CN102069322A

CN102069322A - 一种高硬度二氧化碳气体保护堆焊药芯焊丝

Info

Publication number: CN102069322A
Application number: CN201010603609XA
Authority: CN
Inventors: 刘瞿; 王效莲
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: Luoyang Shuangrui Special Alloy Material Co., Ltd.
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: CN102069322B

Abstract

本发明介绍了一种高硬度二氧化碳气体保护堆焊药芯焊丝，焊丝原料采用普通低碳钢冷轧钢带，填充药芯粉末重量占焊丝总重量的17~22%；药芯含金红石13~30％、氟化物5~26％，镁砂3~14％，石英0~10％，钾长石2~8％，铝镁合金2~5%，金属铬14~33％，片状石墨5~15％，45#硅铁2~5％，金属锰7~11％，钼铁5~12％，钒铁0~6%，硼铁0~5%，金属钨6~12%，稀土2~8%，余量为铁。本发明中的焊丝焊接工艺优良，焊接过程中电弧稳定，可全位置焊接，熔渣覆盖良好，脱渣容易，焊缝成型美观；多层堆焊后焊缝表面无裂纹，抗冲击性能好，堆焊层硬度高达55~61HRC，耐磨损性能优良。

Description

一种高硬度二氧化碳气体保护堆焊药芯焊丝

技术领域

本发明涉及一种焊接领域技术，特别是一种高硬度二氧化碳气体保护堆焊药芯焊丝。

背景技术

堆焊技术是使零部件表面获得具有耐磨、耐蚀、耐热等特殊性能的熔敷金属而进行的焊接过程。在冶金机械、矿山机械、农业机械、建筑机械、石油化工设备、交通运输、核电设备、航天工业等部门的零部件的制造和修复中获得了广泛的应用。随着国家工业化的不断发展，对新型硬质合金材料和与之对应的堆焊材料开发提出迫切要求。药芯焊丝相对于其它焊接材料，具有合金成分调配灵活方便，焊接工艺性优秀，焊接效率高等优点，成为新一代自动化焊接材料中的佼佼者，在堆焊领域有逐步取代焊条与实芯焊丝的趋势。

从目前国内外高硬度堆焊药芯焊丝的研究状况来看，焊缝金属合金系统多为高铬铸铁型合金系统，如专利号CN200510127968.1、CN200510031856.6、CN200710175676.4等公开的技术均属这种类型的技术。虽然该合金系统具有很高的硬度，例如HRC>60，但其堆敷金属由于含碳量较高，组织形态呈奥氏体基体加大量析出碳化物，造成堆焊层脆性很大极易开裂。在堆敷金属承受交变冲击载荷的情况下不适用。例如高速钢零部件，热剪刃和冷轧辊的堆焊修复，要求堆焊熔敷层具有较高的强韧性匹配。此外，我国堆焊药芯焊丝品种主要以粗直径焊丝为主，药芯的填充率在35~50%之间，如专利号CN96102347.3、CN200710191741.2、CN00103065.5等公开的技术均属这种类型的技术。填充率较高使得无法拉拔成细直径焊丝，只能用于平焊或角焊位置，操作灵活性较差。而细直径的CO₂气体保护药芯焊丝堆焊适应性强，易于实现各种零件尺寸及各种位置的堆焊。其次，细直径的CO₂气体保护堆焊药芯焊丝具有焊接电流密度大、熔敷系数高，电弧热量集中、堆焊变形小的特点，保证了自动化焊接的高效率。且CO₂气体氧化作用强，抗油、抗锈能力强，堆敷金属的扩散氢含量较低，获得高硬度的同时有较高的韧性匹配。目前国内CO₂气体保护堆焊药芯焊丝产品较少，品种不全，且硬度和耐磨性偏低，抗裂性较差，在各行业中应用较少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种硬度二氧化碳气体保护堆焊药芯焊丝，从而克服目前高硬度堆焊药芯焊丝韧性较差以及细直径CO₂气体保护堆焊药芯焊丝种类较少的问题；

本发明所要进一步解决的技术问题是提供的硬度二氧化碳气体保护堆焊药芯焊丝在焊接过程中电弧稳定，飞溅率低，熔渣覆盖良好，焊缝成型美观，表面无气孔和压坑；多层堆焊后表面无裂纹，抗裂性能优良，堆焊层硬度高达55~61HRC，能够适用于高应力磨料磨损及应力交变载荷工况条件。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种硬度二氧化碳气体保护堆焊药芯焊丝，包括焊丝和药芯组成，焊丝形状为中空的圆形细丝，焊丝原料采用普通低碳钢冷轧钢带，填充药芯粉末重量占焊丝总重量的17~22%；药芯的组分及重量百分比为：金红石：13~30％、氟化物：5~26％，镁砂：3~14％，石英：0~10％，钾长石：2~8％，铝镁合金：2~5%，金属铬：14~33％，片状石墨：5~15％，45#硅铁：2~5％，金属锰：7~11％，钼铁：5~12％，钒铁：0~6%，硼铁：0~5%，金属钨6~12%，稀土：2~8%，余量为还原铁粉；所述的氟化物为萤石、氟硅酸钠、氟铝酸钠、钾冰晶石中的一种或几种任意比例的的混合物。

本发明的一种硬度二氧化碳气体保护堆焊药芯焊丝，更具体的技术方案可以是：所述的铝镁合金中铝的质量含量为47~53％，镁的质量含量≥47％；钼铁中钼的质量含量为≥55％；钒铁中钒的质量含量为38~45％；硼铁中硼的质量含量为19~25％；硅铁中硅的质量含量为43~47％。

本发明的一种硬度二氧化碳气体保护堆焊药芯焊丝，更具体的技术方案还可以是：所述的稀土中的质量要求是：其中主要化学成分REO≥83%，CeO₂/REO≥45，F≥26。更进一步具体的选择是：稀土牌号REF₃-1。

本发明的一种硬度二氧化碳气体保护堆焊药芯焊丝，更具体的技术方案还可以是：所述焊丝的直径为ф1.2~ф1.6mm。

本发明的一种硬度二氧化碳气体保护堆焊药芯焊丝，更具体的技术方案还可以是：药芯配方中药粉的颗粒度控制在80~160目，其中的矿物粉经400~600℃烘干1~2小时，合金粉经100~130℃烘干1~2小时，后在混料机中均匀混合60分钟。

这些技术方案，包括具体的、进一步具体的技术方案也可以互相组合或者结合，从而达到更好的技术效果。

药芯中各组分的主要作用简述如下：

金红石：主要成分是TiO₂，具有稳弧、减小熔滴表面张力、细化熔滴、调节熔渣熔点和流动性、改善焊缝成型、减少飞溅等作用。本发明中金红石加入量为13~30%，金红石少于13%时，改善工艺性作用不明显。金红石高于30%时，焊缝表面易出现压坑和气孔缺陷，且焊缝含氧量增高，抗裂性变差。

氟化物：主要成分包括萤石、氟硅酸钠、氟铝酸钠、钾冰晶石中的一种或几种。氟化物在焊接电弧高温的作用下分解出的F^-与H⁺结合为非常稳定的HF，降低了焊接金属的扩散氢含量，使得焊缝金属在具有较高耐磨性的同时具有一定的韧性。含量少于5%时，脱氢效果不明显。当含量超过26%后，由于F与电弧中的电子结合成牢固的F^-，减少了焊接电弧中的自由电子，使焊接电弧的稳定性变差，熔滴呈大颗粒过渡，焊接飞溅变大。氟化物加入量控制在5~26%。

镁砂：主要成分是MgO，能够提高熔渣的碱度，使合金成分保持较高的过渡系数，净化焊缝，使熔渣的脱磷、脱硫的能力增强，提高焊缝金属的抗热裂纹能力，改善堆焊金属的综合性能。含量少于3%时，净化焊缝效果不明显。当含量超过14%后会显著增大熔渣的表面张力以及熔渣与熔化金属的界面张力，使熔滴粗化，并且镁砂的熔点较高，量过多时容易产生压坑和麻点，恶化焊接工艺性。镁砂加入量控制在3~14%。

石英：主要成分是SiO₂，可以调节熔渣的熔点及侵润性，减少熔渣的界面张力，改善熔渣流动性和细化熔滴，调高药芯焊丝的熔化效率。当含量超过10%后会使熔渣酸度增大，氧化性增强，焊缝中氧化物夹杂增多，抗裂性变差。加入量应控制在0~10%。

钾长石：主要起稳弧作用。其中所含K₂O和Na₂O高达12%以上，具有明显的稳定焊接电弧、提高电弧电压和细化熔滴、提高熔化系数的作用。含量少于2%时起不到稳弧作用。当含量超过8%时，因长石中含有高熔点的Al₂O₃使熔渣的粘度过高，降低熔渣的流动性，使焊接金属的成形性变差，还易造成焊缝夹渣。

铝镁合金：主要起脱氧和稳弧的作用。铝是强脱氧剂，适量的铝可以保证焊缝中合金元素的过渡系数较高。镁的燃点较低，易于在电弧中气化，起到细化熔滴与稳定电弧的作用。但当铝镁合金含量超过5%时，冶金反应形成的高熔点Al₂O₃在熔渣中不易上浮，造成焊缝夹杂。

硅铁与锰：是良好的脱氧剂和脱硫剂。Mn和Si联合作用有利于降低焊缝中的氧含量，与S结合形成MnS，防止低熔点FeS形成，防止焊缝金属中产生热裂纹的倾向，提高焊缝的抗热裂纹的能力。加入量过多时会对焊缝的韧性造成损害。

碳：碳是强烈的奥氏体化形成元素和降低Ms点元素。碳具有间隙固溶强化的作用。向焊缝中过渡碳，将促进孪晶马氏体的形成，增加碳化物数量，减少碳化物质点间距，获得高的硬度。但碳含量的增加会使焊缝的冲击韧度显著下降，使焊缝致脆出现裂纹。在要求堆敷金属具有良好的抗裂性时，应尽量控制焊缝中的碳含量。本发明中石墨加入量在5~15%。

铬：铬能提高钢的淬透性，产生固溶强化，促进马氏体的形成，提升焊缝基体的硬度和强度。并且铬与碳能形成细小弥散的沉淀相Cr₇C₃、Cr₂₃C₆，分布在焊缝基体组织中，进一步提高硬度和强度。因此，本发明中铬的加入量在14~33%。

钼：钼能增加钢的淬透性，产生固溶强化，抑制回火脆性，与碳形成Mo₂C，增进二次硬化效应。随着钼含量的增加，堆敷金属的硬度提高，耐磨性增强。本发明中钼铁的加入量在5~12%。

钒：钒和碳易形成稳定性很高的高硬度碳合物VC，进一步提升焊缝的硬度。并且适量的钒能有效地细化晶粒，在提高硬度的同时保证韧性，减少裂纹的发生。本发明中钒铁的加入量在0~6%。

硼：硼能提高合金的淬透性，获得较多的马氏体，而且硼和碳生成高熔点，高硬度和高脆性碳化物，使焊缝的硬度和耐磨性得到提高。但是硼在焊接时易于产生裂纹，导致抗裂性能下降，含量应严格控制，本发明中硼铁加入量在0~5%。

钨：钨能产生固溶强化，提高焊缝高温稳定性，且钨与碳易生成高硬度的碳化物，能保证焊缝具有良好的热硬性。本发明中金属钨的加入量在6~12%。

稀土：加入稀土元素可以细化晶粒，净化晶界，提高焊缝的硬度和耐磨性等。在药芯焊丝中加入稀土元素，可使堆焊层性能非常稳定，提高堆焊层质量。本发明中稀土的加入量2~8%。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

本发明中的高硬度堆焊药芯焊丝在采用纯二氧化碳气体保护焊接时，具有优良的焊接工艺性。焊接过程中电弧稳定，飞溅率低，可进行全位置焊接，熔渣覆盖良好，脱渣容易，焊缝成型美观，无气孔和压坑。堆敷金属是以板条马氏体为基体与大量碳化物弥散强化相相配合的组织结构，大量高硬度的碳化物弥散分布保证了堆焊金属的高硬度及高耐磨性，板条马氏体基本的高韧性又保证了堆焊金属的高抗裂性。因此，多层堆焊后焊缝表面无裂纹，抗冲击性能好，堆焊层硬度高达55~61HRC，耐磨损性能优良。可用于高应力磨料磨损及应力交变载荷的工况条件。

具体实施方式

下面结合药芯组分的具体实施配比对本发明进一步说明。实施例提到的含量均为质量含量。

实施例1

金红石：13％，氟化物：26％，镁砂：3％，钾长石：2％，铝镁合金：2%，金属铬：21％，片状石墨：5％，45#硅铁：4％，金属锰：7％，钼铁：5％，钒铁：3%，金属钨7%，稀土：2%，药粉重量填充率为18%。

配方中，氟化物包括氟硅酸钠和钾冰晶石两种，其中氟硅酸钠18％，钾冰晶石8％；铝镁合金中铝的质量含量为47~53％，镁的质量含量≥47％；钼铁中钼的质量含量为≥55％；钒铁中钒的质量含量为38~45％；硼铁中硼的质量含量为19~25％；硅铁中硅的质量含量为43~47％。稀土规格为REO≥83％，CeO₂/REO≥45，F≥26％。

实施例2：

金红石：30％，氟化物：5％，镁砂：3％，石英：5％，钾长石：2％，铝镁合金：2%，金属铬：14％，片状石墨：6％，45#硅铁：2％，金属锰：8％，钼铁：7％，钒铁：6%，硼铁：2 %，金属钨6%，稀土：2%。药粉填充率为22%。

配方中，氟化物为萤石；铝镁合金中铝的质量含量为47~53％，镁的质量含量≥47％；钼铁中钼的质量含量为≥55％；钒铁中钒的质量含量为38~45％；硼铁中硼的质量含量为19~25％；硅铁中硅的质量含量为43~47％。稀土规格为REO≥83％，CeO₂/REO≥45，F≥26％。

实施例3：

金红石：17％，氟化物：7％，镁砂：5％，石英：3％，钾长石：4％，铝镁合金：3%，金属铬：20％，片状石墨：8％，45#硅铁：2％，金属锰：9％，钼铁：6％，钒铁：4%，金属钨8%，稀土：4%，余量为铁粉。药粉填充率为20%。

配方中，氟化物包括萤石和钾冰晶石两种，其中萤石5％，钾冰晶石2％；铝镁合金中铝的质量含量为47~53％，镁的质量含量≥47％；钼铁中钼的质量含量为≥55％；钒铁中钒的质量含量为38~45％；硼铁中硼的质量含量为19~25％；硅铁中硅的质量含量为43~47％。稀土规格为REO≥83％，CeO₂/REO≥45，F≥26％。

实施例4：

金红石：15％、氟化物：5％，镁砂：14％，钾长石：8％，铝镁合金：5%，金属铬：14％，片状石墨：5％，45#硅铁：5％，金属锰：7％，钼铁：6％，钒铁：0%，硼铁：8%，金属钨6%，稀土：2%，余量为铁粉。药粉填充率为20%。

配方中，氟化物包括氟硅酸钠和钾冰晶石两种，其中氟硅酸钠3％，钾冰晶石2％；铝镁合金中铝的质量含量为47~53％，镁的质量含量≥47％；钼铁中钼的质量含量为≥55％；钒铁中钒的质量含量为38~45％；硼铁中硼的质量含量为19~25％；硅铁中硅的质量含量为43~47％。稀土规格为REO≥83％，CeO₂/REO≥45，F≥26％。

按照上述实施例将各种矿物粉与合金粉过筛称量后充分混合均匀，颗粒度控制在80~160目，然后在药芯焊丝制造设备上经过H08A薄钢带的放卷、轧为U型、加入混均匀的药芯粉、轧制封口成O型、合理逐道拉拔减径和绕丝成盘，制成直径为1.2~1.6mm的药芯焊丝。用KR-500型气保焊机进行焊缝堆焊试验，焊接电流160~180A，电弧电压26~28V，干伸长度25mm，气体流量22~24L/min。堆焊层硬度试验采用HR-150洛氏试验机，载荷为150kg，对每个实施例堆焊层取5个点打硬度，最后得到该例堆焊层的平均洛氏硬度值。抗裂性试验采用焊前无预热、焊后无缓冷条件堆焊5层，目测裂纹。堆焊层熔敷金属硬度、抗裂性见表1。采用STECTROMAXX直读光谱仪测试实施例堆焊层的化学成分，堆敷金属的化学成分见表2。

表1 各实施例熔敷金属的硬度、耐磨性及抗裂性

性能实施例	硬度（HRC）	抗裂性
			实施例1	58.3	焊缝无明显裂纹
实施例2	56.2	焊缝无明显裂纹
			实施例3	60.7	焊缝无明显裂纹
实施例4	58.7	焊缝无明显裂纹

表2 各实施例熔敷金属的化学成分

化学成分(%)	C	Si	Mn	S	P	Cr	Mo	V	B	W	Fe外元素合计
												实施例
实施例1	0.523	0.42	0.83	0.007	0.011	4.51	0.73	0.24	0	1.45	≤2.0
												实施例2	0.491	0.27	0.78	0.0091	0.013	3.02	0.85	0.35	0.043	1.07	≤2.0
实施例3	0.578	0.37	0.81	0.0087	0.013	4.05	0.77	0.33	0	1.55	≤2.0
												实施例4	0.504	0.47	0.80	0.0084	0.012	3.57	0.82	0	0.12	1.23	≤2.0

上表含量为质量百分含量，余量为铁。

焊接过程中电弧稳定，飞溅率低，熔渣覆盖良好，脱渣容易，焊缝成型美观，无气孔和压坑。

Claims

1.一种高硬度二氧化碳气体保护堆焊药芯焊丝，包括焊丝和药芯组成，焊丝形状为中空的圆形细丝，其特征是：焊丝原料采用普通低碳钢冷轧钢带，填充药芯粉末重量占焊丝总重量的17~22%；药芯的组分及重量百分比为：金红石：13~30％、氟化物：5~26％，镁砂：3~14％，石英：0~10％，钾长石：2~8％，铝镁合金：2~5%，金属铬：14~33％，片状石墨：5~15％，45#硅铁：2~5％，金属锰：7~11％，钼铁：5~12％，钒铁：0~6%，硼铁：0~5%，金属钨6~12%，稀土：2~8%，余量为还原铁粉；所述的氟化物为萤石、氟硅酸钠、氟铝酸钠、钾冰晶石中的一种或几种任意比例的的混合物。

2.根据权利要求1所述高硬度二氧化碳气体保护堆焊药芯焊丝，其特征是：所述的铝镁合金中铝的质量含量为47~53％，镁的质量含量≥47％；钼铁中钼的质量含量为≥55％；钒铁中钒的质量含量为38~45％；硼铁中硼的质量含量为19~25％；硅铁中硅的质量含量为43~47％。

3.根据权利要求1所述高硬度二氧化碳气体保护堆焊药芯焊丝，其特征是：所述的稀土规格为REO≥83%，CeO₂/REO≥45，F≥26。

4.根据权利要求4所述高硬度二氧化碳气体保护堆焊药芯焊丝，其特征是：所述的稀土牌号为REF₃-1。

5.根据权利要求1所述高硬度二氧化碳气体保护堆焊药芯焊丝，其特征是：所述的焊丝的直径为ф1.2~ф1.6mm。

6.根据权利要求1、2、3、4或5任一项所述高硬度二氧化碳气体保护堆焊药芯焊丝，其特征是：药芯配方中药粉的颗粒度控制在80~160目，其中的矿物粉经400~600℃烘干1~2小时，合金粉经100~130℃烘干1~2小时，后在混料机中均匀混合60分钟。