CN102528322B - 一种石墨化合金铸铁电焊条 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种石墨化合金铸铁电焊条，由焊芯和药皮组成，焊芯由以下组分按重量百分比组成：C2.6％～4.0％、Si3.6％～5.6％、Ni20％～60％、Cu5％～20％、Co1％～5％、Mn≤0.6％、S≤0.03％、P≤0.07％，Cr≤0.8％，其余为Fe；药皮由以下组分组成：大理石、萤石、钾长石、碳酸钡、鳞片石墨、泥状石墨、45^#硅铁、白泥和碳酸钠。本发明的电焊条，在冷焊条件下可以获得抗裂、无白口组织的铸铁同质焊缝，色泽与铸铁件本体一致。冷焊操作方便，便于实现绿色化生产和降低生产成本。

Description

一种石墨化合金铸铁电焊条

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，涉及一种石墨化合金铸铁电焊条。

背景技术

铸件在成形过程中，由于铸造工艺的复杂性，不可避免地会产生各种铸造缺陷。因此，对缺陷铸件进行挽救修复使之成为合格品具有重大的实用意义和显著的经济效益。铸铁中的碳、硅元素及硫、磷等杂质元素含量高，强度低、脆性大，焊接性较差。在常规焊接条件下，焊缝金属极易产生白口及裂纹，导致焊区机械加工性能不良甚至焊补修复失效。为攻克铸铁合金焊接难问题，早在上世纪70年代末，吉林工大等单位即对铸铁焊接材料进行了研究，获得了不同牌号的焊条系列。1988年建立了铸铁焊材国家标准(GB10044-88)。但是，对铸铁焊材的研发工作仍在持续。迄今为止，常用铸铁焊条大致分为两大类：同质焊材和异质焊材。其中，异质焊材包括生产中最为常用的纯镍芯焊条Z308、镍铁芯焊条Z408和镍铜芯焊条Z508，谓之镍基焊条。用镍基焊条获得的焊缝金属是由单相奥氏体基体组成，与铸铁件本体成分、组织和性能差异大，尤其焊缝色泽与铸件本体不一致，铸件上的“焊疤”赫然在目，通常仅用于冷焊条件下不重要的加工面和非加工面铸造缺陷的焊补修复。铸铁同质焊条主要包括：用于焊补灰铸铁的钢芯冷焊焊条Z208和铸铁芯热态焊焊条Z248等。用同质焊条获得的焊缝金属通常为铸铁组织，但是，实践证明，只有热态焊，即施焊前须将铸件预热到600-700℃，方可满足焊缝成分、组织和性能与本体的一致性要求。由于铸件加热温度高、能耗大、周期长、操作环节差，其应用受到限制。鉴于此，笔者公开了一种用于灰铸铁和球墨铸铁焊接的同质电焊条/气焊丝(专利号：ZL200510096376.8，公开号：1769002，公开日：2006-05-10)。该技术采用物理冶金方法将微量强石墨化元素直接加入到焊芯和焊丝金属中，通过焊芯和药皮双向过渡合金元素，从而有效地增强了焊缝金属石墨化能力，降低了焊缝金属对冷却速率的敏感性。在非加工面缺陷修复方面，可取代昂贵的镍基焊条实现冷焊作业，室温焊接无裂纹；在重要加工面修复方面，预热200～300℃即可达到传统热态焊600～700℃效果。适用于各种牌号灰铸铁和球墨铸铁件重要加工面和非加工面上各类缺陷的修复和铸铁零部件、破损件的焊接焊补以及加工件尺寸弥补等。然而，近年来，我国铸件市场发生了深刻地变化，对铸铁件外观成形质量要求日趋苛刻，铸铁件的焊补修复必须满足焊补区色泽、硬度、强度、耐腐蚀性与本体保持一致。同时，绿色化铸造生产还要求实现冷焊作业，以最大限度的降低成本及环境污染。为此，必须研发新型铸铁焊接焊材以适应高性能高品质铸铁件的生产需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨化合金铸铁电焊条，使铸铁焊接时无需高温预热即可满足焊缝成分、组织和性能与本体的一致性要求。

本发明所采用的技术方案是，一种石墨化合金铸铁电焊条，由焊芯和药皮组成，焊芯由以下组分按重量百分比组成：C2.6％～4.0％、Si3.6％～5.6％、Ni20％～60％、Cu5％～20％、Co1％～5％、Mn≤0.6％、S≤0.03％、P≤0.07％，Cr≤0.8％，其余为Fe；

药皮由以下组分组成：大理石、萤石、钾长石、碳酸钡、鳞片状石墨、泥石墨、45^#硅铁、白泥和碳酸钠。其中按重量百分比：大理石15％～20％、萤石12％～15％、钾长石15％～18％、碳酸钡7％～12％、鳞片状石墨5％～9％、泥石墨8％～11％、45^#硅铁10％～13％、白泥15％～17％。大理石、萤石、钾长石、碳酸钡、鳞片状石墨、泥状石墨、45硅铁和白泥的组分总量为100％；

碳酸钠占大理石、萤石、钾长石、碳酸钡、鳞片状石墨、泥石墨、45^#硅铁、白泥总量的0.2％～0.6％。

本发明电焊条的有益效果是：

(1)焊缝为铸铁组织，具有和本体相一致的微观结构，焊缝组织和色泽与铸铁件一致；

(2)焊缝组织由奥氏体和晶间石墨组成，无自由渗碳体和莱氏体等硬质相形成，焊缝硬度和本体一致，机加工性能优良；

(3)焊缝中大量石墨相的形成显著地提高了焊缝金属的抗裂性；

(4)冷焊作业便于实现绿色化生产和降低生产成本。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供的一种石墨化合金铸铁电焊条所用的合金铸铁焊芯，采用电炉熔配低杂质含量的铁液，经炉前孕育处理后浇注而成，焊芯规格为Φ(3～5)mm×400mm。

焊芯由以下组分按重量百分比组成：C2.6％～4.0％、Si3.6％～5.6％、Ni20％～60％、Cu5％～20％、Co1％～5％、Mn≤0.6％、S≤0.03％、P≤0.07％，Cr≤0.8％，其余为Fe；

药皮由以下组分组成：大理石、萤石、钾长石、碳酸钡、鳞片石墨、泥状石墨、45^#硅铁、白泥和碳酸钠。其中按重量百分比：大理石15％～20％、萤石12％～15％、钾长石15％～18％、碳酸钡7％～12％、鳞片石墨5％～9％、泥状石墨8％～11％、45^#硅铁10％～13％、白泥15％～17％，大理石、萤石、钾长石、碳酸钡、鳞片石墨、泥状石墨、45^#硅铁、白泥的组分总量为100％；碳酸钠占大理石、萤石、钾长石、碳酸钡、鳞片石墨、泥状石墨、45^#硅铁、白泥总量的0.2％～0.6％。

在制得的合金铸铁焊芯上压涂石墨化型药皮制成电焊条。通过控制焊芯的化学成分来获得色泽、硬度、强度和耐腐蚀性与本体相一致的同质焊缝。

在焊芯中加入2.6％～4.0％C和3.6％～5.6％Si是为了获得铸铁同质焊缝。碳是焊缝金属中石墨相的形成元素，石墨相的析出过程伴随着显著的体积膨胀，有利于提高和改善焊缝金属的抗裂性。同时，焊缝中石墨相的存在能够保障焊缝颜色与本体的匹配性。另外，Si元素是强石墨化元素，能够有效地防止白口组织的形成。

Ni元素为奥氏体形成元素及石墨化元素，加入20％～60％Ni不仅可以获得奥氏体基体，而且有助于促进焊缝金属石墨化，从根本上消除自由渗碳体和莱氏体，最大限度地降低焊缝硬度从而改善焊缝的机械加工性能。

Cu是强石墨化元素，有助于获得无白口的同质焊缝。

Co、Cr是固溶强化元素，同时兼有调整焊缝色差的作用。

Mn元素能够改善焊缝金属的机械性能，其加入量控制在Mn≤0.6％。

S、P元素为铸铁合金中的有害元素等有害杂质元素，其加入量控制在S≤0.03％、P≤0.07％。

通过调整铸铁焊芯中的含镍量使焊缝金属的奥氏体区显著扩大，合金铸铁焊缝在冷却凝固过程中不析出自由渗碳体、莱氏体等硬质相，从而有效地防止白口组织的产生；通过添加钴、铜、铬等合金元素进一步调整焊缝的色泽和提高焊缝的抗裂性。

本发明的焊条中焊芯按照以下步骤制备：

(a)原材料准备

合金料选用原生铁、金属镍、金属铜、金属钴、铬铁、硅铁、锰铁等。

(b)铸型准备：

采用有机粘结剂砂造型。

(c)铁液熔配

用感应电炉熔制原铁水，用75^#Si-Fe合金进行炉前孕育处理。

(d)焊芯成形

采用自有专利技术(ZL 200510042917.9)——真空吸铸法获得合金铸铁焊芯。

(e)落砂清理

采用随箱冷却凝固，室温开箱，落砂后表面喷砂清理工艺。

(f)焊芯检验

焊芯表面光洁，无粘砂和气孔缺陷，而且在宏观上符合直线度和同轴度要求。

本发明的焊条中药皮按照以下步骤制备：

(a)药皮辅料准备

各种矿物原料及合金料，主要包括：大理石、萤石、钾长石、碳酸钡、鳞片状石墨、泥石墨、白泥、碳酸钠、45#硅铁等。

其中粘结剂选用钠基水玻璃。

(b)混料

采用手工或专用混料机混制压涂涂料。

(c)药皮涂敷

采用25t液压机压涂石墨化型药皮。

(d)焊条烘干

采用焊条烘干炉烘干焊条。

实施例1

焊条的焊芯由以下组分按重量百分比组成：C4.0％、Si4.2％、Ni20％、Cu20％、Co2％、Mn0.3％、S0.02％、P0.06％，其余为Fe；

药皮由以下组分按重量百分比组成：大理石15％、萤石12％、钾长石16％、碳酸钡12％、鳞片石墨8％、泥状石墨10％、45^#硅铁12％、白泥15％，以上总量为100％，碳酸钠占大理石、萤石、钾长石、碳酸钡、鳞片石墨、泥状石墨、45^#硅铁、白泥总量的0.2％。

实施例2

焊条的焊芯由以下组分按重量百分比组成：C3.2％、Si4.6％、Ni30％、Cu15％、Co1％、Mn0.2％、S0.02％、P0.05％，Cr0.8％，其余为Fe；

药皮由以下组分按重量百分比组成：大理石20％、萤石15％、钾长石15％、碳酸钡9％、鳞片石墨5％、泥状石墨9％、45^#硅铁10％、白泥17％、以上总量为100％，碳酸钠占大理石、萤石、钾长石、碳酸钡、鳞片石墨、泥状石墨、45^#硅铁、白泥总量的0.3％。

实施例3

焊条的焊芯由以下组分按重量百分比组成：C3.8％、Si3.6％、Ni40％、Cu10％、Co5％、Mn0.6％、S0.03％、P0.07％，Cr0.4％，其余为Fe；

药皮由以下组分按重量百分比组成：大理石17％、萤石14％、钾长石17％、碳酸钡8％、鳞片石墨9％、泥状石墨8％、45^#硅铁11％、白泥16％、以上总量为100％，碳酸钠占大理石、萤石、钾长石、碳酸钡、鳞片石墨、泥状石墨、45^#硅铁、白泥总量的0.4％。

实施例4

焊条的焊芯由以下组分按重量百分比组成：C2.6％、Si5.6％、Ni60％、Cu5％、Co3％、Mn0.4％、S0.01％、P0.04％，Cr0.2％，其余为Fe；

药皮由以下组分按重量百分比组成：大理石16％、萤石13％、钾长石18％、碳酸钡7％、鳞片石墨6％、泥状石墨11％、45^#硅铁13％、白泥16％、以上总量为100％，碳酸钠占大理石、萤石、钾长石、碳酸钡、鳞片石墨、泥状石墨、45^#硅铁、白泥总量的0.6％。

以上实施例中，利用本发明的石墨化合金铸铁电焊条焊接灰口铸铁和球墨铸铁的焊接工艺参数如表1所示。电焊条药皮成份配比如表2所示。焊芯及焊缝金属化学成分如表3所示。熔敷金属的力学性能如表4所示。

表1本发明的合金铸铁电焊条焊接工艺参数

表2本发明实施例合金铸铁电焊条药皮组份配比(重量％)

在现有铸铁焊材中，镍基焊条Z308、Z408、Z508常用于冷焊工艺，形成的焊缝金属为镍基合金，与铸铁组织差异很大，焊缝加工性优良但颜色与本体不一致；同质焊材如Z248、Z208、Z308等在冷焊条件下获得的焊缝金属中渗碳体(白口)数量多，机加工性能较差，唯有采用热态焊工艺方可得理想的同质焊缝，但焊区预热温度过高，达600-700℃，亟待为先进方法所

表3本发明实施例合金铸铁焊芯和焊缝金属的化学成分(质量％)

表4本发明实施例合金铸铁电焊条熔敷金属微观组织与力学性能

取代。尽管最新专利产品(专利号：ZL 200510096376.8，公开号：1769002，公开日：2006-05-10)微合金化铸铁同质焊材在较大程度上降低了同质焊材的施焊温度，但对有性能要求的重要加工表面的焊补修复仍不能完全摆脱焊前预热工艺。而本发明的石墨化合金铸铁电焊条虽然属于冷焊焊条，但在冷焊条件下却可以获得无白口组织、抗裂性强的铸铁同质焊缝，亦即熔敷金属的微观组织由奥氏体枝晶和枝晶间片状石墨组成，无自由渗碳体、莱氏体和细珠光体等硬质相存在，该微观组织对应的焊缝硬度与铸铁合金的硬度基本一致，见表4。可知，本发明的石墨化合金铸铁电焊条所形成的焊缝具有良好的机械加工性能。而且，奥氏体基体中大量膨胀相石墨的形成既可显著提高熔敷金属抗裂性，又可保障焊缝颜色与铸铁本体的一致性。从而有效地解决了焊缝组织和色泽与母材不一致、加工性不良等技术难题，这本质上缘于对铸铁焊芯进行高合金化处理后所引发的铸铁焊缝相组成及焊缝结晶方式的改变。因此，石墨化合金铸铁焊条在设计思路上兼顾了异质焊材和同质焊材各自的优点，具有两类焊材所不具备的技术特征，是一种先进的新型铸铁焊接材料。

本发明制备的石墨化合金铸铁电焊条镍元素的重量百分比在20％～60％之间，焊缝金属为奥氏体铸铁，具有和本体相一致的微观结构，焊缝组织和色泽与铸铁件一致。其焊缝组织由奥氏体基体和晶间石墨组成，无自由渗碳体和莱氏体等硬质相形成，焊缝硬度和本体一致，机加工性能优良；焊缝在凝固过程中大量石墨相的形成显著地提高了焊缝金属的抗裂性。同时该焊条在冷焊条件下可以获得无白口组织的铸铁同质焊缝，便于实现绿色化生产和降低生产成本。

Claims (1)

1.一种石墨化合金铸铁电焊条，由焊芯和药皮组成，其特征在于，所述焊芯由以下组分按重量百分比组成：C2.6％～4.0％、Si3.6％～5.6％、Ni20％～60％、Cu5％～20％、Co1％～5％、Mn≤0.6％、S≤0.03％、P≤0.07％，Cr≤0.8％，其余为Fe；

所述药皮由以下组分组成：大理石、萤石、钾长石、碳酸钡、鳞片石墨、泥状石墨、45^#硅铁、白泥和碳酸钠，

其中按重量百分比：大理石15％～20％、萤石12％～15％、钾长石15％～18％、碳酸钡7％～12％、鳞片石墨5％～9％、泥状石墨8％～11％、45^#硅铁10％～13％、白泥15％～17％，大理石、萤石、钾长石、碳酸钡、鳞片石墨、泥状石墨、45^#硅铁、白泥的组分总量为100％；

碳酸钠占大理石、萤石、钾长石、碳酸钡、鳞片石墨、泥状石墨、45^#硅铁、白泥总量的0.2％～0.6％。