CN106112303B - 一种多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

一种多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝及其制备方法，以低碳钢带为外皮，所述药芯包含如下质量百分数的组分：52～62wt％的高碳铬铁，5～10wt％的TiN，5～15wt％的BN，1～3wt％的石墨，1～2.5wt％的60目纤维素粉末，0.5～1wt％的200目纤维素粉末，1～3wt％的60目铝镁合金，1～3wt％的200目铝镁合金，2～5wt％的60目硅锰合金，2～5wt％的200目硅锰合金，余量为铁粉，所述药芯占焊丝总重的51‑55wt％。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，并通过其他合金组分的合理添加，在焊接过程中弥散均匀地析出多元氮化物，具有硬度高且均匀，耐磨性好等特点，且多层焊无需清渣。

Description

一种多元氮化物强韧化自保护堆焊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，具体地涉及一种多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝及其制备方法。
背景技术
目前堆焊修复的耐磨堆焊用药芯焊丝，一般依靠以M7C3为主的碳化铬类型碳化物提供其硬度，M7C3显微硬度为1200-1700HV。研究者们往往通过添加强碳化物形成元素Nb、Ti等进一步提高其硬度。总体来说，依靠碳化物在堆焊合金组织中发挥抗磨骨架作用，以提高堆焊合金的耐磨性是当前焊接材料制造商的普遍选择。
与碳化物相比较，氮化物往往具有更高的硬度，从而理论上能够提供更优异的耐磨性能，例如BN是当前已知自然界最坚硬的三种材料之一，其显微硬度超过3000HV。然而，在传统的焊接过程中，N的加入则容易引起氮气孔，对堆焊金属耐磨性造成不良影响。专利文献1(CN100999041B，用于大型中高碳钢零部件堆焊修复及再制造用系列药芯焊丝)公开了在药芯中加入氮与铬、镍、钒等在高温下形成的极稳定氮化物，利用其弥散状细小质点均匀分布于堆焊层之中，细化晶粒、提高强度和改善韧性，并产生二次硬化作用，同时也降低马氏体相变温度Ms点，改善应力分布，从而提高堆焊金属的抗开裂性能。专利文献2(CN1562552A，一种氮合金化的硬面合金药芯焊丝材料)、专利文献3(CN101829861A，高抗裂耐磨埋弧堆焊药芯焊丝)和专利文献4(CN102019520A，用于耐磨部件磨损部位修复的焊丝及其制造方法)均在药芯中加入氮化铬，通过氮化铬高温下向系统提供过渡N元素，形成高硬度的BN来改善耐磨性。
相比碳化物，硼化物具有更高的硬度，从而理论上能够提供更优异的耐磨性能，例如B4C是当前已知自然界最坚硬的三种材料之一，其显微硬度达到3500HV左右，TiB2显微硬度为2800-3400HV，ZrB2显微硬度与TiB2相近。尚未见报道将氮化物和硼化物同时添加至高碳铬铁基合金中。
此外，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。现有技术通常是在药芯中添加脱氧剂实现脱氧的效果，且每个脱氧剂多选用一种粒度。由于不同粒度的粉末具有不同的氧化活性，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。目前，尚未见通过控制成分粒度改善焊丝自保护效果的技术披露。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝，本发明的另一目的是提供该药芯焊丝的制备方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于低碳钢带中，所述药芯包含如下质量百分数的组分：52～62wt％的高碳铬铁，5～10wt％的TiN，5～15wt％的BN，1～3wt％的石墨，1～2.5wt％的60目纤维素粉末，0.5～1wt％的200目纤维素粉末，1～3wt％的60目铝镁合金，1～3wt％的200目铝镁合金，2～5wt％的60目硅锰合金，2～5wt％的200目硅锰合金，余量为铁粉，所述药芯占焊丝总重的51-55wt％。
进一步地，所述药芯中的高碳铬铁、TiN、BN、石墨及铁粉组分的粒度目数均大于或等于80目。
进一步地，所述高碳铬铁含碳量为9.0～9.5wt％，含铬量为62～72wt％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。
进一步地，不同粒径的纤维素：60目的纤维素和200目的纤维素粉末，以质量比1:1～4:1组合的方式加入。
进一步地，不同粒径的铝镁合金：60目的铝镁合金和200目的铝镁合金，以质量比1:2～3:1组合的方式加入。
进一步地，不同粒径的硅锰合金：60目的硅锰合金和200目的硅锰合金，以质量比2:5～2:1组合的方式加入至药芯中。
进一步地，所述低碳钢带厚度×宽度为0.5×21mm。
进一步地，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。
本发明进一步提出上述多元氮化物强韧化自保护堆焊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带轧成U形，然后通过送粉装置将将药芯粉末按照焊丝总重的51-55wt％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：形成Cr7C3，Cr23C6，Cr3C等铬的碳化物；并向基体组织中过渡C。
TiN及BN：弥散分布于堆焊合金组织中，提供理想的耐磨物相；同时细化堆焊合金组织。
石墨：提供C元素，脱氧，造气(CO)，降低气孔敏感性。
纤维素：脱氧，造气，增强自保护效果。
铝镁合金：脱氧，固氮(从空气中侵入焊接金属中的N)，增强自保护效果。
硅锰合金：脱氧，增强自保护效果；并提供过渡合金元素Mn及元素Si。
由上述技术方案和药芯中各组分的作用简述可以明了，本发明由于同时在药芯中添加多元高硬度氮化物TiN及BN，在焊接物理冶金熔体中先期析出，且弥散分布。从而使组织得以细化，大大增加堆焊金属强韧性。并且，由于先析TiN及BN具有比之(Cr、Fe)7C3碳化物更高的硬度和热稳定性，大大提高堆焊金属的硬度和耐磨性。也未添加铌、钒等贵重合金元素，大大节约了焊丝制造成本，实现了少量多元强化的初衷，达到了本发明的目的。
在上述技术方案中，所述氮化物的添加方式是多元组合的。这是因为，一方面，TiN及BN的高硬度、高热稳定性能是近似趋同的，这都极大贡献于堆焊合金耐磨性；另一方面，TiN及BN的熔点、形态等物化性能又有所差异，这既有利于硬质质点在焊接凝固初期较宽的高温温度区间递次析出以构成梯度多元强化细化效果，又有利于丰富硬质相的成分以有效抵御特别是复杂工况条件下的磨削，提供了更稳定的优良耐磨性。
药芯中纤维素、铝镁合金及硅锰合金的粒度均有两种：60目和200目，以粒度差异组合的方式添加，应注意的是，其他不同粗细粒度的组合，如40目、50目、60目、70目、80目等粗粒度，160目、170目、180目、200目、250目、300目等较细粒度，只要是能够实现该技术效果的，也落入本发明的构思。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目纤维素、铝镁合金及硅锰合金，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目纤维素、铝镁合金及硅锰合金，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。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过同时在药芯中添加多元硼化物TiN及BN，在焊接冶金过程中先期析出大量弥散析出，提供高硬度、高热稳定性并细化组织，并通过避免单一的多元组分添加方式有效利用TiN及BN的熔点、形态等在物化性能上的差异，获得高温温度区间递次析出以构成梯度多元强化细化效果，也有利于丰富硬质相的成分以有效抵御特别是复杂工况条件下的磨削，提供了更稳定的优良耐磨性。
(2)本发明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目纤维素、铝镁合金及硅锰合金，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及焊道表面成形。
(3)本发明的药芯焊丝焊接工艺性能好，合金均匀化程度高，堆焊层表面硬度均匀，平均硬度在62～67HRC范围，耐磨性为Q235的26～36倍。
(4)本发明药芯焊丝的制备方法简单可靠，易于批量生产，所制备的焊丝焊接工艺性能良好，熔敷效率高，多层焊无需清渣。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步解释说明。因理解的是，下述实施例所描述的具体药芯组分的配比、工艺条件及其结果是为了更好的解释本发明，而不构成对本发明保护范围的限定。其中，下列各实施例中所使用的高碳铬铁含碳量为9.0～9.5wt％，含铬量为62～72wt％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。
实施例1
一种多元氮化物强韧化自保护药芯焊丝，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：52g的80目高碳铬铁，10g的80目TiN、15g的80目BN，2g的80目石墨，1g的60目纤维素粉末、1g的200目纤维素粉末，2g的60目铝镁合金、3g的200目铝镁合金，4g的60目硅锰合金、2g的200目硅锰合金，8g的80目铁粉。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55％。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。堆焊金属硬度及耐磨性见表1。
实施例2
一种多元氮化物强韧化自保护药芯焊丝，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：62g的80目高碳铬铁，5g的80目TiN、8g的80目BN，1g的80目石墨，2g的60目纤维素粉末、0.5g的200目纤维素粉末，3g的60目铝镁合金、1g的200目铝镁合金，5g的60目硅锰合金、3g的200目硅锰合金，9.5g的80目铁粉。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。堆焊金属硬度及耐磨性见表1。
实施例3
一种多元氮化物强韧化自保护药芯焊丝，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：58g的80目高碳铬铁，8g的80目TiN、5g的80目BN，3g的80目石墨，2g的60目纤维素粉末、0.8g的200目纤维素粉末，1g的60目铝镁合金、2g的200目铝镁合金，2g的60目硅锰合金、5g的200目硅锰合金，13.2g的80目铁粉。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。堆焊金属硬度及耐磨性见表1。
实施例4
一种多元氮化物强韧化自保护药芯焊丝，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：55g的80目高碳铬铁，6g的80目TiN、10g的80目BN，2g的80目石墨，2.5g的60目纤维素粉末、0.8g的200目纤维素粉末，2g的60目铝镁合金、2g的200目铝镁合金，3g的60目硅锰合金、4g的200目硅锰合金，12.7g的80目铁粉。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。堆焊金属硬度及耐磨性见表1。
表1所列硬度采用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
以上实施例只是对本发明的技术构思起到说明示例作用，并不能以此限制本发明的保护范围，本领域技术人员在不脱离本发明技术方案的精神和范围内，进行修改和等同替换，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，所述药芯填充于低碳钢带中，其特征在于：所述药芯包含如下质量百分数的组分：52～62wt％的高碳铬铁，5～10wt％的TiN，5～15wt％的BN，1～3wt％的石墨，1～2.5wt％的60目纤维素粉末，0.5～1wt％的200目纤维素粉末，1～3wt％的60目铝镁合金，1～3wt％的200目铝镁合金，2～5wt％的60目硅锰合金，2～5wt％的200目硅锰合金，余量为铁粉，所述药芯占焊丝总重的51-55wt％。
2.根据权利要求1所述的多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于：所述药芯中的高碳铬铁、TiN、BN、石墨及铁粉组分的粒径的目数均大于或等于80目。
3.根据权利要求1所述的多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于：所述高碳铬铁含碳量为9.0～9.5wt％，含铬量为62～72wt％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。
4.根据权利要求1所述的多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于：所述不同粒径的纤维素：60目的纤维素和200目的纤维素粉末，以质量比1:1～4:1组合的方式加入。
5.根据权利要求1所述的多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于：所述不同粒径的铝镁合金：60目的铝镁合金和200目的铝镁合金，以质量比1:2～3:1组合的方式加入。
6.根据权利要求1所述的多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于：所述不同粒径的硅锰合金：60目的硅锰合金和200目的硅锰合金，以质量比2:5～2:1组合的方式加入。
7.根据权利要求1所述的多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于：所述低碳钢带厚度×宽度为0.5×21mm。
8.根据权利要求1所述的多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于：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。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的多元氮化物强韧化自保护堆焊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带轧成U形，然后通过送粉装置将药芯粉末按照焊丝总重的51-55wt％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。
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