CN101920414B

CN101920414B - 铸钢齿轮断齿修复堆焊用特种焊条

Info

Publication number: CN101920414B
Application number: CN2010102368594A
Authority: CN
Inventors: 杨庆祥; 刘文昌; 苑辉
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2030-07-23
Also published as: CN101920414A

Abstract

本发明属于材料科学与工程领域，本发明涉及一种用于铸钢齿轮断齿修复堆焊用焊条，其化学成分为wt％：大理石45-55，白土子4-7，萤石20-30，石英1-3，金红石2-4，钛铁6-10，高碳锰铁3-5，硅铁1-2，氧化钇2-4，金属镍1-3；焊芯为H08A钢焊丝；采用的粘结剂水玻璃的模数为2.7-3.0，波美度为48-50。采用本堆焊焊条可以不用焊前预热、焊后热处理对铸钢齿轮断齿进行堆焊修复，堆焊金属具有较高的抗开裂性能；堆焊金属具有一定的硬度(HB160-260)和耐磨性；同时，具有一定的可加工性。

Description

铸钢齿轮断齿修复堆焊用特种焊条

技术领域

本发明涉及材料科学与工程领域，特别是涉及一种铸钢齿轮断齿修复堆焊用焊条。

背景技术

齿轮传动具有传动比恒定、效率高、结构紧凑等特点，齿轮被广泛的应用到机械传动中。对于一些直径较大、形状复杂的大齿轮毛坯，当用锻造方法难于成型时，可采用铸钢制作，其强度比锻钢齿轮低10％左右。铸造齿轮的精度较低，常用于矿山机械和农业机械。近十几年来，随着铸造技术的发展，铸造精度有了很大的提高，某些铸造齿轮已经可以直接用于具有一定传动精度要求的机械中。为了提高铸钢齿轮的精度，应增加机械加工工序，在机械加工前应进行正火，消除铸造应力和硬度不均，改善切削加工性能；机械加工后，一般进行表面淬火，提高硬度、耐磨性及抗疲劳强度。而对于性能要求不高、转速较低的铸钢齿轮通常不需淬火。常用的铸钢有ZG270-500、ZG310-570等。其工艺路线一般为：铸造-正火-机械粗加工、半精加工-表面淬火+低温回火-机械精加工。

铸钢齿轮传动常见的失效形式是齿轮轮齿断裂(断齿)和齿面磨损。而断齿一般为突发事件，在没有备用齿轮的情况下，断齿会严重的影响正常的生产，给企业带来巨大的经济损失。实际使用中最常见的断齿有过载断齿和疲劳断齿两种形式。

过载断齿是当实际载荷大大超过设计载荷，或因轮齿接触不良造成载荷严重集中，使得轮齿的应力超过其极限应力，在短期内产生轮齿整个或局部断裂的现象。

疲劳断齿是轮齿在长期受到过高的交变应力重复作用下，在轮齿的根部弯曲应力较大且应力相对集中的部位产生疲劳裂纹，随着作用次数增多，原始的疲劳裂纹不断扩展，当齿根剩余截面上的应力超过其极限应力时，轮齿就会因过载造成断齿。

此外，较为常见的还有随机断齿。随机断齿是指意外情况引起的断齿，如异物进入、润滑不良、材料缺陷、磨刮裂纹、热处理残余应力过高等原因引起的轮齿折断现象。

铸钢齿轮价格便宜，因此，其用量较大。但是对铸钢齿轮而言，其制造过程复杂，特别是突发断齿时，在没有备用齿轮的情况下，会严重的影响正常的生产，给企业带来巨大的经济损失。采用堆焊技术可以对铸钢齿轮断齿进行修复，恢复其形状和尺寸，并能获得更好的力学性能，既符合“绿色制造”的要求，又可以直接为企业创造经济效益。

然而，对于尺寸较大的铸钢齿轮，如果采用普通的堆焊焊条，必须在焊前对齿轮预热至450℃左右，而且焊后必须进行热处理，否则会焊裂。同时，也很难制造出尺寸较大的热处理加热炉，即使能够制造出如此大的加热炉，由于浪费大量的能源，也会给企业造成巨大的经济效益。

发明内容

为了能够实现对铸钢齿轮断齿进行堆焊修复，发明了一种用堆焊用焊条。该焊条的特点是焊前不用对铸铁齿轮进行预热，焊后不用进行热处理，现场使用非常方便，硬度范围为HB160-260，堆焊后宜于加工。

这种用于大型铸钢齿轮断齿修复堆焊用焊条其特征在于：大理石45-55，白土子4-7，萤石20-30，石英1-3，金红石2-4，钛铁6-10，高碳锰铁3-5，硅铁1-2，氧化钇2-4，金属镍1-3。焊芯为H08A钢焊丝。采用的粘结剂水玻璃的模数为2.7-3.0，浓度(波美度)为48-50。对于硅铁和高碳锰铁使用前需要进行钝化处理，钝化工艺硅铁粉末为720-750℃，高碳锰铁粉末为300-350℃，以上金属粉末均保温1小时。

这种堆焊焊条设计的原则是根据大型铸钢齿轮的工作条件，在保证堆焊后齿轮不开裂的条件下，齿轮的齿面在其工作时要具有一定的硬度、耐磨性，同时还应该具有一定的可加工性。本课题组前期研制大型铸钢齿轮堆焊焊条的研究结果表明，从提高堆焊金属的抗开裂性能角度考虑，堆焊金属和热影响区组织均为粗大的铁素体或铁素体+珠光体组织，同时，在堆焊金属和热影响区存在较大的残余拉应力，从而增加了大型铸钢齿轮堆焊后的开裂倾向。添加镍可以提高奥氏体稳定性，增加残余奥氏体量，利用奥氏体良好的塑性可以松弛堆焊金属和热影响区的残余拉应力，但由于铸钢含碳量较低，其塑、韧性较好，其开裂倾向不是十分严重，所以加入少量的镍就可以保证焊后不开裂，还可以降低成本；添加稀土氧化物可以脱氧、脱硫，净化堆焊熔池，而且细化结晶晶粒，变质夹杂物，也可以提高堆焊金属的抗开裂性能，特别是氧化钇比其它稀土氧化物效果更好。所以，新型铸钢堆焊焊条的设计原则为：1)、加入少量的金属镍粉，以改善堆焊组织，改善残余应力分布状态；2)、加入适量稀土氧化物，以细化焊后结晶组织，变质夹杂物，从而提高堆焊金属的抗开裂性能；3)、加入适量的钛铁、锰铁和硅铁，进行脱氧，并起到合金化作用；4)、加入金红石、大理石、莹石、白土子等起到造渣、脱气作用。通过成分调整和优化，使堆焊金属的硬度在HRC160-260左右，保证了堆焊后的大型铸钢齿轮具有一定的可加工性。

与本课题组研制的堆焊热轧辊、热剪刃和冷剪刃焊条(已申报专利)相比较，铸钢齿轮硬度较低，所以焊条药皮中不用加入石墨(碳)、高碳铬铁(铬)、钨铁(钨)、钼铁(钼)等，而铸钢堆焊后具有一定的开裂倾向，所以，本发明中加入了少量的镍(1-3wt％)，就可以保证焊后不开裂。与本课题组研制的堆焊大型齿轮焊条(已申报专利)相比较，大型齿轮硬度略高(HRC21-30)，所以在其焊条药皮中加入少量的高碳铬铁(铬)，而铸钢堆焊后要求其力学性能指标不是很高，硬度也较低，所以在堆焊铸钢的焊条药皮中加入的金属镍(1-3wt％)比堆焊大型齿轮焊条的金属镍(3-5wt％)也少，而镍的价格昂贵，这样在保证不开裂的条件下，降低了成本；同时，加入变质效果更好的氧化钇，而不是铈混合氧化物。至于加入适量的钛铁、锰铁、硅铁、金红石、大理石、莹石、白土子等作用在本课题组研制的系列堆焊焊条配方中相同，所以这些原料的加入量在各种堆焊焊条中相近。

具体实施方式

下面公开是本发明的一个实例，要求：大理石47.2，白土子4.5，萤石24.7，石英1.7，金红石2.8，钛铁8.8，高碳锰铁3.3，硅铁1.6，氧化钇3.3，金属镍2.1。焊芯采用H08A钢焊丝。采用的粘结剂水玻璃的模数为2.7-3.0，浓度(波美度)为48-50。对于硅铁和高碳锰铁使用前需要进行钝化处理，钝化工艺硅铁粉末为730℃，高碳锰铁粉末为320℃，以上金属粉末均保温1小时。将上述配方中的相关粉末采用混料机进行混合，然后加入水玻璃搅拌均匀，用焊条涂敷机挤压出焊条，在250-300℃对焊条进行烘干，然后进行磨头磨尾。

采用上述制造的堆焊焊条对华北油田使用的ZG270-500大型铸钢齿轮断齿进行堆焊修复，焊前对焊条在200-300℃烘干1小时，去除药皮中的结晶水，使用直流焊机，进行反接，焊接电流为150-200A，焊接电压为70-80V。经焊前不用对铸铁齿轮进行预热、焊后不用进行热处理，通过堆焊修复的铸铁齿轮齿面的硬度为HB200-230，经加工后可以代替经整体铸造生产的铸钢齿轮，不仅减少了制造工序，节省了原料和能源，同时也提高了使用寿命。

采用本发明的堆焊焊条对铸钢齿轮断齿进行堆焊修复，减少了能源消耗，避免了制造过程对环境的污染；通过免预热、免热处理堆焊使报废的铸钢齿轮恢复了原来的形状和尺寸，并且提高了其使用寿命，对解决我国矿山机械、石油机械、农业机械等行业所普遍存在的铸钢齿轮断齿堆焊修复这一难题具有重要的工程意义。

Claims

1.一种用于铸钢齿轮断齿修复堆焊用焊条，其化学成分为wt％：大理石45-55，白土子4-7，萤石20-30，石英1-3，金红石2-4，钛铁6-10，高碳锰铁3-5，硅铁1-2，氧化钇2-4，金属镍1-3；焊芯为H08A钢焊丝；采用的粘结剂水玻璃的模数为2.7-3.0，波美度为48-50。