CN102380716A - 一种中铬含硼铁基耐磨堆焊用药芯焊丝及堆焊合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种中铬含硼铁基耐磨堆焊用药芯焊丝及堆焊合金的制备方法，属于焊接材料技术领域。焊丝各元素成分范围如下：Cr：8.4-16.8wt.％；B：0.55-5.55wt.％；C：0.17-1.67％wt.％；Fe：余量。制备堆焊合金的方法，步骤如下：将焊丝轧制到直径为1.6mm；采用二氧化碳气保焊制备堆焊合金工艺，焊接工艺参数为：电压25-35V；电流180-240A；送丝速度：380-500mm/min；气体流速：15-25L/min；焊丝伸出导电嘴的距离：15-30mm。用本发明研制的堆焊合金制备的堆焊合金含有高硬度的Fe2B，合金硬度更高，能达到68HRC，提高了耐磨性，降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种中铬含硼铁基耐磨堆焊药芯焊丝及堆焊合金的制备方法，可广泛用于电力、冶金、机械、化工等行业中机械耐磨件的修复和制造。
背景技术
磨损是造成机械失效的主要原因之一，其中磨粒磨损占到50％以上。在现代工业和技术发展中，机械设备及其零件在使用中对材料耐磨损性的要求越来越高，使用寿命越来越成为影响现代设备生产效率的重要因素。据统计，世界工业发达国家约30％的能源是以不同形式消耗在磨损上的，近年来我国每年消耗金属耐磨材料约达300万吨以上，各行业也已陆续进口了高达1000亿美元的设备部件。
堆焊合金的耐磨性取决于所含硬质相的尺寸、形态、分布及其化学成分，而韧性则与其基体组织性质、数量、形态及分布等相关。碳化物硬质相包括铬在堆焊合金中与碳铁形成的M7C3(HV1300～1800)、碳化钨(HV2400)、碳化铌(HV2400)、碳化钒(HV2800)和碳化钼(HV2200)等，这些高硬度的碳化物显著提高了堆焊合金的耐磨性，但钨、钼、铌、钒这些元素一般都比较贵重，另外，此类元素主要是靠本身与碳形成硬度更高的化合物来提高耐磨性。我国硼资源廉价且丰富，硼与铁形成的FeB(HV1800～2000)和Fe2B(HV1400～1800)的硬度远高于Fe3C(HV800～900)，硼化物显微硬度较高的还有铬硼(HV2100)、碳化硼(3700HV)、二硼化钛(HV3400)等，这些硼化物能够显著提高堆焊合金的耐磨性，且成本低廉。公开号为CN1775454A专利涉及一种高抗裂耐磨高铬铸铁型堆焊药芯焊丝，其特征在于所述的药芯成分含量如下：43～70wt.％碳化铬， 10～25wt.％钒铁，1～5wt.％75#硅铁，3～8wt.％金属锰，1～3wt.％铝镁合金，2～5wt.％硼铁，2～6wt.％钛铁，1～5wt.％铌铁，2～8wt.％钼铁。其耐磨机制主要靠M7C3型碳化物作为耐磨骨架，该发明耐磨性好但脆性大容易剥落。又例如公开号为CN1714987A专利涉及一种高铬不锈耐磨药芯焊丝，该发明以低碳钢带为外层包皮，其内的粉芯组成重量比为：高铬铸铁36～42，微碳铸铁26～32，金属铬粉15～17，钼铁2～4，钒铁3～5，碳化钨4～6，硼铁5～8，镍粉2～4，铌粉2～5，稀土硅2～3，填充量为0.49～0.52，该发明耐磨性较好但脆性大易开裂。以上两个专利所涉及的药芯焊丝均添加了较多的贵重金属，造成成本过高。因此，开发一种成本低廉，耐磨性较好的堆焊合金具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于用显微硬度较高的硼化物(主要是Fe2B)做为堆焊合金耐磨骨架，大大提高了堆焊合金的耐磨性，同时较少了贵重金属元素的添加，降低了成本。
为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案。
一种中铬含硼耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，焊丝各元素成分范围如下：Cr：8.4-16.8wt.％；B：0.55-5.55wt.％；C：0.17-1.67％wt.％；Fe：余量。所述的药芯粉末包括：低碳铬铁、碳化硼粉末、泥状石墨、硼铁粉末、金属铁粉，药芯焊丝外皮带材为304L不锈钢带，芯焊丝填充率：25-27％。
优选所述药芯焊丝，焊丝各元素成分范围优选如下：Cr：12.2-16.8wt.％；B：1.1-5.55wt.％；C：0.33-1.67％wt.％；Fe：余量。
在堆焊过程中，各元素的过度系数分别按如下数据处理：Cr-95％；B-90％；C-60％。
采用本发明上述药芯焊丝制备一种含Fe2B硬质相铁基耐磨堆焊合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将上述药芯焊丝轧制，最终获得直径为1.6mm的粉芯丝材。
步骤2，采用二氧化碳气保焊制备堆焊合金工艺，焊接工艺参数为：电压25-35V；电流180-240A；送丝速度：380-500mm/min；气体流速：15-25L/min；焊丝伸出导电嘴的距离：15-30mm。
步骤2所述堆焊工艺进行优化，将堆焊工艺参数设定为：电压25-30V；电流180-220A；送丝速度：400-500mm/min；气体流速：18-25L/min；焊丝伸出导电嘴的距离：18-28mm。
在堆焊合金中各元素的含量在如下范围内：Cr：8～16wt.％；B：0.5～5wt.％；C：0.1～1wt.％；Fe：余量。
在堆焊合金中形成的合金元素含量范围优选如下：Cr：11.6-16wt.％；B：3-5wt.％；C：0.2-1％wt.％；Fe：余量。
采用这种药芯焊丝在上述工艺条件下制备的堆焊合金，硼主要以Fe2B形式存在，铬主要以碳化物形式存在并分布于基体之中，硼化物(主要是Fe2B)做为合金的主要耐磨骨架，耐磨性较好，完全可以满足电力、冶金、机械、化工等行业中大部分对机械零件耐磨性的要求，而且没有添加贵重金属，很好的控制了生产成本。
药芯焊丝中主要成分作用如下：
铬：可显著提高合金的淬透性，产生固溶强化，促进马氏体的形成。在铁铬合金中，铬具有稳定Fe2B相的作用，同时铬是生成硬质相CrB的元素，铬含量增加，合金中硬质相增加，合金相对耐磨性及耐腐蚀性能提高。但铬有缩小γ区的作用，使堆焊合金共晶组织硬度下降，同时含铬量过高，有生成脆性σ相 的倾向，因此本发明设计堆焊合金中Cr含量为8～16wt.％。
硼：硼是铬硼耐磨堆焊药芯焊丝的主要合金元素，主要是为了获得高硬度的硼化物，从而提高堆焊合金的耐磨性。堆焊合金硬度及相对耐磨性随着硼含量的增加而提高，堆焊合金硼化物体积分数随着硼含量的增加而增加，但硼含量过高易引起“硼脆”，降低合金耐磨性，因此本发明设计堆焊合金中B含量为0.5～5wt.％。
碳：是强烈的奥氏体形成元素，并能降低Ms点。适量的碳对堆焊合金耐磨性有一定的帮助，但含量过高堆焊合金脆性变大，使材料的冲击韧度下降。因此本发明设计堆焊合金中C含量为0.1～1wt.％。
本发明的主要特点是堆焊合金中的Cr主要有药芯焊丝外皮304L不锈钢带过渡，集中Cr和B两个元素在耐磨粒磨损方面的优势，以硼化物(主要是Fe2B)做为合金主要耐磨骨架，并减少稀有贵重元素的添加，既提高了合金的耐磨性又降低了成本，用本发明研制的堆焊合金制备的堆焊合金含有高硬度的Fe2B，合金硬度更高，能达到68HRC，提高了耐磨性，降低了成本。
本发明中铬含硼耐磨堆焊药芯焊丝可以加入镍及稀土元素，形成细小的硬质相(硼化物、碳化物)，减少“硼脆”，进而提高堆焊合金的性能。
附图说明
图1实例2金相组织图；
图2实例3金相组织图；
图3实例2堆焊合金XRD图；
图4实例1-10堆焊合金相对耐磨性变化规律。
具体实施方式
本发明的药芯焊丝不受上述实例的限制，任何在本发明的权利要求书要求保护的范围内的改进和变化都在本发明的保护范围之内。
选用12×0.3(宽度为12mm，厚度为0.3mm)的304L不锈钢带为药芯焊丝外皮，先将其轧成U形。低碳铬铁、碳化硼粉末、泥状石墨、硼铁粉末、金属铁粉等配制成药粉，所取粉末的粒度为能通过60目的筛子。将所取的各种粉末放入混粉机内混合40分钟，然后将混合粉末加入U形304L不锈钢带槽中，填充率为25-27％，将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为3.0、2.6、2.2、1.8、1.6的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.6mm。
具体实施例如下：
1、一种中铬含硼耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr：16.8％；B：5.6％；C：1.3％；Fe余量。药芯焊丝填充率：25％。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压32V；电流230A；送丝速度500mm/min；气体流速25L/min；焊丝伸出导电嘴的距离28mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr：16wt.％；B：5wt.％；C：0.8wt.％；Fe余量。
2、一种中铬含硼耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr：15.8％；B：4.4％；C：1.0％；Fe余量。药芯焊丝填充率：26％。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压30V；电流220A；送丝速度480mm/min；气体流速23L/min；焊丝伸出导电嘴的距离26mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr：15wt.％；B：4wt.％；C：0.6wt.％；Fe余量，金相组织图见图1，堆焊合金XRD图见图3。
3、一种中铬含硼耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr：14.7％；B：3.3％；C：0.67％；Fe余量。药芯焊丝填充率：26％。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压28V；电流210A；送丝速度450mm/min；气体流速21L/min；焊丝伸出导电嘴的距离24mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr：14wt.％；B：3wt.％；C：0.4wt.％；Fe余量，金相组织图见图2。
4、一种中铬含硼耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr：13.7％；B：2.2％；C：0.3％；Fe余量。药芯焊丝填充率：26％。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压27V；电流200A；送丝速度420mm/min；气体流速19L/min；焊丝伸出导电嘴的距离22mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr：13wt.％；B：2wt.％；C：0.2wt.％；Fe余量。
5、一种中铬含硼耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr：12.6％；B：1.1％；C：0.3％；Fe余量。药芯焊丝填充率：26％。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压26V；电流190A；送丝速度410mm/min；气体流速18L/min；焊丝伸出导电嘴的距离20mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr：12wt.％；B：1wt.％；C：0.2wt.％；Fe余量。
6、一种中铬含硼耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr：0％；B：1.1％；C：0.5％；Fe余量。药芯焊丝填充率：27％。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压25V；电流190A；送丝速度400mm/min；气体流速20L/min；焊丝伸出导电嘴的距离21mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr：11.6wt.％；B：1wt.％；C：0.3wt.％；Fe余量。
7、一种中铬含硼耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr：13.7％；B：2.2％；C：0.67％；Fe余量。药芯焊丝填充率：26％。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压26V；电流195A；送丝速度420mm/min；气体流速18L/min；焊丝伸出导电嘴的距离20mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr：13wt.％；B：2wt.％；C：0.4wt.％；Fe：余量。
8、一种中铬含硼耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr：15.8％；B：5.6％；C：1.0％；Fe余量。药芯焊丝填充率：26％。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压26V；电流200A；送丝速度430mm/min；气体流速19L/min； 焊丝伸出导电嘴的距离20mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr：15wt.％；B：3wt.％；C：0.6wt.％；Fe余量。
9、一种中铬含硼耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr：16.8％；B：4.4％；C：1.3％；Fe余量。药芯焊丝填充率：26％。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压27V；电流210A；送丝速度450mm/min；气体流速20L/min；焊丝伸出导电嘴的距离21mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr：16wt.％；B：4wt.％；C：0.8wt.％；Fe余量。
10、一种中铬含硼耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr：14.7％；B：5.6％；C：1.0％；Fe余量。药芯焊丝填充率：25％。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压30V；电流220A；送丝速度470mm/min；气体流速22L/min；焊丝伸出导电嘴的距离23mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr：14wt.％；B：5wt.％；C：0.6wt.％；Fe余量。
其中以实施例2最好。
各实施例所制备堆焊合金性能检测如下所述：
1.对实例堆焊合金熔敷金属硬度测试如下：
表1为洛氏硬度值，所打硬度均采用HR～150A洛氏硬度机，载荷为150Kg，打五个点后取平均值。
表1各实施例堆焊合金熔敷金属硬度值(HRC)
2.对实例所制备堆焊合金进行耐磨损实验，采用MLS-225型湿砂橡胶轮式磨粒磨损试验机进行。磨损试样尺寸为57×25.5×6mm，试验参数如下：橡胶轮转速：240r/min；橡胶轮直径：178mm；橡胶轮硬度：60(绍尔硬度)；载荷100N；橡胶轮转数：预磨1000转、精磨3000转、磨料：粒度40-70目石英砂。材料耐磨性能用磨损的失重量来衡量。在实验前、后，将试样放入盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3-5分钟，实验中用45淬火钢作为对比试样，对比件失重量与测量件失重量之比作为该配方的相对耐磨性。
相对耐磨性 
实例1-10堆焊合金相对耐磨性变化规律实验结果如图3。
Claims (7)
1.一种中铬含硼耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，焊丝各元素成分范围如下：
Cr：8.4-16.8wt.％；B：0.55-5.55wt.％；C：0.17-1.67％wt.％；Fe：余量。
2.按照权利要求1的药芯焊丝，其特征在于，焊丝各元素成分范围如下：Cr：
12.2-16.8wt.％；B：1.1-5.55wt.％；C：0.33-1.67％wt.％；Fe：余量。
3.按照权利要求1的药芯焊丝，其特征在于，所述的药芯粉末包括：低碳铬铁、碳化硼粉末、泥状石墨、硼铁粉末、金属铁粉，药芯焊丝外皮带材为304L不锈钢带，芯焊丝填充率：25-27％。
4.采用权利要求1的焊丝制备一种含Fe2B硬质相铁基耐磨堆焊合金的方法，
其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将上述药芯焊丝轧制，最终获得直径为1.6mm的粉芯丝材；
步骤2，采用二氧化碳气保焊制备堆焊合金工艺，焊接工艺参数为：电压25-35V；电流180-240A；送丝速度：380-500mm/min；气体流速：15-25L/min；焊丝伸出导电嘴的距离：15-30mm。
5.按照权利要求4的制备方法，其特征在于，步骤2所述焊接工艺参数为：
电压25-30V；电流180-220A；送丝速度：400-500mm/min；气体流速：
18-25L/min；焊丝伸出导电嘴的距离：18-28mm。
6.按照权利要求4的方法制备的堆焊合金，其特征在于，堆焊合金中各元素
的含量在如下范围内：Cr：8～16wt.％；B：0.5～5wt.％；C：0.1～1wt.％；
Fe：余量。
7.按照权利要求4的方法制备的堆焊合金，其特征在于，堆焊合金中各元素
的含量在如下范围内：Cr：11.6-16wt.％；B：3-5wt.％；C：0.2-1％wt.％；Fe：余量。
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