CN101804525A - 一种配马氏体不锈钢硬面药芯焊丝埋弧堆焊用烧结焊剂 - Google Patents

Abstract

一种配马氏体不锈钢硬面药芯焊丝埋弧堆焊用烧结焊剂，属于焊接材料技术领域；其化学成分按重量百分比：CaF₂：20～25％，MgO：25～30％，Al₂O₃：20～23％，SiO₂：15～20％，CaCO₃：3～7％，脱氧剂(Si和Mn)：3～8％，不可避免的杂质：0～6％。本发明提出的配马氏体不锈钢硬面药芯焊丝进行埋弧堆焊用烧结焊剂，使焊丝成分熔于工件表面从而增加工件耐腐蚀和耐磨性能。焊接过程中电弧稳定，容易脱渣，焊缝成形美观，过渡平滑，无焊接裂纹等缺陷产生。

Description

一种配马氏体不锈钢硬面药芯焊丝埋弧堆焊用烧结焊剂

技术领域

本发明涉及一种配马氏体不锈钢硬面药芯焊丝埋弧堆焊用烧结焊剂，属于焊接材料技术领域，适用于钢铁厂的轧辊、火力发电厂的磨煤辊、工程挖掘机械、矿山机械的表面改性、复合制造和再制造等方面。

背景技术

硬面药芯焊丝是将合金元素包覆在钢皮中，制造成药芯焊丝，拉拔成不同直径的焊丝，经焊接熔化后形成具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温等特殊性能的合金材料。硬面药芯焊丝的埋弧堆焊在修复、复合制造中占有重要的地位，广泛用于提高机械工程结构的耐磨蚀性能。

马氏体不锈钢硬面药芯焊丝是用于修复恶劣条件下使用的工程结构耐磨损、耐腐蚀新型焊接材料。由于含有较高的碳和合金元素含量，当焊接温度达到后，在冷却期间形成硬、脆及开裂敏感的马氏体。目前埋弧焊焊接不锈钢通常采用熔炼焊剂，如HJ172，HJ150，HJ151和HJ260等。HJ150和HJ151属于中硅弱氧化焊剂，由于不锈钢中合金元素含量较高，仍然具有较大的氧化作用，易引起不锈钢抗晶间腐蚀和抗裂性能下降。HJ260焊剂属于低硅低锰的中性焊剂，氧化性很小，但此种焊剂的抗气孔能力低，极易在焊缝中产生气孔，使不锈钢的使用性能下降。因而这些焊剂用于马氏体不锈钢硬面药芯焊丝埋弧堆焊均不太理想。

烧结焊剂与熔炼焊剂相比，具有制造容易，能量消耗低，对环境污染小，焊缝化学成分易于调整等特点。与此同时，应用烧结焊剂埋弧焊方法所得到的焊缝金属合金化的效果好，其综合性能能够得到有效的保证。为此，研究开发出一种适用于马氏体不锈钢硬面药芯焊丝埋弧堆焊的新型烧结焊剂。

发明内容

本发明解决的技术问题：研制一种配马氏体不锈钢焊丝埋弧堆焊渣系为MgO-CaF₂-Al₂O₃-SiO₂的新型烧结焊剂，具有抗焊接裂纹性能强、氧化性小、抗气孔能力强以及合金化均匀程度高等优点。

本发明的设计出发点：根据马氏体不锈钢堆焊合金元素含量高，易氧化损耗和热裂倾向大的特点，在保证焊接工艺性良好的条件下，尽量提高焊剂的碱度，使焊剂渣系具有较小的氧化性，减少焊丝合金元素的烧损，充分保证堆焊层的合金成分。

本发明的技术解决方案：以CaF₂、MgO、Al₂O₃、SiO₂、CaCO₃为焊剂的主要组分，通过调整熔渣的熔点、粘度、表面张力等来改善焊剂的工艺性能和堆焊层的抗气孔能力和冶金性能。同时增加少量的Si和Mn，以排除焊缝中的氧，增加焊缝金属的强度和硬度。

本发明的构成包括下述部分组成：

焊剂化学成分按重量百分比：CaF₂：20～25％，MgO：25～30％，Al₂O₃：20～23％，SiO₂：15～20％，CaCO₃：3～7％，脱氧剂Si和Mn：3～8％，不可避免的杂质：0～6％。

本发明的焊剂化学成分中，对各种组分的限定理由叙述如下：

CaF₂：主要用作造渣剂、脱硫和去氢成分。CaF₂熔点较低，在高温作用下比较活泼，能与SiO₂反应生成SiF₄气体，这些气体能排除电弧区的氢气，防止氢溶解于金属中，减少产生气孔的机会。由于熔点低，对熔渣起稀释作用，会降低熔渣熔点。当焊剂中CaF₂过高时，电离所得的F^-离子极易夺取电弧中的电子，使焊接电弧的稳定性降低，从而导致堆焊层金属成形变差。在本发明中将CaF₂的含量限定在20～25％之间。

MgO：作为造渣剂。它能提高熔渣的碱度和改善熔渣覆盖和堆焊层金属成形。MgO的熔点很高，提高了熔渣的粘度，抑制了熔渣的流动性。MgO具有增大熔渣表面张力的作用。为了保证烧结焊剂有较高的熔点和碱度，本发明中将MgO的含量限定在25～30％之间。

Al₂O₃：作为造渣剂。它具有良好的化学稳定性，熔点较高，当其和CaF₂、CaO共存时，能提高焊剂的脱硫能力，在焊剂中随着Al₂O₃含量的提高，脱渣愈容易，Al₂O₃的加入可以代替部分SiO₂，降低焊剂的氧化性，过多的Al₂O₃将会增加熔渣的熔点和粘度。在本发明中将Al₂O₃的含量限定在20～23％。

SiO₂：作为造渣剂。SiO₂含量多时由于高温冷却到低温共有四个相变过程，当晶格改变时伴随体积的变化，对脱渣有良好的作用。当SiO₂含量过高时使熔渣的粘度增加，加大堆焊层中合金元素的烧损。SiO₂含量过低时影响焊缝成形效果。本发明中将SiO₂的含量限定在15～20％之间。

CaCO₃：作为造气剂、造渣剂。CaCO₃在焊接高温作用下分解成CaO和CO₂。CaO是较强的碱性氧化物，对S、P的结合能力较强，可以排除焊缝金属中的S、P含量。分解的CO₂气体，起到排除空气保护熔池作用。CaCO₃含量过高时，分解的CO₂增多，破坏电弧稳定性，影响焊缝成形。CaCO₃含量过低时，达不到保护效果，易降低熔敷金属纯净度。在本发明中将CaCO₃的含量限定在3～7％。

脱氧剂(Si和Mn)：采用Si和Mn联合脱氧可排除焊缝中的氧，增加堆焊层金属的强度和硬度。本发明中将脱氧剂的含量限定在3～8％之间。

碱度计算采用国际焊接学会推荐的B_IIW公式(式中用物质的分子式表示其质量分数)：

$B_{\mathrm{IIW}}=\frac{\mathrm{CaO}+\mathrm{MgO}+K_{2}O+{\mathrm{Na}}_{2}O+\mathrm{Ca}{F}_2+\mathrm{BaO}+0.5(\mathrm{MnO}+\mathrm{FeO})}{\mathrm{Si}{O}_2+0.5({\mathrm{TiO}}_2+{\mathrm{ZrO}}_2+A{l}_2{O}_3)}$

此配方的碱度为1.5～2.4，为碱性烧结焊剂。

附图说明

图1堆焊层金相显微组织

具体实施方式

根据本发明的设计组分含量，配制了三种焊剂粉料，该焊剂采用普通的烧结焊剂制作方法，即：按上述成分组成的粉料进行干混、湿混、成粒、低温烘干、高温烧结、过筛等，考虑碳酸盐的分解特性，使烧结温度控制在600～800℃。在三种实例焊剂中分别选取少量焊剂，测定其组成成分见表1。

所研制出的焊剂与直径3.2mm马氏体不锈钢硬面药芯焊丝配合试验，采用MZ-1000型直流埋弧自动焊机，直流反接，施焊母材为10mm厚Q235钢板，堆焊三层。实施例焊接的具体成分见表1，堆焊工艺参数见表2，在第三层堆焊层切取表面试样，进行化学成分分析和洛氏硬度测量，见表3。

上述实例焊剂在焊接过程中电弧稳定，脱渣性良好，成形美观，与母材金属结合良好，经过超声波检测，堆焊层内无夹杂、气孔、裂纹等缺陷。本发明烧结焊剂配马氏体不锈钢硬面药芯焊丝埋弧堆焊具有良好的冶金性能，堆焊层中含有13％左右的Cr，硬度均匀，合金含量高，金相显微组织为板条马氏体加残余奥氏体及均匀分布的细小碳化物质点，见图1，具有良好的使用性能。

表1三种实施例焊接的具体成分

(按重量百分比，余量为不可避免的杂质)

成份	CaF2	MgO	Al2O3	SiO2	CaCO3	脱氧剂Si	脱氧剂Mn
								实施例1	20.4	25.2	20.4	18.8	5.9	1.3	2.1
实施例2	22.3	27.1	21.2	16.7	4.1	1.6	1.9
								实施例3	24.1	26.4	22.1	15.1	6.7	1.5	2.3

表2堆焊工艺参数

电压(V)	电流(A)	焊接速度(m/h)	干伸长(mm)
				30～35	350～400	18～23	15～20

表3堆焊层化学成分(wt％)与硬度值

	C	Si	Mn	Cr	P	P	Nb，Ti	其它	硬度(HRC)
										实施例1	0.11	0.35	1.56	13.40	0.009	0.007	1.2	略	43～46
实施例2	0.09	0.37	1.60	13.21	0.007	0.009	1.1	略	43～46
										实施例3	0.10	0.39	1.52	13.19	0.007	0.009	1.1	略	43～46

Claims (1)

1.一种配马氏体不锈钢硬面药芯焊丝埋弧堆焊用烧结焊剂，由下述重量百分比的组分构成：CaF₂：20～25％，MgO：25～30％，Al₂O₃：20～23％，SiO₂：15～20％，CaCO₃：3～7％，脱氧剂Si和Mn：3～8％，杂质：0～6％。

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