CN106041356B - 一种高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

一种高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝，以低碳钢带为外皮，药芯成分按质量百分比为：42～60％的80目高碳铬铁，10～18％的硅铁，16～25％的硼铁，2～8％的稀土硅，2～8％的石墨，1～4％的铝镁合金，2～5％的锰粉，余量为铁粉，其中，石墨、铝镁合金及锰粉均以60目和200目两种粒度添加，药芯粉末占焊丝总重的49‑53％。本发明提供的焊丝，通过添加不同粒度的药芯组分，保证了良好的焊接工艺性能，并通过在药芯中同时加入B、Si等自熔性合金元素，有效降低焊丝熔点，扩大焊接工艺窗口，提高堆焊效率，实现高效节能的效果，并有效降低堆焊焊道表面张力，有效改善堆焊焊道成形。

Description

一种高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝及其制备 方法
技术领域
本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体地涉及一种高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝及其制备方法。
背景技术
堆焊作为一种绿色制造工艺，广泛应用于各类耐磨部件的修复或再制造。堆焊合金的耐磨性能在很大程度上取决于合金粉末的添加量，即合金粉末在药芯中所占的比例。为了增大药芯焊丝中合金粉末的装填量，近年来课题组发展了一系列的无渣自保护堆焊药芯焊丝，该类新型焊丝的药芯中几乎没有添加任何矿物粉，使得合金的装填量得到最大程度的增加，并以此增加了药芯焊丝的填充系数，有效地增加了堆焊合金中的碳化物数量和硬度，成为堆焊领域最有潜力和前景的材料之一。
然而，由于药芯中合金量过多，常常导致堆焊合金表面张力过大，流动性较差，焊道高窄，影响了堆焊合金的焊接工艺性能，限制了无渣自保护堆焊药芯焊丝的应用广度。
发明内容
发明目的：为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝及其制备方法。
技术内容：为实现上述技术目的，本发明提出一种高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，所述的药芯成分质量百分含量范围如下：42～60％的80目高碳铬铁，10～18％的硅铁，16～25％的硼铁，2～8％的稀土硅，2～8％的石墨，1～4％的铝镁合金，2～5％的锰粉，余量为铁粉，其中，石墨、铝镁合金及锰粉均以60目和200目两种粒度添加，药芯粉末占焊丝总重的49-53％。
最为优选，所述的高碳铬铁含碳量为9～10wt％，含铬量为60～70wt％，其余为铁；所述的硅铁含硅量为72～80wt％，其余为铁；所述的稀土硅含稀土24～27wt％，含硅量为38～43wt％，其余为铁；所述的硼铁含硼量为19～25wt％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁。
优选地，所述药芯中不同粒度的石墨：60目的石墨和200目的石墨，并以质量比1:1组合的方式加入。
优选地，所述药芯中不同粒径的铝镁合金：60目的铝镁合金和200目的铝镁合金，并以质量比1:1组合的方式加入。
优选地，所述药芯中不同粒径的锰粉：60目的锰粉和200目的锰粉，并以质量比1:1组合的方式加入。
优选地，所述药芯中，所述药芯中的高碳铬铁、硅铁、硼铁及铁粉组分的粒径均等于80目。
优选地，所述药芯中，所述低碳钢带厚度×宽度为0.5×21mm。
优选地，所述药芯中，所述焊丝的直径为2.8mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm和4.2mm中的任意一种。
上述高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：
(1)利用成型轧辊将低碳钢钢带轧成U形，然后通过送粉装置将药芯粉末按焊丝总重的49-53％加入到U形槽中；
(2)将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.8～4.2mm，得到最终产品。
在上述药芯中各组分主要作用如下：
高碳铬铁：向堆焊金属中过渡合金元素Cr，并提供C元素。
硼铁和硅铁：作为自熔性合金元素，有效降低焊丝熔点，降低熔池表面张力，改善熔池流动性，优化焊道成形。
稀土硅：一方面通过稀土细化堆焊合金组织，另一方面渗硅，进一步降低焊丝熔点。
石墨：提供C元素，脱氧形成CO，并降低焊接气氛中的氧分压和氮分压。
铝镁合金：脱氧，固氮，增强自保护效果。
锰粉：脱氧，增强自保护效果；过渡合金元素Mn。
由上述技术方案和药芯中各组分的作用简述可以明了，本发明由于通过在药芯中同时加入B、Si等自熔性合金元素，有效降低焊丝熔点，扩大焊接工艺窗口，提高堆焊效率，实现高效节能的效果，并有效降低堆焊焊道表面张力，有效改善堆焊焊道成形。试验研究表明，本药芯焊丝药芯组分体系中，同时添加10～18％的80目硅铁，16～25％的80目硼铁和2～8％的80目稀土硅综合效果较好。如果添加量过少，无法有效降低焊丝熔点，熔池与母材浸润性不良，堆焊层表面粗糙，无光泽，恶化焊道成形质量；如果添加量过多，则堆焊合金的开裂倾向增大。
此外，药芯中石墨、铝镁合金及锰粉的粒度均有两种：60目和200目，以粒度差异组合的方式添加。在整个焊接过程中，既有温度极高的熔滴阶段，又有温度稍低的熔池阶段，无论哪个阶段都需要有效避免空气污染才能得到合格的焊接熔敷金属，课题组通过前期大量的工艺试验发现，通过不同粒度的上述药芯组分可以明显改善焊丝的自保护效果。这是不同粒度的粉末具有不同的氧化活性。通过成分粒度控制化学冶金反应活性的新思路，在药芯中添加极细的200目石墨、铝镁合金及锰粉，利用其在焊接升温阶段进行有效的先期脱氧，同时在药芯中添加较粗的60目石墨、铝镁合金及锰粉，使之保留在熔滴高温阶段及熔池阶段，也能够进行有效的脱氧造气，从而保证在整个焊丝受热、熔化、形成熔滴、熔滴过渡、形成熔池并开始凝固的焊接冶金全程均具备良好的自保护效果，从而实现了本焊丝在没有添加任何矿物粉造渣剂的情况下，仍然能够具备良好的焊接工艺性能及焊接金属表面成形。同时，多粒度脱氧剂的添加，保证在较小脱氧剂的添加条件下，取得良好自保护效果，为药芯配方中高碳铬铁、硼铁、硅铁及稀土硅等的足量添加创造了空间条件。
有益效果：本发明通过在药芯中同时加入B、Si等自熔性合金元素，有效降低焊丝熔点，扩大焊接工艺窗口，提高堆焊效率，实现高效节能的效果，并有效降低堆焊焊道表面张力，有效改善堆焊焊道成形。此外，还通过成分粒度控制化学冶金反应活性的新思路，在药芯中分别组合添加极细的200目和较粗的60目石墨、铝镁合金及锰粉，有效保证在整个焊丝受热、熔化、形成熔滴、熔滴过渡、形成熔池并开始凝固的焊接冶金全程均具备良好的自保护效果，从而实现了本焊丝在没有添加任何矿物粉造渣剂的情况下，仍然能够具备良好的焊接工艺性能。本发明的药芯焊丝焊接工艺性能好，堆焊效率高、高效节能，焊道成形美观，堆焊层表面硬度均匀，耐磨性优良。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，实施例所描述的具体的药芯组分配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。其中，下列各实施例中所使用的高碳铬铁含碳量为9～10wt％，含铬量为60～70wt％，其余为铁；所述的硅铁含硅量为72～80wt％，其余为铁；所述的稀土硅含稀土24～27wt％，含硅量为38～43wt％，其余为铁；所述的硼铁含硼量为19～25wt％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁。
实施例1
一种高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：60g的80目高碳铬铁，10g的80目硅铁，20g的80目硼铁，3g的80目稀土硅，2g的石墨，2g的铝镁合金，2g的锰粉，1g的80目铁粉，其中，石墨、铝镁合金及锰粉均以60目和200目两种粒度添加，且所添加的每一种粉末中60目和200目的质量分数均各占50％。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为51％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。
实施例2
一种高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：50g的80目高碳铬铁，15g的80目硅铁，18g的80目硼铁，5g的80目稀土硅，5g的石墨，1g的铝镁合金，4g的锰粉，2g的80目铁粉，其中，石墨、铝镁合金及锰粉均以60目和200目两种粒度添加，且所添加的每一种粉末中60目和200目的质量分数均各占50％。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为52％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。
实施例3
一种高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：42g的80目高碳铬铁，18g的80目硅铁，16g的80目硼铁，8g的80目稀土硅，8g的石墨，3g的铝镁合金，4g的锰粉，1g的80目铁粉，其中，石墨、铝镁合金及锰粉均以60目和200目两种粒度添加，且所添加的每一种粉末中60目和200目的质量分数均各占50％。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为53％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。
实施例4
一种高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：48g的80目高碳铬铁，12g的80目硅铁，25g的80目硼铁，2g的80目稀土硅，4g的石墨，4g的铝镁合金，5g的锰粉，其中，石墨、铝镁合金及锰粉均以60目和200目两种粒度添加，且所添加的每一种粉末中60目和200目的质量分数均各占50％。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为49％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。
表1所打硬度采用HR-150A洛氏硬度计，荷载150Kg，对每一个测试样取5点硬度，计算平均硬度值。
磨损实验采用MLS-225型湿式橡胶轮磨损试验机。
将每个实施例的堆焊层切五个尺寸为57×25×6mm磨损试样。磨损实验参数如下：橡胶轮直径：178mm，橡胶轮转速：240转/分，橡胶轮硬度：70(邵尔硬度)，载荷：10Kg，橡胶轮转数：预磨1000转，正式试验转1000转，磨料：40～70目的石英砂。堆焊金属的耐磨性能以正式磨损的失重量来衡量。在每次实验前、后将试样置入盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3～5分钟，待干后称重记录。实验用Q235钢作为对比样，对比件失重量与测量件失重量之比作为堆焊样的相对耐磨性ε。
表1各实施例堆焊金属硬度与耐磨性
本发明通过在药芯中同时加入B、Si等自熔性合金元素，有效降低焊丝熔点，扩大焊接工艺窗口，提高堆焊效率，实现高效节能的效果，并有效降低堆焊焊道表面张力，有效改善堆焊焊道成形。此外，还通过成分粒度控制化学冶金反应活性的新思路，在药芯中分别组合添加极细的200目和较粗的60目石墨、铝镁合金及锰粉，有效保证在整个焊丝受热、熔化、形成熔滴、熔滴过渡、形成熔池并开始凝固的焊接冶金全程均具备良好的自保护效果，从而实现了本焊丝在没有添加任何矿物粉造渣剂的情况下，仍然能够具备良好的焊接工艺性能。本发明的药芯焊丝焊接工艺性能好，堆焊效率高、高效节能，焊道成形美观，堆焊层表面硬度均匀，耐磨性优良。

Claims (6)

1.一种高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，其特征在于，所述的药芯成分质量百分含量范围如下：42～60%的80目高碳铬铁，10～18%的硅铁，16～25%的硼铁，2～8%的稀土硅，2～8%的石墨， 1～4%的铝镁合金，2～5%的锰粉，余量为铁粉，其中，石墨、铝镁合金及锰粉均以60目和200目两种粒度添加，药芯粉末占焊丝总重的49-53%，其中，60目的石墨和200目的石墨，以质量比1:1组合的方式加入；60目的铝镁合金和200目的铝镁合金，以质量比1:1组合的方式加入；60目的锰粉和200目的锰粉，以质量比1:1组合的方式加入。
2.根据权利要求1所述的高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝，其特征在于，所述的高碳铬铁含碳量为9～10wt%，含铬量为60～70wt%，其余为铁；所述的硅铁含硅量为72～80wt%，其余为铁；所述的稀土硅含稀土24～27wt%，含硅量为38～43wt%，其余为铁；所述的硼铁含硼量为19～25wt%，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt%，其余为镁。
3.根据权利要求1所述的高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝，其特征在于，所述药芯中的高碳铬铁、硼铁、硅铁及铁粉组分的粒径均等于80目。
4.根据权利要求1所述的高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝，其特征在于，所述低碳钢带厚度×宽度为0.5×21 mm。
5.根据权利要求1所述的高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝的直径为2.8 mm、3.2 mm、 3.5 mm、3.8 mm和4.2mm中的任意一种。
6.权利要求1所述的高效节能且堆焊层成形良好的自保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）利用成型轧辊将低碳钢钢带轧成U形，然后通过送粉装置将药芯粉末按焊丝总重的49-53%加入到U形槽中；
（2）将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.8～4.2 mm，得到最终产品。
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