CN103785970A - 一种钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝 - Google Patents

一种钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝，以低碳钢带为外皮，药芯成分按质量百分数为：55～65％的高碳铬铁、4～8％的钒铁、3～9％的铌铁、3～5％的石墨、2～3％的硼铁、8～14％脱氧剂，余量为铁粉，脱氧剂为铝镁合金、锰粉和硅铁混合物，质量比为铝镁合金∶锰粉∶硅铁＝(2～4)∶(6～8)∶(2～4)，且质量满足锰粉wt％≥硅铁wt％+铝镁合金wt％，药芯占焊丝总重量的比例为49～56％。本发明提供的焊丝，在焊接过程中弥散析出(V，Nb)C复合碳化物，具有成本低廉，硬度高且均匀，耐磨性佳等特点，且多层焊无需清渣，气孔敏感性极小。

Description

一种钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝
技术领域
本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体地涉及一种钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝。
背景技术
自保护药芯焊丝具有堆敷效率快、组分调节便捷，无需外加辅助气体或焊剂，自动化程度高等优点，是21世纪最有发展前景的耐磨堆焊材料之一。堆焊用自保护药芯焊丝一般依靠药芯组分在焊接冶金过程中生成碳化物抗磨质点，这些抗磨质点分布在强韧的基体组织中，使得堆焊金属具有优良的耐磨性。因此，堆焊金属中所过渡的合金数量，从根本上决定了它的耐磨性能。传统的自保护药芯焊丝，为了实现良好的自保护效果，除了添加形成耐磨焊缝所必需的合金元素外，还要在药芯中添加造渣剂，如金红石、萤石、碳酸盐等，这些造渣剂在焊接过程中形成熔渣，从而避免空气对金属熔滴的入侵。但是由于造渣剂质量较轻，往往占据了药芯中大部分的空间。这就使得铁合金和金属粉末的添加量受到限制，从而成为自保护药芯焊丝耐磨性能进一步提高的瓶颈。近几年，无渣自保护药芯焊丝的出现突破了这一技术瓶颈，其药芯中不添加任何矿物粉末，从而最大限度地增大了合金粉的装填量，同时有利于增加填充率，提供了调整焊丝耐磨性能的广阔空间和内在潜力。
目前堆焊修复的耐磨堆焊用药芯焊丝，一般都含有Mn、Si、C等元素。其中所含的Cr，在焊接过程中与C和Fe形成粗大的(Cr、Fe)7C3碳化物，该类焊丝抗裂性较差。同时(Cr、Fe)7C3碳化物的生长位向对耐磨性影响较大。这是因为(Cr、Fe)7C3碳化物为六方棱柱结构，其横截面显微硬度为1500-1700HV，纵截面显微硬度为1100-1200HV。研究者们通过添加强碳化物形成元素在一定程度上改良了这一现状。如中冶集团建筑研究总院的《一种高碳高铬高铌铸铁自保护药芯焊丝》(200710175676.4)，其中铌铁质量比10～30％；河海大学的《钒强化耐磨埋弧堆焊药芯焊丝》(201010197412.0)，其中钒铁质量比8～20％。然而，(V，Nb)C复合碳化物具有更高的热稳定性和硬度，倘若利用明弧焊接技术在堆焊过程中析出(V，Nb)C复合碳化物，无疑将进一步提高堆焊合金组织稳定性及耐磨性。此外，使用多元复合添加的方法可能在保证形成MC型一次复合碳化物的条件下，将强碳化物形成元素的添加总量控制在较低的水平，从而达到节约成本、控制焊丝制造成本的目的，将适合大量应用于耗材量较大的钢轧辊、磨煤辊、辊压机、挖掘机等大型设备耐磨部件的再制造和修复作业。目前研究中还未有通过添加少量多元强碳化物形成元素以形成复合碳化物硬质相强化堆焊药芯焊丝的报道。
发明内容
发明目的：为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝及其制备方法。
技术内容：为实现上述技术目的，本发明提出一种钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，所述的药芯成分质量百分数含量范围如下：55～65％的高碳铬铁、4～8％的钒铁、3～9％的铌铁、3～5％的石墨、2～3％的硼铁、8～14％脱氧剂，余量为铁粉，脱氧剂为铝镁合金、锰粉和硅铁混合物，质量比为铝镁合金∶锰粉∶硅铁＝(2～4)∶(6～8)∶(2～4)，且质量满足锰粉wt％≥硅铁wt％+铝镁合金wt％，药芯占焊丝总重量的比例为49～56％。
最为优选，所述的高铬铸铁含碳量为9～10wt％，含铬量为60～70wt％，其余为铁；所述的钒铁含钒量为35～50wt％，其余为铁；所述的铌铁含铌量为50～60wt％，其余为铁；所述的硼铁含硼量为19～25wt％，其余为铁；所述的脱氧剂中铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁；所述的脱氧剂中硅铁含硅量为72～80wt％，其余为铁。
优选地，所述药芯所有组分的粒径大于或等于80目。
优选地，所述低碳钢带为H08A碳钢钢带。
其中，所述低碳钢带的尺寸(厚度×宽度)为：0.3×16mm或0.4×18mm或0.5×21mm。
所述焊丝的直径为2.40mm、2.60mm、2.85mm、3.15mm、3.45mm、3.80mm和4.10mm中的任意一种。
上述钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(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49-56％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2.40～4.10mm，得到最终产品。
在上述药芯中各组分主要作用如下：
高碳铬铁：其成分为：向堆焊金属中过渡合金元素Cr，并提供C元素。
钒铁和铌铁：优先与C结合形成(V，Nb)C复合硬质耐磨相。
石墨：提供C元素，部分氧化形成CO造成熔池微沸腾，降低气孔敏感性。
硼铁：改善焊道表面成形。
脱氧剂为铝镁合金、锰粉和硅铁3种的机械混合物。通过脱氧达到良好的自保护效果。
由上述技术方案和药芯中各组分的作用简述可以明了，本发明由于同时在药芯中添加适量的钒和铌，在焊接冶金过程中形成大量的(V，Nb)C复合碳化物，且弥散分布。从而使组织得以细化，增加堆焊金属强韧性。并且，由于先析(V，Nb)C复合碳化物具有比之(Cr、Fe)7C3碳化物更高的硬度和热稳定性，提高堆焊金属的硬度和耐磨性。钒铌复合添加总量大为减少，就能达到显著提高耐磨性能的目的，从而大大节约了焊丝制造成本，实现了少量多元强化的初衷，达到了本发明的目的。
在上述技术方案中，所述脱氧剂是铝镁合金、锰粉和硅铁3种合金按(2～4)∶(6～8)∶(2～4)的机械混合。由于本焊丝不添加任何矿物粉，只能主要依靠合金元素脱氧保护熔滴或熔池，需要添加强脱氧元素Al和Mg。但是铝镁合金添加过多会恶化焊缝表面成形。Si的脱氧能力低于AI而强于Mn，但添加过量会使焊道表面形成凹坑。Mn有脱氧和造气的双重效果，添加量相对宜多。经过反复试验，发现配制的脱氧剂质量同时满足：锰粉％≥硅铁％+铝镁合金％时，三者联合脱氧的综合效果较为理想。
有益效果：本发明通过同时在药芯中添加适量的钒和铌，在焊接冶金过程中形成大量弥散分布的(V，Nb)C复合碳化物，并成为(Cr、Fe)7C3碳化物的异质形核核心，而降低(Cr、Fe)7C3碳化物的尺寸，使组织得以细化。并且，先析(V，Nb)C复合碳化物具有比之(Cr、Fe)7C3碳化物更高的硬度和热稳定性，进一步提高堆焊金属的耐磨性。本发明的药芯焊丝成本低廉，焊接工艺性能好，气孔敏感性极小，合金均匀化程度高，堆焊层表面硬度均匀，平均硬度在55～64HRC范围。耐磨性为Q235的16～32倍。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的药芯焊丝的(Nb，V)C复合碳化物形态及其能谱分析图片。
图2为本发明实施例1得到的药芯焊丝的(Nb，V)C复合碳化物(如图1)能谱分析图片。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，实施例所描述的具体的药芯组分配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。其中，下列各实施例中所使用的高铬铸铁含碳量为9～10wt％，含铬量为60～70wt％，其余为铁；钒铁含钒量为35～50wt％，其余为铁；铌铁含铌量为50～60wt％，其余为铁；硼铁含硼量为19～25wt％，其余为铁；脱氧剂中铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁；脱氧剂中硅铁含硅量为72～80wt％，其余为铁。
实施例1
一种钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：55g的高碳铬铁、9g的铌铁、4g的钒铁、3g的石墨、2g的硼铁、8g的脱氧剂、19g的铁粉，共100g粉末，其中，脱氧剂包含4g的铝镁合金、8g的锰粉和2g的硅铁。所取的粉末均通过80目的筛子。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的16×0.3mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为49％。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的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.40～4.10mm的产品。焊接电流为280～400A，焊接电压为28～36V，焊接速度为2.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊金属硬度及耐磨性见表1。
实施例2
一种钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：58g的高碳铬铁、7g的铌铁、6g的钒铁、4g的石墨、2.5g的硼铁、12g的脱氧剂、10.5g的铁粉，共100g粉末，其中脱氧剂包含3g的铝镁合金、7g的锰粉和2g的硅铁。所取的粉末均通过80目的筛子。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的16×0.3mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为53％。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2.40～4.10mm的产品。焊接电流为280～400A，焊接电压为28～36V，焊接速度为2.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊金属硬度及耐磨性见表1。
实施例3
一种钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：60g的高碳铬铁、5g的铌铁、7g的钒铁、4g的石墨、2.5g的硼铁、10g的脱氧剂、11.5g的铁粉，共100g粉末，其中，脱氧剂包含2g的铝镁合金、6g的锰粉和2g的硅铁。所取的粉末均通过80目的筛子。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的16×0.3mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为52％。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的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.40～4.10mm的产品。焊接电流为280～400A，焊接电压为28～36V，焊接速度为2.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊金属硬度及耐磨性见表1。
实施例4
一种钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：65g的高碳铬铁、3g的铌铁、8g的钒铁、5g的石墨、3g的硼铁、14g的脱氧剂、2g的铁粉，共100g粉末，所述脱氧剂包含3g的铝镁合金、7g的锰粉和4g的硅铁。所取的粉末均通过80目的筛子。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的16×0.3mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为56％。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的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.40～4.10mm的产品。焊接电流为280～400A，焊接电压为28～36V，焊接速度为2.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊金属硬度及耐磨性见表1。
表1所打硬度采用HR-150A洛氏硬度计，荷载150Kg，对每一个测试样取5点硬度，计算平均硬度值。
磨损实验采用MLS-225型湿式橡胶轮磨损试验机。
将每个实施例的堆焊层切五个尺寸为57×25×6mm磨损试样。磨损实验参数如下：橡胶轮直径：178mm，橡胶轮转速：240转/分，橡胶轮硬度：70(邵尔硬度)，载荷：10Kg，橡胶轮转数：预磨1000转，正式试验转1000转，磨料：40～70目的石英砂。堆焊金属的耐磨性能以正式磨损的失重量来衡量。在每次实验前、后将试样置入盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3～5分钟，待干后称重记录。实验用Q235钢作为对比样，对比件失重量与测量件失重量之比作为堆焊样的相对耐磨性ε。
表1各实施例堆焊金属硬度与耐磨性
Figure BDA0000460738070000061

Claims (7)

1.一种钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，其特征在于，所述的药芯成分质量百分数含量范围如下：55～65％的高碳铬铁、4～8％的钒铁、3～9％的铌铁、3～5％的石墨、2～3％的硼铁、8～14％脱氧剂，余量为铁粉，脱氧剂为铝镁合金、锰粉和硅铁混合物，质量比为铝镁合金∶锰粉∶硅铁＝(2～4)∶(6～8)∶(2～4)，且质量满足锰粉wt％≥硅铁wt％+铝镁合金wt％，药芯占焊丝总重量的比例为49～56％。
2.根据如权利1所述的钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝，其特征在于，所述的高铬铸铁含碳量为9～10wt％，含铬量为60～70wt％，其余为铁；所述的钒铁含钒量为35～50wt％，其余为铁；所述的铌铁含铌量为50～60wt％，其余为铁；所述的硼铁含硼量为19～25wt％，其余为铁；所述的脱氧剂中铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁；所述的脱氧剂中硅铁含硅量为72～80wt％，其余为铁。
3.根据如权利1所述的钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的所有组分的粒径大于或等于80目。
4.根据如权利1所述的钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝，其特征在于，所述低碳钢带为H08A碳钢钢带。
5.根据如权利1或4所述的钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝，其特征在于，所述低碳钢带厚度×宽度为0.3×16mm或0.4×18mm或0.5×21mm。
6.根据如权利1所述的钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝的直径为2.40mm、2.60mm、2.85mm、3.15mm、3.45mm、3.80mm和4.10mm中的任意一种。
7.权利要求1所述的钒铌复合强化耐磨堆焊用无渣自保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(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49-56％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2.40～4.10mm，得到最终产品。
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