CN105312795B - 磨辊堆焊用高铌高铬合金铸铁自保护药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

磨辊堆焊用高铌高铬合金铸铁自保护药芯焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磨辊堆焊用高铌高铬合金铸铁自保护药芯焊丝及其制备方法.该焊丝由铁素体不锈钢带和其包裹的药粉组成，以重量百分比计，该药粉由以下成分组成：高碳铬铁：42.0％‑48.0％、铌铁：13.0％‑16.0％、石墨：4.5％‑5.0％、硅铁：1.5％‑2.0％、电解金属锰：2.0％‑3.0％、中碳硼铁：1.5％‑2.0％、铝镁合金：1.0％‑2.0％、冰晶石：0.5％‑1.0％、萤石：0.5％‑1.0％、碳酸锂：1.0％‑1.5％、锆英砂：0.5％‑1.0％、钛酸钾：1.0％‑1.5％，钛酸钠：1.5％‑2.0％，其余为铁粉。其制备方法为药粉预处理后加入U型槽中；U型槽合口后依次进行四道次连续拉拔减径，得到药芯焊丝。该药芯焊丝具有堆焊层熔敷金属硬度稳定、焊接飞溅少、良好的耐高应力磨粒磨损性等优点，特别适用于水泥磨辊的堆焊修复与再制造。

Description

磨辊堆焊用高铌高铬合金铸铁自保护药芯焊丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种磨辊堆焊用高铌高铬合金铸铁自保护药芯焊丝及其制备方法，属于焊接材料及加工技术领域。
背景技术
磨辊是电力、水泥等行业的重要备件，在服役过程中受到物料的反复切削，要求具有良好的耐磨粒磨损性能。为提高磨辊的使用寿命，需要在磨辊表面堆焊高耐磨材料，目前多使用高铬高合金铸铁自保护药芯焊丝。高铬高合金铸铁焊丝是Cr25C5合金体系，显微组织为莱氏体基体上分布大量柱状或块状的碳化铬，堆焊层硬度达HRC58-62，主要用于静载的磨粒磨损工况，如磨煤机磨辊。
对于高应力的磨粒磨损条件(如水泥磨辊)，高铬高合金铸铁焊丝堆焊层的使用寿命较低，不能满足要求，此时应使用高铌高铬合金铸铁药芯焊丝。在高铬高合金铸铁体系中增加铌元素后，熔池的流动性变差，将恶化焊缝的成形质量；而且在合金铸铁系自保护药芯焊丝的药粉中，低松装密度的组成物较多，药粉的流动性差，易导致焊丝药粉填充系数不稳定，堆焊层熔敷金属的硬度波动较大，反而降低堆焊层的耐磨性能；另外自保护药芯焊丝较大的焊接飞溅也是亟需克服的工艺缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磨辊堆焊用高铌高铬合金铸铁自保护药芯焊丝，该焊丝具有良好的焊接工艺性，适用于高应力的磨粒磨损工况。
本发明的另一目的在于提供所述磨辊堆焊用高铌高铬合金铸铁自保护药芯焊丝的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种磨辊堆焊用高铌高铬合金铸铁自保护药芯焊丝，该焊丝由铁素体不锈钢带和其包裹的药粉组成，以重量百分比计，该药粉由以下成分组成：高碳铬铁：42.0％-48.0％、铌铁：13.0％-16.0％、石墨：4.5％-5.0％、硅铁：1.5％-2.0％、电解金属锰：2.0％-3.0％、中碳硼铁：1.5％-2.0％、铝镁合金：1.0％-2.0％、冰晶石：0.5％-1.0％、萤石：0.5％-1.0％、碳酸锂：1.0％-1.5％、锆英砂：0.5％-1.0％、钛酸钾：1.0％-1.5％，钛酸钠：1.5％-2.0％，其余为铁粉。其中，所述药粉占焊丝总重量的28.0％-32.0％。所有药粉成分的粒度均控制在80-200目。
在高铬高合金铸铁体系中添加铌元素后，熔池的流动性下降，降低了焊缝熔敷金属与母材之间的润湿性，恶化焊缝成形质量，主要表现为堆焊层的堆高过大、堆宽过小，焊缝出现搭接不良的现象，降低堆焊层的耐磨性。本发明在焊丝药粉中同时引入硅铁粉和中碳硼铁，并控制两者的添加量，利用硅、硼形成低熔点共晶，降低熔敷金属的熔点，提高熔池的流动性，从而改善焊缝成形质量。在本发明所述焊丝的药粉中，硅铁的含量为1.5％-2.0％，中碳硼铁的含量为1.5％-2.0％。
高铌高铬合金铸铁自保护药芯焊丝的焊接飞溅大，恶化了焊缝的外观质量和工人的操作环境。本发明复合加入钛酸钾和钛酸钠作为焊接过程的稳弧剂，利用碱金元素电离势低的特点，减小焊接飞溅。其中钛酸钾中的钾元素可提高电弧的稳定性，减小焊接飞溅，钛酸钠中的钠可提高电弧电压，增加电弧的挺度，改善熔池流动性，提高焊缝的成形质量。在本发明所述焊丝的药粉中，钛酸钠的含量为1.5％-2.0％，钛酸钾的含量为1.0％-1.5％，且两者的重量比优选为1.0-1.5。
一种所述磨辊堆焊用高铌高铬合金铸铁自保护药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：
(1)药粉预处理：①钛酸钾和钛酸钠混合均匀后造粒烧结，粒度控制在80-200目之间；②药粉中低松装密度的石墨、冰晶石、萤石、碳酸锂与高松装密度的高碳铬铁共同过80目筛；③将过筛后的粉与其他药粉成分混合，其他药粉成分的粒度均控制在80-200目，并搅拌120±10分钟；
(2)将厚度0.6mm、宽度14mm的铁素体不锈钢带制成U形；将搅拌均匀的药粉加入U型槽中；U型槽合口后依次进行φ4.0mm、φ3.65mm、φ3.41mm、φ3.15mm四道次连续拉拔减径，得到φ3.2mm的磨辊堆焊复合制造用自保护药芯焊丝。
在本发明中，钛酸钠、钛酸钾本身为极易吸潮、且流动性差的物质，若在焊丝药芯中直接使用，不仅降低药粉的流动性，导致药粉填充系数不均匀，堆焊层硬度波动大，而且会导致堆焊层产生大量气孔，降低磨辊的使用寿命。本发明采用药粉预处理工艺，将钛酸钠和钛酸钾按比例混合后进行造粒和高温烧结，得到粒度为80-200目、流动性好、抗吸潮能力强的钛酸钾钠。本发明将经过预处理的钛酸钾、钛酸钠复合加入到焊丝药粉中，提高了药粉的抗吸潮能力，改善了药粉的流动性及堆焊层硬度稳定性。
高铌高铬高合金铸铁药芯焊丝的药粉中，松装密度低、流动性较差的药粉较多，如石墨、冰晶石、萤石、碳酸锂等，其总含量在6.5％-8.5％，若将其直接引入药粉中，药粉难以混合均匀。本发明将上述流动性较差的药粉过80目筛，以打散粉末。为提高过筛效率，特将流动性较好的高碳铬铁和上述药粉一起过筛。
药粉混合搅拌时间是影响药粉均匀性的重要因素，混合时间过短，药粉未混合均匀；混合时间过长，反而会导致均匀的药粉分层，降低药粉均匀性，本发明优选的药粉搅拌时间为120±10分钟，在保证药粉均匀性的前提下，兼顾焊丝的生产效率。
本发明的有益效果为：
本发明的高铌高铬合金铸铁自保护药芯焊丝的焊接工艺性能优良，焊缝成形好，飞溅小、堆焊层具有良好的硬度和耐磨性能，可用于磨辊的堆焊修复与再制造，特别适用于诸如水泥磨辊的高应力磨粒磨损工况。
具体实施方式
在本发明的自保护药芯焊丝中，药粉中各组成成分的功能如下：
高碳铬铁：高碳铬铁的含碳量为10％，含铬量为60％，在堆焊过程中向堆焊熔敷金属中过渡铬、碳元素，其在药粉中的含量为42.0％-48.0％。
铌铁：向堆焊熔敷金属中过渡铌元素，提高堆焊熔敷金属耐高应力磨粒磨损的能力，其含量为13.0％-16.0％。
石墨：向焊丝熔敷金属中过渡碳元素，可提高焊丝熔敷金属的耐磨性，但其松装密度过低，加入量不能过高，其含量为4.5％-5.0％。
硅铁：向焊丝熔敷金属中过渡硅元素，并与中碳硼铁中的硼元素形成低熔点共晶，降低焊缝熔敷金属的熔点，提高流动性，其含量为1.5％-2.0％。
电解金属锰：向焊丝熔敷金属中过渡锰元素，并起脱氧、脱硫作用，其含量为2.0％-3.0％。
中碳硼铁：中碳硼铁的含碳量不超过1.0％，含硼量为13.0-15.0％。中碳硼铁向焊丝熔敷金属中过渡碳、硼元素，并与硅铁中的硅硼元素形成低熔点共晶，降低焊缝熔敷金属的熔点，提高流动性，其含量为1.5％-2.0％。
铝镁合金：铝镁合金中的铝、镁含量均为50±2％，在堆焊中起脱氧作用，提高合金元素过渡系数，其在药粉中的含量为1.0％-2.0％。
冰晶石：去氢，降低焊缝金属气孔倾向，其含量为0.5％-1.0％。
萤石：与冰晶石联合去氢，降低焊缝金属的气孔倾向，其含量为0.5％-1.0％。
锆英砂：调整熔渣的粘度、熔点等物化性能，并具有稳弧的作用，其含量为0.5％-1.0％。
碳酸锂：提高熔敷金属的抗气孔能力，其含量为1.0％-1.5％。
钛酸钾：稳定电弧，减小焊接飞溅，其含量为1.0％-1.5％(造粒和预烧结后方可加入焊丝药粉中)。
钛酸钠：提高电弧电压，增加电弧吹力，改善熔池流动性，提高焊缝的成形质量，其含量为1.5％-2.0％(造粒和预烧结后方可加入焊丝药粉中)。
其余为铁粉。
上述药粉的粒度均控制在80-200目(即75μm-180μm)之间。
以下通过具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
选用厚度0.6mm、宽度14mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将420g高碳铬铁粉、130g铌铁、45g石墨、15g硅铁、20g电解金属锰、15g中碳硼铁、10g铝镁合金、5g冰晶石、5g萤石、10g碳酸锂、5g锆英砂、10g钛酸钾、15g钛酸钠、295g铁粉，共1000g药粉，先将钛酸钾、钛酸钠进行造粒和预烧结，并将石墨、冰晶石、萤石、碳酸锂与高碳铬铁过80目筛，然后与其他药粉混合搅拌110分钟后加入U型槽中，填充率为28％；合口后依次经过φ4.0mm、φ3.65mm、φ3.41mm、φ3.15mm四道次连续拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
实施例2
选用厚度0.6mm、宽度14mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将480g高碳铬铁粉、160g铌铁、50g石墨、20g硅铁、30g电解金属锰、20g中碳硼铁、20g铝镁合金、10g冰晶石、10g萤石、15g碳酸锂、10g锆英砂、15g钛酸钾、20g钛酸钠、140g铁粉，共1000g药粉，先将钛酸钾、钛酸钠进行造粒和预烧结，并将石墨、冰晶石、萤石、碳酸锂与高碳铬铁过80目筛，然后与其他药粉混合搅拌130分钟后加入U型槽中，填充率为32％；合口后依次经过φ4.0mm、φ3.65mm、φ3.41mm、φ3.15mm四道次连续拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
实施例3
选用厚度0.6mm、宽度14mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将450g高碳铬铁粉、140g铌铁、48g石墨、17g硅铁、25g电解金属锰、18g中碳硼铁、16g铝镁合金、8g冰晶石、8g萤石、12g碳酸锂、8g锆英砂、12g钛酸钾、18g钛酸钠、220g铁粉，共1000g药粉，先将钛酸钾、钛酸钠进行造粒和预烧结，并将石墨、冰晶石、萤石、碳酸锂与高碳铬铁过80目筛，然后与其他药粉混合搅拌120分钟后加入U型槽中，填充率为30％；合口后依次经过φ4.0mm、φ3.65mm、φ3.41mm、φ3.15mm四道次连续拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
实施例4
选用厚度0.6mm、宽度14mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将470g高碳铬铁粉、150g铌铁、46g石墨、18g硅铁、28g电解金属锰、16g中碳硼铁、18g铝镁合金、7g冰晶石、9g萤石、14g碳酸锂、9g锆英砂、13g钛酸钾、19g钛酸钠、183g铁粉，共1000g药粉，先将钛酸钾、钛酸钠进行造粒和预烧结，并将石墨、冰晶石、萤石、碳酸锂与高碳铬铁过80目筛，然后与其他药粉混合搅拌120分钟后加入U型槽中，填充率为31％；合口后依次经过φ4.0mm、φ3.65mm、φ3.41mm、φ3.15mm四道次连续拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
实施例5
选用厚度0.6mm、宽度14mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将430g高碳铬铁粉、135g铌铁、49g石墨、16g硅铁、22g电解金属锰、19g中碳硼铁、12g铝镁合金、6g冰晶石、7g萤石、12g碳酸锂、6g锆英砂、12g钛酸钾、16g钛酸钠、258g铁粉，共1000g药粉，先将钛酸钾、钛酸钠进行造粒和预烧结，并将石墨、冰晶石、萤石、碳酸锂与高碳铬铁过80目筛，然后与其他药粉混合搅拌120分钟后加入U型槽中，填充率为29％；合口后依次经过φ4.0mm、φ3.65mm、φ3.41mm、φ3.15mm四道次连续拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
对比例1
选用厚度0.6mm、宽度14mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将450g高碳铬铁粉、140g铌铁、48g石墨、17g硅铁、25g电解金属锰、18g中碳硼铁、16g铝镁合金、8g冰晶石、8g萤石、12g碳酸锂、8g锆英砂、12g钛酸钾、18g钛酸钠、220g铁粉，共1000g药粉，先将钛酸钾、钛酸钠进行造粒和预烧结，并将石墨、冰晶石、萤石、碳酸锂与高碳铬铁过80目筛，然后与其他药粉混合搅拌60分钟后加入U型槽中，填充率为30％；合口后依次经过φ4.0mm、φ3.65mm、φ3.41mm、φ3.15mm四道次连续拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
对比例2
选用厚度0.6mm、宽度14mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将420g高碳铬铁粉、130g铌铁、45g石墨、15g硅铁、20g电解金属锰、5g中碳硼铁、10g铝镁合金、5g冰晶石、5g萤石、10g碳酸锂、5g锆英砂、10g钛酸钾、15g钛酸钠、305g铁粉，共1000g药粉，先将钛酸钾、钛酸钠进行造粒和预烧结，并将石墨、冰晶石、萤石、碳酸锂与高碳铬铁过80目筛，然后与其他药粉混合搅拌110分钟后加入U型槽中，填充率为28％；合口后依次经过φ4.0mm、φ3.65mm、φ3.41mm、φ3.15mm四道次连续拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
对比例3
选用厚度0.6mm、宽度14mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将480g高碳铬铁粉、160g铌铁、50g石墨、10g硅铁、30g电解金属锰、20g中碳硼铁、20g铝镁合金、10g冰晶石、10g萤石、15g碳酸锂、10g锆英砂、15g钛酸钾、20g钛酸钠、150g铁粉，共1000g药粉，先将钛酸钾、钛酸钠进行造粒和预烧结，并将石墨、冰晶石、萤石、碳酸锂与高碳铬铁过80目筛，然后与其他药粉混合搅拌130分钟后加入U型槽中，填充率为32％；合口后依次经过φ4.0mm、φ3.65mm、φ3.41mm、φ3.15mm四道次连续拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
对比例4
选用厚度0.6mm、宽度14mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将450g高碳铬铁粉、140g铌铁、48g石墨、17g硅铁、25g电解金属锰、18g中碳硼铁、16g铝镁合金、8g冰晶石、8g萤石、12g碳酸锂、8g锆英砂、250g铁粉，共1000g药粉，将石墨、冰晶石、萤石、碳酸锂与高碳铬铁过80目筛，然后与其他药粉混合搅拌120分钟后加入U型槽中，填充率为30％；合口后依次经过φ4.0mm、φ3.65mm、φ3.41mm、φ3.15mm四道次连续拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
对比例5
选用厚度0.6mm、宽度14mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将450g高碳铬铁粉、140g铌铁、48g石墨、17g硅铁、25g电解金属锰、18g中碳硼铁、16g铝镁合金、8g冰晶石、8g萤石、12g碳酸锂、8g锆英砂、5g钛酸钾、15g钛酸钠、230g铁粉，共1000g药粉，先将钛酸钾、钛酸钠进行造粒和预烧结，并将石墨、冰晶石、萤石、碳酸锂与高碳铬铁过80目筛，然后与其他药粉混合搅拌120分钟后加入U型槽中，填充率为30％；合口后依次经过φ4.0mm、φ3.65mm、φ3.41mm、φ3.15mm四道次连续拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
对比例6
选用厚度0.6mm、宽度14mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将470g高碳铬铁粉、150g铌铁、46g石墨、18g硅铁、28g电解金属锰、16g中碳硼铁、18g铝镁合金、7g冰晶石、9g萤石、14g碳酸锂、9g锆英砂、13g钛酸钾、19g钛酸钠、183g铁粉，共1000g药粉，将石墨、冰晶石、萤石、碳酸锂与高碳铬铁过80目筛，然后与其他药粉混合搅拌120分钟后加入U型槽中，填充率为31％；合口后依次经过φ4.0mm、φ3.65mm、φ3.41mm、φ3.15mm四道次连续拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
对比例7
选用厚度0.6mm、宽度14mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将470g高碳铬铁粉、150g铌铁、46g石墨、18g硅铁、28g电解金属锰、16g中碳硼铁、18g铝镁合金、7g冰晶石、9g萤石、14g碳酸锂、9g锆英砂、13g钛酸钾、19g钛酸钠、183g铁粉，共1000g药粉，先将钛酸钾、钛酸钠进行造粒和预烧结，然后与其他药粉混合搅拌120分钟后加入U型槽中，填充率为31％；合口后依次经过φ4.0mm、φ3.65mm、φ3.41mm、φ3.15mm四道次连续拉拔减径，最终成品焊丝直径为3.2mm。
对实施例和对比例焊丝的焊接工艺性能和使用性能进行评价，具体如下：
1、焊丝药粉填充系数：
每种焊丝上随机截取5段，测量焊丝药粉的填充系数，通过药粉填充系数的波动范围，评价其稳定性。
2、焊丝的焊接工艺性能：
采用GB/T25776《焊接材料焊接工艺性能评定方法》，对焊丝的焊接飞溅率、焊缝成形质量进行评价。
3、熔敷金属的硬度：
熔敷金属硬度试件在平焊位置试焊，试板尺寸为100mm×50mm×20mm，堆焊试件的长宽分别为70mm和20mm，试件至少堆焊4层。熔敷金属硬度按GB/T2654《焊接接头硬度试验方法》进行，按GB/T230《金属材料洛氏硬度试验》测洛氏硬度5点。
实施例与对比例的效果见表1。对于药粉混合搅拌时间为60分钟的对比例1，其药粉填充系数的波动范围为±1.5％，高于实施例(≤±1.0％)，相应的堆焊层熔敷金属的硬度稳定性较低，硬度波动范围达±2.5HRC，高于实施例(≤±1.5HRC)，将降低堆焊层的耐磨性能。对于中碳硼铁含量低于1.5％的对比例2，其熔池金属与母材的润湿性差，恶化焊缝成形质量，同时碳、硼也是碳化铬、硼化铬硬质相的形成元素，其含量降低导致堆焊层的硬度低于实施例。对于硅铁含量低于1.5％的对比例3，熔池金属的流动性差，不能与母材金属良好润湿，导致焊缝成形不良。对于药粉中未添加钛酸钾和钛酸钠的对比例4，焊接过程中电弧稳定性差，焊接飞溅严重。对于药粉中钛酸钾含量低于1.0％的对比例5，焊接过程中仍存在电弧不稳定的情况，焊接飞溅率明显高于实施例，但略低于对比例4。对于药粉中钛酸钾、钛酸钠未烧结的对比例6，药粉吸潮严重，不仅药粉流动性下降，致使药粉填充系数波动范围达±2.5％，堆焊层的硬度波动范围达±4.0HRC，降低堆焊层的耐磨性，同时吸潮的药粉引起严重的焊接飞溅，并导致焊缝金属中出现大量气孔。对于低松装密度药粉未预先过筛的对比例7，其药粉均匀性差，焊接飞溅率较高，且药粉填充系数的稳定性明显低于实施例，堆焊层的硬度波动范围达±3.0HRC，远高于实施例。
表1

Claims (7)

1.一种磨辊堆焊用高铌高铬合金铸铁自保护药芯焊丝，其特征在于，该焊丝由铁素体不锈钢带和其包裹的药粉组成，以重量百分比计，该药粉由以下成分组成：高碳铬铁：42.0％-48.0％、铌铁：13.0％-16.0％、石墨：4.5％-5.0％、硅铁：1.5％-2.0％、电解金属锰：2.0％-3.0％、中碳硼铁：1.5％-2.0％、铝镁合金：1.0％-2.0％、冰晶石：0.5％-1.0％、萤石：0.5％-1.0％、碳酸锂：1.0％-1.5％、锆英砂：0.5％-1.0％、钛酸钾：1.0％-1.5％，钛酸钠：1.5％-2.0％，其余为铁粉。
2.根据权利要求1所述的磨辊堆焊用高铌高铬合金铸铁自保护药芯焊丝，其特征在于，所述药粉占焊丝总重量的28.0％-32.0％。
3.根据权利要求1或2所述的磨辊堆焊用高铌高铬合金铸铁自保护药芯焊丝，其特征在于，所述药粉中钛酸钠和钛酸钾的重量比为1.0-1.5。
4.根据权利要求1或2所述的磨辊堆焊用高铌高铬合金铸铁自保护药芯焊丝，其特征在于，所有药粉成分的粒度均控制在80-200目。
5.一种权利要求1-4中任一项所述磨辊堆焊用高铌高铬合金铸铁自保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于，
(1)药粉预处理：①钛酸钾和钛酸钠混合均匀后造粒烧结，粒度控制在80-200目之间；②药粉中低松装密度的石墨、冰晶石、萤石、碳酸锂与高松装密度的高碳铬铁共同过80目筛；③将过筛后的粉与其他药粉成分混合，并搅拌120±10分钟；
(2)将厚度0.6mm、宽度14mm的铁素体不锈钢带制成U形；将搅拌均匀的药粉加入U型槽中；U型槽合口后依次进行四道次连续拉拔减径，得到φ3.2mm的磨辊堆焊复合制造用自保护药芯焊丝。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述四道次连续拉拔减径依次为φ4.0mm、φ3.65mm、φ3.41mm、φ3.15mm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述其他药粉成分的粒度均控制在80-200目。
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