CN103785969B - 多元稀土高强高塑性耐磨焊条及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多元稀土高强高塑性耐磨焊条，其具有较高的对接接头综合性能。本发明的另一目的是提供一种多元稀土高强高塑性耐磨焊条制备方法，该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。该焊条由焊丝和药皮构成，药皮包裹焊丝，钠水玻璃和钾水玻璃为粘接剂，药皮粘结在焊丝周围。

Description

多元稀土高强高塑性耐磨焊条及其制备方法
技术领域：
本发明属于金属材料领域，涉及一种高强高塑性耐磨稀土焊条及其制备方法。属材料技术领域。
背景技术：
CN201210207435.4号申请介绍了一种含铜的高强度高韧性焊条熔敷金属，熔敷金属属于Mn-Ni-Cr-Cu系，其化学成分质量百分数为：C：0.030/0.080；Mn：0.60/0.90；Si：0.15/0.35；Ni：2.20/2.85；Cr：0.62/1.00；Mo：0.40/0.60；Cu：0.70/1.10；其余为Fe。该材料与其它高强钢手工焊条相比，含有适量的C元素；Ni元素含量适中；含有较高的Cu。但是熔敷金属的综合性能偏低。
发明内容：
本发明的目的就是针对上述技术缺陷，提供一种多元稀土高强高塑性耐磨焊条，其具有较高的对接接头综合性能。
本发明的另一目的是提供一种多元稀土高强高塑性耐磨焊条制备方法，该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。
本发明的具体技术方案如下：
一种多元稀土高强高塑性耐磨焊条，由焊丝和药皮构成，药皮包裹焊丝，钠水玻璃和钾水玻璃为粘接剂，药皮粘结在焊丝周围，该焊条的各成份分别如下：
粘接剂成份：由钠水玻璃和钾水玻璃按重量比1：0.2-0.4混合而成；其中钠水玻璃波美度°Bé35.0-36.0，模数(M)3.50-3.70，氧化钠质量百分含量为9.5-11.5％，二氧化硅(SiO2)质量百分含量为22.0-25.0％；钾水玻璃波美度°Bé0.35～0.37，模数3.5～3.7，二氧化硅质量百分含量为24.6-25％，氧化钾质量百分含量为7.0-8％；
焊丝成份：各化学成份的重量百分含量为钛0.15％～0.50％，钌0.40％～1.50％，钼0.15％～0.60％，钒0.1-0.5％，镧0.05-0.08％，钇0.01-0.04％，其余Fe；
药皮成份：各化学成份的重量百分含量为：木屑4-6％，二氧化锑2～5％，氟硅酸钠3～5％，长石3～6％，赤铁矿3～5％，高岭土3～6％，二氧化硅7～12％，钛铁合金5～8％，钒铁合金6～8％，钼铁合金4～7％，多元合金粉12-18％，其余为大理石；
所述多元合金粉中各成份的重量百分含量为La0.05-0.1％，Y0.05-0.1％，Al0.05-0.08％，V0.3-0.6％，Ru1-4％，Sr0.5-1％，Mn1-3％，B4-7％，Si5-8％，Ni1-3％，其余Fe。
所述焊丝的直径为4-6mm，长度为400mm，药皮厚度为1-3mm；
上述多元稀土高强高塑性耐磨焊条制备方法，该方法具体步骤如下：
1)粘接剂准备：按上述重量比准备粘接剂；
2)药皮成份配制：按照上述重量比取药皮成份，并混合均匀；其中钒铁合金中V的重量百分含量为59-61％，余为铁；钼铁合金中Mo的重量百分含量为65.0-75.0％，余为铁；钛铁合金中钛的重量百分含量20％～25％，其余为铁；其中多元合金粉的制备：按照上述重量比进行配料，原料的纯度均大于99.9％；将原料放入真空感应炉中熔炼，熔炼温度为1570-1590℃，得到母合金液体；然后将母合金液倒入装有感应加热圈的坩埚中间包；感应加热圈的频率为50-100kHz，中间包本体下部开有长方孔喷嘴；长方孔喷嘴下部为冷却辊，冷却辊和喷嘴间距为0.3-0.6mm；当冷却辊转动后，坩埚中间包中的母液与冷却辊接触形成宽度为10-50mm，厚度为18-24微米的带材；冷却辊轮缘的旋转线速度为21～25m/s；然后将得到的带材放入球磨机中研磨20-24小时，得到多元合金粉；将药皮成份与步骤1)的粘接剂混合均匀，形成药皮料泥；其中药皮成份与上述粘接剂的重量比为100：7-11；
3)焊丝制备：按照上述重量比进行配料，所有原料纯度均大于99.9％；在感应炉中熔炼，熔炼温度为1590-1610℃，浇注成柱状毛坯，然后通过热拔方法形成焊丝，热拔温度为1360-1390℃；
4)将步骤2)混好的药皮料泥沿焊芯长度方向均匀分布涂在步骤3)形成的焊丝上；药皮料泥与焊丝的重量比为0.5～0.6：1；涂后焊条经16-24小时晾干，然后再放入烘箱内在190-230℃烘烤2-3小时，多元稀土高强高塑性耐磨焊条。
步骤2)中长方孔喷嘴尺寸为：宽度为0.1-0.4mm,长度为10-50mm。
步骤2)中多元合金粉的颗粒直径在500-900微米。
步骤3)中所述柱状毛坯直径为20-22mm；所述焊丝直径为4-6mm，长度为400mm。
本发明相比现有技术具有如下有益效果：
本发明焊丝中加入钛、钌、钼、钒、钇、镧等微量元素后，使钢材表面形成致密和附着性很强的保护膜，阻止了大气中氧和水向钢铁基体渗入，减缓了锈蚀向钢铁材料纵深发展，大大提高了钢铁材料的抗蚀能力。
本发明材料中稀土为钢中的微量元素。稀土元素能显著提高钢的抗氧化性，改善热塑性。钛是强碳化物形成元素，能形成细小弥散的碳化物，提高钢的高温强度。钛与碳结合还可防止钢在高温下或焊后产生晶间腐蚀。本发明药皮中钛铁为脱氧剂。钼铁合金为合金剂。钒铁合金为合金剂。多元合金粉既为脱氧剂，又为合金剂。
多元合金粉中的Ru、V、W、Cr可参与钢的合金化过程，起固溶强化作用，提高焊接接头的强度和韧性；La、Y、Al细化接头的组织，起晶界强化作用。Mn、B、Si、Sr可起脱氧作用。硼溶入固溶体中使晶体点阵发生畸变，晶界上的硼又能阻止元素扩散和晶界迁移，从而提高钢的高温强度。钒是强碳化物形成元素，能形成细小弥散的碳化物，提高钢的高温强度。铬、铝、硅是铁素体形成的元素，在高温下能促使金属表面生成致密的氧化膜，防止继续氧化，是提高钢的抗氧化性和抗高温气体腐蚀的主要元素。但铝和硅含量过高会使室温塑性和热塑性严重恶化。
材料中，铬能显著提高低合金钢的再结晶温度,含量为2％时，强化效果最好。木屑为造气剂，这些物质在焊条融化时能产生大量的一氧化碳、二氧化碳、氢气等，包围电弧，保护金属不被氧化和氮化。氟硅酸钠为稀渣剂，稀释熔渣，以增加其活性。
材料中，水玻璃为稳弧剂，是一种容易电离的物质。两种水玻璃混合提高了电弧燃烧稳定性，并使电弧易于引燃。二氧化锑、赤铁矿、石英为造渣剂。长石为稳弧剂，是一种容易电离的物质，能提高电弧燃烧稳定性，并使电弧易于引燃。
附图说明:
图1为本发明实施例一制备的多元稀土高强高塑性耐磨焊条药皮组织图。
具体实施方式：
以下各实例中所用原料：
钠水玻璃波美度°Bé35.0-36.0，模数(M)3.50-3.70，其中氧化钠质量百分含量为9.5-11.5％，二氧化硅(SiO2)质量百分含量为22.0-25.0％，其余为水。
钾水玻璃波美度°Bé0.35～0.37，模数3.5～3.7，其中二氧化硅质量百分含量为24.6-25％，氧化钾质量百分含量为7.0-8％，其余为水。
其中，木屑、二氧化锑粉、氟硅酸钠粉、长石粉、赤铁矿粉、高岭土粉、二氧化硅粉、钛铁合金粉、钒铁合金粉、钼铁合金粉、大理石粉的细度均为400-600微米。
其中钒铁合金中V的重量百分含量为60％，其余为铁；钼铁合金中Mo的重量百分含量为70.0％，其余为铁；钛铁合金中钛的重量百分含量25％，其余为铁。
木屑为(工业纯)
长石为(市购)，其中各成份质量百分含量：Al2O314-16％，Na2O7-10％，其余SiO2。
高岭土为(市购)，其中各成份质量百分含量：Al2O3，38-40％，H2O12-14％，SiO2。
赤铁矿为(市购)，其中各成份质量百分含量：SiO22-6％，其余Fe2O3。
大理石为(市购)，其成份中各成份质量百分含量：Fe2O30.5-1.2％，SiO20.8-1.5％，其余CaCO3。
实施例一：
本发明的多元稀土高强高塑性耐磨焊条，由焊丝和药皮构成，药皮包裹焊丝，钠水玻璃和钾水玻璃为粘接剂，药皮粘结在焊丝周围。该焊条制备方法的具体步骤如下：
1)粘接剂准备：由钠水玻璃和钾水玻璃按重量比1：0.2混合而成；
2)药皮成份配制：按照重量百分含量：木屑：4％；二氧化锑粉2％；氟硅酸钠粉3％；长石粉3％；赤铁矿粉3％；高岭土粉3％；二氧化硅粉7％；钛铁合金粉：5％；钒铁合金粉：6％；钼铁合金粉4％；多元合金粉12％，其余为大理石粉进行配料；
多元合金粉中各成份的重量百分含量为：La0.05％，Y0.05％，Al0.05％，V0.3，Ru1％，Sr0.5％，Mn1％，B4％，Si5％，Ni1％，其余Fe。
多元合金粉的制备过程如下：按照上述重量比进行配料，原料的纯度均大于99.9％；将原料放入真空感应炉中熔炼，熔炼温度为1570℃，得到母合金液体；然后将母合金液倒入装有感应加热圈的坩埚中间包；感应加热圈的频率为50Hz，中间包本体下部开有长方孔喷嘴，长方孔喷嘴尺寸为：宽度为0.2mm,长度为10mm；长方孔喷嘴下部为冷却辊，冷却辊和喷嘴间距为0.3mm；当冷却辊转动后，坩埚中间包中的母液与冷却辊接触形成宽度为10-50mm，厚度为18-24微米的带材；冷却辊轮缘的旋转线速度为21m/s；然后将得到的带材放入球磨机中研磨20小时，得到多元合金粉，多元合金粉的颗粒直径在500-900微米；
取药皮成份，并混合均匀；将药皮成份与步骤1)的粘接剂混合均匀，即形成药皮料泥；其中药皮成份与粘接剂的重量比为100：7；
3)焊丝制备：焊丝中各成份的重百量比按：钛0.15％、钌0.40％、钼0.15％、钒0.1％，镧0.05％，钇0.01％,其余为Fe进行配料，所有原料纯度均大于99.9％；原料在感应炉中熔炼，熔炼温度为1590℃，浇注成柱状毛坯，柱状毛坯直径为20mm；然后通过热拔方法形成焊丝，焊丝直径为6mm，长度为400mm；热拔温度为1360℃；
4)将步骤2)混好的药皮料泥沿焊芯长度方向均匀分布涂在步骤3)形成的焊丝上；药皮料泥与焊丝的重量比为0.5：1，药皮厚度为1-3mm；涂后焊条经16小时晾干，然后再放入烘箱内在190℃烘烤3小时，得到多元稀土高强高塑性耐磨焊条。
实施例二：
本发明的多元稀土高强高塑性耐磨焊条，由焊丝和药皮构成，药皮包裹焊丝，钠水玻璃和钾水玻璃为粘接剂，药皮粘结在焊丝周围。该焊条制备方法的具体步骤如下：
1)粘接剂准备：由钠水玻璃和钾水玻璃按重量比1：0.4混合而成；
2)药皮成份配制：按照各化学成份的重量百分含量为：木屑6％；二氧化锑粉5％；氟硅酸钠粉5％；长石粉6％；赤铁矿粉5％；高岭土粉6％；二氧化硅粉12％；钛铁合金粉8％；钒铁合金粉8％；钼铁合金粉7％；多元合金粉18％，其余为大理石粉。
多元合金粉中各成份的重量百分含量为La0.1％，Y0.1％，Al0.08％，V0.6％，Ru4％，Sr1％，Mn3％，B7％，Si8％，Ni3％，其余Fe。多元合金粉的制备过程如下：按照上述重量比进行配料，原料的纯度均大于99.9％；将原料放入真空感应炉中熔炼，熔炼温度为1590℃，得到母合金液体；然后将母合金液倒入装有感应加热圈的坩埚中间包；感应加热圈的频率为100kHz，中间包本体下部开有长方孔喷嘴，长方孔喷嘴尺寸为：宽度为0.4mm,长度为50mm；长方孔喷嘴下部为冷却辊，冷却辊和喷嘴间距为0.6mm；当冷却辊转动后，坩埚中间包中的母液与冷却辊接触形成宽度为10-50mm，厚度为18-24微米的带材；冷却辊轮缘的旋转线速度为25m/s；然后将得到的带材放入球磨机中研磨24小时，得到多元合金粉，多元合金粉的颗粒直径在500-900微米；
将药皮成份与步骤1)的粘接剂混合均匀，即形成药皮料泥；其中药皮成份与粘接剂的重量比为100：10；
3)焊丝制备：按照各化学成份的重量百分含量钛0.50％、钌1.50％、钼0.60％、钒0.5％，镧0.08％，钇0.04％,其余Fe进行配料，所有原料纯度均大于99.9％；将各原料在感应炉中熔炼，熔炼温度为1610℃，浇注成柱状毛坯，柱状毛坯直径为22mm；然后通过热拔方法形成焊丝，焊丝直径为6mm，长度为400mm；热拔温度为1390℃；
4)将步骤2)混好的药皮料泥沿焊芯长度方向均匀分布涂在步骤3)形成的焊丝上；药皮料泥与焊丝的重量比为0.6：1，药皮厚度为1-3mm；涂后焊条经24小时晾干，然后再放入烘箱内在230℃烘烤2小时，得到多元稀土高强高塑性耐磨焊条。
实施例三：
本发明的多元稀土高强高塑性耐磨焊条，由焊丝和药皮构成，药皮包裹焊丝，钠水玻璃和钾水玻璃为粘接剂，药皮粘结在焊丝周围。该焊条制备方法的具体步骤如下：
1)粘接剂准备：由钠水玻璃和钾水玻璃按重量比1：0.3混合而成；
2)药皮成份配制：按照各化学成份的重量百分含量为：木屑5％；二氧化锑粉4％；氟硅酸钠粉4％；长石粉5％；赤铁矿粉3.5％；高岭土粉5％；二氧化硅粉9％；钛铁合金粉7％；钒铁合金粉7％；钼铁合金粉5％；多元合金粉16％，其余为大理石粉。
多元合金粉中各成份的重量百分含量为La0.09％，Y0.08％，Al0.06％，V0.4％，Ru3％，Sr0.8％，Mn2％，B6％，Si7％，Ni2％，其余Fe。多元合金粉的制备过程如下：按照上述重量比进行配料，原料的纯度均大于99.9％；将原料放入真空感应炉中熔炼，熔炼温度为1580℃，得到母合金液体；然后将母合金液倒入装有感应加热圈的坩埚中间包；感应加热圈的频率为80kHz，中间包本体下部开有长方孔喷嘴，长方孔喷嘴尺寸为：宽度为0.3mm,长度为30mm；长方孔喷嘴下部为冷却辊，冷却辊和喷嘴间距为0.5mm；当冷却辊转动后，坩埚中间包中的母液与冷却辊接触形成宽度为10-50mm，厚度为18-24微米的带材；冷却辊轮缘的旋转线速度为23m/s；然后将得到的带材放入球磨机中研磨20小时，得到多元合金粉，多元合金粉的颗粒直径在500-900微米；
取药皮成份，并混合均匀；将药皮成份与步骤1)的粘接剂混合均匀，即形成药皮料泥；其中药皮成份与粘接剂的重量比为100：8；
3)焊丝制备：按照各化学成份的重量百分含量为钛0.18％、钌0.9％、钼0.4％、钒0.3％，镧0.07％，钇0.03％，其余为Fe进行配料，所有原料纯度均大于99.9％；将各原料在感应炉中熔炼，熔炼温度为1600℃，浇注成柱状毛坯，柱状毛坯直径为21mm；然后通过热拔方法形成焊丝，焊丝直径为5mm，长度为400mm；热拔温度为1380℃；
4)将步骤2)混好的药皮料泥沿焊芯长度方向均匀分布涂在步骤3)形成的焊丝上；药皮料泥与焊丝的重量比为0.6：1，药皮厚度为1-3mm；涂后焊条经24小时晾干，然后再放入烘箱内在220℃烘烤2小时，得到多元稀土高强高塑性耐磨焊条。
实施例四：
焊丝中各成份的重量百分含量为：钛0.11％、钌0.3％、钼0.10％、钒0.05％，镧0.04％，钇0.005％,其余Fe。
粘接剂由钠水玻璃和钾水玻璃按重量比1：0.5混合而成；
药皮中各成份的重量百分含量为：木屑3％；二氧化锑粉1％；氟硅酸钠粉2％；长石粉2％；赤铁矿粉1.5％；高岭土粉2.5％；二氧化硅粉6％；钛铁合金粉4％；钒铁合金粉5％；钼铁合金粉3％；多元合金粉10％，其余为大理石粉。其中药皮成份与粘接剂的重量比为100：5。
多元合金粉中各成份的重量百分数为：La0.04％，Y0.03％，Al0.03％，V0.2％，Ru0.6％，Sr0.4％，Mn0.7％，B3％，Si4％，Ni0.8％，其余Fe。
该多元稀土高强高塑性耐磨焊条其它条件及制备过程同实施例一。
实施例五：
焊丝中各成份的重量百分含量为：钛0.6％、钌1.7％、钼0.70％、钒0.75％，镧0.09％，钇0.05％,其余Fe。
粘接剂由钠水玻璃和钾水玻璃按重量比1：0.5混合而成；
药皮中各成份的重量百分含量为：：木屑：7％；二氧化锑粉6％；氟硅酸钠粉7％；长石粉8％；赤铁矿粉6％；高岭土粉7％；二氧化硅粉14％；钛铁合金粉：9％；钒铁合金粉10％；钼铁合金粉8％；多元合金粉20％，其余为大理石粉。粉体与水玻璃的重量比为100：11。
多元合金粉中各成份的重量百分数为：La0.2％，Y0.2％，Al0.09％，V0.7％，Ru5％，Sr2％，Mn4％，B8％，Si9％，Ni4％，其余Fe。
该多元稀土高强高塑性耐磨焊条其它条件及制备过程同实施例一。
由上表可见，本发明制备的焊条抗拉强度优良，而且具有较好的抗冲击性和延伸率等。性能优于对比材料料焊条。且当成份配比不在本发明设计方案内，抗拉强度和延伸率等性能会有所下降。

Claims (6)

1.一种多元稀土高强高塑性耐磨焊条，由焊丝和药皮构成，药皮包裹焊丝，钠水玻璃和钾水玻璃为粘接剂，药皮粘结在焊丝周围，其特征在于：该焊条的各成份分别如下：
粘接剂成份：由钠水玻璃和钾水玻璃按重量比1：0.2-0.4混合而成；其中钠水玻璃波美度°Bé35.0-36.0，模数3.50-3.70，其中氧化钠质量百分含量为9.5-11.5%，二氧化硅质量百分含量为22.0-25.0%，其余为水；钾水玻璃波美度°Bé0.35～0.37，模数3.5～3.7，其中二氧化硅质量百分含量为24.6-25%，氧化钾质量百分含量为7.0-8%，其余为水；
焊丝成份：各化学成份的重量百分含量为钛0.15%～0.50%，钌0.40%～1.50%，钼0.15%～0.60%，钒0.1-0.5%，镧0.05-0.08％，钇0.01-0.04％，其余Fe；
药皮成份：各化学成份的重量百分含量为：木屑4-6％，二氧化锑2～5％，氟硅酸钠3～5％，长石3～6％，赤铁矿3～5％，高岭土3～6％，二氧化硅7～12％，钛铁合金5～8％，钒铁合金6～8％，钼铁合金4～7％，多元合金粉12-18%，其余为大理石；
所述多元合金粉中各成份的重量百分含量为La0.05-0.1%，Y0.05-0.1%，Al0.05-0.08%，V0.3-0.6%，Ru1-4%，Sr0.5-1%，Mn1-3%，B4-7%，Si5-8%，Ni1-3%，其余Fe。
2.根据权利要求1所述多元稀土高强高塑性耐磨焊条，其特征是：所述药皮成份与粘接剂的重量比为100：7-11；所述焊丝的直径为4-6ｍｍ，长度为４00ｍｍ，药皮厚度为1-3ｍｍ。
3.权利要求1所述多元稀土高强高塑性耐磨焊条制备方法，其特征是：该方法包括以下步骤如下：
1）粘接剂准备：按上述重量比准备粘接剂；
2）药皮成份配制：按照上述重量比取药皮成份，并混合均匀；其中钒铁合金中V的重量百分含量为59-61%，余为铁；钼铁合金中Mo的重量百分含量为65.0-75.0%，余为铁；钛铁合金中钛的重量百分含量20％～25％，其余为铁；其中多元合金粉的制备：按照上述重量比进行配料，原料的纯度均大于99.9％；将原料放入真空感应炉中熔炼，熔炼温度为1570-1590℃，得到母合金液体；然后将母合金液倒入装有感应加热圈的坩埚中间包；感应加热圈的频率为50-100kHz，中间包本体下部开有长方孔喷嘴；长方孔喷嘴下部为冷却辊，冷却辊和喷嘴间距为0.3-0.6mm；当冷却辊转动后，坩埚中间包中的母液与冷却辊接触形成宽度为10-50mm，厚度为18-24微米的带材；冷却辊轮缘的旋转线速度为21～25m/s；然后将得到的带材放入球磨机中研磨20-24小时，得到多元合金粉；将药皮成份与步骤1）的粘接剂混合均匀，形成药皮料泥；其中药皮成份与上述粘接剂的重量比为100：7-11；
3）焊丝制备：按照上述重量比进行配料，所有原料纯度均大于99.9％；在感应炉中熔炼，熔炼温度为1590-1610℃，浇注成柱状毛坯，然后通过热拔方法形成焊丝，热拔温度为1360-1390℃；
4）将步骤2）混好的药皮料泥沿焊芯长度方向均匀分布涂在步骤3）形成的焊丝上；药皮料泥与焊丝的重量比为0.5～0.6：1；涂后焊条经16-24小时晾干，然后再放入烘箱内在190-230℃烘烤2-3小时，得到多元稀土高强高塑性耐磨焊条。
4.根据权利要求3所述多元稀土高强高塑性耐磨焊条制备方法，其特征是：步骤2）中长方孔喷嘴尺寸为：宽度为0.1-0.4mm,长度为10-50mm。
5.根据权利要求3所述多元稀土高强高塑性耐磨焊条制备方法，其特征是：步骤2）中多元合金粉的粒径为500-900微米。
6.根据权利要求3所述多元稀土高强高塑性耐磨焊条制备方法，其特征是：步骤3）中所述柱状毛坯直径为20-22ｍｍ；所述焊丝直径为4-6ｍｍ，长度为４00ｍｍ。
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