CN105945456B - 一种耐热耐磨药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属堆焊材料技术领域，特别涉及一种耐热耐磨药芯焊丝。所述耐热耐磨药芯焊丝，由低碳冷轧钢带包覆药芯粉制成，药芯粉的重量百分组成如下：石墨烯0.25%‑1.0%、金属铬40%‑45%、电极石墨5%‑9%、大理石2%‑4%、碳化铬1%‑3%、电解金属锰1%‑4%、硅铁3%‑6%、钼4%‑6%、镍6%‑10%、硼铁2%‑4%、铌0.5%‑3%、钨0.5%‑3.0%、稀土0.5%‑1%，余量为FHY100.25还原铁粉。本发明利用在药芯粉中加入纳米级石墨烯、稀土元素和碳化铬等组分，并通过优化组分合理范围，实现了焊缝金属组织细化和均匀化，提高了堆焊金属的高温回火稳定性。

Description

一种耐热耐磨药芯焊丝
技术领域
本发明属于金属堆焊材料技术领域，特别涉及一种耐热耐磨药芯焊丝。
背景技术
机械零件的主要失效形式中因在高温和腐蚀作用下磨损失效的比重占60％-80％，因而对材料表面改性、提高材料在高温和腐蚀作用下的耐磨性或对己经失效的材料进行修复，延长其使用寿命，提高经济效益具有重大的现实意义。
堆焊技术是一种常用的表面改性及修复的方法，主要应用于水泥、钢铁、电力、采矿等行业。药芯焊丝作为新一代的焊材，具有熔敷率高、熔敷速度快、成形美观、成分容易调整、焊接适应性强等优点。近年来药芯焊丝逐渐成为耐磨堆焊的首选焊材。
在焊接材料的设计中，合金元素对力学性能的影响不仅取决于碳与合金元素形成碳化物的类型、尺寸、形状、数量以及分布状态，而且取决于晶粒的大小及合金元素的分布均匀度。焊缝中为获取碳，在药芯焊丝中往往加入一定量的石墨，从而满足焊缝熔敷金属的硬度及其力学性能。但是，随着石墨粉的加入，焊缝中晶粒比较粗大且组织分布不均匀，堆焊层易出现宏观裂纹，从而使堆焊层的保护效果大大降低，加快了工件在高温和腐蚀作用下的磨损。以铁基耐热耐磨合金为例，其通常在600℃以上时，硬度会显著下降，900℃时洛氏硬度值一般不高于55HRC。耐磨堆焊药芯焊丝一般情况下可满足550℃以下工况使用，当超过700℃时大多数就需使用钴基合金，但其价格太高。故如何获得微观组织均匀和在600℃以上具有良好的回火稳定性的堆焊层是困扰焊接界的一个重要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐热耐磨药芯焊丝，既能获得组织均匀的微观组织，同时在600℃-900℃的工况下使用状况良好，能获得具有良好回火稳定性的堆焊层。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种耐热耐磨药芯焊丝，由低碳冷轧钢带包覆药芯粉制成，所述药芯粉的重量百分组成如下：石墨烯0.2％-1.0％、金属铬40％-45％、电极石墨5％-9％、大理石2％-4％、碳化铬1％-3％、电解金属锰1％-4％、硅铁3％-6％、钼4％-6％、镍6％-10％、硼铁2％-4％、铌0.5％-3％、钨0.5％-3.0％、稀土0.5％-1％，余量为FHY100.25还原铁粉。
优选的，所述药芯粉占焊丝总质量的30％-60％。
优选的，所述石墨烯为纳米级石墨烯。
所述碳化铬为纳米级碳化铬。
所述稀土为纳米级稀土。具体采用的稀土没有特别限定，如可采用铈或混合稀土等，采用不同的稀土种类对产品性能的影响基本相当。
所述的金属铬：Cr≥99.9％；所述电极石墨：C≥90％；所述大理石为工业级；所述碳化铬：Cr3C2≥99.5％，纳米级；所述电解金属锰：Mn≥99.5％，C<0.03％，S<0.03％，P<0.03％；所述硅铁：Si≥75％；所述钼：Mo≥98％；所述镍：Ni≥99％；所述硼铁：B≥17％，C<0.1％；所述铌：Nb≥98％；所述钨：W≥98％；所述稀土：稀土纯度≥99％，纳米级。
所述药芯粉60目通过率为100％，大于180目<20％。
所述焊丝直径为1.6-2.8mm。
所述钢带为低碳冷轧钢带，其中C<0.05％，Si<0.03％，Mn0.15～0.25％，S、P<0.03％；抗拉强度：280-350MPa，伸长率≥35％。宽度14-18mm、厚度为0.25-0.3mm。
本发明在药芯焊丝使用过程中采用CO2气体保护，CO2气体纯度大于99.5％，H2O小于0.3％。
本发明通过在药芯粉中加入纳米级石墨烯、纳米级稀土元素和碳化铬等组分，并优化各组分合理范围，实现了促进焊缝金属组织细化和均匀化，并提高高温回火稳定性。和未添加纳米级石墨烯的药芯焊丝相比，纳米级石墨烯表面原子具有极高的化学活性，极不稳定，很容易与其他原子结合，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径；这使得其在金属熔体中比石墨更容易扩散，提高其均匀度；纳米级稀土氧化物颗粒，具有细化晶粒的作用性；纳米碳化铬可起到非自发形核的作用。另外，本发明中添加了Ni、W、Cr等多种合金元素，在堆焊金属中形成稳定性极高的含W、Nb、B和Mo等合金元素的碳化物，同时基体中也含有较高的合金元素，从而提高了焊缝金属的组织均匀性和高温回火稳定性。本发明熔敷金属焊条及高温回火态微观组织均匀，900℃回火8小时洛氏硬度在58HRC以上，在600-900℃之间工况条件下使用具有优良的耐热耐磨性能。
附图说明
图1为本发明的药芯焊丝熔敷金属的100×金相组织；
图2为其他成分相同，但未添加纳米级石墨烯的药芯焊丝熔敷金属的100×金相组织。
图1和图2的金相组织均在蔡司显微镜上观察，腐蚀液为硝酸酒精水溶液。
具体实施方式
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：
实施例1
耐热耐磨药芯焊丝，该药芯焊丝是由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。
首先选用宽度为14mm、厚度为0.3mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；然后将药芯粉填充到U型槽中，药芯粉占药芯焊丝质量的36％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯粉包裹其中，按照常规方法经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф1.6mm的焊丝，即本发明的耐热耐磨药芯焊丝。
所述的药芯粉重量百分组成如下：纳米级石墨烯0.2％、金属铬45％、电极石墨8％、大理石2％、碳化铬1.5％、电解金属锰1.6％、硅铁4％、钼4.5％、镍7％、硼铁2％、铌1.8％、钨2.5％、纳米级稀土1％，余量为FHY100.25还原铁粉，混合均匀。
实施例2
耐热耐磨药芯焊丝，该药芯焊丝是由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。
首先选用宽度为14mm、厚度为0.3mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；然后将药芯粉填充到U型槽中，药芯粉占药芯焊丝质量的46％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯粉包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф2.8mm的焊丝，即本发明的耐热耐磨药芯焊丝。
所述的药芯粉重量百分组成如下：纳米石墨烯1.0％、金属铬42％、电极石墨7％、大理石4％、碳化铬1％、电解锰2％、硅铁6％、钼6％、镍10％、硼铁3％、铌2.5％、钨1.5％、纳米级稀土0.5％，余量为FHY100.25还原铁粉，混合均匀。
实施例3
耐热耐磨药芯焊丝，该药芯焊丝是由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。
首先选用宽度为14mm、厚度为0.25mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；然后将药芯粉填充到U型槽中，药芯粉占药芯焊丝质量的40％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯粉包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф2.0mm的焊丝，即本发明的耐热耐磨药芯焊丝。
所述的药芯粉重量百分组成如下：纳米级石墨烯0.8％、金属铬粉40％、电极石墨5％、大理石3％、碳化铬2％、电解锰粉3％、硅铁粉4％、钼粉4％、镍粉10％、硼铁粉2.6％、铌粉1.5％、钨粉3.0％、纳米级稀土粉1％，余量为FHY100.25还原铁粉，混合均匀。
实施例4
耐热耐磨药芯焊丝，该药芯焊丝是由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。
首先选用宽度为14mm、厚度为0.25mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；然后将药芯粉填充到U型槽中，药芯粉占药芯焊丝质量的50％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯粉包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф2.8mm的焊丝，即本发明的耐热耐磨药芯焊丝。
所述的药芯粉重量百分组成如下：纳米级石墨烯0.5％、金属铬粉43％、电极石墨6％、大理石3.5％、碳化铬2.8％、电解金属锰粉2.6％、硅铁粉3％、钼粉5％、镍粉8％、硼铁粉4％、铌粉0.9％、钨粉1.8％、纳米级稀土粉0.5％，余量为FHY100.25还原铁粉，混合均匀组成。
实施例5
耐热耐磨药芯焊丝，该药芯焊丝是由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。
首先选用宽度为14mm、厚度为0.3mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；然后将药芯粉填充到U型槽中，药芯粉占药芯焊丝质量的30％；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯粉包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф1.6mm的焊丝，即本发明的耐热耐磨药芯焊丝。
所述的药芯粉重量百分组成如下：纳米级石墨烯0.4％、金属铬粉42.8％、电极石墨9％、大理石3.7％、碳化铬2.4％、电解金属锰粉2.6％、硅铁粉3％、钼粉5.6％、镍粉7.8％、硼铁粉3.2％、铌粉1.0％、钨粉0.8％、纳米级稀土粉1％，余量为FHY100.25还原铁粉，混合均匀组成。
实施例1-5中所述药芯为粉状，其颗粒度要求：60目通过率100％，大于180目<20％。
应用实验：
在实验中，以与本发明中实施例1-5中的成分配比和相同的制备工艺，但不添加纳米级石墨烯的药芯焊丝为对比例1-5。
选取本发明实施例1-5和对比例1-5的药芯焊丝为对焊材料，分别在普通碳钢(Q235)钢板上堆焊来制备试样，堆焊工艺参数详见表1。
表1
在Q235的试板上进行多道多层堆焊，堆焊宽度为70mm，厚度为20mm的堆焊试样。试板堆焊缓冷后，再经焊后热处理。
在试板上堆焊金属距表面相同位置处取样，并经打磨、抛光后，用4％硝酸酒精擦试4次进行腐蚀，以观察堆焊熔敷金属组织并进行硬度测试，检测其组织均匀性和高温组织稳定性。热处理态金相组织如附图1、图2所示，热处理态硬度测试结果如表2所示。
表2
项目 洛氏硬度HRC(均值±标准差)
实施例1 60.5±2.5
实施例2 63.4±4.2
实施例3 59.6±2.7
实施例4 65.3±3.1
实施例5 61.7±2.8
对比例1 52.5±8.6
对比例2 50.4±9.7
对比例3 49.6±10.4
对比例4 55.7±7.8
对比例5 53.8±8.9
可以看出，本发明的耐热耐磨药芯焊丝熔敷金属经900℃×20h保温，随炉冷处理后，组织均匀性和洛氏硬度值明显高于对比例，且其洛氏硬度波动范围显著小于对比例。
要指出的是，本发明的创新核心在于给出了药芯的组合物，特别是在药芯粉中加入纳米级石墨烯组分，通过多种合金元素的复合强化实现了焊缝金属组织细化和均匀化，并提高了堆焊金属的高温回火稳定性。
本发明上述给出的实施例只是用于说明本发明的具体实施方式，而不是用于限制本发明的保护范围，凡是对本领域熟练的技术人员来说，只要不离开本发明的技术特征范围可作各种变化或修正，其本质与本发明的技术方案相同，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种耐热耐磨药芯焊丝，由低碳冷轧钢带包覆药芯粉制成，其特征在于，所述药芯粉的重量百分组成如下：石墨烯0.2%-1.0%、金属铬40%-45%、电极石墨5%-9%、大理石2%-4%、碳化铬1%-3%、电解金属锰1%-4%、硅铁3%-6%、钼4%-6%、镍6%-10%、硼铁2%-4%、铌0.5%-3%、钨0.5%-3.0%、稀土0.5%-1%，余量为FHY100.25还原铁粉；所述石墨烯为纳米级石墨烯，所述稀土为纳米级稀土，所述碳化铬为纳米级碳化铬。
2.如权利要求1所述的耐热耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述药芯粉质量占焊丝总质量的30%-60%。
3.如权利要求1所述的耐热耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述药芯粉60目通过率为100%，大于180目<20%。
4.如权利要求1所述的耐热耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述的焊丝直径为1.6-2.8mm。
5.如权利要求1-4任一所述的耐热耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述的钢带为宽度14-18mm、厚度为0.25-0.3mm的低碳冷轧钢带。
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