CN105127614A - 一种磨辊堆焊无渣自保护药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨辊堆焊无渣自保护药芯焊丝，包括外皮和粉芯，其特征在于：所述外皮是H08A材料制作的，所述粉芯包括以下组分：高碳铬铁、钛铁、钒铁、磷铁、锰铁、硅铁、石墨、铝粉和铁粉。本发明相比现有技术具有以下优点：本发明得到的合金系统为Fe‐Cr‐C‐Ti‐V‐P，并通过添加其他微量合金元素，控制微量合金元素含量来进一步优化改善药芯焊丝的性能；在空气电弧堆焊工艺下能获得成型性良好的堆焊层，表面接近无渣，焊接效率高；堆焊第二层的显微硬度达到母材的5倍左右，堆焊层表面平均宏观硬度达到61.1HRC，达到了耐磨堆焊合金的硬度要求。

Description

一种磨辊堆焊无渣自保护药芯焊丝

技术领域

本发明涉及磨损修复技术领域，尤其涉及的是一种磨辊堆焊无渣自保护药芯焊丝。

背景技术

磨损是摩擦的接触面由于发生了相对运动，由于接触应力的作用，表面发生损伤和失效的过程，通常情况下，发生磨损的零部件的几何尺寸(体积)变小。目前针对零件表面磨损的问题，主要通过堆焊来进行表面修复，不但提高零件使用寿命，而且与更换设备相比，显著降低了费用。所谓堆焊，是为了增大或恢复焊件尺寸，或使焊件表面获得具有特殊性能熔覆金属而进行的焊接。随着科学技术的不断发展进步，耐磨堆焊技术作为材料表面保护的一项有效措施，应用领域正逐渐扩大，并且在许多易磨损领域中该技术已相当成熟。但是大多数的焊丝配方中都含有大量的碳，对于自保护药芯焊丝来说，通常在焊丝当中加入了大量的石墨，导致在堆焊过程中产生了大量的烟雾和粉尘；焊丝的填充率比较低，依靠外层的钢带外皮无法很好的保护熔滴进行过渡，导致焊接过程中的飞溅较大，电弧稳定性差，无法承受大电流焊接；焊丝的直径较小，单道次堆焊宽度小，效率低。在Fe-Cr-C系堆焊合金基础上，目前研究比较多的是高铬铸铁型堆焊合金，依靠在堆焊过程中形成的M₇C₃型初生碳化物，可以显著提高堆焊层的硬度，虽然此种碳化物硬度很高，但是其尺寸一般较大，且大小不均匀，导致在磨损过程中容易从基体上剥落；此外，考虑到焊丝的填充率以及合金元素的过渡，要向堆焊层中过渡如此高含量的铬，实现起来非常困来，针对企业来说，势必大大增加了生产成本。因此本发明在药芯焊丝的成分设计中，适当的降低碳和铬的添加量，通过加入价格低廉的强碳化物形成元素，提供了一种工程中可以使用的无渣自保护堆焊药芯焊丝

目前大面积耐磨堆焊存在着生产效率低，堆焊工艺较复杂，劳动强度大，成本高以及堆焊层性能较低等问题，工程实际中迫切需要设计和制造出耐磨性能好、施工工艺简单和堆焊效率高的焊接材料。因此，研制一种新型的无渣自保护堆焊药芯焊丝具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种一种磨辊堆焊无渣自保护药芯焊丝。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种磨辊堆焊无渣自保护药芯焊丝，包括外皮和粉芯，其特征在于：所述外皮是H08A材料制作的，所述粉芯包括以下组分：高碳铬铁、钛铁、钒铁、磷铁、锰铁、硅铁、石墨、铝粉和铁粉。

作为对上述方案的进一步改进，所述粉芯中各组分的质量百分比含量为：

作为对上述方案的进一步改进，所述粉芯中各组分的质量百分比含量为：

作为对上述方案的进一步改进，粉芯在所述药芯焊丝中的填充率为40％。

作为对上述方案的进一步改进，所述药芯焊丝的外径为2.8mm，制作外皮所用的钢带的厚度为0.4mm。

本发明还提供一种上述药芯焊丝的粉芯的配制方法，粉芯中含目标元素的组分的质量百分含量是依据以下公式计算出的，

Y_X＝[X_h-X_d(1-q)η]/qX_Feη

式中：Y_X是粉芯中含目标元素的组分X的百分含量；

X_h是设计中焊层材料中目标元素的百分含量；

X_d是制作外皮钢带中目标元素的百分含量；

X_Fe是组分X中目标元素的百分含量；

q是药芯焊丝的填充率；

η是元素X的合金过渡系数；

依据上述公式计算出各组分的百分含量后，依据其含量配料混合后获得粉芯；

目标元素是铬、钛、钒、磷、锰和硅，与其相对应的含目标元素的组分为高碳铬铁、钛铁、钒铁、磷铁、锰铁和硅铁。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明得到的合金系统为Fe‐Cr‐C‐Ti‐V‐P，并通过添加其他微量合金元素，控制微量合金元素含量来进一步优化改善药芯焊丝的性能。在空气电弧堆焊工艺下能获得成型性良好的堆焊层，表面接近无渣，焊接效率高。堆焊层的金相结果以及XRD分析结果显示，堆焊层中的主要物相是α‐Fe、Fe‐Cr、Ti(C、N)、V(C、N)，硬质相主要是碳化物和氮化物，呈颗粒状均匀分布在堆焊层中，起到增强堆焊合金的作用。由于硬质相在堆焊层基体上呈颗粒状弥散分布，且与基体的匹配性良好，硬质颗粒之间的平均自由程较小，使得堆焊层的显微硬度明显高于母材，堆焊第二层的显微硬度达到母材的5倍左右。堆焊层表面平均宏观硬度达到61.1HRC，达到了耐磨堆焊合金的硬度要求。国外进口药芯焊丝堆焊层磨损试验结果表明，设计的焊丝堆焊层耐磨性能要优于进口焊丝。

附图说明

图1是本发明提供的堆焊层的宏观照片。

图2是本发明所提供的堆焊层试样磨损形貌图。

图3是进口焊丝所提供的堆焊层试样磨损形貌图。

图4是第一层堆焊层与基体交界处的金相图。

图5是堆焊层第一层的金相图。

图6是堆焊层第二层的金相图。

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1

一种磨辊堆焊无渣自保护药芯焊丝，包括外皮和粉芯，外皮是H08A材料制作的，所述粉芯包括以下组分：高碳铬铁、钛铁、钒铁、磷铁、锰铁、硅铁、石墨、铝粉和铁粉。

粉芯在药芯焊丝中的填充率为40％。药芯焊丝的外径为2.8mm，制作外皮所用的钢带的厚度为0.4mm。

粉芯中各组分的质量百分比含量为：

对药芯焊丝焊接工艺性能、堆焊层显微组织和耐磨性影响比较大的是碳(C)、铬(Cr)、钛(Ti)、锰(Mn)、硅(Si)、钒(V)、磷(P)、氮(N)等元素。

碳(C)在耐磨堆焊材料中是非常重要的一种元素，从上文可知，一方面碳可以和合金元素反应生成碳化物硬质相，提高堆焊层的耐磨性；另一方面碳在自保护药芯焊丝中作为脱氧剂，在焊接过程中与氧反应生成一氧化碳，从而阻止空气中的氧进入熔池，形成自保护。但是当碳含量高的时候，容易引起焊缝裂纹，因此碳的添加量和加入方式都显得尤为重要，目前主要碳的添加主要有两种方式：一是通过添加石墨，但容易造成焊接烟尘，需要控制添加量；另一种是通过添加含碳合金，如高碳铬铁等。

铬(Cr)是不锈钢中的主要添加元素。在堆焊材料中，Cr与C结合生成M7C3硬质相，随着W(Cr)/W(C)的增加，共晶碳化物晶体类型经历由M3C‐M3C+M7C3‐M7C3‐M23C6的变化，硬度值从小到大再变小。同时，它也是形成马氏体不锈钢的主要合金元素，能提高堆焊层的耐腐蚀性能。

钛(Ti)与氧的亲和力极强，生成的微小氧化物弥散分布在焊缝中，可以促进焊缝晶粒的细化，Ti还容易与C反应生成TiC硬质颗粒，作为异质形核的晶核，细化焊缝晶粒，提高堆焊层组织性能，此外还能与N反应生成高硬度的TiN析出颗粒，起到增强铁基堆焊合金的作用。

锰(Mn)、硅(Si)都具有良好的脱氧能力，锰的沸点仅为1962K，在焊接过程中极易挥发，在电弧反应区形成一定浓度的锰蒸汽，降低了氧分压，起到前期脱氧的作用，在锰进入焊道以后，容易与氧结合形成固体氧化物，对后期脱氧也有作用。而Si作为脱氧能力更好的元素，为什么需要与锰进行联合脱氧。这是因为硅的脱氧产物不易上浮，需要和锰相结合，在一定范围的锰硅比内，形成大颗粒低熔点的氧化产物易于上浮。

磷(P)在钢中通常作为有害元素需要去除，但在铸造行业，可以通过提高其中的磷含量来生产抗磨铸铁件，而且磷可以改善铁水的流动性。而且我国有丰富的磷铁矿资源，在耐磨堆焊材料中引入少量的磷，可以一定程度的提高堆焊层硬度。提高堆焊层的宏观硬度通常通过提高碳含量来实现，但是碳含量的增加将会增加堆焊层裂纹的倾向性，增加了焊接烟尘的产生量。本发明在不增加碳含量的前提之下，引入少量的磷铁，来提高堆焊层的宏观硬度，改善焊道的成型性。

钒(V)的作用与钛类似，容易与碳和空气中的氮反应生成碳化物和氮化物，弥散分布在焊缝中，细化晶粒，改善堆焊层性能。

焊丝成分中虽然加入了一定量的钛铁，但是在焊接过程中钛与氧结合生成了氧化物，导致没有足够的钛与碳结合生成TiC硬质相。增加钛铁的含量，使得在焊接过程了除了与氧结合生成氧化物以外，还有剩余的钛与碳反应生成TiC，但是在实际的工程应用中，增加钛铁的添加量意味着增加焊丝的生产成本。因此，选择Al元素来保护Ti元素的过渡。

为了达到无渣自保护的目的，不添加任何造渣剂，但如果只加入造气剂进行保护，将引起很大的飞溅、烟尘，并增大电弧吹力，影响保护效果。因此，本焊丝采用气‐合金元素联合保护，通过锰‐硅联合脱氧，添加适当的石墨与空气中的氧反应生成CO，起到保护熔池的作用，同时碳还容易和合金元素反应生成碳化物硬质相，增加堆焊层的硬度和耐磨性。

使用大电流不添加焊剂和任何保护措施，在空气中进行电弧堆焊，堆焊层宏观照片如图1所示。从1中可以看出在没有添加任何保护措施的情况下，堆焊层表面基本上没有焊渣的产生，堆焊层成型性好，没有裂纹产生，外形整洁美观，焊接采用常规埋弧焊的引弧方式，方便简单，省时省力；焊丝中所添加的石墨量较少，焊接过程烟尘量少、飞溅小。大面积堆焊时，焊后无需清渣，堆焊工艺简单，效率高，大大减少了劳动量。

图2和图3所示是分别是本发明提供的焊丝的堆焊层和国外进口某焊丝的堆焊层的磨损之后的微观形貌，不难看出两组试样在磨损之后都出现了明显的犁沟，图2中的犁沟与图3相比，深度更浅、宽度更窄，这是因为在本发明所形成的堆焊层中有钉扎作用和细晶强化两种强化作用，硬质颗粒细小且数量多、间距小，硬质相和基体的匹配性较好。图3中除了犁沟现象，还出现了剥落，这是因为生成的初生碳化物粗化长大，且碳化物之间的距离较大。本文中，磨粒磨损的硬质磨粒在压应力的作用下压入堆焊层表面，随后在切应力的作用下造成堆焊层表面的犁沟效应，堆焊合金中基体材料在硬质颗粒的作用下首先被切削，而硬度较高的硬质相会继续留在基体中，起到支架的作用。随后，硬质相支架在硬质颗粒的冲击作用下，会产生裂纹。进而脱离基体表面，形成剥落在基体表面会产生犁沟效应。随着硬质颗粒形成犁沟效应，当犁沟发展到下一个硬质相时，硬质相阻碍了犁沟的进一步扩展进而达到了减磨的效果。当阻碍犁沟扩展的硬质相之间距离较大时，则会导致磨损过程中较长且较宽的犁沟。

测试显示本发明所提供筛网药芯焊丝堆焊层的磨损失重远小于国外某进口药芯焊丝堆焊层，说明本发明设计的焊丝堆焊层耐磨性能要优于国外某进口焊丝，因为本发明所涉及的焊丝堆焊出的堆焊层中的硬质相主要是氮化物、碳化物，且这些硬质相呈颗粒状、弥散分布、数量多，可以约束晶界的移动并且阻止晶粒粗化，这些细小的颗粒对晶界起到钉扎作用，作为非均质形核的晶核细化了组织，起到了细晶强化的作用。而国外某进口药芯焊丝堆焊层组织是典型的高铬铸铁型堆焊合金，它的增强相主要为M7C3型初生碳化物，碳化物的尺寸较大，虽然该碳化物的硬度很高，但是容易粗化长大，和基体的匹配不好，在磨损的过程中容易剥落。

图4是第一层堆焊层与基体交界处的金相图，可以看出堆焊层与基体的冶金结合良好，没有明显的焊接缺陷，从图中可以看到堆焊层中分布着一定数量的黑色颗粒，是在焊接过程中生成的TiC和VC硬质颗粒。图5和图6分别是堆焊第一层和第二层的金相组织，可以看出二者的晶粒尺寸都比较细小，且分布比较均匀，生成的TiC和VC硬质颗粒分布比较均匀，作为异质晶核，使得依靠异质晶核长大的晶粒尺寸比较均匀、细小。利用扫描电镜及其附带的能谱仪对堆焊层的显微组织做进一步分析，黑色颗粒主要成分是C、Ti、V、Cr，因为Ti、V是强碳化物形成元素，得出黑色颗粒是TiC和VC的复合碳化物。堆焊过程中除了生成了TiC和VC以外还生成了TiN和VN硬质颗粒。

堆焊层的XRD分析结果表示，堆焊层中的主要物相是α‐Fe、Fe‐Cr、Ti(C、N)、V(C、N)，P的含量比较少，主要以固溶的形式存在于堆焊层中。

实施例2

一种磨辊堆焊无渣自保护药芯焊丝，包括外皮和粉芯，外皮是H08A材料制作的，所述粉芯包括以下组分：高碳铬铁、钛铁、钒铁、磷铁、锰铁、硅铁、石墨、铝粉和铁粉。

粉芯在药芯焊丝中的填充率为40％。药芯焊丝的外径为2.8mm，制作外皮所用的钢带的厚度为0.4mm。

粉芯中各组分的质量百分比含量为：

其余同实施例1。

实施例3

一种磨辊堆焊无渣自保护药芯焊丝，包括外皮和粉芯，外皮是H08A材料制作的，所述粉芯包括以下组分：高碳铬铁、钛铁、钒铁、磷铁、锰铁、硅铁、石墨、铝粉和铁粉。

粉芯在药芯焊丝中的填充率为40％。药芯焊丝的外径为2.8mm，制作外皮所用的钢带的厚度为0.4mm。

粉芯中各组分的质量百分比含量为：

其余同实施例1.

实施例4

一种如权利要求1所述药芯焊丝的粉芯的配制方法，其特征在于：粉芯中含目标元素的组分的质量百分含量是依据以下公式计算出的，

Y_X＝[X_h-X_d(1-q)η]/qX_Feη

式中：Y_X是粉芯中含目标元素的组分X的百分含量；

X_h是设计中焊层材料中目标元素的百分含量；

X_d是制作外皮钢带中目标元素的百分含量；

X_Fe是组分X中目标元素的百分含量；

q是药芯焊丝的填充率；

η是元素X的合金过渡系数；

依据上述公式计算出各组分的百分含量后，依据其含量配料混合后获得粉芯；

目标元素是铬、钛、钒、磷、锰和硅，与其相对应的含目标元素的组分为高碳铬铁、钛铁、钒铁、磷铁、锰铁和硅铁。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种磨辊堆焊无渣自保护药芯焊丝，包括外皮和粉芯，其特征在于：所述外皮是H08A材料制作的，所述粉芯包括以下组分：高碳铬铁、钛铁、钒铁、磷铁、锰铁、硅铁、石墨、铝粉和铁粉。

2.如权利要求1所述一种磨辊堆焊无渣自保护药芯焊丝，其特征在于：所述粉芯中各组分的质量百分比含量为：

3.如权利要求1所述一种磨辊堆焊无渣自保护药芯焊丝，其特征在于：所述粉芯中各组分的质量百分比含量为：

。

4.如权利要求1所述一种磨辊堆焊无渣自保护药芯焊丝，其特征在于：粉芯在所述药芯焊丝中的填充率为40％。

5.如权利要求1所述一种磨辊堆焊无渣自保护药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝的外径为2.8mm，制作外皮所用的钢带的厚度为0.4mm。

6.一种如权利要求1所述药芯焊丝的粉芯的配制方法，其特征在于：粉芯中含目标元素的组分的质量百分含量是依据以下公式计算出的，

Y_X＝[X_h-X_d(1-q)η]/qX_Feη

式中：Y_X是粉芯中含目标元素的组分X的百分含量；

X_h是设计中焊层材料中目标元素的百分含量；

X_d是制作外皮钢带中目标元素的百分含量；

X_Fe是组分X中目标元素的百分含量；

q是药芯焊丝的填充率；

η是元素X的合金过渡系数；

依据上述公式计算出各组分的百分含量后，依据其含量配料混合后获得粉芯；

目标元素是铬、钛、钒、磷、锰和硅，与其相对应的含目标元素的组分为高碳铬铁、钛铁、钒铁、磷铁、锰铁和硅铁。