CN103008911B - 一种模具堆焊用自保护药芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模具堆焊用自保护药芯焊丝，以钢带为外皮填充药芯制成，药芯成分按质量百分比为：10～20%的微碳铬铁；8～15%的硅锰合金；6～10%的钛铁；2～5%的石墨；1～5%的铝镁合金； 金红石3～5%；冰晶石1～3%；三氧化二铝2～4%；5～10%的钼铁，0.5～4%的铌铁，0.1～3%的钒铁，1～3%的钨粉，余量为铁粉。所提供的焊丝在熔敷金属成分及热疲劳抗力性能优良的基础上，具有焊缝成型美观，表面清洁无渣，焊接过程自保护效果良好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种药芯焊丝，属于材料加工工程中的焊接领域，适用于于工作在耐冷热疲劳，耐金属间磨损，抗冲击，抗磨损工作条件下的模具类材料的修复焊接。
背景技术
我国模具制造周期一般为工业发达国家的两倍，而使用寿命仅为五分之二，因此，提高模具寿命，降低模具成本具有十分重要的现实意义。随着近年来再制造技术的兴起，通过堆焊的方法对模具进行修复，逐渐为模具行业工作者重视、采用并认可。生产实践证明，堆焊修复或制造模具，极大地节约了资源，降低了综合成本。目前模具堆焊焊接材料仍以焊条为主，同时气保护药芯焊丝逐步得到了推广使用。手工电弧焊工作效率低，工人工作环境恶劣，劳动强度大，材料浪费严重。气保护药芯焊丝电弧焊接需要外加保护气体，额外增加了焊接辅材费用，应用场合也受到了一定限制。
针对上述情况，需要开发出一种模具堆焊用自保护药芯焊丝。该焊丝材料成本相对较低，应用场合灵活，熔敷速度极快，焊接工艺良好，具有良好的市场应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模具堆焊用自保护药芯焊丝，其特征在于通过碳钢钢带H08A包裹药芯成分，药芯成分以石墨作为主要造气剂，其他合金元素参与脱氧（固氮）反应来实现对焊接熔池的自保护，因此焊缝成型美观，焊渣少。
一种模具堆焊用自保护药芯焊丝，是在钢制的外皮内填充药芯，其特征在于，药芯为焊丝总重的20-40%，所述的药芯成分质量百分比范围如下：
10～20%的微碳铬铁；8～15%的硅锰合金；6～10%的钛铁；2～5%的石墨；1～5%的铝镁合金； 金红石3～5%；冰晶石1～3%；三氧化二铝2～4%；5～10%的钼铁，0.5～4%的铌铁，0.1～3%的钒铁，1～3%的钨粉，余量为铁粉。
微碳铬铁和石墨：向焊缝金属中过渡合金元素。在堆焊材料的设计中，碳是最重要的强化元素，同时也是致脆元素。碳化物类型、数量及分布形态是影响材料耐磨性的关键因素。铬量是决定碳化物类型的主要因素。在一般的干磨损条件下，铬碳比是一个很重要的参数。随着铬碳比增大，共晶碳化物的形貌经历了连续网状—层状片—条状的变化过程。同时铬碳比增大，组织的韧性也提高。另一方面，石墨在高温下是极强的脱氧剂，氧化后产生CO、CO2气体起保护熔池作用；再则由于石墨在高温下脱氧能力突出，保证了合金元素的过渡；此外石墨本身导电，且参与脱氧反应可产生大量的热，有利于金属的热电离，从而提高焊丝的引弧和稳弧性能，改善电弧稳定性。
硅锰合金：在焊接过程中脱氧脱硫，产生大量的热以加快焊接反应速度；部分锰受热形成锰蒸汽降低周围氮分压；向焊缝金属中过渡合金元素，提高焊缝金属的强度和硬度。
钛铁：脱氧、固氮，细化晶粒，提高焊缝金属韧性。
铝镁合金：对氧的亲和力很强，可以通过先期脱氧来降低电弧气氛的氧化势，对熔滴形成、长大以及过渡这一阶段形成保护，具体脱氧反应为：
2Al+3CO2=3CO+A12O3
4Al+3O2=2A12O3
Mg+O2=2MgO
铝镁合金在降低电弧气氛的氧化势的同时使电弧气相中NO的分压降低，从而使氮溶入液态金属的数量减少。此外，铝与氮有很强的结合能力，可以形成稳定的氮化物且不溶于液态钢而进入熔渣，铝还可以在熔池中与氮发生以下反应：
[Al]+ [N]=[AlN]
式中[Al]、[N]、[AlN]分别是液态金属中Al、N、AlN的浓度。
钼铁、钒铁、铌铁、钨粉：均为强碳化物形成元素，在熔池中优先析出，有利于细化晶粒。同时与Cr、C形成复合碳化物，提高堆焊层的耐磨性、尤其是高温耐磨性。
本发明的制备方法采用现有的药芯焊丝制备设备即可生产，包括以下步骤：
1、利用成型轧辊将低碳钢钢带轧成U形，然后通过送粉装置将本发明的药芯材料按本发明焊丝总重的20～40%加入到U形槽中；
2、将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.8～3.2mm，得到最终产品。
本发明的堆焊明弧自保护药芯焊丝能够用于各类模具的修复与制造。
附图说明
图1 Coffin型热疲劳试样示意图。
具体实施方式
下面结合实施例做进一步说明。
实施例1.
称取微碳铬铁15g；硅锰合金10g；钛铁8g；石墨4g；铝镁合金3g； 金红石4g；冰晶石3g；三氧化二铝4g；钼铁9g，铌铁0.5g，钒铁3g，钨粉2g，铁粉34.5g。共100g粉末。所取的粉末均通过80目的筛子。将所取各种粉末放入混粉机内混合45分钟，然后把混合粉末加入U形的12×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为30%。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.10mm、3.80mm、3.45mm、3.15mm、2.85mm、2.60mm、2.40mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.4mm的产品。在无气体保护条件下焊接，焊接电流为450～550A，焊接电压为28～34V，焊接速度为0.5m/min，层间温度控制在200～300℃，堆焊4层。该焊丝堆焊层的硬度为：HRC48。其热疲劳抗力见表1。可以堆焊修复热锻类模具。
实施例2.
称取微碳铬铁18g；硅锰合金12g；钛铁6g；石墨3g；铝镁合金2g； 金红石3g；冰晶石2g；三氧化二铝4g；钼铁8g，铌铁1g，钒铁2g，钨粉3g，铁粉36g。共100g粉末。所取的粉末均通过80目的筛子。将所取各种粉末放入混粉机内混合45分钟，然后把混合粉末加入U形的12×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为30%。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.10mm、3.80mm、3.45mm、3.15mm、2.85mm、2.60mm、2.40mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.4mm的产品。在无气体保护条件下焊接，焊接电流为450～550A，焊接电压为28～34V，焊接速度为0.5m/min，层间温度控制在200～300℃，堆焊4层。该焊丝堆焊层的硬度为：HRC50。其热疲劳抗力见表1。可以堆焊修复热锻类模具。
实施例3.
称取微碳铬铁12g；硅锰合金11g；钛铁7g；石墨2g；铝镁合金5g； 金红石5g；冰晶石1g；三氧化二铝2g；钼铁6g，铌铁2g，钒铁0.8g，钨粉3g，铁粉43.2g。共100g粉末。所取的粉末均通过80目的筛子。将所取各种粉末放入混粉机内混合45分钟，然后把混合粉末加入U形的12×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为30%。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.10mm、3.80mm、3.45mm、3.15mm、2.85mm、2.60mm、2.40mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.4mm的产品。在无气体保护条件下焊接，焊接电流为450～550A，焊接电压为28～34V，焊接速度为0.5m/min，层间温度控制在200～300℃，堆焊4层。该焊丝堆焊层的硬度为：HRC46。其热疲劳抗力见表1。可以堆焊修复热锻类模具。
实施例4.
称取微碳铬铁14g；硅锰合金12g；钛铁9g；石墨3g；铝镁合金2g； 金红石3g；冰晶石2g；三氧化二铝3g；钼铁9g，铌铁3g，钒铁2g，钨粉1g，铁粉37g。共100g粉末。所取的粉末均通过80目的筛子。将所取各种粉末放入混粉机内混合45分钟，然后把混合粉末加入U形的12×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为30%。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.10mm、3.80mm、3.45mm、3.15mm、2.85mm、2.60mm、2.40mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.4mm的产品。在无气体保护条件下焊接，焊接电流为450～550A，焊接电压为28～34V，焊接速度为0.5m/min，层间温度控制在200～300℃，堆焊4层。该焊丝堆焊层的硬度为：HRC47。其热疲劳抗力见表1。可以堆焊修复热锻类模具。
实施例5.
称取微碳铬铁15g；硅锰合金14g；钛铁10g；石墨2g；铝镁合金4g； 金红石5g；冰晶石3g；三氧化二铝4g；钼铁6g，铌铁4g，钒铁1.2g，钨粉3g，铁粉28.8g。共100g粉末。所取的粉末均通过80目的筛子。将所取各种粉末放入混粉机内混合45分钟，然后把混合粉末加入U形的12×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为30%。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.10mm、3.80mm、3.45mm、3.15mm、2.85mm、2.60mm、2.40mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.4mm的产品。在无气体保护条件下焊接，焊接电流为450～550A，焊接电压为28～34V，焊接速度为0.5m/min，层间温度控制在200～300℃，堆焊4层。该焊丝堆焊层的硬度为：HRC48。其热疲劳抗力见表1。可以堆焊修复热锻类模具。
实施例6.
称取微碳铬铁10g；硅锰合金8g；钛铁9g；石墨5g；铝镁合金2g； 金红石3g；冰晶石1g；三氧化二铝2g；钼铁8g，铌铁0.5g，钒铁0.1g，钨粉1g，铁粉50.4g。共100g粉末。所取的粉末均通过80目的筛子。将所取各种粉末放入混粉机内混合45分钟，然后把混合粉末加入U形的12×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为30%。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.10mm、3.80mm、3.45mm、3.15mm、2.85mm、2.60mm、2.40mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.4mm的产品。在无气体保护条件下焊接，焊接电流为450～550A，焊接电压为28～34V，焊接速度为0.5m/min，层间温度控制在200～300℃，堆焊4层。该焊丝堆焊层的硬度为：HRC45。其热疲劳抗力见表1。可以堆焊修复热锻类模具。
实施例7.
称取微碳铬铁18g；硅锰合金15g；钛铁10g；石墨2g；铝镁合金1g； 金红石3g；冰晶石2g；三氧化二铝3g；钼铁5g，铌铁3g，钒铁0.1g，钨粉1g，铁粉36.9g。共100g粉末。所取的粉末均通过80目的筛子。将所取各种粉末放入混粉机内混合45分钟，然后把混合粉末加入U形的12×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为30%。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.10mm、3.80mm、3.45mm、3.15mm、2.85mm、2.60mm、2.40mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.4mm的产品。在无气体保护条件下焊接，焊接电流为450～550A，焊接电压为28～34V，焊接速度为0.5m/min，层间温度控制在200～300℃，堆焊4层。该焊丝堆焊层的硬度为：HRC51。其热疲劳抗力见表1。可以堆焊修复热锻类模具。
实施例8.
称取微碳铬铁10g；硅锰合金9g；钛铁6g；石墨4g；铝镁合金5g； 金红石5g；冰晶石3g；三氧化二铝2g；钼铁10g，铌铁4g，钒铁3g，钨粉2g，铁粉37g。共100g粉末。所取的粉末均通过80目的筛子。将所取各种粉末放入混粉机内混合45分钟，然后把混合粉末加入U形的12×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为30%。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.10mm、3.80mm、3.45mm、3.15mm、2.85mm、2.60mm、2.40mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.4mm的产品。在无气体保护条件下焊接，焊接电流为450～550A，焊接电压为28～34V，焊接速度为0.5m/min，层间温度控制在200～300℃，堆焊4层。该焊丝堆焊层的硬度为：HRC48。其热疲劳抗力见表1。可以堆焊修复热锻类模具。
实施例9.
称取微碳铬铁20g；硅锰合金13g；钛铁8g；石墨3g；铝镁合金4g； 金红石5g；冰晶石3g；三氧化二铝4g；钼铁9g，铌铁0.5g，钒铁2g，钨粉3g，铁粉25.5g。共100g粉末。所取的粉末均通过80目的筛子。将所取各种粉末放入混粉机内混合45分钟，然后把混合粉末加入U形的12×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为30%。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.10mm、3.80mm、3.45mm、3.15mm、2.85mm、2.60mm、2.40mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.4mm的产品。在无气体保护条件下焊接，焊接电流为450～550A，焊接电压为28～34V，焊接速度为0.5m/min，层间温度控制在200～300℃，堆焊4层。该焊丝堆焊层的硬度为：HRC52。其热疲劳抗力见表1。可以堆焊修复热锻类模具。
热疲劳抗力测试试验是在国产Coffin型热疲劳试验机上进行，其中包括裂纹的萌生和扩展试验。加工待测试样，其尺寸如图1所示。裂纹的萌生次数以裂纹长度为0.1mm时的循环次数为标准；裂纹的扩展次数以裂纹长度达1.8mm时的循环次数为标准。Coffin型热疲劳试验机的加热方式为电阻加热，循环水冷却，循环上限温度650℃，循环下限温度50℃；加热时间为13秒，冷却时间为47秒；加热宽度为10mm左右。用体视显微镜观察和记录热疲劳裂纹长度，观察倍数为100倍。
表1 实施例的冷热疲劳抗力结果
Claims (1)
1. 一种模具堆焊用自保护药芯焊丝，是在钢制的外皮内填充药芯，其特征在于，药芯为焊丝总重的20-40%，所述的药芯成分质量百分比范围如下：10～20%的微碳铬铁；8～15%的硅锰合金；6～10%的钛铁；2～5%的石墨；1～5%的铝镁合金； 金红石3～5%；冰晶石1～3%；三氧化二铝2～4%；5～10%的钼铁，0.5～4%的铌铁，0.1～3%的钒铁，1～3%的钨粉，余量为铁粉。
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