CN103612024B - 一种Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝及其制备和应用 - Google Patents

一种Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝及其制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝及其制备和应用。该药芯焊丝包括外皮和被包裹的药芯焊芯，所述药芯焊芯占焊丝总重量的比例为35～36%，所述的药芯焊芯中各组份及其占焊丝总重量的比例为：高碳铬铁：2.8～6%；微碳铬铁：2.5～3.5%；金属铬：11%～13%；镍粉：2～3.6%；钼铁：1.5～2%；中碳锰铁：2.8～4.5%；钛铁：1～5.4%；余量为铁粉。本发明的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝，堆焊效率高，堆焊层硬度稳定均匀（硬度偏差≤HRC3），焊接工艺性能优良。

Description

一种Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝及其制备和应用
技术领域
本发明涉及焊接材料领域，具体涉及一种Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝及其制备和应用。
背景技术
Cr13是一种马氏体不锈钢材料，具有较高的硬度和抗腐蚀性能，可以在多种基材上进行堆焊焊接，属于一种通用型堆焊材料。目前，我国钢铁行业的连铸辊、热轧辊、成型辊、破鳞辊、夹送辊等部件的修复主要采用这种Cr13系列（诸如0Cr13、1Cr13、2Cr13、3Cr13等）的焊接材料。由于埋弧焊丝的大电流、高熔敷效率以及高自动化程度的特点，对于大直径轧辊一般采用Cr13系列的埋弧实心或药芯焊丝来进行修复，应用十分广泛。
随着国内技术的发展，这种Cr13系列的堆焊焊接材料越来越多，但这些材料均存在着焊后其堆焊层硬度不均匀、使用过程耐磨性差等问题。根据英国WA公司的研究，该问题主要是由于Cr13系列堆焊层随着其碳含量的增加，使得Cr元素产生偏析，从而造成晶界处产生“Cr贫化”现象，从而造成堆焊层硬度偏差大，抗腐蚀性能差以及耐磨性差等问题。
针对该情况，英国WA公司研究出了一种新型技术，研发出了一系列的Cr13堆焊焊丝（WA 420N-S系列），其中采用降低碳含量，提升N含量，以N替代原材料中的C，进而防止Cr贫化的产生，且不降低其硬度、耐磨性以及耐腐蚀性能等。
因此，国内各厂家也纷纷效仿，但由于该焊材中的N含量很少，且国内含N原材料成分不均匀，从而导致模仿WA公司的技术失败，生产的焊接材料达不到应有的效果。一些厂家也采用C和N同时添加的技术，如国内专利“CN200510025491.6”中堆焊层硬度为HRC42~48，偏差为HRC 6，仍然不均匀。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝及其制备和应用。
本发明提供的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝，包括外皮和被包裹的药芯焊芯，所述药芯焊芯占焊丝总重量的比例为35～36%，所述的药芯焊芯中各组份及其占焊丝总重量的比例为：
高碳铬铁：2.8～6%；
微碳铬铁：2.5～3.5%；
金属铬：11%～13%；
镍粉：2～3.6%；
钼铁：1.5～2%；
中碳锰铁：2.8～4.5%；
钛铁：1～5.4%；
余量为铁粉。
优选地，所述铁粉为270铁粉（该铁粉松装比范围2.70±0.1g/cm3）。
作为优选技术方案，所述高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁制成复合微合金化晶粒后加入药芯焊芯作为其组分，其中所述的复合微合金化晶粒加工方法为：将高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁分别过80目筛，按所述量混合均匀，加入水玻璃，加热到800~900℃，保温，然后把熔炼得到的物质重新加工成粉末状，粒度控制在80目，即得复合微合金化晶粒。
优选地，所述水玻璃的加入量为占高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁总重量的0.5%以下。
作为优选技术方案，所述外皮为碳钢钢带。
本发明还提供上述的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝的制备方法，步骤如下：1）按照所述量取药芯焊芯的各组分，混合均匀；2）以搭接O型的封口方式，将步骤1）得到的药芯焊芯封在外皮中。
本发明提供上述Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝的制备方法，步骤如下：1）将高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁分别过80目筛，按所述量混合均匀，加入水玻璃，加热到800~900℃，保温，然后把熔炼得到的物质重新加工成粉末状，粒度控制在80目，即得复合微合金化晶粒；2）将步骤1）所得复合微合金化晶粒和药芯焊芯的其余各成分混合均匀；3）以搭接O型的封口方式，将步骤2）得到的药芯焊芯封在外皮中。
优选地，所述水玻璃的加入量为占高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁总重量的0.5%以下。
本发明还提供应用上述的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝焊接的方法，其特征在于，所述药芯焊丝配套HJ260焊剂或SJ107焊剂进行焊接。
本发明能够达到以下技术效果：
1、本发明的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝，堆焊效率高，堆焊层硬度稳定均匀（硬度偏差≤HRC 3），焊接工艺性能优良。
2、高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁制成复合微合金化晶粒后加入药芯焊芯，能够使配方中的有效成分在焊接过程中避免发生副反应从而影响性能效果。
3、药芯焊芯中优选加入270铁粉（即松装比为2.70±0.1g/cm3的还原铁粉），其能保证药芯焊芯的流动性及各成分的均匀性，从而进一步保证药芯焊丝的应用性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明的药芯焊丝是采用C-Ti-Mn-Cr微合金化体系，药芯焊芯的组分配合原理如下：
1. 根据合金硬化理论，适量的C、Mn、Si、Cr、Mo、Ti等合金元素均可以提高堆焊层金属的硬度。因此，保证相应的堆焊层金属硬度就需要对上述元素进行合理搭配。
2. 适量的C可与Cr、Fe或Ti形成碳化物，从而提高堆焊层金属的硬度、强韧度和淬透性。本发明中的C是以高碳铬铁、微碳铬铁以及中碳锰铁的形式加入，其中以高碳铬铁和中碳锰铁为主体，微碳铬铁用来补充和调整，保证堆焊层拥有足够的硬度。
3. Mn是保证堆焊层硬度的主要元素之一，适量的Mn可改善焊接性能并增加堆焊层硬度以及耐磨损性能。同时还可推迟奥氏体的转变温度，有助于焊缝生成纹理结构，提高韧性。适量的Mn起着脱氧的作用，避免焊缝中产生气孔等缺陷。本发明中的Mn以中碳锰铁的形式加入，Mn含量过高时，容易造成Mn偏析，在偏析区易产生M-A岛状组织，从而降低堆焊层金属的韧性。
4. Cr提高堆焊层的强度和硬度、抗高温氧化性，焊缝中其含量大于12%时使堆焊层具有不锈和耐热性。本发明中的Cr是以高碳铬铁、微碳铬铁和金属铬的方式添加，保证堆焊层中的Cr含量在要求范围内。
5. 适量的Ti一方面通过C-Ti-Mn-Cr微合金化的形式对堆焊层金属进行晶粒细化，使堆焊层析出物细小又分布均匀，防止Cr贫化现象的产生。由于这些析出物有防止晶粒长大和阻碍位错移动的趋势，因而改善了高温和低温强度，完全消除或至少可以说抑制了Cr碳化物的形成，其结果提高了耐热疲劳和抗蠕变能力，改善了韧性。而且适量的Ti还增强了脱氧能力，改善了堆焊层的脱渣性能。本发明中的Ti以钛铁的形式加入。
6. 适量的Ni可以增加焊接堆焊层的韧性，同时增强了焊缝的抗裂性能，使得堆焊过程中不需要预热而焊缝不裂。本发明中的Ni以镍粉的形式加入。
7. 适量的Mo可以提高堆焊层的硬度以及红硬性，是对Cr元素作用的有力补充。本发明中的Mo以钼铁的形式加入。
8、铁粉可以增大熔敷效率，减少焊接时间，有效缓解热影响区以及融合区的晶粒长大程度，提高热影响区的力学性能而且电弧稳定性好。本发明中铁粉是以270还原铁粉的形式加入。
9、钢带内部包裹的药芯占焊丝总重量的百分比（即填充率）在本发明中控制在35～36%之间，填充率低时，焊丝中各组分比较少，在焊接时容易被稀释，焊缝达不到化学成分要求以及力学性能要求；填充率高时，拉拔困难。
以下列举具体实施例以对本发明进行进一步说明。
下述实施例中，高碳铬铁符合GB/T 5683-2008中的高碳铬铁的标准（牌号为FeCr55C6.0）；
微碳铬铁符合GB/T 5683-2008中的微碳铬铁的标准（牌号为FeCr55C0.10）；
钼铁符合GB/T 3649-2008中的钼铁的标准（牌号为FeMo55-A）；
碳锰铁符合GB/T 3795-2006中的中碳锰铁的标准（牌号为FeMn82C1.0）；
钛铁符合GB/T 3282-2006中的钛铁的标准（牌号为FeTi30A）；
实施例1
本实施例的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝，包括外皮和被包裹的药芯焊芯，药芯焊芯中各组份占焊丝总重量的比例为：高碳铬铁：2.8%；微碳铬铁：3.5%；金属铬：13%；镍粉：3.6%；钼铁：2%；中碳锰铁：4.5%；钛铁：5.4%；余量为270铁粉(牌号为：WHF80.270（特性为：松装比范围2.70±0.1g/cm3的还原铁粉）。
该药芯焊丝的制备方法：
1）将高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁分别过80目筛，按所述量混合均匀，加入水玻璃（水玻璃的加入量为占高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁总重量的0.5%以下，而在在高温烘焙时将大部分蒸发，残留物不足0.01%，可以忽略），加热到850℃，保温，然后把熔炼得到的物质重新加工成粉末状，粒度控制在80目，即得复合微合金化晶粒；
2）将步骤1）所得复合微合金化晶粒和药芯焊芯的其余各成分混合均匀；
3）以搭接O型的封口方式，将步骤2）得到的药芯焊芯封在外皮中，药芯焊芯占焊丝总重量的比例为36%，外皮为碳钢钢带，规格（宽*厚）为16mm*0.6mm。外皮合缝方式采用搭接形式，搭接深度为2mm。
应用本实施例制得的药芯焊丝进行堆焊：
本实施例所得药芯焊丝，其直径为3.2mm，采用HJ260焊剂进行堆焊焊接，堆焊层3层，堆焊电流360A，电压32V。
堆焊层硬度HRC为45，45，45，46.5，45。
堆焊层硬度偏差≤HRC 1.5，说明本实施例的药芯焊丝堆焊硬度均匀性高。
实施例2
本实施例的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝，包括外皮和被包裹的药芯焊芯，药芯焊芯中各组份占焊丝总重量的比例为：高碳铬铁：6%；微碳铬铁：2.5%；金属铬：11%；镍粉：2%；钼铁：1.5%；中碳锰铁：4.5%；钛铁：3%；余量为270铁粉(松装比为2.70±0.1g/cm3的还原铁粉）。
该药芯焊丝的制备方法：
1）将高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁分别过80目筛，按所述量混合均匀，加入水玻璃（水玻璃的加入量为占高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁总重量的0.5%以下，而在在高温烘焙时将大部分蒸发，残留物不足0.01%，可以忽略），加热到850℃，保温，然后把熔炼得到的物质重新加工成粉末状，粒度控制在80目，即得复合微合金化晶粒；
2）将步骤1）所得复合微合金化晶粒和药芯焊芯的其余各成分混合均匀；
3）以搭接O型的封口方式，将步骤2）得到的药芯焊芯封在外皮中，药芯焊芯占焊丝总重量的比例为35%，外皮为碳钢钢带，规格（宽*厚）为16mm*0.6mm。外皮合缝方式采用搭接形式，搭接深度为2mm。
应用本实施例制得的药芯焊丝进行堆焊：
本实施例所得药芯焊丝，其直径为3.2mm，采用HJ260焊剂进行堆焊焊接，堆焊层3层，堆焊电流350A，电压31V。
堆焊层硬度HRC为46,46，46,46.5,45。
堆焊层硬度偏差≤HRC 1.5，说明本实施例的药芯焊丝堆焊硬度均匀性高。
实施例3
本实施例的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝，包括外皮和被包裹的药芯焊芯，药芯焊芯中各组份占焊丝总重量的比例为：高碳铬铁：5%；微碳铬铁：3%；金属铬：12%；镍粉：3.5%；钼铁： 2%；中碳锰铁：3%；钛铁：1%；余量为270铁粉(松装比为2.70±0.1g/cm3的还原铁粉）。
该药芯焊丝的制备方法：
1）将高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁分别过80目筛，按所述量混合均匀，加入水玻璃（水玻璃的加入量为占高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁总重量的0.5%以下，而在在高温烘焙时将大部分蒸发，残留物不足0.01%，可以忽略），加热到850℃，保温，然后把熔炼得到的物质重新加工成粉末状，粒度控制在80目，即得复合微合金化晶粒；
2）将步骤1）所得复合微合金化晶粒和药芯焊芯的其余各成分混合均匀；
3）以搭接O型的封口方式，将步骤2）得到的药芯焊芯封在外皮中，药芯焊芯占焊丝总重量的比例为35.5%，外皮为碳钢钢带，规格（宽*厚）为16mm*0.6mm。外皮合缝方式采用搭接形式，搭接深度为2mm。
应用本实施例制得的药芯焊丝进行堆焊：
本实施例所得药芯焊丝，其其直径为3.2mm，采用SJ107焊剂进行堆焊焊接，堆焊层3层，堆焊电流400A，电压32V。
堆焊层硬度HRC为47,46，45.5,46.5,45。
堆焊层硬度偏差≤HRC 2，说明本实施例的药芯焊丝堆焊硬度均匀性高。
实施例4
本实施例的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝，包括外皮和被包裹的药芯焊芯，药芯焊芯中各组份占焊丝总重量的比例为：高碳铬铁：4%；微碳铬铁：3%；金属铬：12%；镍粉：3%；钼铁：2%；中碳锰铁：2.8%；钛铁：3.4%；余量为270铁粉(松装比为2.70±0.1g/cm3的还原铁粉）。
该药芯焊丝的制备方法：
1）将高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁分别过80目筛，按所述量混合均匀，加入水玻璃（水玻璃的加入量为占高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁总重量的0.5%以下，而在在高温烘焙时将大部分蒸发，残留物不足0.01%，可以忽略），加热到850℃，保温，然后把熔炼得到的物质重新加工成粉末状，粒度控制在80目，即得复合微合金化晶粒；
2）将步骤1）所得复合微合金化晶粒和药芯焊芯的其余各成分混合均匀；
3）以搭接O型的封口方式，将步骤2）得到的药芯焊芯封在外皮中，药芯焊芯占焊丝总重量的比例为35%，外皮为碳钢钢带，规格（宽*厚）为16mm*0.6mm。外皮合缝方式采用搭接形式，搭接深度为2mm。
应用本实施例制得的药芯焊丝进行堆焊：
本实施例所得药芯焊丝，其直径为3.2mm，采用HJ260焊剂进行堆焊焊接，堆焊层3层，堆焊电流380A，电压31V。
堆焊层硬度HRC为46，46，47，46，46.5。
堆焊层硬度偏差≤HRC 1，说明本实施例的药芯焊丝堆焊硬度均匀性高。
实施例5
本实施例的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝，包括外皮和被包裹的药芯焊芯，药芯焊芯中各组份占焊丝总重量的比例为：高碳铬铁：4%；微碳铬铁：3%；金属铬：12%；镍粉：3%；钼铁：2%；中碳锰铁：2.8%；钛铁：3.4%；余量为270铁粉(松装比为2.70±0.1g/cm3的还原铁粉）。
该药芯焊丝的制备方法：
2）将药芯焊芯的各组分，混合均匀；
3）以搭接O型的封口方式，将步骤2）得到的药芯焊芯封在外皮中，药芯焊芯占焊丝总重量的比例为35%，外皮为碳钢钢带，规格（宽*厚）为16mm*0.6mm。外皮合缝方式采用搭接形式，搭接深度为2mm。
应用本实施例制得的药芯焊丝进行堆焊：
本实施例所得药芯焊丝，其直径为3.2mm，采用HJ260焊剂进行堆焊焊接，堆焊层3层，堆焊电流380A，电压31V。
堆焊层硬度HRC为45, 46, 48.5, 50, 46。
堆焊层硬度偏差≤HRC 5。
实施例6
本实施例的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝，包括外皮和被包裹的药芯焊芯，药芯焊芯中各组份占焊丝总重量的比例为：高碳铬铁：4%；微碳铬铁：3%；金属铬：12%；镍粉：3%；钼铁：2%；中碳锰铁：2.8%；钛铁：3.4%；余量为250铁粉(松装比为2.50g/cm3的还原铁粉）。余量为铁粉。
该药芯焊丝的制备方法：
1）将高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁分别过80目筛，按所述量混合均匀，加入水玻璃（水玻璃的加入量为占高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁总重量的0.5%以下，而在在高温烘焙时将大部分蒸发，残留物不足0.01%，可以忽略），加热到850℃，保温，然后把熔炼得到的物质重新加工成粉末状，粒度控制在80目，即得复合微合金化晶粒；
2）将步骤1）所得复合微合金化晶粒和药芯焊芯的其余各成分混合均匀；
3）以搭接O型的封口方式，将步骤2）得到的药芯焊芯封在外皮中，药芯焊芯占焊丝总重量的比例为36%，外皮为碳钢钢带，规格（宽*厚）为16mm*0.6mm。外皮合缝方式采用搭接形式，搭接深度为2mm。
应用本实施例制得的药芯焊丝进行堆焊：
本实施例所得药芯焊丝，其直径为3.2mm，采用焊剂HJ260进行堆焊焊接，堆焊层3层，堆焊电流380A，电压31V。
堆焊层硬度HRC为42，45，45，46.5，45.5。
堆焊层硬度偏差≤HRC 4.5。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝，包括外皮和被包裹的药芯焊芯，其特征在于，所述药芯焊芯占焊丝总重量的比例为35～36%，所述的药芯焊芯中各组份及其占焊丝总重量的比例为：
高碳铬铁，牌号为FeCr55C6.0：2.8～6%；
微碳铬铁，牌号为FeCr55C0.10：2.5～3.5%；
金属铬：11%～13%；
镍粉：2～3.6%；
钼铁，牌号为FeMo55-A：1.5～2%；
中碳锰铁，牌号为FeMn82C1.0：2.8～4.5%；
钛铁，牌号为FeTi30A：1～5.4%；
余量为铁粉。
2.根据权利要求1所述的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝，其特征在于，所述铁粉为270还原铁粉。
3.根据权利要求1所述的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝，其特征在于，所述高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁制成复合微合金化晶粒后加入药芯焊芯作为其组分，其中所述的复合微合金化晶粒加工方法为：将高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁分别过80目筛，按所述量混合均匀，加入水玻璃，加热到800~900℃，保温，然后把熔炼得到的物质重新加工成粉末状，粒度控制在80目，即得复合微合金化晶粒。
4.根据权利要求3所述的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝，其特征在于，所述水玻璃的加入量为占高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁总重量的0.5%以下。
5.根据权利要求1所述的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝，其特征在于，所述外皮为碳钢钢带。
6.制备权利要求1所述的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝的方法，其特征在于，步骤如下：1）按照所述量取药芯焊芯的各组分，混合均匀；2）以搭接O型的封口方式，将步骤1）得到的药芯焊芯封在外皮中。
7.制备权利要求3所述的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝的方法，其特征在于，步骤如下：1）将高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁分别过80目筛，按所述量混合均匀，加入水玻璃，加热到800~900℃，保温，然后把熔炼得到的物质重新加工成粉末状，粒度控制在80目，即得复合微合金化晶粒；2）将步骤1）所得复合微合金化晶粒和药芯焊芯的其余各成分混合均匀；3）以搭接O型的封口方式，将步骤2）得到的药芯焊芯封在外皮中。
8.根据权利要求7所述的制备所述的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝的方法，其特征在于，所述水玻璃的加入量为占高碳铬铁、微碳铬铁、中碳锰铁和钛铁总重量的0.5%以下。
9.应用权利要求1~5任一项所述的Cr13系列通用型堆焊用埋弧药芯焊丝焊接的方法，其特征在于，所述药芯焊丝配套HJ260焊剂或SJ107焊剂进行焊接。
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