CN103785971A - 一种超低气孔敏感性的堆焊用无渣自保护药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超低气孔敏感性的堆焊用自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按质量百分数为：40～60％的高碳铬铁、6～10％的锰粉、1～3％的钛铁、8～15％的石墨、3～6％的铝粉、3～6％的镁粉、2～6％的硅铁、1～5％的硼铁、1～4％的锆铁、2～8％的钼铁、2～4％的钒铁，余为铁粉，药芯填充率为47～52％，且满足：11％≤高碳铬铁质量百分数×(9～10)％+石墨质量百分数≤19％。本发明提供的焊丝，利用多元合金和石墨的恰当配比，进行联合脱氧保护，石墨的脱氧产物CO在熔池阶段强烈析出引起熔池的沸腾，大大促进气体的析出，使之具有优异的抗气孔能力和较佳的韧性，尤其适合耐磨件现场工况条件下的多层实时修复。

Description

一种超低气孔敏感性的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，具体地涉及一种超低气孔敏感性的堆焊用无渣自保护药芯焊丝。

背景技术

在矿山、冶金、建材、发电、煤炭、水泥等国民生产的各个领域，均存在零部件的严重磨损问题，甚至造成零部件过早失效，必须要及时停机维修或更换。作为绿色再制造技术的重要组成部分，堆焊经过近二十年的发展和应用，正日益成为磨损件的修复或再制造的主要手段，并受到国内外学者的广泛关注。目前，对于耐磨堆焊材料的研究，国内已公开的专利主要集中在其耐磨性能方面，如北京工业大学的《高硬度高耐磨自保护堆焊药芯焊丝》(03153132.6)、湘潭大学的《高铬铸铁自保护堆焊药芯焊丝及其使用方法》(200510031856.6)、燕山大学的《稀土型高铬铸铁明弧自保护药芯焊丝》(201010584319.5)等。

然而，不能忽略的是，目前堆焊材料及技术仍然存在以下问题：

(1)从堆焊材料而言，国内依然主要以手工焊条电弧焊和气体药芯焊丝保护焊为主。自保护药芯焊丝具有堆敷效率高、自动化程度高的优点，正成为21世纪最有前景的堆焊材料之一。但是在没有外加辅助气体或焊剂的情况下，自保护药芯焊丝药芯组分需要通过化学冶金达到良好的自保护效果，并在随后的物理冶金过程中形成堆焊金属，因此往往具有较强的气孔生成倾向。由于开发难度较大，目前国内尚无成熟的自保护药芯焊丝生成厂家。

(2)堆焊实践发现，现场作业，零部件表面易污，极易成为焊接气孔的诱因，造成在线修复时的困难。当前的处理办法是通过工艺手段去除油污。如华北电力大学的《用于磨辊、磨盘防磨的粉芯焊丝及其熔覆方法》(201010122146.5)等。以上两个问题归根结底是气孔敏感性难题尚未得到有效解决。气孔的出现会降低堆焊面的有效耐磨面积，同时由于堆焊金属中O、H、N等含量较高，恶化韧性，从而易致裂纹和剥落。如果能够通过调整药芯组分的方法，来降低气孔敏感性从而克服油污不利影响，同时提高堆焊金属韧性，这对于简化在线修复工艺，省时省力，并进一步提高堆焊金属耐磨性，具有十分重要的现实意义，但是目前鲜见该方面的报道。

发明内容

发明目的：为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种利用氧化产物CO沸腾熔池以降低气孔敏感性的超低气孔敏感性的堆焊用无渣自保护药芯焊丝。

技术内容：为实现上述技术目的，本发明提出一种超低气孔敏感性的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，所述的药芯包含如下质量百分比的组分：40～60％的高碳铬铁、4～8％的锰粉、1～3％的钛铁、6～15％的石墨、3～6％的铝粉、3～6％的镁粉、2～6％的硅铁、1～5％的硼铁、1～4％的锆铁、2～8％的钼铁以及2～4％的钒铁，余量为铁粉；且满足：11％≤高碳铬铁质量百分数×(9～10)％+石墨质量百分数≤19％，此时可以提供足够的C源，产生足够的CO气体；又不至于造成过大的飞溅或恶化焊缝成形，药芯占焊丝总重量的比例为47～52％。

优选地，所述的高铬铸铁含碳量为9～10wt％，含铬量为60～70wt％，其余为铁；所述的钛铁含钛量为28～32wt％，其余为铁；所述的硅铁含硅量为72～80wt％，其余为铁；所述的硼铁含硼量为19～25wt％，其余为铁；所述的锆铁含锆量为40～60wt％，其余为铁；所述的钼铁含钼量为65～75wt％，其余为铁；所述的钒铁含钒量为35～50wt％，其余为铁。

优选地，所述药芯的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。

所述低碳钢带的厚度×宽度可以为0.3×16mm或0.4×18mm或0.5×21mm。

所述焊丝的直径可以为2.40mm、2.60mm、2.85mm、3.15mm、3.45mm、3.80mm和4.10mm中的任意一种。

上述超低气孔敏感性的堆焊用无渣自保护药芯焊丝的制备方法，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配方量的药芯组分按焊丝总重的47～52％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。

其中，药芯中主要成分作用如下：

高碳铬铁和石墨：其成分为高碳铬铁向堆焊金属中过渡合金元素Cr，并提供C元素，其中的一部分C会起到脱氧作用，另一部分会过渡到熔敷金属中并与强碳化物形成元素结合形成硬质相。石墨起到脱氧、造气作用，且CO在熔池阶段的逸出可以搅拌熔池，降低焊缝中H、O、N的含量，极大降低焊缝的形成气孔倾向，并改善焊缝韧性。

锰粉：在焊接过程中脱氧脱硫，部分锰受热形成锰蒸汽降低周围氮分压和氧分压；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；且形成硬度极高的硬质相(TiC：3200HV)，大幅提高堆焊金属耐磨性。

铝粉：脱氧、固氮。

镁粉：脱氧；并在高温下形成镁蒸汽囊，降低周围氮分压和氧分压。

硅铁：主要起到脱氧和渗合金作用，并改善熔池流动性。

硼铁：改善熔池流动性和焊缝成形。并且有利于形成硼碳硬质相，进一步提高硬质相的体积分数和堆焊金属的硬度。

锆铁：与碳结合形成碳化锆硬质相，改善堆焊金属耐磨性。

钼铁：渗合金，改善焊缝微观组织形态，提高堆焊金属强韧性。

钒铁：与碳结合形成碳化钒硬质相，提高堆焊金属耐磨性。

有益效果：本发明通过利用多元合金和石墨的恰当配比，进行联合脱氧保护。钛铁、铝粉、镁粉、硅铁、锰粉均起到脱氧作用，其中钛铁和铝粉还起到固氮效果。石墨的脱氧产物CO在熔池阶段强烈析出，引起熔池的沸腾，大大促进熔池中气体的析出，最终使之具有优异的抗气孔能力和较佳的韧性。本发明的超低气孔敏感性的堆焊用无渣自保护药芯焊丝能够用于工作在耐强烈磨损、耐一定冲击条件下的易污工件的修复焊接，在实时在线修复时，免除清除油污工艺，降低生产成本。

具体实施方式

下述实施例中，所用的高铬铸铁含碳量为9～10wt％，含铬量为60～70wt％，其余为铁；钛铁含钛量为28～32wt％，其余为铁；硅铁含硅量为72～80wt％，其余为铁；硼铁含硼量为19～25wt％，其余为铁；锆铁含锆量为40～60wt％，其余为铁；钼铁含钼量为65～75wt％，其余为铁；所钒铁含钒量为35～50wt％，其余为铁。

实施例1

一种超低气孔敏感性的堆焊用无渣自保护药芯焊丝，其药芯成分按以下质量进行配制：40g的高碳铬铁、8g的锰粉、1g的钛铁、9g的石墨、6g的铝粉、6g的镁粉、2g的硅铁、2g的硼铁、4g的锆铁、8g的钼铁、4g的钒铁、10g铁粉，共100g粉末。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48％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其顺次通过直径为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的焊丝产品。焊接电流为280～400A，焊接电压为28～36V，焊接速度为2.4m/min，度控制在150～250℃，堆焊3层。石墨的脱氧产物CO在熔池阶段强烈析出引起熔池的沸腾，大大促进气体的析出。焊道表面无渣，无气孔，无裂纹。焊丝制成后即焊或空气中放置3个月焊，在母材表面不铺铁锈和匀涂铁锈(铁锈厚度1mm)的两种情况下，焊道表面和内部均无气孔，具有超低气孔敏感性。堆焊金属气孔敏感性及耐磨性见表1。

实施例2

一种超低气孔敏感性的堆焊用无渣自保护药芯焊丝，其药芯成分按以下质量进行配制：46g的高碳铬铁、7g的锰粉、2g的钛铁、15g的石墨、5g的铝粉、5g的镁粉、3g的硅铁、5g的硼铁、2g的锆铁、6g的钼铁、3g的钒铁、1g铁粉。共100g粉末。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47％。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的焊丝产品。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。石墨的脱氧产物CO在熔池阶段强烈析出引起熔池的沸腾，大大促进气体的析出。焊道表面无渣，无气孔，无裂纹。焊丝制成后即焊或空气中放置3个月焊，在母材表面不铺铁锈和匀涂铁锈(铁锈厚度1mm)的两种情况下，焊道表面和内部均无气孔，具有超低气孔敏感性。堆焊金属气孔敏感性及耐磨性见表1。

实施例3

一种超低气孔敏感性的堆焊用无渣自保护药芯焊丝，其药芯成分按以下质量进行配制：48g的高碳铬铁、6g的锰粉、3g的钛铁、10g的石墨、5g的铝粉、4g的镁粉、4g的硅铁、3g的硼铁、3g的锆铁、4g的钼铁、3g的钒铁、7g铁粉。共100g粉末。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50％。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的焊丝产品。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。石墨的脱氧产物CO在熔池阶段强烈析出引起熔池的沸腾，大大促进气体的析出。焊道表面无渣，无气孔，无裂纹。焊丝制成后即焊或空气中放置3个月焊，在母材表面不铺铁锈和匀涂铁锈(铁锈厚度1mm)的两种情况下，焊道表面和内部均无气孔，具有超低气孔敏感性。堆焊金属气孔敏感性及耐磨性见表1。

实施例4

一种超低气孔敏感性的堆焊用无渣自保护药芯焊丝，其药芯成分按以下质量进行配制：52g的高碳铬铁、6g的锰粉、2g的钛铁、12g的石墨、4g的铝粉、5g的镁粉、6g的硅铁、4g的硼铁、1g的锆铁、5g的钼铁、2g的钒铁、1g铁粉。共100g粉末。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的焊丝产品。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。石墨的脱氧产物CO在熔池阶段强烈析出引起熔池的沸腾，大大促进气体的析出。焊道表面无渣，无气孔，无裂纹。焊丝制成后即焊或空气中放置3个月焊，在母材表面不铺铁锈和匀涂铁锈(铁锈厚度1mm)的两种情况下，焊道表面和内部均无气孔，具有超低气孔敏感性。堆焊金属气孔敏感性及耐磨性见表1。

实施例5

一种超低气孔敏感性的堆焊用无渣自保护药芯焊丝，其药芯成分按以下质量进行配制：57g的高碳铬铁、4g的锰粉、2g的钛铁、10g的石墨、3g的铝粉、3g的镁粉、4g的硅铁、1g的硼铁、2g的锆铁、3g的钼铁、2g的钒铁、9g铁粉。共100g粉末。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50％。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的焊丝产品。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。石墨的脱氧产物CO在熔池阶段强烈析出引起熔池的沸腾，大大促进气体的析出。焊道表面无渣，无气孔，无裂纹。焊丝制成后即焊或空气中放置3个月焊，在母材表面不铺铁锈和匀涂铁锈(铁锈厚度1mm)的两种情况下，焊道表面和内部均无气孔，具有超低气孔敏感性。堆焊金属气孔敏感性及耐磨性见表1。

实施例6

一种超低气孔敏感性的堆焊用无渣自保护药芯焊丝，其药芯成分按以下质量进行配制：60g的高碳铬铁、5g的锰粉、2g的钛铁、6g的石墨、4g的铝粉、4g的镁粉、5g的硅铁、2g的硼铁、2g的锆铁、2g的钼铁、2g的钒铁、6g铁粉。共100g粉末。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的焊丝产品。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。石墨的脱氧产物CO在熔池阶段强烈析出引起熔池的沸腾，大大促进气体的析出。焊道表面无渣，无气孔，无裂纹。焊丝制成后即焊或空气中放置3个月焊，在母材表面不铺铁锈和匀涂铁锈(铁锈厚度1mm)的两种情况下，焊道表面和内部均无气孔，具有超低气孔敏感性。堆焊金属气孔敏感性及耐磨性见表1。

其中，表1所测量硬度采用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。

依据气孔数目评价焊丝的气孔敏感性。通过肉眼观察每15cm焊道表面上的气孔数量，记为表面气孔数量。利用手持砂轮机对焊道逐层打磨，观察焊道内部气孔数量，记为内部气孔数量。

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。

对比例所用自保护药芯焊丝按以下质量进行配制：62g的高碳铬铁、4g的锰粉、2g的铝粉、2g的镁粉、1g的硅铁、29g铁粉，共100g粉末。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54％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其顺次通过直径为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的焊丝产品。焊接电流为280～400A，焊接电压为28～36V，焊接速度为2.4m/min，度控制在150～250℃，堆焊3层。焊道表面无裂纹。焊丝制成后即焊或空气中放置3个月焊，在母材表面不铺铁锈和匀涂铁锈(铁锈厚度1mm)的两种情况下，焊道表面和内部均无气孔，具有超低气孔敏感性。其堆焊金属气孔敏感性及耐磨性见表1。

表1各实施例堆焊金属气孔敏感性与耐磨性

Claims (7)

1.一种超低气孔敏感性的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，所述的药芯包含如下质量百分数的组分：40～60％的高碳铬铁、4～8％的锰粉、1～3％的钛铁、6～15％的石墨、3～6％的铝粉、3～6％的镁粉、2～6％的硅铁、1～5％的硼铁、1～4％的锆铁、2～8％的钼铁以及2～4％的钒铁，余量为铁粉；且满足：11％≤高碳铬铁质量百分数×(9～10)％+石墨质量百分数≤19％，药芯占焊丝总重量的比例为47～52％。

2.根据权利要求1所述的超低气孔敏感性的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；所述的钛铁含钛量为28～32wt％，其余为铁；所述的硅铁含硅量为72～80wt％，其余为铁；所述的硼铁含硼量为19～25wt％，其余为铁；所述的锆铁含锆量为40～60wt％，其余为铁；所述的钼铁含钼量为65～75wt％，其余为铁；所述的钒铁含钒量为35～50wt％，其余为铁。

3.根据权利要求1所述的超低气孔敏感性的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.根据权利要求1所述的超低气孔敏感性的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.根据权利要求1或4所述的超低气孔敏感性的堆焊用无渣自保护药芯焊丝，其特征在于，所述低碳钢带的厚度×宽度为0.3×16mm或0.4×18mm或0.5×21mm。

6.根据权利要求1所述的超低气孔敏感性的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所述的超低气孔敏感性的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配方量的药芯组分按焊丝总重的47～52％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。