CN104959746A - 一种挤压辊再制造用自保护药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挤压辊再制造用自保护药芯焊丝，以低碳钢带为外皮，药芯成分按质量百分比为：高碳铬铁20～40%，碳化铬20～40％，钼铁5～20%，钒铁1～10%，铌铁1～5%，石墨1～5%，铝镁1～5%；电解锰1～4%，硅铁1～4%，硼铁1～4%，配重比在44～52%之间。本发明焊丝制备的堆焊合金硬度达到HRC60，裂纹细小均匀，耐磨性好，具有出色的抗冲击性能，适合应用于水泥厂挤压辊再制造过程中作为工作层使用。

Description

一种挤压辊再制造用自保护药芯焊丝

技术领域

本发明涉及一种挤压辊再制造用自保护药芯焊丝，属于再制造用材料领域。

背景技术

再制造作为绿色制造的重要组成，以废旧机电产品零部件为毛坯，通过先进的表面工程技术实现产品的质量和性能的恢复，是解决我国目前面临的资源、能源短缺和环境污染问题的最有效技术途径之一，这已经得到国家、制造业和广大民众的广泛认同。

辊压机是一种脆性物料的粉磨设备，适用于粉磨水泥熟料、粒状高炉矿渣、水泥原料、石膏、煤、石英砂和铁矿石等，在各个领域应用广泛，尤其水泥行业使用量巨大。其重要的部件为挤压辊，加工物料的种类不同，挤压辊的寿命也不同，从4000～8000h不等。从辊压机的工作状况可知，挤压辊的失效机理是辊面的高应力磨料磨损和辊面亚表层的疲劳磨损共同作用的结果。每年因磨损失效的挤压辊数量庞大，如果能够通过再制造技术恢复其使用性能，将使水泥行业每年节约资金数十亿元。

挤压辊再制造成功的关键在于新材料和新工艺的研制成功。由于挤压辊体积大，单次维修量大，故采用堆焊技术是经济可行的技术方案之一。但目前市场上成熟的药芯焊丝由于采用单一元素强化，往往出现成分偏析，导致堆焊层性能均一性欠佳，挤压辊的寿命受到影响。若能将多元素强化的合金体系引入到挤压辊再制造领域中，将大大提高再制造挤压辊的性能稳定性和延长其使用寿命，能够更大程度的保留挤压辊的附加值，达到节约资源、发展循环经济的目的。

目前，堆焊工艺使用最广泛的材料为自保护药芯焊丝。自保护药芯焊丝具有以下优点：1）不需外加保护气源，减轻了焊枪重量，简化了结构，便于操作；2）具有优良的抗风抗气孔性，在焊接中由焊丝自身冶金反应造气形成保护气氛，通常能在四级风下顺利施焊；3）脱渣性能良好。

磨粒磨损工况下，铁基耐磨堆焊合金（即高铬铸铁堆焊合金）由于其良好的性能以及低廉的价格，是最常用的堆焊合金体系。堆焊合金的耐磨性主要取决于所含硬质相的尺寸、形态、分布及其化学成分，而韧性则与其基体组织性质、数量、形态和分布等相关。因此，可以通过调整硬质相的种类、数量、尺寸、形态、分布与基体组织的合理的匹配实现堆焊合金的耐磨性与韧性的匹配。

发明内容

本发明的目的在于合理优化焊层中钼、钒和铌元素的含量，使形成大量均匀细小的碳化物，在使焊合金具有较高硬度的前提下，提高堆焊合金的韧性，使其在高应力工况条件下具有较长的使用寿命。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案。

一种挤压辊再制造用自保护药芯焊丝，以低碳钢带为外皮，药芯成分按质量百分比为：高碳铬铁20～40%，碳化铬20～40%，钼铁5～20%，钒铁1～10%，铌铁1～5%，石墨1～5%，铝镁1～5%，电解锰1～4%，硅铁1～4%，硼铁1～4%，碳酸钡0～5%，萤石0～5%，大理石0～4%，氟硅酸钠0～3%，锆英砂0～3%。

所述的挤压辊再制造用自保护药芯焊丝，其中，钢带的厚度×宽度为：0.3×14mm、0.3×16mm、0.4×18mm。

所述的挤压辊再制造用自保护药芯焊丝，其中，焊丝直径为1.6～4.0mm。

所述的挤压辊再制造用自保护药芯焊丝，其中，焊丝的填充率额为44～52%之间。

本发明提供的挤压辊再制造用自保护药芯焊丝，特点：

1）堆焊层满足特定的化学成分，金相组织主要为奥氏体+各种细小的碳化物。基体是具有良好韧性的奥氏体组织，其具有较好的抗冲击性，基体间分布大量细小高硬度的碳化物组织，实现了基体与碳化物良好的结合，极大地提高了合金的韧性。

2）堆焊层表面分布的裂纹细小均匀，在高应力工况条件下具有优良的抗掉块性能。堆焊层表面硬度均匀（HRC59～63）。

3）堆焊层中无气孔、夹渣、咬边等缺陷，焊道表面清洁无渣，焊丝的浸润性较好，熔化速率高，熔敷金属量：10～15kg/h。

4）焊丝堆焊工艺性能优良。堆焊时电弧稳定、飞溅小、焊道成型美观。堆焊层具有高硬度以及良好的韧性，具有良好的可焊性和抗掉块性能。堆焊合金可广泛应用于低温和中温环境中高应力磨损件的再制造修复以及新件的制备。

附图说明

图1为实施例中堆焊合金的金相图；

图2为相对耐磨性。

具体实施方式

本发明的挤压辊再制造用自保护药芯焊丝，其质量百分比如下：

钢带：钢带厚度（mm）×宽度（mm）：0.3×14mm、0.3×16mm、0.4×18mm等，填充率为44~52%之间，焊丝直径Φ1.6~4.0mm。

药芯组份为：高碳铬铁20～40%，碳化铬20～40%，钼铁5～20%，钒铁1～10%，铌铁1～5%，石墨1～5%，铝镁1～5%，电解锰1～4%，硅铁1～4%，硼铁1～4%，碳酸钡0～5%，萤石0～5%，大理石0～4%，氟硅酸钠0～3%，锆英砂0～3%。

药芯中主要成分作用如下：

碳化铬：

在堆焊合金中，随着碳、铬含量的增加，形成碳化物的量增加，且碳含量对碳化物形成量的影响比铬明显。当碳含量一定时，随着铬含量的增加，碳化物宽度变窄；当铬含量一定时，随着碳含量的增加使得碳化物的宽度稍有增加，并且使碳化物的形貌和分布发生很大的变化，堆焊层的硬度随含碳量的增加而增加。但碳含量的增加会使材料的冲击韧性降低，因此，在能够满足性能要求的前提下，应尽量降低材料中所含碳的量。

钼铁：

钼在合金中一般存在于固溶体相或碳化物相中。当合金中钼含量较低时，钼与铁及碳形成复合的渗碳体；当钼含量较高时，则形成钼的特殊碳化物，如MoC、Mo₂C等。同时，钼还具有减缓碳化物在奥氏体中的溶解度，有效地抑制渗碳体在高温（450~600℃）下的聚集，促进弥散的特殊碳化物的析出等功效，从而在合金中起到了良好的强化作用。

钒铁和铌铁： 

钒和铌元素在合金中具有类似的作用机理，均具有两层作用。其一是微量的钒和铌元素在堆焊熔池冷却的过程中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒的长大，从而细化了堆焊合金的晶粒大小。其二是大部分钒和铌元素与碳元素形成碳化物，形成硬度非常高的硬质相，起到沉淀强化的作用。而二者的优势又有所不同，铌元素侧重于晶粒细化强化，钒元素侧重于沉淀强化。

石墨：

在焊接温度下石墨与合金元素可以形成碳化物，从而提高堆焊合金的硬度和耐磨性。石墨在焊接电弧高温下具有很强的氧化性，氧化后形成CO气体，可以作为焊接熔池的保护气体。由于石墨在高温下是很强的脱氧剂，可以保证合金元素的过渡，此外，石墨的脱氧反应可以产生大量的热，有利于金属的热电离，提高焊丝的引弧和稳弧性能。

铝镁：

脱氧剂，同时可减少氮向金属内部的扩散，防止焊道出现气孔。

电解锰：

具有良好的脱氧和脱硫作用，并具有较强的固溶强化作用；能提高淬硬性。

硅铁：

硅能脱氧，并具有强烈的固溶强化作用，增加淬硬性和回火稳定性，提高耐热性和耐蚀性，并可降低液态金属表面张力。

硼铁：

硼在焊缝凝固过程中与氮结合形成BN，降低堆焊合金中N的含量，固溶的硼能够抑制γ晶间的先共析铁素体的析出，与碳反应形成BC，提高堆焊合金的耐磨性，但硼含量过高易引起“硼脆”，反而降低合金的耐磨性。

萤石：

强稀释剂，能使焊缝中的气体易于逸出，如果造渣剂中单独加入萤石，可能会出现熔渣过稀，无法覆盖焊缝；能脱硫，与氢反应形成HF，可以提高除氢性能，降低氢气孔敏感性，但是F^-属于强电离元素，破坏电弧稳定，CaF₂含量高于10%就会使交流焊接困难。

大理石：

主要作用是造气，大理石分解后产生CO₂气体，增强了电弧气氛的氧化性，能够降低电弧的氢分压，使焊缝金属中的含氢量降低；大理石分解后产生的CaO是碱性氧化物，能够提高熔渣的碱度，使熔渣的脱磷、脱硫能力增强，提高焊缝金属的抗热裂纹能力，同时CaO增大了熔渣的表面张力和熔渣与熔融金属的界面张力，使熔滴粗化，改变熔滴的过渡形态。

氟硅酸钠： 

主要起造气和造渣作用，调整熔池的物化性能，如熔点、粘度、表面张力和流动性，改善脱渣性。

实施例1：

采用普通碳钢带H08A，厚度为0.3mm，宽度为16mm。

药芯成分为：高碳铬铁200g，碳化铬400g，钼铁50g，钒铁100g，铌铁50g，石墨50g，铝镁30g，电解锰23g，硅铁25g，硼铁30g，碳酸钡9g，萤石10g，大理石15g，锆英砂8g，共1000g粉，填充率为48%~50%。

实例2：

高碳铬铁400g，碳化铬300g，钼铁150g，钒铁10g，铌铁10g，石墨10g，铝镁10g，电解锰23g，硅铁25g，硼铁20g，碳酸钡9g，萤石10，大理石15g，锆英砂8g，共1000g粉，填充率为48%~50%。

实例3：

高碳铬铁250g，碳化铬350g，钼铁80g，钒铁80g，铌铁35g，石墨40g，铝镁10g，电解锰23g，硅铁35g，硼铁30g，碳酸钡14g，萤石5g，大理石20g，氟硅酸钠13g，锆英砂15g，共1000g粉，填充率为48%~50%。

实例4：

高碳铬铁300g，碳化铬330g，钼铁110g，钒铁65g，铌铁20g，石墨35，铝镁8g，电解锰30g，硅铁25g，硼铁15g，碳酸钡10g，萤石15g，大理石15g，氟硅酸钠10g，锆英砂12g，共1000g粉，填充率为48%~50%。

实例5：

高碳铬铁350g，碳化铬310g，钼铁120g，钒铁55g，铌铁35g，石墨25g，铝镁10g，电解锰20g，硅铁15g，硼铁20g，碳酸钡10g，萤石5g，大理石10g，氟硅酸钠15g，共1000g粉，填充率为48%~50%。

对比例：仅含Nb元素的高碳铬铁耐磨堆焊自保护药芯焊丝

采用普通碳钢带H08A，厚度为0.3mm，宽度为16mm。

药芯组份为：高碳铬铁215g，碳化铬400g，钒铁220g，石墨25g，铝镁15g，电解锰20g，硅铁35g，硼铁25g，碳酸钡9g，萤石11g，大理石15g，氟硅酸钠10g，共1000g粉，填充率为48%~50%。

将上述实例均制成直径为Φ3.2mm的焊丝，用焊丝制备堆焊合金，对其进行性能测试：

1）化学成分

在300mm×200mm×30mm的Q235钢板上，沿长度方向（宽度方向的中间）堆焊四层，层间温度控制在120℃以下，堆焊电流在350～430Ａ，电压在30～34V，对焊道表面去屑进行化学分析，测堆焊合金的成分。

２）硬度试验：

用HR-150A洛氏硬度计对堆焊合金进行硬度测试，一般测5个点，取平均值。

3）磨粒磨损试验

在300mm×200mm×30mm的Q235钢板上，沿长度方向（宽度方向的中间）堆焊四层，层间温度控制在120℃以下，堆焊电流在350～430Ａ，电压在30～34V。

进行磨粒磨损试验的条件如下：

堆焊合金磨粒磨损试验采用MLS-225型湿砂橡胶轮式磨粒磨损试验机进行测试，磨损试样尺寸为57mm×25.5mm×10mm。试验参数为：橡胶轮直径176mm，转速240r/min，橡胶轮硬度SHORE A 60(邵尔硬度)，加载载荷100N，磨料选用40～70目的石英砂，选用1500g，试验时加入水1000g。

为了避免试样表面粗糙度对试验结果的影响，首先预磨1000转，获得一个预磨痕迹，预磨后称重作为“磨前重量”，经正式磨3000转后，称重作为“磨后重量”，计算失重量。用精度为万分之一的天平称重，一种焊丝制三个试样，计算平均失重量。与仅含钒的堆焊合金磨损量进行比较。

材料的耐磨性用磨损的失重量来衡量(即试件磨损前后的重量差)。每组堆焊层选取三个试样进行测试，计算平均值。

相对耐磨性是以某一个合金试样的失重量作为基准，根据公式下面计算堆焊合金相对耐磨性。

  

规定仅含铌的高碳铬铁耐磨堆焊合金的耐磨性为1。

所研制的挤压辊再制造用自保护药芯焊丝制备的堆焊合金的化学成分如表1所示。

表1 化学成分

表2 硬度（HRC）

本发明药芯焊丝可广泛应用于电力、矿山、冶金等行业高应力工况条件下的耐磨部件再制造，尤其是水泥厂辊压机的挤压辊。既可以用于制造新品，也可以作为再制造挤压辊的材料。

Claims (4)

1. 一种挤压辊再制造用自保护药芯焊丝，其特征于于：以低碳钢带为外皮，药芯成分按质量百分比为：高碳铬铁20～40%，碳化铬20～40%，钼铁5～20%，钒铁1～10%，铌铁1～5%，石墨1～5%，铝镁1～5%，电解锰1～4%，硅铁1～4%，硼铁1～4%，碳酸钡0～5%，萤石0～5%，大理石0～4%，氟硅酸钠0～3%，锆英砂0～3%。

2.根据权利要求1所述的挤压辊再制造用自保护药芯焊丝，其特征于于：所述钢带的厚度×宽度为：0.3×14mm、0.3×16mm、0.4×18mm。

3.根据权利要求1所述的挤压辊再制造用自保护药芯焊丝，其特征于于：焊丝直径为1.6～4.0mm。

4.根据权利要求1所述的挤压辊再制造用自保护药芯焊丝，其特征于于：焊丝的填充率为44～52%。