CN103949794A - 一种含超细碳化物硬质相的铁基耐磨堆焊药芯焊丝 - Google Patents

一种含超细碳化物硬质相的铁基耐磨堆焊药芯焊丝 Download PDF

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Abstract

一种含超细碳化物硬质相的耐磨堆焊药芯焊丝，属于焊接材料领域。采用不锈钢钢带包裹金属粉末，焊丝各元素成分范围如下：Cr:8.6-20.2wt.%；B:1.2-4.1wt.%；Nb:0.5-2.4wt.%；C:0.47-1.9wt.%；Mn:1.86-2.9wt.%；Si:1.5-2.5wt.%；Fe:余量。药芯焊丝填充率：22-27%。采用二氧化碳气保焊制备堆焊合金，焊接工艺参数为：焊接电流180-230A；电压22-28V；送丝速度：420-480mm/min；气体流速：17-22L/min；焊丝伸出导电嘴的长度：15-28mm。本发明的焊丝合金硬度达到66HRC，且合金具有良好的韧性和硬度的匹配，提高了耐磨性，尤其是冲击工况下的耐磨性优异。堆焊工艺性好，焊接过程中无裂纹产生，焊缝成形美观。

Description

一种含超细碳化物硬质相的铁基耐磨堆焊药芯焊丝
技术领域
本发明属于材料加工焊接材料技术领域，涉及一种含超细碳化物硬质相的耐磨堆焊药芯焊丝，可以广泛的用于工程机械，水泥，电力，冶金等行业的机械耐磨件的修复与制造 
背景技术
磨损是造成机械失效的主要原因之一，其中磨粒磨损占到50%以上。在现代工业和技术发展中，机械设备及其零件在使用中对材料耐磨损性的要求越来越高，使用寿命越来越成为影响现代设备生产效率的重要因素。据统计，世界工业发达国家约30%的能源是以不同形式消耗在磨损上的，近年来我国每年消耗金属耐磨材料约达300万吨以上，各行业也已陆续进口了高达1000亿美元的设备部件。 
堆焊合金的耐磨性取决于基体及其所复合的硬质相的尺寸、形态、分布及其化学成分，耐磨性一般情况下两个因素决定，一是堆焊合金的整体硬度，另一个是堆焊合金的韧性。将硬度和韧性两个因素进行最佳的匹配，是耐磨堆焊合金研究的重点。在一般情况下，通过在基体上复合硬质相，可以作为提高堆焊合金韧性和硬度的手段，研究表明，在一般的情况下细颗粒的硬质相有利于增加合金的耐磨性，能有效地防止堆焊合金开裂，提高合金的韧性。特别是当硬质相为细小的球形时，硬质相对基体的割裂作用很低，可以较大程度的提高合金的韧性，另外，硬质相的分布状态对合金的耐磨性也有很大的影响。当硬质相聚集生长时，容易产生应力集中，使硬质相在磨损的过程中产生剥落，而当硬质相弥散的分布于合金的基体时，产生的应力集中特别小，而且硬质相会形成耐磨骨架，对基体起到有效的保护作用。 
目前，广泛使用的耐磨堆焊药芯焊丝主要是以高铬铁基合金或者高高硼铁基合金为主的药芯焊丝，这类堆焊材料通过加入大量的铬元素或者硼元 素，形成大量的Cr7C3硬质相或者Fe2B硬质相来提高耐磨耐磨性，这一类硬质相尺寸很大，会对机体造成割裂，而且脆性较大，虽然硬度很高，但是韧性太差，由于其硬度和韧性的匹配不良好造成其耐磨性较差，尤其是在冲击磨损得工况下，硬质相大量剥落从而使耐磨性大打折扣。由于含细小弥散的硬质相的堆焊合金具有良好的韧性和硬度匹配，耐磨性最佳，可以明显地克服以上堆焊合金存在的缺点。因此，研究一种含有超细且在基体中弥散分布的硬质相的堆焊合金。并且找到其硬度和韧性具有最佳匹配的堆焊合金元素成分范围，对开发高耐磨性的合金体系，具有重要的作用。 
发明内容
本发明的目的在于在堆焊合金中形成复合的碳化物硬质相作为耐磨骨架，其中超细硬质相碳化铌的尺寸达到了亚微米级，均匀弥散的分布于基体和高硬度的碳硼化合物之上，减少了对基体的割裂，有利于提高堆焊合金的韧性和抗裂性，大大提高了堆焊合金的耐磨性 
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案。 
一种含超细碳化物硬质相的铁基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，焊丝各元素成分范围如下：Cr:8.6-20.2wt.%；B:1.2-4.1wt.%；Nb:0.5-2.4wt.%；C:0.47-1.9wt.%；Mn:1.86-2.9wt.%；Si:1.5-2.5wt.%；Fe:余量。 
所述的药芯粉末包括：高碳铬铁、碳化硼粉末、铌铁粉末、电解锰粉、碳化硅粉末、硅铁粉末、金属铁粉。药芯焊丝外皮带材为304L不锈钢带，药芯焊丝填充率：22-27%。 
优选所述药芯焊丝各元素质量百分含量，焊丝各元素成分范围如下：Cr:9.7-19.6wt.%；B:1.55-3.55wt.%；Nb：0.75-2.7wt.%;C:0.7-1.76wt.%；Mn:1.86-2.9wt.%；Si:1.5-2.5wt.%；Fe:余量。其中各种粉作用如下： 
高碳铬铁：向焊缝金属过渡铬元素和碳元素，铬元素可显著提高堆焊合金的淬透性，产生固溶强化。在铁铬合金中，铬含量增加，合金中硬质相会增加，合金相对耐磨性及耐腐蚀性能提高。但含铬量过高，有生成脆性σ相降低韧性的倾向。因此本发明设计堆焊合金中Cr含量为8.2-19.2wt.%。碳元 素在堆焊材料中是重要的强化元素，其可以和Nb元素形成细小弥散的碳化铌硬质相，使合金的韧性和抗裂性得到很大的改善，也会和B元素形成大量的碳硼化合物，增强合金的硬度和强度。而且，碳原子本身具有间隙固溶强化的作用；但碳含量过高会使堆焊合金脆性变大，使材料的冲击韧度下降，导致在磨损过程中的开裂和脱落。因此本发明设计堆焊合金中C含量为C:0.4-1.6wt.%。 
碳化硼，硼铁：向焊缝金属过渡硼元素，主要是为了形成组织细密，硬度较高的碳硼化合物，从而提高堆焊合金的耐磨性。堆焊合金硬度和相对耐磨性会随着硼含量的增加而提高，但硼元素含量太高会形成脆性较大的Fe2B相，对合金的韧性极为不利，从而降低合金耐磨性，因此本发明设计堆焊合金中硼含量为B:1.1-3.7wt.%。 
铌铁：向焊缝金属过渡铌元素，形成的亚微米级尺寸的球状碳化铌，其硬度高且能有效细化晶粒。是一种理想的硬质相，不过当Nb含量过高的时候，会形成尺寸较大，形状不规则，带有尖锐棱角的的碳化铌硬质相，并且这些大尺寸的硬质相还会在合金组织中发生偏聚，在碳化铌的顶角处容易产生应力集中，产生细小的裂纹，降低合金的韧性，从而使合金耐磨性下降，因此本发明设计堆焊合金中铌含量为0.6-2.2wt.% 
电解锰粉，碳化硅，硅铁：利用锰硅联合脱氧，提高元素过渡系数。 
还原铁粉：填补余量。 
本发明含超细碳化物硬质相的铁基堆焊药芯焊丝的制备方法包括以下步骤：将不锈钢带轧制成U形槽，再向U形槽中加入占本发明药芯焊丝总重22～27%的混合药芯粉末；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。 
含超细碳化物硬质相的铁基堆焊合金采用二氧化碳气体保护焊工艺制备，其工艺参数如下：焊接电流180-230A；电压22-28V；送丝速度：420-480mm/min；气体流速：17-22L/min；焊丝伸出导电嘴的长度：15-28mm。 
制备的堆焊合金，其特征在于，堆焊合金中各元素的含量在如下范围内：Cr:8.2-19.2wt.%；B:1.1-3.7wt.%；Nb:0.4-2.2wt.%；C:0.4-1.6wt.%；Mn:1.5-2.3wt.%；Si:1.2-2.0wt.%；Fe:余量。 
进一步，制备的堆焊合金，其特征在于，堆焊合金中各元素的含量在如下范围内：Cr:9.2-18.6wt.%；B:1.4-3.2wt.%；Nb：0.6-2.2wt.%C:0.6-1.5wt.%；Mn:1.5-2.3wt.%；Si:1.2-2.0wt.%；Fe:余量。 
与现有材料相比，本发明的优点是： 
1，采用本发明药芯焊丝堆焊的合金组织均匀细密，形成的大量的尺度为亚微米级的NbC硬质相，NbC硬质相均匀弥散的分布于基体中，起到了耐磨骨架的作用，且由于其尺寸很小，将会减少硬质相对基体的割裂作用。其几何形状为球形，不会与基体产生明显的应力集中。在磨损造成微裂纹萌生和扩展时，细小硬质相会对裂纹的扩展起到阻碍的作用。提高合金的抗裂性。硼元素和碳元素结合形成了分布均匀且尺寸很小的碳硼化合物，避免形成脆性较大的Fe2B脆性相，极大的降低了合金的脆性，使得合金的韧性大大增加，堆焊合金达到了硬度和韧性的最佳的匹配状态。其硬度达到66HRC，且焊后以及后期的磨损试验过程中无任何裂纹产生。 
2，堆焊工艺性好：无需焊前预热、焊后缓冷，堆焊后耐磨带不出现裂纹， 
并且焊接过程中飞溅小，焊缝成形美观。 
附图说明
图1：本发明含超细碳化物硬质相的铁基堆焊药芯焊丝堆焊焊缝形貌图 
图2：实施例7中堆焊熔敷金属EBSD图 
图3：实施例7堆焊熔敷金属XRD图 
具体实施方式
本发明的药芯焊丝不受上述实例的限制，任何在本发明的权利要求书要求保护的范围内的改进和变化都在本发明的保护范围之内。 
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，本发明决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： 
1、实施例中药芯焊丝外皮选用规格为12×0.3mm（宽度为12mm，厚度为0.3mm）的304L不锈钢带，高碳铬铁粉末、碳化硼粉末、铌铁粉末、电解锰粉、碳化硅粉末、硅铁粉末、金属铁粉配制成混合粉末，所选粉末分别过60目筛子，将混合粉末放入混粉机内混合40分钟，然后将其加入轧制为U形304L不锈钢带槽中，填充率为22-27%，将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为3.0mm、2.8mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.6mm。 
2、焊丝堆焊过程中将工艺参数均设定为：电压：22-28V；电流：180-230A；送丝速度：420-480mm/min；气体流速：17-22L/min；焊丝伸出导电嘴的长度：15-28mm。 
具体实施例如下： 
1、一种含超细碳化物硬质相的铁基耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr:19%；B:3.9%；Nb：2.75%；C:1.9%；Mn：2.75%；Si：2.5%；Fe：余量。药芯焊丝填充率：25%。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压28V；电流230A；送丝速度480mm/min；气体流速22L/min；焊丝伸出导电嘴的距离28mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr:18wt.%;B:3.5wt.%;Nb:2.2wt.%;C:1.6wt.%;Mn：2.2wt.%；Si：2.0wt.%；Fe：余量。 
2、一种含超细碳化物硬质相的铁基耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr:16.8%；B:3.1%；Nb：2.25%；C:1.4%；Mn：2.25%；Si：2.0%；Fe：余量。药芯焊丝填充率：25%。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压27V；电流220A；送丝速度460mm/min；气体流速20L/min；焊丝伸出导电嘴的距离26mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr:16wt.%; B:2.8wt.%;Nb:1.8wt.%;C:1.2wt.%;Mn：1.8wt.%；Si：1.6wt.%；Fe：余量。 
3、一种含超细碳化物硬质相的铁基耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr:14.7%；B:1.67%；Nb：1.75%；C:0.95%；Mn：1.88%；Si：1.5%；Fe余量。药芯焊丝填充率：25%。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压26V；电流230A；送丝速度450mm/min；气体流速18L/min；焊丝伸出导电嘴的距离24mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr:14wt.%;B:1.5wt.%;Nb:1.4wt.%;C:0.8wt.%;Mn：1.5wt.%；Si：1.2wt.%；Fe：余量。 
4、一种含超细碳化物硬质相的铁基耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr:13.7%；B:1.22%；Nb：1.0%；C:0.7%；Mn：2.0%；Si：1.75%；Fe余量。药芯焊丝填充率：25%。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压25V；电流210A；送丝速度430mm/min；气体流速17L/min；焊丝伸出导电嘴的距离22mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr:13wt.%;B:1.1wt.%;Nb:0.8wt.%;C:0.6%;Mn：1.6wt.%；Si：1.4wt.%；Fe：余量。 
5、一种含超细碳化物硬质相的铁基耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr:12.6%；B:1.56%；Nb：1.13%；C:0.94%；Mn：2.38%；Si：2.0%；Fe余量。药芯焊丝填充率：25%。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压24V；电流230A；送丝速度420mm/min；气体流速19L/min；焊丝伸出导电嘴的距离20mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr:12wt.%;B:1.4wt.%;Nb:0.9wt.%;C:0.8wt.%;Mn：1.9wt.%；Si：1.5wt.%；Fe：余量。 
6、一种含超细碳化物硬质相的铁基耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr:13.7%；B:1.78%；Nb：1.63%；C:1.4%；Mn：2.5%；Si：2.0%；Fe余量。药芯焊丝填充率：25%。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压23V；电流190A；送丝速度450mm/min；气体流速21L/min；焊丝伸出导电嘴的距离18mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr:13wt.%; B:1.6wt.%;Nb:1.3wt.%;C:1.2wt.%;Mn：2.0wt.%；Si：1.6wt.%；Fe：余量。 
7、一种含超细碳化物硬质相的铁基耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr:15.8%；B:2.22%；Nb：1.86%；C:1.65%；Mn：2.75%；Si：2.13%；Fe余量。药芯焊丝填充率：25%。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压22V；电流180A；送丝速度470mm/min；气体流速22L/min；焊丝伸出导电嘴的距离16mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr:15wt.%;B:2.0wt.%;Nb:1.5wt.%;C:1.4wt.%;Mn：2.2wt.%；Si：1.7wt.%；Fe：余量。 
8、一种含超细碳化物硬质相的铁基耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为：Cr:16.8%；B:2.56%；Nb：2.13%；C:1.76%；Mn：2.86%；Si：2.25%；Fe余量。药芯焊丝填充率：25%。采用二氧化碳气体保护焊的焊接工艺参数为：电压25V；电流200A；送丝速度460mm/min；气体流速18L/min；焊丝伸出导电嘴的距离15mm。采用上述工艺制备的堆焊合金成分为：Cr:16wt.%;B:2.3wt.%;Nb:1.7wt.%;C:1.5wt.%;Mn：2.3wt.%；Si：1.8wt.%；Fe：余量。 
其中以实施例7最好。 
对实例堆焊合金熔敷金属硬度测试如下： 
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、抗裂性实验，测试结果如下表1所示。 
采用HR-150A洛氏硬度机测定硬度值，载荷为150kg，对熔敷金属取十点打硬度，最后得到该药芯焊丝堆焊层的平均洛氏硬度值。 
耐磨性实验采用MLS-225型湿砂橡胶轮式磨粒磨损试验机进行。磨损试样尺寸为57×25.5×12mm，试验参数如下：橡胶轮转速：240r/min；橡胶轮直径：178mm；橡胶轮硬度：60(邵尔硬度)；载荷100N；橡胶轮转数：预磨1000转、精磨3000转、磨料：粒度40-70目石英砂。材料耐磨性能用磨损的失重量来衡量。实验用45#淬火钢作为对比，对比件失重量与测量件失重量之比作为该配方的相对耐磨性。
抗裂性试验时，在保证焊前不预热，焊后不进行热处理的前提下，在Q235钢板上连续堆焊3层，焊完后观测焊道表面，用砂轮打磨平整后再用着色探伤技术观察焊道上的裂纹情况。 
表1实施例1-8熔敷金属的硬度、相对耐磨性和抗裂性 

Claims (6)

1.一种含超细碳化物硬质相的铁基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，焊丝各元素成分范围如下：Cr:8.6-20.2wt.%；B:1.2-4.1wt.%；Nb:0.5-2.4wt.%；C:0.47-1.9t.%；Mn:1.86-2.9wt.%；Si:1.5-2.5wt.%；Fe:余量。
2.按照权利要求1的含超细碳化物硬质相的铁基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，焊丝各元素成分范围如下：Cr:9.7-19.6wt.%；B:1.55-3.55wt.%；Nb：0.75-2.7wt.%;C:0.7-1.76wt.%；Mn:1.86-2.9wt.%；Si:1.5-2.5wt.%；Fe:余量。
3.按照权利要求1或2的含超细碳化物硬质相的铁基耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，药芯包括：高碳铬铁、碳化硼粉末、铌铁粉末、电解锰粉，碳化硅粉末；硅铁粉末和金属铁粉；药芯焊丝外皮带材为304L不锈钢带，药芯焊丝填充率：22-27%。
4.采用权利要求1的药芯焊丝制备一种含碳硼化合物硬质相和超细碳化铌硬质相复合强化的铁基耐磨堆焊合金的方法，其特征在于：采用二氧化碳气保焊制备堆焊合金工艺，焊接工艺参数为：电压22-28V；电流180-230A；送丝速度：420-480mm/min；气体流速：17-22L/min；焊丝伸出导电嘴的距离：15-28mm。
5.按照权利要求4的方法制备的堆焊合金，其特征在于，堆焊合金中各元素的含量在如下范围内：Cr:8.2-19.2wt.%；B:1.1-3.7wt.%；Nb:0.4-2.2wt.%；C:0.4-1.6wt.%；Mn:1.5-2.3wt.%；Si:1.2-2.0wt.%；Fe:余量。
6.按照权利要求4的方法制备的堆焊合金，其特征在于，堆焊合金中各元素的含量在如下范围内：Cr:9.2-18.6wt.%；B:1.4-3.2wt.%；Nb：0.6-2.2wt.%C:0.6-1.5wt.%；Mn:1.5-2.3wt.%；Si:1.2-2.0wt.%；Fe:余量。
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