si)0.1～1.5％、锰(Mn)0.2～2.0％、钛(Ti)0.2～4.0％。

一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝的合金元素按重量百分比包含：碳(C)0.3～1.0％、硼(B)1.0～7.0％、硅(Si)0.1～1.5％、锰(Mn)0.2～2.0％、钒(V)0.2～3.0％。

上述焊丝可再加入以下合金元素：稀土(RE)0.00～0.10％、铬(Cr)0～3.0％、钼(Mo)0～1.0％、钨(W)0～1.0％、镍(Ni)0～2.0％、铌(Nb)0～0.5％、锆(Zr)0～0.5％。

上述稀土(RE)为铈(Ce)、钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、镨(Pr)、钕(Nd)其中的一种，或它们的混合物。

本发明相对于现有技术，其优点如下：

本发明合金材料适用于低度冲击、强烈磨粒磨损工况，与其它堆焊合金相比，本发明堆焊合金成本较低，硬度高，韧性好，裂纹敏感性低，耐磨性优良。

具体实施方式

本发明铁基耐磨堆焊药芯焊丝，可以在钢铁工件或工具表面上单层堆焊形成1～3mm厚的耐磨层，考虑到钢铁工件或工具大部分含有碳、硅、锰、铬、钼等合金元素，所以堆焊合金与钢铁工具熔合后的堆焊层中合金元素按重量百分比包含：碳(C)0.3～1.0％、硼(B)0.5～7.0％、钛(Ti)0.1～4.0％、钒(V)0.1～3.0％、硅(Si)0.1～1.5％、锰(Mn)0.3～2.0％、铬(Cr)0.3～3.0％、钼(Mo)0.1～1.0％、稀土(RE)0.00～0.10％、钨(W)0～1.0％、镍(Ni)0～2.0％、铌(Nb)0～0.5％、锆(Zr)0～0.5％等。

本发明铁基耐磨堆焊药芯焊丝的成分设计原则是少量多元，即加入的元素种类可以很多，但每种元素的含量尽可能少，加入的合金元素首先选择那些对增加耐磨性能效果好而且价格较低的元素，贵重元素加入量较少。

本发明铁基耐磨堆焊药芯焊丝及堆焊合金具有优良耐磨损性能的原理是：

本发明堆焊合金含有中等碳含量，目的是为了不增加合金的脆性，形成韧性好的基体。由于含有大量的硼，当合金凝固后，在合金的基体上形成了大量硬度很高的硼化物，硼化物的硬度及耐磨性高于相同金属元素的碳化物，例如铁、铬的碳化物。各种元素的硼化物如FeB的硬度为HV1800～2000、CrB₂的硬度为HV1800～2100、TiB的硬度为HV2800、B₄C的硬度为HV3700，而各种元素的碳化物如Fe₃C的硬度为HV800～1100、Cr₇C₃的硬度为HV1300～1600，所以本发明合金比高铬耐磨堆焊合金硬度高，耐磨性好。但试验发现纯粹的高硼堆焊合金脆性较大，裂纹较多。本发明堆焊合金加入较多的钛、钒元素，经实验发现，适量的钛、钒元素能够促进各种硼化物的形核数量，达到细化硼化物的目的，因此而提高了堆焊合金的韧性。同时由于钛与钒是强烈的碳化物形成元素，可以形成碳化物，降低了合金基体的碳含量，减少了高碳马氏体的形成，进一步提高了合金韧性。钛的碳化物的硬度及耐磨性在所有合金碳化物中是比较高的，钒碳化物的硬度及耐磨性在所有合金碳化物中也是较高的，TiC的硬度为HV2800～3200、VC的硬度为HV2800，大于铬、钼、钨、铌的碳化物，因此钛、钒元素提高了本发明合金的硬度和韧性，进一步改善了耐磨性。所以本发明堆焊合金耐磨性优于现有大部分低成本耐磨堆焊合金，与含大量贵元素的高成本耐磨堆焊合金相当。

本发明耐磨堆焊药芯焊丝主要依靠铁、碳、硼、钛、钒等元素形成的硼化物、碳化物实现合金的耐磨性能。为了提高合金耐磨性，尽可能添加多的硼含量，但随着硼含量的增多，出现过共晶组织，出现大块硼化物，合金硬度很高，韧性很低，本发明合金通过调节碳、钛、钒等元素含量，依靠碳、硼、钛、钒、硅、锰等元素合理的组合及其相互作用，达到了细化硼化物、碳化物、增加硬质相数量、增加基体韧性、降低裂纹敏感性的目的。本发明耐磨堆焊药芯焊丝可以加入稀土元素，稀土元素可净化晶界，细化晶粒，细化硼化物、与碳化物，进一步提高合金的性能。本发明耐磨堆焊药芯焊丝也可以再加入少量铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、镍(Ni)、铌(Nb)、锆(Zr)等元素，进一步提高合金的耐磨性。

本发明耐磨堆焊药芯焊丝的主要合金元素是硼、钛、钒等，硼是我国的富有元素，价格较低、钛的价格也较低，硼的使用代替或减少了贵重元素的使用。相对于一些合金元素如铌、钨、镍、铌、锆、铬等，加入较少量的硼、钛、钒就可以发挥很大的作用。所以本发明钻具耐磨堆焊合金材料成本较低。

本发明堆焊药芯焊丝的制造方法：药芯焊丝是以低碳钢薄钢带作外皮，以合金粉末为药芯的焊丝，其制造方法是工业成熟技术，本发明耐磨堆焊药芯焊丝就用现有工业成熟技术制成。其原理是：购买药芯焊丝专用低碳钢薄钢带，用专用设备将薄钢带轧成成半圆形状如U型等，将合金粉末加入形成药芯，轧制封口，形成了很长很细的包有药芯的金属管，然后经过扎制或冷拉拔，形成直径为

的药芯焊丝成品。

形成药芯的合金粉末可以是纯金属粉末或合金粉末。合金粉末有铁碳合金、碳化硼、硼铁合金、钒铁合金、钛铁合金、稀土-硅铁合金、稀土铈化合物、锰铁合金、硅铁合金、铬铁合金、钼铁合金及其它所需铁合金等。纯金属粉末或合金粉末可以外购，其生产方法是成熟工业生产技术，如雾化法、研磨法或其它方法将纯金属或合金制成粉末。雾化法是将金属或合金加热熔化，然后在高压惰性气体作用下将熔化的金属以雾状从喷嘴喷出，雾状金属液滴冷却便形成粉末。研磨法是用机械研磨的方式将碎块的纯金属、或合金研磨成金属粉末。也可以用其它现代新技术制造合金粉末。将制成的纯金属粉末、合金粉末混合即成本发明焊丝的药芯合金粉末。

由于金属粉末制造技术早已成为可大规模工业生产的成熟技术，所以本发明合金也可以将购买的纯金属粉末、合金粉末混合即成。合金粉末可选用铁碳合金粉末、碳化硼粉末、硼铁合金粉末、钒铁合金、钛铁合金、锰铁合金粉末、硅铁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末、稀土铈化合物粉末、铬铁合金粉末或其它铁合金粉末等。

焊丝药芯中每种合金粉末的加入量可以用式(1)初步计算得出：

k_{ci} = \frac{[(1 - k_{c}) + k_{cm} k_{c}] c_{eo} - (1 - k_{c}) c_{es}}{k_{c} c_{ei}} - - - (1)

式(1)中：k_ci-药芯中合金粉末i含量(％)；

k_c-焊丝中药芯的填充系数(％)，一般为15％～65％；

k_cm-药芯中除造渣剂外合金粉末的总含量(％)，有时药芯中不含造渣剂；

c_eo-合金元素e在焊丝中的含量(％)；

c_es-合金元素e在焊丝外表钢皮中的含量(％)；

c_ei-合金元素e在合金粉末i中的含量(％)；

由于一种合金元素可能含在多种合金粉末中，或一种合金粉末中可能含多种合金元素，所以每种合金粉末的加入量可以根据式(2)调整，以满足焊丝中每种合金元素的含量：

c_{eo} = \frac{(1 - k_{c}) c_{es} + k_{c} Σ (k_{ci} c_{ei})}{(1 - k_{c}) + k_{cm} k_{c}} - - - (2)

堆焊方法：本发明堆焊药芯焊丝向工件表面的堆焊方法可以采用自保护电弧焊、自保护等离子弧焊、二氧化碳气体保护电弧焊、二氧化碳气体保护等离子弧焊、氩气保护电弧焊、氩气保护等离子弧焊、埋弧焊等方法堆焊。

本发明堆焊药芯焊丝适合一些承受低度冲击下的磨粒磨损的机械装备如石油钻具的维护，目前这些机械工具大多数堆焊高铬铸铁合金，此类堆焊合金硬度高，但脆性大，易开裂，有裂纹存在，容易剥落，而且含铬很多，成本较高。所以有时石油钻具也堆焊高铬钢类合金(HRC50～55)，虽然合金韧性提高，但耐磨性下降。本发明焊丝堆焊的合金设计为韧性基体上含大量高硬度硬质相，高硬度(HRC58～64)与良好韧性匹配、不易开裂，所以耐磨性优于目前一些机械工具如石油钻具的耐磨堆焊合金，与含大量贵元素的高成本堆焊合金相当。

本发明铁基耐磨堆焊药芯焊丝的成分设计原则是少量多元，即加入的元素种类可以很多，但每种元素的含量尽可能少，合金元素首先选择那些对增加耐磨性能效果好而且价格较低的元素，贵重元素加入量较少。本发明耐磨堆焊药芯焊丝的主要合金元素是硼、钛、钒等，硼是我国的富有元素，价格较低、钛的价格也较低，硼的使用代替或减少了贵重元素的使用。所以本发明耐磨堆焊药芯焊丝成本低，但不降低耐磨性。

下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1：

一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝，成分为：碳C 0.9％、硼B 2.5％、钛Ti 2.0％、钒V 1.0％、硅Si 1.0％、锰Mn 1.2％、稀土0.05％、铬Cr 1.3％、钼Mo 0.3％、余量为铁。

焊丝外皮用焊丝专用H08A薄钢带制造，薄钢带宽16mm、厚0.3mm，成分为0.08％C、0.4％Mn、0.10％Cr、0.15％Ni。药芯可以购买焊丝专用合金粉末混合即成，填充系数35％，合金粉末为铁碳合金粉末、硼铁合金粉末、钒铁合金、钛铁合金、锰铁合金粉末、硅铁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末、稀土铈化合物粉末、铬铁合金粉末、钼铁合金粉末等，将这些合金粉末充分混合均匀即成，各种合金粉末的量按照式(1)与式(2)计算。不添加造渣剂。

用我国生产药芯焊丝的主要方法-钢带法生产焊丝，工艺流程为：将薄钢带扎为U型、加药芯粉末、封口成型、轧制减径成药芯焊丝、卷线包装。

用CO₂气体保护电弧焊技术进行堆焊，堆焊在工件上的耐磨合金的硬度达到了HRC58～64，没有目视可见裂纹，耐磨性良好。

实施例2：

一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝，成分为：碳C 0.3％、硼B 6.5％、钛Ti 0.5％、钒V 1.5％、硅Si1.0％、锰Mn 1.2％、稀土0.04％、铬Cr 1.0％、钼Mo 0.3％、余量为铁。

焊丝外皮用焊丝专用H08A薄钢带制造，薄钢带宽16mm、厚0.3mm。药芯可以购买焊丝专用合金粉末混合即成，填充系数35％，合金粉末为铁碳合金粉末、硼铁合金粉末、钒铁合金、钛铁合金、锰铁合金粉末、硅铁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末、稀土铈化合物粉末、铬铁合金粉末、钼铁合金粉末等，将这些合金粉末充分混合均匀即成，各种合金粉末的量按照式(1)与式(2)计算。不添加造渣剂。

用我国生产药芯焊丝的主要方法-钢带法生产焊丝，工艺流程为：将薄钢带扎为U型、加药芯粉末、封口成型、拉拔减径成

药芯焊丝、卷线包装。

用CO₂与氩气气体保护电弧焊技术进行堆焊，堆焊在工件上的耐磨合金的硬度可达到HRC55～62，没有目视可见裂纹，耐磨性良好。

实施例3：

一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝，成分为：碳C 0.65％、硼B 4.0％、钛Ti 3.5％、钒V 0.5％、硅Si 0.6％、锰Mn 1.2％、稀土0.02％、铬Cr 1.0％、钼Mo 0.8％、余量为铁。

用我国生产药芯焊丝的主要方法-钢带法生产焊丝，工艺流程为：将薄钢带扎为U型、加药芯粉末、封口成型、轧制减径成

药芯焊丝、包装。

用CO₂气体保护电弧焊技术进行堆焊，堆焊在工件上的耐磨合金的硬度可达到HRC57～62，没有目视可见裂纹，耐磨性良好。

实施例4：

一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝，成分为：碳C 0.75％、硼B 5.5％、钒V 3.0％、硅Si 0.5％、锰Mn 0.8％、稀土0.01％、铬Cr 1.0％、钼Mo 0.1％、余量为铁。

焊丝外皮用焊丝专用H08A薄钢带制造，薄钢带宽16mm、厚0.3mm。药芯可以购买焊丝专用合金粉末混合即成，填充系数35％，合金粉末为铁碳合金粉末、硼铁合金粉末、钒铁合金、锰铁合金粉末、硅铁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末、稀土铈化合物粉末、铬铁合金粉末、钼铁合金粉末等，将这些合金粉末充分混合均匀即成，各种合金粉末的量按照式(1)与式(2)计算。不添加造渣剂。

药芯焊丝、包装。

用CO₂与氩气气体保护电弧焊技术进行堆焊，堆焊在工件上的耐磨合金的硬度可达到HRC58～63，没有目视可见裂纹，耐磨性良好。

实施例5：

一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝，成分为：碳C 0.85％、硼B 6.0％、钛Ti 4.0％、、硅Si 0.5％、锰Mn 0.8％、稀土0.01％、铬Cr 1.0％、钼Mo 0.1％、余量为铁。

焊丝外皮用焊丝专用H08A薄钢带制造，薄钢带宽16mm、厚0.3mm。药芯可以购买焊丝专用合金粉末混合即成，填充系数35％，合金粉末为铁碳合金粉末、硼铁合金粉末、钛铁合金、锰铁合金粉末、硅铁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末、稀土铈化合物粉末、铬铁合金粉末、钼铁合金粉末等，将这些合金粉末充分混合均匀即成，各种合金粉末的量按照式(1)与式(2)计算。不添加造渣剂。

用我国生产药芯焊丝的主要方法-钢带法生产焊丝，工艺流程为：将薄钢带扎为U型、加药芯粉末、封口成型、拉拔减径成药芯焊丝、包装。

本发明的焊丝不受上述实施例的限制，任何在本发明的权利要求范围内的改进或变化都在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于：焊丝的合金元素按重量百分比包含：碳(C)0.3～1.0％、硼(B)1.0～7.0％、硅(Si)0.1～1.5％、锰(Mn)0.2～2.0％、钛(Ti)0.2～4.0％、钒(V)0.2～3.0％。

2.一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于：焊丝的合金元素按重量百分比包含：碳(C)0.3～1.0％、硼(B)1.0～7.0％、硅(Si)0.1～1.5％、锰(Mn)0.2～2.0％、钛(Ti)0.2～4.0％。

3.一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于：焊丝的合金元素按重量百分比包含：碳(C)0.3～1.0％、硼(B)1.0～7.0％、硅(Si)0.1～1.5％、锰(Mn)0.2～2.0％、钒(V)0.2～3.0％。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于：焊丝加入以下合金元素：稀土(RE)0.00～0.10％、铬(Cr)0～3.0％、钼(Mo)0～1.0％、钨(W)0～1.0％、镍(Ni)0～2.0％、铌(Nb)0～0.5％、锆(Zr)0～0.5％。

5.根据权利要求4所述的一种铁基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于：所述稀土(RE)为铈(Ce)、钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、镨(Pr)、钕(Nd)其中的一种，或它们的混合物。