CN102554503A - 一种磨煤辊用耐磨堆焊药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种磨煤辊用耐磨堆焊药芯焊丝，药芯组成为：高碳铬铁：45~65％、碳化铬：8~20％，金属铬：5~15％，片状石墨：3~8％，高碳锰铁：3~6％，75#硅铁：5~7%，硼铁：5~15%，铝镁合金：2~5%，烧结剂：2~8%；焊丝直径为ф3.2~ф4.0mm，焊丝金属为低碳钢钢带经成型后在内部填充质量百分比49~53%的药芯药粉。本发明的药芯焊丝，不外加保护气体，在自保护明弧焊接时工艺性优良；焊接过程电弧稳定，飞溅率低，熔渣极少可连续焊接，焊缝成型美观，自保护效果表面无气孔；堆敷金属多层堆焊后硬度达62HRC以上，整体硬度均匀度为±2HRC，耐低应力磨料磨损性能优良。

Description

一种磨煤辊用耐磨堆焊药芯焊丝

技术领域

本发明涉及一种焊接材料技术，特别是一种磨煤辊用耐磨堆焊药芯焊丝。

背景技术

在矿山、机械、电力及冶金等行业存在大量大型特种耐磨工件如破碎机滚筒、衬板、磨煤机辊套、磨球、料斗、立磨磨辊及磨盘等。这些大型耐磨件一般在低应力磨料磨损和冲击作用不太强的碰撞磨损工况条件下使用，经使用一定的工作时间后，会由于表面过度磨损而失效报废。针对这种情况的一般解决方法是采用高硬度(要求HRC≥60)高耐磨表面堆焊材料对部件表面进行修复，不仅能已较低的成本恢复零部件尺寸、形状和性能，还能对表面堆焊材料进行成分设计，进一步提高原特种耐磨件的使用寿命。在此背景下，高硬度表面堆焊材料在大型耐磨件(如磨煤辊、料斗等)的制造与修复领域得到了较快的发展，拥有广阔的应用前景。对于大型耐磨工件的修复和再制造而言，完成一个工件就需要几百公斤的焊材，显然堆焊焊条由于堆敷效率低，劳动强度大，焊接工时长，综合成本高等缺点，不适应整体应用。药芯焊丝由于其合金成分灵活可调，制造简便，可以不需外加保护措施、焊接高效化及自动化等优点成为发展最快的表面堆焊材料。

目前，在特种大型耐磨工件的修复再制造中使用的耐磨堆焊材料广泛采用高硬度的高铬铸铁合金系药芯焊丝，如中国专利号CN200510127968.1、CN200710191741.2、CN200710107177.1的产品。这种药芯焊丝由于硬度高(HRC≥60)，耐磨性好，生产成本低而被广泛应用于耐低应力磨料磨损的工况环境。这种高碳高铬合金系统的耐磨机制主要靠结晶过程中生成高硬度初生碳化物M₇C₃作为抗磨质点，配合具有较高硬度的过共晶奥氏体基体实现良好的耐磨性能。国内用于磨煤辊堆焊的药芯焊丝主要如上诉专利依靠大量的C和Cr元素来实现Cr₇C₃型碳化物耐磨质点，但过量的碳含量（C≥5%）易引起焊接工艺的恶化，飞溅颗粒尺寸变大、数量变多，焊缝成型变差，降低焊接效率。因此本成果把堆焊层的碳含量控制在2%左右，采用部分硼元素代替碳元素，形成高硬度的硼化铬质点来提高堆焊层的耐磨性。一方面可以保证堆焊层有足够的硬度和耐磨性，另一方面还能保证药芯焊丝有良好的焊接工艺性，焊接自保护效果良好，飞溅量小、焊缝成型美观。

发电行业中的大型磨煤设备（磨煤辊，磨盘等）在长时间的磨料磨损情况下，零部件的表面经常由于磨损而报废失效，需要定期对磨煤设备进行更换和表面维修。因此，也需要针对发电厂大型磨煤设备的低应力磨料磨损的工况条件研制出一种高硬度高耐磨的磨煤辊用自保护金属粉芯堆焊药芯焊丝。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种磨煤辊用耐磨堆焊药芯焊丝，针对发电行业中的大型磨煤设备（磨煤辊，磨盘等）在长时间的磨料磨损情况下，零部件的表面经常由于磨损而报废失效，需要定期对磨煤设备进行更换和表面维修，适应发电厂大型磨煤设备的低应力磨料磨损的工况条件，具有高硬度高耐磨自保护作用。

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：

本发明的一种磨煤辊用耐磨堆焊药芯焊丝，包括药芯和焊丝组成，药芯的组分及重量百分比为：高碳铬铁：45~65％、碳化铬：8~20％，金属铬：5~15％，片状石墨：3~8％，高碳锰铁：3~6％，75#硅铁：5~7%，硼铁：5~15%，铝镁合金：2~5%，烧结剂：2~8%；焊丝直径为ф3.2~ф4.0mm，焊丝金属为低碳钢钢带，焊丝内部填充药芯药粉，药芯药粉的重量填充率为49~53%。

进一步具体的，所述的药芯焊丝，药芯中药粉的颗粒度控制在80~160目之间；药粉按配方配好后在V型混料机中机械混合20分钟以上，后经150~180℃烘干1~2小时；再经宽度为16mm，厚度为0.4mm的低碳钢钢带的放卷、轧为U型、加入混好烘干的药芯粉、轧制封口成O型、合理逐道拉拔减径制成直径为ф3.2~ф4.0mm药芯焊丝。

所述的高碳铬铁具体组成为：碳含量为6-10%，铬含量为60-65%，其余为铁。

所述的碳化铬的碳含量为10-12%，其余为铬。

所述的高碳锰铁具体组成为：碳含量为7-8%，锰含量为65-72%，其余为铁。

所述的75#硅铁具体组成为：硅含量为72-80%，其余为铁。

所述的硼铁具体组成为：硼含量为19-25%，其余为铁。

所述的铝镁合金的镁含量为47-53%，其余为铝。

所述的烧结剂，可以为普通焊条用烧结稳弧剂，优选使用K₂O含量为28-35%、TiO₂含量为65-72%的钛酸钾。

所述的低碳钢钢带，可以使用市售的普通低碳钢钢带，优选使用SPCC低碳钢钢带。

以上含量均为质量百分比。

本发明提出的一种磨煤辊用耐磨堆焊药芯焊丝不外加保护措施，依靠药芯中的合金元素进行自保护焊接。使用本发明药芯焊丝焊接时电弧稳定，熔渣极少，焊接飞溅和烟尘较小，焊道成型美观，自保护效果良好无气孔等缺陷。焊缝表面有细微的网状裂纹。

各组分的主要作用简述如下：

高碳铬铁：是高铬铸铁合金系中碳和铬的主要来源。在高铬铸铁合金成分中高的碳和铬含量是生成大量初生碳化物的必要条件，是高硬度与高耐磨性的保证。在堆焊材料的设计中，碳是最重要的强化元素。碳具有间隙固溶强化的作用，增加材料中的碳的含量，将会增加碳化物数量，获得高的硬度。但碳也是致脆元素。对于磨煤设备工件来说，对裂纹的要求不太严格。细密的网状裂纹不会对高耐磨性造成太大的影响，还可释放堆焊金属内应力，避免堆焊层的出现大面积剥落。当碳和铬含量都较高时，基体组织中分布着大量的初生碳化物(Cr,Fe)₇C₃，使得堆焊层金属硬度高，耐磨性好。当高碳铬铁占药芯比例小于45%时，堆焊金属的合金成分不足，硬度和耐磨性较差；大于65%时，焊缝飞溅变大且高碳铬铁中的铁对合金稀释作用加大，不利于进一步提高硬度和耐磨性。高碳铬铁的加入量占药芯重量比例为45~65%。

碳化铬：主要成分为Cr₇C₃。可以进一步的补充堆焊金属中的碳含量和铬含量。高碳高铬合金系统的耐磨机制主要靠结晶过程中生成高硬度初生碳化物M₇C₃作为抗磨质点，配合具有较高硬度的过共晶基体实现良好的耐磨性能。当碳化铬占药芯比例小于8%时，堆焊金属的碳化物耐磨质点不足，硬度和耐磨性较差；大于20%时，焊缝成型变差，飞溅增多。因此碳化铬的加入量占药芯重量比例为8~20%。

金属铬：主要是补充堆焊金属成分中铬含量。在自保护焊接中铬还可固定空气中的氮形成高硬度的氮化铬质点，可进一步增加堆焊金属的硬度和耐磨性。铬与碳也能形成细小弥散的沉淀相Cr₇C₃、Cr₂₃C₆，分布在焊缝基体组织中，补充焊缝中的合金含量来进一步提升堆焊层的硬度和耐磨性。当金属铬占药芯比例小于6%时，补充到焊缝中的铬元素不足，提升堆焊金属的硬度效果有限；大于15%时，焊缝金属的熔点变化较大，由于药芯中没有熔渣限制成型，使得焊缝成型变差。因此，本发明中金属铬的加入量占药芯重量比例为5~15%。

片状石墨：石墨主要成分是游离碳，主要是弥补合金成分中碳的不足。碳具有间隙固溶强化的作用，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以获得高的硬度。此外，片状石墨更有利于焊接电弧的稳定，减少飞溅。但石墨的密度小且颗粒度过细，含量过多时易造成填充率不稳定，不利于药芯焊丝的生产。本发明中片状石墨的加入量占药芯重量比例为3~8%。

高碳锰铁和75#硅铁：是良好的脱氧剂和脱硫剂。锰和硅联合作用有利于降低焊缝中的氧含量和杂志含量，净化焊缝，增强自保护的效果。此外，锰和硅具有固溶强化作用，可提高基体的硬度和强度。本发明中高碳锰铁和75#硅铁加入量占药芯重量比例分别为3~6%和5~7%。

硼铁：硼和铬可生成高熔点，高硬度和高脆性的硼化铬质点，在堆焊金属成分中碳含量不足时在一定程度上可代替部分碳化物使堆焊层的硬度和耐磨性进一步提高。本发明中硼铁加入量占药芯重量比例为5~15%。

铝镁合金：主要起脱氧和固氮的作用。铝是强的脱氧剂和固氮剂，适量的铝是药芯焊丝是实现堆焊层表面无氮气孔，进行自保护焊接的保证。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。本发明中铝镁合金加入量占药芯重量比例为2~5%。

烧结剂：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。本发明中烧结剂加入量占药芯重量比例为2~8%。

本专利所述的百分比，如无特别说明，均为质量百分比。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

本发明的一种磨煤辊用耐磨堆焊药芯焊丝，不外加保护气体，在自保护明弧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，熔渣极少可连续焊接，焊缝成型美观，自保护效果表面无气孔。堆焊层表面有细微网状裂纹是释放应力的正常表现。堆敷金属是以奥氏体基体和大量初生碳化物弥散强化相相配合的组织结构。多层堆焊后硬度达62HRC以上，整体硬度均匀度为±2HRC，耐低应力磨料磨损性能优良。非常实用于磨煤辊和磨盘的修复与再制造。

具体实施方式

下面结合药芯组分的具体实施配比表1对本发明进一步说明。

本专利的实施例中，高碳铬铁的碳含量为6-10%，铬含量为60-65%；碳化铬的碳含量为10-12%；高碳锰铁的碳含量为7-8%，锰含量为65-72%；硼铁的硼含量为19-25%；铝镁合金的镁含量为47-53%。所述的钛酸钾的K₂O含量为28-35%，TiO₂含量为65-72%。以上含量均为质量百分比。

表1. 药芯组分的具体实施配比    （%）

按照上述实施例将合金粉和矿物粉过筛称量后充分混合均匀，颗粒度控制80~160目，然后在药芯焊丝制造设备上经规格为16×0.4mm普通低碳钢薄钢带的放卷、轧为U型、加入混好的药芯粉、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3.2~4.0mm的药芯焊丝。用MZT-1250型埋弧焊机进行自保护明弧堆焊试验，焊接电流420~480A，电压25~35V，干伸长度25~30mm，焊接速度1.0~1.5m/min。焊后采用跟踪水雾激冷。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。

磨损试验采用磨损试验机进行试验。实施例堆焊足够层数后在堆焊面一侧切取试块，试样尺寸为57mm×25mm×6mm。磨损试验技术条件如下：橡胶轮直径：178mm；施加正压力：245N；橡胶轮转速：240r/min；橡胶轮硬度（绍尔硬度）：60；磨料种类及粒度：石英砂40~60目。先将试样预磨1000转后，清洗后在精度为万分之一的天平上称重，然后正式试验磨1000转后清洗称重，两次重量差为磨损试样失重量。试验时用Q235钢作为标准试样进行对比，标准样失重量与测试样失重量之比等于该测试样的相对耐磨性ε。试验结果如表2所示。

表2 各实施例堆焊层的硬度与相对耐磨性

	硬度（HRC）	相对耐磨性（ε）
			实施例1	62.8	23.5
实施例2	63.5	24.2
			实施例3	65.2	22.8

   由表2可以看出，所研制的药芯焊丝堆焊金属硬度高，耐磨性好，其相对耐磨性是普通低碳钢的22倍以上。在磨煤辊设备的维修和在制造过程中使用该药芯焊丝进行堆焊，可大大提高零部件的使用寿命，延长更换周期，进而提高设备生产效率，节约综合成本。

Claims (5)

1.一种磨煤辊用耐磨堆焊药芯焊丝，其特征是：包括药芯和焊丝组成，芯的组分及重量百分比为：高碳铬铁：45~65％、碳化铬：8~20％，金属铬：5~15％，片状石墨：3~8％，高碳锰铁：3~6％，75#硅铁：5~7%，硼铁：5~15%，铝镁合金：2~5%，烧结剂：2~8%；焊丝直径为ф3.2~ф4.0mm，焊丝金属为低碳钢钢带，焊丝内部填充药芯药粉，药芯药粉的重量填充率为49~53%。

2.根据权利要求1所述磨煤辊用耐磨堆焊药芯焊丝，其特征是：所述的药芯焊丝，药芯中药粉的颗粒度控制在80~160目之间；药粉按配方配好后在V型混料机中机械混合20分钟以上，后经150~180℃烘干1~2小时；再经宽度为16mm、厚度为0.4mm的低碳钢钢带的放卷、轧为U型、加入混好烘干的药芯粉、轧制封口成O型、合理逐道拉拔减径制成直径为ф3.2~ф4.0mm药芯焊丝。

3.根据权利要求1所述磨煤辊用耐磨堆焊药芯焊丝，其特征是：所述的高碳铬铁具体组成为：碳含量为6-10%，铬含量为60-65%，其余为铁；所述的碳化铬的碳含量为10-12%，其余为铬；所述的高碳锰铁具体组成为：碳含量为7-8%，锰含量为65-72%，其余为铁；所述的75#硅铁具体组成为：硅含量为72-80%，其余为铁；所述的硼铁具体组成为：硼含量为19-25%，其余为铁；所述的铝镁合金的镁含量为47-53%，其余为铝。

4.根据权利要求1所述磨煤辊用耐磨堆焊药芯焊丝，其特征是：所述的烧结剂为K₂O含量为28-35%、TiO₂含量为65-72%的钛酸钾。

5.根据权利要求1所述磨煤辊用耐磨堆焊药芯焊丝，其特征是：所述的低碳钢钢带为SPCC低碳钢钢带。