CN103406689A - 一种wc颗粒增强镍基mig耐磨堆焊药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

一种WC颗粒增强镍基MIG耐磨堆焊药芯焊丝，属于工程应用技术领域使用的表面改性粉芯丝材，焊丝由镍带包皮和芯部粉末组成。所述的药芯成分的质量百分含量如下：碳化钨：30‐75%；碳化硅：4‐17%；碳化硼：3‐15%；电解锰粉：1‐5%；氟化钠：1‐12%，余量为镍粉。所获得的熔敷金属的成分为：碳化钨：11.1‐30%；硅：1.3‐5.6%；硼：1‐5%；锰：0.3‐1.48%；镍：余量。用本发明研制的药芯焊丝制备的堆焊层，硬度高（＞45HRC），堆焊层中WC硬质相的硬度达到1800HV0.3。本发明焊丝主要依靠外加的WC颗粒与镍基基体配合起到“阴影保护”作用，从而起到耐磨损性能，并通过添加脱氧剂硅、锰，变质剂Na/F等提高堆焊合金的焊接性能。

Description

一种WC颗粒增强镍基MIG耐磨堆焊药芯焊丝

技术领域

本发明涉及一种WC颗粒增强镍基MIG耐磨堆焊药芯焊丝，属于焊接材料领域。可广泛应用于矿山、机械、电力等行业的机械的耐磨件上，还可以堆焊修复和制造新的耐磨件。本发明的药芯焊丝主要用于煤炭行业的截齿上。

背景技术

据统计，机械设备提前失效的原因70%由于磨损和腐蚀，能源的1/3到1/2消耗于各生产过程中的摩擦与磨损。在冶金、发电、矿山、建材、煤炭等行业中，许多工况条件都存在设备的严重磨损问题，造成设备过早地损坏，需停机检修或更换，影响了生产效率，浪费了大量的人力物力。另外，对于煤炭行业使用的截齿来说，由于其恶劣的工作环境，每开采1万吨煤消耗截齿400～1300个，中国目前年产煤约12亿吨，因此作为采煤机上的易损件，其需求量是非常大的。截齿系统中的齿体部分磨损失效占到其总体失效的45～50%，解决其有效的途径是在这些截齿的表面堆焊一层抵抗磨蚀的堆焊层。与其它碳化物相比，碳化钨结合了良好的性能，如高硬度、一定的塑性、与熔融金属良好的润湿性，金属镍具有良好的韧性，两者相配合可以用以制造耐磨性良好的硬质合金制品或耐磨堆焊层，采用镍作为基体，通过外加的WC颗粒经堆焊形成颗粒增强金属基复合材料。这种金属基颗粒增强复合材料的耐磨原理（如图1所示）为：在磨损时，由于镍基基体的硬度远低于碳化钨硬质相的硬度，基体先于硬质相下凹，于是凸起的硬质相便产生了“阴影效应”，可以有效保护基体金属材料，同时硬质相又受到镍基基体的“支撑效应”。因此，处在“阴影”中的镍基基体被冲击和切削的几率减小，磨损程度变轻，从而起到耐磨、减摩的作用。

在实际工况中，用各种方法制备的WC、WC-Ni金属陶瓷堆焊合金被广泛用于许多领域，特别是耐磨粒磨损以及冲蚀磨损等领域。国内制备WC颗粒增强镍基堆焊合金通常使用钨极氩弧焊、等离子弧、氧乙炔焰、激光、高频感应、电子束、热喷涂等方法，采用MIG方法制备WC-Ni堆焊层的发明和研究还处于空白领域。例如专利公开号为CN101935817A的捣镐耐磨金属喷焊熔敷层延寿技术，其合金具体组成含量为：Cr：8-15，B：3.0-4.5，Si：4.0-6.0，Fe：≤5.0，WC：20-40，Mo：≤6，Re：微量，Ni：余量。制备方法为：焊前预热，等离子喷焊，喷焊过程中采用激光重熔。该发明的制备方法过于繁复，生产成本高，不利于实现工程应用领域的自动化和机械化。专利公开号为CN101451226A的电弧喷涂制备镍基含WC的喷涂用粉芯丝材，粉芯成分质量百分含量为：WC：15-25%；Cr：20.5-10%；Co：10-12%；C：3.0-0.55%；Mo：3.0-0.65%；Ni：10-7.50%；Fe：余量。该发明中含有环境不友好元素Cr及贵重金属Co，以WC作为硬质相，起到耐磨的作用。采用电弧喷涂，涂层与母材之间为机械结合，易于剥落。本发明采用WC颗粒增强镍基药芯焊丝MIG堆焊制备的堆焊合金具有较高的耐磨性和较好的韧性，且无需预热，熔敷金属与母材之间为冶金结合，可以在煤矿截齿等耐磨件上使用。

在实际的工程应用中，熔化极气体保护焊（MIG）由于其生产效率高（比手工氩弧焊高近10倍，比手工焊条电弧焊高3-5倍）、焊丝熔敷速率快，易于实现自动化和机械化；药芯焊丝具有生产效率高，综合生产成本低，焊接质量高，易于实现自动化，所以，发明适用于MIG堆焊的耐磨药芯焊丝对于国内材料加工领域具有重大意义。

发明内容

本发明所要达到的最终目的是：用本发明的一种WC颗粒增强镍基耐磨堆焊药芯焊丝，用MIG制备堆焊合金，使堆焊层具有硬质合金复合材料的耐磨特性，解决截齿磨料磨损的问题，延长截齿的服役寿命，降低成本。

一种WC颗粒增强镍基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述的焊丝药芯粉末包括以下质量百分含量的物质：碳化钨：30-75%；碳化硅：4-17%；碳化硼：3-15%；电解锰粉：1-5%；氟化钠：1-12%；余量为镍粉。

进一步，所述焊丝外皮所用带材为含量99%以上的纯镍带，添加的碳化钨粒度为60-80目的铸造碳化钨颗粒，焊丝药芯的填充率为30-40%。

进一步，焊丝药芯成分百分含量为：碳化钨：45-55%；碳化硅：7.5-11%；碳化硼：7-9.5%；电解锰粉：2-3%；氟化钠：4.5-8%，余量为镍粉。

进一步，焊丝药芯成分百分含量为：碳化钨：35-65%；碳化硅：6-13%；碳化硼：5-12%；电解锰粉：1.5-4%；氟化钠：3-10%，余量为镍粉。

采用所述的药芯焊丝制备一种弥散分布碳化钨硬质相的镍基耐磨堆焊合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）按照焊丝药芯配制药芯粉末，轧制，获得药芯焊丝；

（2）采用氩气气体保护堆焊工艺制备堆焊合金，焊接工艺参数为：电压19-24V；电流160-230A；送丝速度：390-420mm/min；气体流速：15-18L/min；焊丝伸出导电嘴的长度：15-27mm。

其中各种元素作用如下：

碳化钨：作为硬质合金添加相，形成“耐磨骨架”，主要起到减摩、耐磨的作用。

硼：向焊缝金属过渡硼元素，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，但是硼含量过高容易引起“硼脆”，降低合金的耐磨性，因此本发明设计堆焊合金中B含量为1-5wt.%，对应药芯焊丝中加入的碳化硼含量为3-15wt.%。

电解锰粉、硅：利用硅锰联合脱氧，提高元素过渡系数。

氟化钠：作为一种稳弧剂，提高焊接的工艺性。

镍：填补余量。

在配制焊丝粉芯的时候，合金成分的设计，其中包括Si、Mn、B等合金元素主要由粉芯提供。根据焊接冶金理论，研制焊丝的粉芯的几种主要的原材料的配比可用下面的公式进行计算：

A=([X]%-Cη)/(C₀K_cη)

其中A—为粉芯配方中该种原材料的加入量；

[X]%—为熔敷金属中该元素的所需含量；

C—为该种元素在钢皮中的含量；

C₀—为该种原材料中该元素的含量；

K_c—为研制焊丝的加粉重量系数；

Η—为该元素经历从粉芯至熔敷金属的冶金过程的过渡系数。

使用本发明在经过处理后的金属基体上按照现有技术中的MIG堆焊时的工艺参数进行堆焊，制备得到的堆焊层均匀、硬度高，具有良好的抗磨蚀和冲击性能。硬度高，堆焊层中的WC陶瓷相硬度在HV1800。对堆焊层进行磨粒磨损实验，测试其相对耐磨性为Q235钢的8倍以上。

与现有材料相比，本发明的优点是：

1、与传统的耐磨材料相比，镍基基体具有较好的韧性，对加入的陶瓷颗粒WC有良好的“支撑作用”，而加入的WC硬质颗粒弥散分布可以形成“耐磨骨架”，具有很好的保护基体的作用，起到减磨、耐磨作用。

2、MIG堆焊药芯焊丝具有生产效率高，综合生产成本低，焊接质量高，易于实现自动化和机械化；

3、焊接工艺性好：无需焊前预热、焊后缓冷，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成形美观。

附图说明

图1：实施例6中WC颗粒增强镍基堆焊合金的磨损形貌图；

图2：实施例6中堆焊合金的SEM图；

图3：实施例6中堆焊熔敷金属XRD图；

具体实施方式

本发明所提供的煤矿截齿用镍基堆焊用药芯焊丝，药芯焊丝外皮所用带材含量为99%以上的纯镍带，药芯焊丝的填充率为30-40%，所述的药芯粉末包括以下质量百分含量的物质：碳化钨：30-75%；碳化硅：4-17%；碳化硼：3-15%；电解锰粉：1-5%；氟化钠：1-12%，余量为镍粉。本发明煤矿截齿用镍基堆焊药芯焊丝的制备方法包括以下步骤：

1、将Ni带轧成U形，再向U形槽中加入占本发明药芯焊丝总重30-40%的药芯粉末；

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1.6mm，得到最终产品。

采用上述的药芯焊丝制备一种弥散分布WC硬质相的镍基耐磨堆焊合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）按照药芯焊丝配制药芯粉末，轧制，最终获得直径为1.6mm的药芯焊丝；

（2）采用MIG，100%氩气气体保护制备堆焊合金，焊接工艺参数为：电压19-24V；电流160-230A；送丝速度：390-420mm/min；气体流速：15-18L/min；焊丝伸出导电嘴的长度：15-27mm。

所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内：WC：11.1-30%；Si：1.3-5.6%；B：1-5%；Mn：0.3-1.48%；Ni：余量。

优选所述药芯焊丝中药芯成分质量百分含量为：碳化钨：45-55%；碳化硅：7.5-11%；碳化硼：7-9.5%；电解锰粉：2-3%；氟化钠：4.5-8%，余量为镍粉。所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内：WC：13-24%；Si：2-4.3%；B：1.67-4%；Mn：0.44-1.2%；Ni：余量。

进一步优选所述药芯焊丝中药芯成分质量百分含量为：碳化钨：35-65%；碳化硅：6-13%；碳化硼：5-12%；电解锰粉：1.5-4%；氟化钠：3-10%，余量为镍粉。所获得熔敷金属中合金元素的质量百分含量在以下范围内：WC：13-24%；Si：2-4.3%；B：1.67-4%；Mn：0.44-1.2%；Ni：余量。

下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明绝非仅局限于所陈述的实施例。

各实施例中相同部分如下所述：

选用12×0.5mm（宽度为12mm，厚度为0.5mm）的纯Ni带作为外皮，先将其轧成U形。铸造碳化钨颗粒、碳化硅粉末、碳化硼粉末、电解锰粉粉末和氟化钠粉末配制成药粉，所取的铸造碳化钨颗粒通过60-80目的筛子。将所取各种粉末放入混粉机内混合40min，然后将混合粉末加入U形Ni带槽中，将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后再经过拉丝模逐渐减径使其直径达到1.6mm，得到所需的耐磨堆焊药芯焊丝。

具体实施例如下：

实施例1.一种含WC颗粒增强的镍基耐磨堆焊药芯焊丝，取铸造碳化钨0.45千克、碳化硅0.06千克、碳化硼0.045千克、电解锰粉0.010千克、氟化钠0.01千克。将得到的药芯粉末加入U形的镍带槽中，填充率为37%，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的WC颗粒增强耐磨堆焊药芯焊丝。焊接工艺参数为：采用100%氩气气体保护，电压19V，电流160A。所获得熔敷金属中合金成分为：WC：11.1wt.%；Si：1.3wt.%；B：1wt.%；Mn:0.3wt.%；Ni：余量。

实施例2.一种含WC颗粒增强的镍基耐磨堆焊药芯焊丝，取铸造碳化钨1.125千克、碳化硅0.255千克、碳化硼0.225千克、电解锰粉0.075千克、氟化钠0.18千克。将得到的药芯粉末加入U形的镍带槽中，填充率为40%，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的WC颗粒增强耐磨堆焊药芯焊丝。焊接工艺参数为：采用100%氩气气体保护，电压24V，电流230A。所获得熔敷金属中合金成分为：WC：30wt.%；Si：5.6wt.%；B：5wt.%；Mn:1.48wt.%；Ni：余量。

实施例3.一种含WC颗粒增强的镍基耐磨堆焊药芯焊丝，取铸造碳化钨0.675千克、碳化硅0.1125千克、碳化硼0.105千克、电解锰粉0.03千克、氟化钠0.0675千克。将得到的药芯粉末加入U形的镍带槽中，填充率为37%，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的WC颗粒增强耐磨堆焊药芯焊丝。焊接工艺参数为：采用100%氩气气体保护，电压23V，电流220A。所获得熔敷金属中合金成分为：WC：16.65wt.%；Si：2.5wt.%；B：2.3wt.%；Mn:0.6wt.%；Ni：余量。

实施例4.一种含WC颗粒增强的镍基耐磨堆焊药芯焊丝，取铸造碳化钨0.825千克、碳化硅0.165千克、碳化硼0.1425千克、电解锰粉0.045千克、氟化钠0.12千克。将得到的药芯粉末加入U形的镍带槽中，填充率为38%，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的WC颗粒增强耐磨堆焊药芯焊丝。焊接工艺参数为：采用100%氩气气体保护，电压23V，电流230A。所获得熔敷金属中合金成分为：WC：20.35wt.%；Si：3.6wt.%；B：3.1wt.%；Mn:0.89wt.%；Ni：余量。

实施例5.一种含WC颗粒增强的镍基耐磨堆焊药芯焊丝，取铸造碳化钨0.525千克、碳化硅0.090千克、碳化硼0.075千克、电解锰粉0.0225千克、氟化钠0.045千克。将得到的药芯粉末加入U形的镍带槽中，填充率为37%，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的WC颗粒增强耐磨堆焊药芯焊丝。焊接工艺参数为：采用100%氩气气体保护，电压21V，电流170A。所获得熔敷金属中合金成分为：WC：13wt.%；Si：2wt.%；B：1.67wt.%；Mn:0.44wt.%；Ni：余量。

实施例6.一种含WC颗粒增强的镍基耐磨堆焊药芯焊丝，取铸造碳化钨0.975千克、碳化硅0.195千克、碳化硼0.018千克、电解锰粉0.06千克、氟化钠0.15千克。将得到的药芯粉末加入U形的镍带槽中，填充率为37%，将U形槽合口，得到直径为1.6mm的WC颗粒增强耐磨堆焊药芯焊丝。焊接工艺参数为：采用100%氩气气体保护，电压23V，电流220A。所获得熔敷金属中合金成分为：WC：24wt.%；Si：4.3wt.%；B：4wt.%；Mn:1.2wt.%；Ni：余量。

对实例所制备的堆焊层熔敷金属进行硬度实验、耐磨损实验。

硬度均采用HBRV-187.5电动布洛维硬度计，载荷为150Kg，加载时间为5s，对实施例的堆焊层取十点打硬度，最后得到该堆焊层的平均硬度值，得到实施例硬度值如表1所示。

堆焊合金磨粒磨损试验采用MLS-225型湿砂橡胶轮式磨粒磨损试验机进行测试，磨损试样尺寸为57mm×25mm×16mm，试验参数为：橡胶轮直径176mm，转速240r/min，橡胶轮硬度SHORE A60，加载载荷100N，磨料为212～380μm的石英砂。材料的耐磨性能用磨损的失重来衡量，在试验前后，将试件在超声波清洗仪中用丙酮溶液清洗3-5min，干燥后用精度为0.1mg的塞多利斯BS224S型电子天平称量。分别算出3个试样磨损前后的重量差，即为失重量。试验选用Q235作为对比试样，标准试样失重量与试样失重量之比作为堆焊层合金的相对耐磨性。如图1所示。

表1堆焊合金的硬度、相对耐磨性

Claims (5)

1.一种WC颗粒增强镍基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述的焊丝药芯粉末包括以下质量百分含量的物质：碳化钨：30-75%；碳化硅：4-17%；碳化硼：3-15%；电解锰粉：1-5%；氟化钠：1-12%；余量为镍粉。

2.按权利要求1所述的一种WC颗粒增强镍基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝外皮所用带材为含量99%以上的纯镍带，添加的碳化钨粒度为60-80目的铸造碳化钨颗粒，焊丝药芯的填充率为30-40%。

3.按照权利要求1所述的一种WC颗粒增强镍基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，焊丝药芯成分百分含量为：碳化钨：45-55%；碳化硅：7.5-11%；碳化硼：7-9.5%；电解锰粉：2-3%；氟化钠：4.5-8%，余量为镍粉。

4.按照权利要求1所述的一种WC颗粒增强镍基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，焊丝药芯成分百分含量为：碳化钨：35-65%；碳化硅：6-13%；碳化硼：5-12%；电解锰粉：1.5-4%；氟化钠：3-10%，余量为镍粉。

5.采用权利要求1所述的药芯焊丝制备一种弥散分布碳化钨硬质相的镍基耐磨堆焊合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）按照焊丝药芯配制药芯粉末，轧制，获得药芯焊丝；

（2）采用氩气气体保护堆焊工艺制备堆焊合金，焊接工艺参数为：电压19-24V；电流160-230A；送丝速度：390-420mm/min；气体流速：15-18L/min；焊丝伸出导电嘴的长度：15-27mm。

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