CN106141483A - 一种自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

一种自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝，以低碳钢带为外皮，药芯成分按质量百分比为：52～62％的高碳铬铁，2～6％的铬粉，22～30％的硼铁，2～4％的石墨，1～3％的铝镁合金，4～8％的硅锰合金，余量为铁粉，其中，石墨、铝镁合金及硅锰合金均以60目和200目两种粒度添加，药芯粉末占焊丝总重的55‑60％。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，并通过与其他药芯组分的合理配比，使之在堆焊合金组织中获得体积分数占90％以上的硼碳化物：(Cr,Fe)7(C,B)3及(Cr,Fe)3(C,B)，堆焊层硬度高达65～68HRC，耐低应力磨料磨损性能极佳，且焊接工艺性能良好，熔敷效率高，多层焊无需清渣。

Description

一种自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝 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，具体地涉及一种自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊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。由于成本低廉加之便于制备，以Cr7C3型碳化物为耐磨骨架的高铬铸铁堆焊合金得到广泛应用。一般说来，碳化物硬质相的体积分数越大，堆焊合金的耐磨性越好。
由于自保护药芯焊丝成分调整方便，无外加辅助气体，焊接效率高，其作为堆焊材料得到广泛认可和应用。然而，自保护药芯焊丝的结构特点，使得其在药芯中添加合金元素十分有限，传统的自保护药芯焊丝中，造渣剂的添加量往往达到50％(质量分数)左右，合金元素的添加量十分有限，无法获得足够体积分数的硬质相，这就必然限制了堆焊合金耐磨性的进一步提升。
发明内容
发明目的：为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊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，本发明提出一种自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝，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：52～62％的高碳铬铁，2～6％的铬粉，22～30％的硼铁，2～4％的石墨，1～3％的铝镁合金，4～8％的硅锰合金，余量为铁粉，其中，石墨、铝镁合金及硅锰合金均以60目和200目两种粒度添加，药芯粉末占焊丝总重的55-60％。
优选地，所述的自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝，在其堆焊合金组织中获得体积分数占90％以上的硼碳化物：(Cr,Fe)7(C,B)3及(Cr,Fe)3(C,B)，堆焊层硬度高达65～68HRC。
优选地，所述的高铬铸铁含碳量为9～10wt％，含铬量为60～70wt％，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；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。
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硅锰合金：60目的硅锰合金和200目的硅锰合金，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、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。
上述自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊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本焊丝总重的55-60％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。
铬粉：向堆焊合金中过渡合金元素Cr。
硼铁：代替部分C与合金元素Cr、Fe等结合形成(Cr,Fe)7(C,B)3及(Cr,Fe)3(C,B)型复合硬质相。
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。
硅锰合金：脱氧，增强自保护效果；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，本发明由于在药芯中添加了足量的Cr、C和B，它们在焊接冶金熔体中与Cr、Fe等发生反应，梯次析出Cr,Fe)7(C,B)3及(Cr,Fe)3(C,B)型复合硬质相，较之传统Cr7C3碳化物的热稳定性更好，硬度更高，使得耐磨骨架的结构和成分得以优化，同时其堆焊合金获得体积分数占90％以上的该两种硼碳化物：(Cr,Fe)7(C,B)3及(Cr,Fe)3(C,B)，堆焊层硬度高达65～68HRC，耐磨性大幅提升，达到了本发明的目的。
在上述技术方案中，所述大体积分数(超过90％)的新型复合硬质相Cr,Fe)7(C,B)3及(Cr,Fe)3(C,B)的形成是依靠在无渣自保护药芯焊丝中添加高铬、高碳及高硼来实现的。课题组前期通过大量试验研究发现，B能够明显左移堆焊合金共晶点，较少的B含量就能够获得较大体积分数的硼碳化物硬质相。在添加52～62％的高碳铬铁，2～6％的铬粉，2～4％的石墨的主要条件下，另外添加22％的80目硼铁，即可获得体积分数90％以上的硼碳化物，这也意味着B对硼碳化物体积分数的重要影响。另一个方面，改善了硬质相Cr7C3型碳化物的成分结构：在熔池凝固初期，首先析出Cr,Fe)7(C,B)3硬质相，(Cr,Fe)3(C,B)型复合硬质相，随着剩余熔池中C及B的减少，某个时刻达到共晶点，开始发生共晶反应，析出细小(Cr,Fe)3(C,B)及奥氏体共晶产物，构成成分多元、强韧结合，梯次抗磨的理想组织。
药芯中石墨、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。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。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、铬粉、硼铁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添加了足量的Cr、C和B，它们在焊接冶金熔体中与Cr、Fe等发生反应，梯次析出Cr,Fe)7(C,B)3及(Cr,Fe)3(C,B)型复合硬质相，较之传统Cr7C3碳化物的热稳定性更好，硬度更高，使得耐磨骨架的结构和成分得以优化，同时其堆焊合金获得体积分数占90％以上的该两种硼碳化物：(Cr,Fe)7(C,B)3及(Cr,Fe)3(C,B)，堆焊层硬度高达65～68HRC，耐磨性大幅提升。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。本发明的药芯焊丝焊接工艺性能好，堆焊合金硼碳化物体积分数超过90％，合金均匀化程度高，堆焊层表面硬度均匀，平均硬度在65～68HRC范围，耐低应力磨料磨损性能尤佳。耐磨性为Q235的35倍左右。
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铬铸铁含碳量为9～10wt％，含铬量为60～70wt％，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；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。
实施例1
一种自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝，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：62g的80目高碳铬铁，6g的80目铬粉，22g的80目硼铁，2g的石墨，2g的铝镁合金，5g的硅锰合金，1g的80目铁粉，其中，石墨、铝镁合金及硅锰合金均以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57％。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。堆焊金属硼碳化物体积分数、硬度及耐磨性见表1。
实施例2
一种自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝，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：52g的80目高碳铬铁，2g的80目铬粉，25g的80目硼铁，3g的石墨，1g的铝镁合金，8g的硅锰合金，9g的80目铁粉，其中，石墨、铝镁合金及硅锰合金均以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58％。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。堆焊金属硼碳化物体积分数、硬度及耐磨性见表1。
实施例3
一种自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝，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：55g的80目高碳铬铁，3g的80目铬粉，30g的80目硼铁，4g的石墨，2g的铝镁合金，4g的硅锰合金，2g的80目铁粉，其中，石墨、铝镁合金及硅锰合金均以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60％。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。堆焊金属硼碳化物体积分数、硬度及耐磨性见表1。
实施例4
一种自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝，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：60g的80目高碳铬铁，4g的80目铬粉，23g的80目硼铁，3g的石墨，3g的铝镁合金，6g的硅锰合金，1g的80目铁粉，其中，石墨、铝镁合金及硅锰合金均以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。堆焊金属硼碳化物体积分数、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添加了足量的Cr、C和B，它们在焊接冶金熔体中与Cr、Fe等发生反应，梯次析出Cr,Fe)7(C,B)3及(Cr,Fe)3(C,B)型复合硬质相，较之传统Cr7C3碳化物的热稳定性更好，硬度更高，使得耐磨骨架的结构和成分得以优化，同时其堆焊合金获得体积分数占90％以上的该两种硼碳化物：(Cr,Fe)7(C,B)3及(Cr,Fe)3(C,B)，堆焊层硬度高达65～68HRC，耐磨性大幅提升。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。本发明的药芯焊丝焊接工艺性能好，堆焊合金硼碳化物体积分数超过90％，合金均匀化程度高，堆焊层表面硬度均匀，平均硬度在65～68HRC范围，耐低应力磨料磨损性能尤佳。耐磨性为Q235的35倍左右。

Claims (10)

1.一种自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝，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：52～62％的高碳铬铁，2～6％的铬粉，22～30％的硼铁，2～4％的石墨，1～3％的铝镁合金，4～8％的硅锰合金，余量为铁粉，其中，石墨、铝镁合金及硅锰合金均以60目和200目两种粒度添加，药芯粉末占焊丝总重的55-60％。
2.根据权利要求1所述的自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝，其特征在于，在其堆焊合金组织中获得体积分数占90％以上的硼碳化物：(Cr,Fe)7(C,B)3及(Cr,Fe)3(C,B)，堆焊层硬度高达65～68HRC。
3.根据权利要求1所述的自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝，其特征在于，所述的高铬铸铁含碳量为9～10wt％，含铬量为60～70wt％，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；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所述的含有自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝，其特征在于不同粒度的石墨：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。
5.根据权利要求1所述的含有自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝，其特征在于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。
6.根据权利要求1所述的含有自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝，其特征在于不同粒径的硅锰合金：60目的硅锰合金和200目的硅锰合金，并以质量比1:1组合的方式加入。
7.根据权利要求1所述的含有自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝，其特征在于，所述药芯中的高碳铬铁、铬粉、硼铁及铁粉组分的粒径均等于80目。
8.根据权利要求1所述的含有自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝，其特征在于，所述低碳钢带厚度×宽度为0.5×21mm。
9.根据权利要求1所述的含有自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊自保护药芯焊丝，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。
10.权利要求1所述的含有自生大体积分数硼碳化物强化耐磨堆焊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55-60％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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