CN104551444A - 冷轧辊用高硬度高抗裂性埋弧堆焊烧结焊剂及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷轧辊用高硬度高抗裂性埋弧堆焊烧结焊剂及制备方法，烧结焊剂组分质量百分比为：5％≤SiO₂≤12％，1％≤ZrO₂≤5％，8％≤Al₂O₃≤18％，1％≤MnO₂≤5％，3≤CaF₂≤14，5％≤MgO≤9％，1％≤SrCO₃≤4％，5％≤Cr₃C₂≤12％，2％≤NbC≤5％，1％≤Nd₂O₃≤3％，2％≤Y≤5％，2％≤C≤5％，3％≤Ni≤8％，6％≤Cr-Fe≤16％，5％≤Ti-Fe≤8％，1％≤V-Fe≤3％，1％≤B-Fe≤3％，1％≤Mn-Fe≤5％，2％≤Si-Fe≤5％，以上各组分的质量百分比总和为100％。在埋弧焊条件下，焊接工艺性能优良，焊前不预热，焊后不用缓冷，焊缝成型美观，脱渣性好，堆焊熔敷金属硬度大于60HRC，硬度分布均匀，没有裂纹，堆焊层金属抗裂性优良，冲击韧性大于12J。

Description

冷轧辊用高硬度高抗裂性埋弧堆焊烧结焊剂及制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种冷轧辊用高硬度高抗裂性埋弧堆焊烧结焊剂及制备方法。

背景技术

在现代钢铁工业生产中，冷轧辊作为轧机的关键部件，将对产品的质量以及轧机的生产效率起着重要的作用，冷轧辊的工作环境恶劣，受到压力的交变反复作用，将导致表面的软化和磨损。随着钢材产量的增加，轧辊的消耗量增加，如果破损的轧辊过早报废，则造成十分巨大的经济损失，目前轧辊的平均利用率低，如何最大限度的延长轧辊的使用寿命是当前急需解决的问题。国内外主要采用埋弧堆焊的方法对废旧的轧辊进行修复，但由于冷轧辊堆焊修复要求的堆焊熔敷金属硬度高，硬度均匀性好，而且要求其抗裂性高，强韧性好，抗疲劳能力强，技术难度非常大。现在采用高硬度的堆焊材料以高铬合金系统为主，虽然堆焊熔敷金属硬度高，但其脆性大，堆焊时极易开裂，仅适用于对裂纹及冲击韧性要求低的场合。经对现有技术的文献检索发现，专利号ZL200810224993.5公开了一份名称为“一种高碱度适合高硬度埋弧焊丝用烧结焊剂”专利文件，该焊剂的重量百分比组成为：24％≤MgO≤40％，16％≤Al₂O₃≤26％，24％≤CaF₂+CaO≤38％，1％≤BaCO₃≤8％，1％≤SiO₂≤8％，0.2％≤MnO₂≤3％，1％≤Si-Fe≤5％，1％≤Mn-Fe≤5％，0.3％≤Ca-Si≤2％，1％≤Na₃AlF₆≤5％，1％≤稀土硅铁≤6％，该焊剂焊接工艺性能优良，热态脱渣容易，电弧稳定，成形美观，无咬边、气孔和压痕等缺陷。专利号ZL200810057150.0公开了一份名称为“一种高碳高合金的埋弧自动堆焊焊剂”专利文件，焊剂的组成和配比按重量份为：氧化锰1～3份，二氧化硅4～5份，氟化钙40～50份，三氧化二铝25～35份，氧化钙3～5份，氧化锆3～4份，氟化钠4～5份，钼粉0.6～0.8份，铌粉1.0～1.2份，碳化铬4～6份，该焊剂是一种熔炼焊剂，焊接过程中电弧稳定，容易脱渣，焊缝成型美观，耐磨性能与抗冲击性好。

冷轧工作辊的表面硬度要求大于60HRC，而且要求其强韧性高，硬度均匀性好，抗裂能力高，如何解决高硬度和高抗裂性的匹配是很大的难题，因此，必须开发一种能够解决冷轧辊堆焊修复的高硬度高抗裂性能的埋弧堆焊烧结焊剂，满足钢铁工业的迫切需求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种冷轧辊用高硬度高抗裂性埋弧堆焊烧结焊剂及制备方法，该焊剂在埋弧焊接条件下，工艺性能优良，脱渣容易，焊缝成型美观，堆焊熔敷金属具有较高的硬度，抗裂性优良，冲击韧性高。

本发明采用如下技术方案：

本发明的焊剂组分质量百分比为：5％≤SiO₂≤12％，1％≤ZrO₂≤5％，8％≤Al₂O₃≤18％，1％≤MnO₂≤5％，3≤CaF₂≤14，5％≤MgO≤9％，1％≤SrCO₃≤4％，5％≤Cr₃C₂≤12％，2％≤NbC≤5％，1％≤Nd₂O₃≤3％，2％≤Y≤5％，2％≤C≤5％，3％≤Ni≤8％，6％≤Cr-Fe≤16％，5％≤Ti-Fe≤8％，1％≤V-Fe≤3％，1％≤B-Fe≤3％，1％≤Mn-Fe≤5％，2％≤Si-Fe≤5％，以上各组分的质量百分比总和为100％，所述Cr-Fe合金中，Cr的质量百分比为60％～70％，C的质量百分比为6％～9％，其余为Fe，所述Ti-Fe合金中，Ti的质量百分比为60％～70％，其余为Fe，所述V-Fe合金中，V的质量百分比为50％～60％，其余为Fe，所述B-Fe合金中，B的质量百分比为30％～40％，其余为Fe，所述Mn-Fe合金中，Mn的质量百分比为75％～85％，其余为Fe，所述Si-Fe合金中，Si的质量百分比为55％～65％，其余为Fe。

焊剂的制备方法，其步骤为：

第一步，把粉状材料按配方要求的比例混合，并在混料机内干混搅拌均匀，然后在干料中加入占干粉总质量16％～20％的粘结剂，进行湿混搅拌；

第二步，将湿拌后的药粉送入造粒机进行造粒，将粒状焊剂放入低温烘干炉内，加热到200℃～260℃并保温2～3小时，然后将烘干后的焊剂放入高温电阻炉内高温烧结，加热到800℃～900℃并保温2～3小时；

第三步，将高温烧结的焊剂依次通过10目和40目的筛子筛选，使得粒度控制在10～40目之间，从而获得烧结焊剂。

为了解决堆焊熔敷金属高硬度和高抗裂性这一对难以调和的矛盾，本发明采用了一种综合性的创新设计方法，一方面，通过加入Cr₃C₂、C、B、Cr、Ti等组分形成各种碳化物、硼化物及复合碳化物，均匀分布在基体中，形成熔敷金属的骨架，使得熔敷金属具有极高的硬度和耐磨性；另一方面，加入稀土金属Y、稀土金属氧化物Nd₂O₃及合金元素V、Ti、Ni等，能够净化熔敷金属，降低熔敷金属扩散氢含量，细化晶粒，改善基体组织，使基体组织形成马氏体+残余奥氏体，显著提高熔敷金属的抗开裂性。

本焊剂的组分众多，各种氧化物、碳化物及合金元素等之间存在非常复杂的交互作用，影响合金元素的过渡及熔渣的特性等，本发明根据组分的作用，采用有约束的配方均匀设计对主要组分进行优化设计，配方成分分析如下：

SiO₂主要作用是造渣，调整熔渣高温物理性能，降低熔渣的碱度及表面张力，改善焊缝成形，但会导致冲击韧性下降。

ZrO₂为弱酸性氧化物，对焊缝金属的氧化较少，有利于提高焊缝金属的冲击韧性，提高焊剂熔点，调整熔渣的高温物理性能。

Al₂O₃主要作用是造渣，调整熔渣的粘度及碱度，增大熔渣表面张力。

MnO₂主要是调整熔渣碱度、脱硫及弥补焊接过程中烧损的锰等。

CaF₂具有提高熔渣碱度，降低熔渣熔点、粘度和表面张力，改善流动性的作用，并可有效地降低熔敷金属中扩散氢的含量，但加入过多不利于电弧稳定。

MgO主要起造渣、降低S和P作用，提高熔渣碱度、熔点、粘度和表面张力，降低扩散氢含量，提高焊缝金属的冲击韧性。

SrCO₃焊接时分解出SrO和CO₂，SrO是一种碱性氧化物，能提高脱硫磷等杂质的能力，产生的CO₂气体能降低焊缝金属扩散氢含量，提高焊缝金属冲击韧性，但含量过多，产生的气体使焊接过程不稳定，焊缝成型变差。

Cr₃C₂主要以碳化铬的形式向熔敷金属提供碳和铬，提高熔敷金属的硬度和耐磨性。

NbC主要起到提高熔敷金属的硬度和耐磨性作用。

Nd₂O₃具有改善熔敷金属的组织、细化晶粒、改变夹杂物的形态、大小和分布，提高熔敷金属的冲击韧性作用。

重稀土Y具有细化晶粒，提高熔敷金属的硬度和耐磨性作用，同时在焊缝金属中起到脱S、P、O等净化作用，降低熔敷金属扩散氢含量，改善夹杂物形态，提高熔敷金属冲击韧性。

C主要与合金元素反应生成碳化物，提高熔敷金属硬度和耐磨性，影响基体组织以及焊接工艺性能，但加入过多导致熔敷金属抗裂性下降，容易开裂。

Ni是奥氏体形成元素，主要起到改善冲击韧性作用，随Ni含量的提高，残余奥氏体增多，熔敷金属的硬度降低，

Cr-Fe、Ti-Fe、V-Fe合金中的Cr、Ti、V能够提高钢的淬透性，与C形成碳化物及复合碳化物，增加熔敷金属的硬度和耐磨性，Ti-Fe合金中的Ti还与O结合形成TiO₂，具有脱氧和细化晶粒作用，有利于提高冲击韧性。

B-Fe中的B提高钢的淬透性，与多种合金元素成硬质硼化物或复合碳化物相，增加了硬质相的数量，提高了硬度和耐磨，但是加入过多，导致抗裂性能下降。

Mn-Fe和Si-Fe主要起到联合脱氧的作用，Mn还具有脱S作用。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

(1)该焊剂在埋弧焊接条件下，焊接工艺性能优良，焊前不预热，焊后不用缓冷，焊缝成型美观，脱渣性好。

(2)堆焊熔敷金属具有较高的硬度和抗裂性，熔敷金属硬度大于60HRC，硬度分布均匀，没有裂纹，堆焊熔敷金属抗裂性优良，冲击韧性大于12J。

附图说明

图1是采用本焊剂进行埋弧堆焊获得的熔敷金属金相组织。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例l：

第一步，按照质量百分比，分别称取5％的SiO₂，5％的ZrO₂，16％的Al₂O₃，4％的MnO₂，3％的CaF₂，9％的MgO，4％的SrCO₃，5％的Cr₃C₂，2％的NbC，3％的Nd₂O₃，3％的Y，5％的C，5％的Ni，16％的Cr-Fe，5％的Ti-Fe，1％的V-Fe，1％的B-Fe，5％的Mn-Fe，3％的Si-Fe，并在混料机内干混搅拌均匀，然后在干料中加入占干粉总质量16％的粘结剂，进行湿混搅拌；

第二步，将湿拌后的药粉送入造粒机进行造粒，将粒状焊剂放入低温烘干炉内，加热到240℃并保2.5小时，然后将烘干后的焊剂放入高温电阻炉内高温烧结，加热到850℃并保温2.5小时；

第三步，将高温烧结的焊剂依次通过10目和40目的筛子筛选，使得粒度控制在10～40目之间，从而获得烧结焊剂。

焊接工艺参数如下表所示：

电流(A)	电压(V)	焊丝直径(mm)	焊丝伸出长度(mm)	焊接速度(m/min)
					650	36	4.0	32	0.8

熔敷金属主要力学性能如下表所示：

实施例2：

第一步，按照质量百分比，分别称取12％的SiO₂，l％的ZrO₂，8％的Al₂O₃，5％的MnO₂，12％的CaF₂，8％的MgO，2％的SrCO₃，12％的Cr₃C₂，4％的NbC，1％的Nd₂O₃，5％的Y，2％的C，3％的Ni，6％的Cr-Fe，8％的Ti-Fe，2％的V-Fe，3％的B-Fe，1％的Mn-Fe，5％的Si-Fe，并在混料机内干混搅拌均匀，然后在干料中加入占干粉总质量18％的粘结剂，进行湿混搅拌；

第二步，将湿拌后的药粉送入造粒机进行造粒，将粒状焊剂放入低温烘干炉内，加热到260℃并保温2小时，然后将烘干后的焊剂放入高温电阻炉内高温烧结，加热到800℃并保温3小时；

第三步，将高温烧结的焊剂依次通过10目和40目的筛子筛选，使得粒度控制在10～40目之间，从而获得烧结焊剂。

焊接工艺参数如下表所示：

电流(A)	电压(V)	焊丝直径(mm)	焊丝伸出长度(mm)	焊接速度(m/min)
					550	32	5.0	40	0.7

熔敷金属主要力学性能如下表所示：

实施例3：

第一步，按照质量百分比，分别称取7％的SiO₂，3％的ZrO₂，18％的Al₂O₃，1％的MnO₂，14％的CaF₂，5％的MgO，1％的SrCO₃，8％的Cr₃C₂，5％的NbC，2％的Nd₂O₃，2％的Y，3％的C，8％的Ni，8％的Cr-Fe，6％的Ti-Fe，3％的V-Fe，2％的B-Fe，2％的Mn-Fe，2％的Si-Fe，并在混料机内干混搅拌均匀，然后在干料中加入占干粉总质量20％的粘结剂，进行湿混搅拌；

第二步，将湿拌后的药粉送入造粒机进行造粒，将粒状焊剂放入低温烘干炉内，加热到200℃并保温3小时，然后将烘干后的焊剂放入高温电阻炉内高温烧结，加热到900℃并保温2小时；

第三步，将高温烧结的焊剂依次通过10目和40目的筛子筛选，使得粒度控制在10～40目之间，从而获得烧结焊剂。

焊接工艺参数如下表所示：

电流(A)	电压(V)	焊丝直径(mm)	焊丝伸出长度(mm)	焊接速度(m/min)
					600	34	4.0	32	0.75

熔敷金属主要力学性能如下表所示：

Claims (4)

1.冷轧辊用高硬度高抗裂性埋弧堆焊烧结焊剂及制备方法，其特征在于，烧结焊剂组分质量百分比为：5％≤SiO₂≤12％，1％≤ZrO₂≤5％，8％≤Al₂O₃≤18％，1％≤MnO₂≤5％，3≤CaF₂≤14，5％≤MgO≤9％，1％≤SrCO₃≤4％，5％≤Cr₃C₂≤12％，2％≤NbC≤5％，1％≤Nd₂O₃≤3％，2％≤Y≤5％，2％≤C≤5％，3％≤Ni≤8％，6％≤Cr-Fe≤16％，5％≤Ti-Fe≤8％，1％≤V-Fe≤3％，1％≤B-Fe≤3％，1％≤Mn-Fe≤5％，2％≤Si-Fe≤5％，以上各组分的质量百分比总和为100％。

2.根据权利要求1所述的烧结焊剂，其特征在于，所述Cr-Fe合金中，Cr的质量百分比为60％～70％，C的质量百分比为6％～9％，其余为Fe，所述Ti-Fe合金中，Ti的质量百分比为60％～70％，其余为Fe，所述V-Fe合金中，V的质量百分比为50％～60％，其余为Fe，所述B-Fe合金中，B的质量百分比为30％～40％，其余为Fe，所述Mn-Fe合金中，Mn的质量百分比为75％～85％，其余为Fe，所述Si-Fe合金中，Si的质量百分比为55％～65％，其余为Fe。

3.根据权利要求1所述烧结焊剂的制备方法，其特征在于，按照以下步骤制备：

第一步，把粉状材料按配方要求的比例混合，并在混料机内干混搅拌均匀，然后在干料中加入占干粉总质量16％～20％的粘结剂，进行湿混搅拌；

第二步，将湿拌后的药粉送入造粒机进行造粒，将粒状焊剂放入低温烘干炉内，加热到200℃～260℃并保温2～3小时，然后将烘干后的焊剂放入高温电阻炉内高温烧结，加热到800℃～900℃并保温2～3小时；

第三步，将高温烧结的焊剂依次通过10目和40目的筛子筛选，使得粒度控制在10～40目之间，从而获得烧结焊剂。

4.根据权利要求3所述烧结焊剂的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为钾钠水玻璃，模数为2.4～2.7，钾钠质量比为3∶1。