CN107138875A - 一种电弧堆焊增材制造用过共晶Fe‑Cr‑C‑Ti‑Nb‑N药芯焊丝 - Google Patents

一种电弧堆焊增材制造用过共晶Fe‑Cr‑C‑Ti‑Nb‑N药芯焊丝 Download PDF

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Abstract

一种电弧堆焊增材制造用过共晶Fe‑Cr‑C‑Ti‑Nb‑N药芯焊丝，药芯焊丝经堆焊熔敷后，堆焊合金的化学成分质量百分比为(wt％)：C 3.80～4.10％、Si 1.00～1.10％、Mn 1.95～2.15％、Cr 25.00～26.00％、Ti 1.40～1.60％、Nb 1.40～1.60％、N 0.30～0.40％、余量为Fe。采用药芯焊丝生产设备，药粉填充率为37～45％，经拉丝机拉拔成外径为Φ4的药芯焊丝。本发明的药芯焊丝，通过3D打印可以制备成具有耐磨表面各种形状的零部件，其硬度与传统的过共晶Fe‑Cr‑C堆焊合金相比较，HRC由60提高到61～63，经过14h的摩擦磨损试验后，磨损失重由4.5g减少到4.0～3.0g。

Description

一种电弧堆焊增材制造用过共晶Fe-Cr-C-Ti-Nb-N药芯焊丝
技术领域 本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种药芯焊丝。
背景技术 在过共晶Fe-Cr-C合金中存在大量的M7C3型初生碳化物，它们具有较高的硬度和优良的耐磨性。目前，过共晶Fe-Cr-C合金已经被增材制造领域的科研工作者广泛关注。通过电弧堆焊的方式，将其熔覆于在零部件的表面，可以通过3D打印制备成具有耐磨表面各种形状的零部件。
M7C3碳化物的耐磨性能决定了过共晶Fe-Cr-C合金的耐磨性能。然而，一般直接从液相中析出初生M7C3碳化物尺寸都比较大，而且，它们会破坏其与基体之间的连续性，在服役过程中这些大块的初生M7C3碳化物很容易从零部件表面剥落，从而降低了堆焊后零部件的使用寿命。
随着增材制造技术的快速发展，对过共晶Fe-Cr-C合金的使用寿命要求越来越高，制备出抗剥落性更强、耐磨性更高的过共晶Fe-Cr-C合金，成为突破过共晶Fe-Cr-C合金在增材制造领域广泛应用的瓶颈关键。
研究发现，采用细化初生M7C3碳化物能够有效提高过共晶Fe-Cr-C堆焊合金的耐磨性能。在焊材中添加强碳化物析出元素(Ti、Nb等)，优先析出TiC和 NbC，使其成为初生M7C3碳化物的异质形核核心，细化初生M7C3碳化物，从而可以提高过共晶Fe-Cr-C堆焊合金的使用性能。但是，研究表明，含元素Ti、 Nb的过共晶Fe-Cr-C堆焊合金仍然不能满足增材制造领域对更高寿命的要求，初生M7C3碳化物的细化程度还需有待进一步提高。
发明内容 本发明的目的在于提供一种使用方便、硬度高、耐磨性好、不易剥落、用于电弧堆焊增材制造的过共晶Fe-Cr-C-Ti-Nb-N药芯焊丝。本发明主要是在过共晶Fe-Cr-C堆焊合金成分基础上，同时添加合金元素钛(Ti)、铌(Nb) 和氮(N)，在凝固过程中，析出的复合(Ti,Nb)(C,N)化合物可以成为M7C3型初生碳化物的非自发形核核心，提高堆焊合金的抗剥落性能，具有更高的耐磨性。
本发明的药芯焊丝，其药芯的化学成分包括高碳铬铁、低碳铬铁、氮化铬铁、高碳锰铁、硅铁、石墨、钛铁、鈮铁、钒铁、钼粉、镍粉、氟化钠、镁粉等，其外层包皮为低碳钢带。药芯焊丝经堆焊熔敷后，堆焊合金的化学成分质量百分比为(wt％)：C 3.80～4.10％、Si1.00～1.10％、Mn 1.95～2.15％、Cr 25.00～26.00％、Ti 1.40～1.60％、Nb 1.40～1.60％、N 0.30～0.40％、余量为Fe。
上述药芯焊丝的制备方法：
1、对部分原料进行钝化处理：
a、将硅铁粉末加热，在700～750℃保温1小时；
b、将高碳铬铁粉末加热，在550～600℃保温1小时；
c、将高碳锰铁粉末加热，在300～350℃保温1小时；
2、混合：将上述药芯的各种原料放入混料机混合24小时；
3、拉丝：将上述混合均匀后的原料填装入带钢，药芯粉末占焊丝材料的重量百分比为37～45％，其余为带钢，在药芯焊丝生产线上进行滚压，经拉丝机2～ 5次拉拔成外径为Φ4的药芯焊丝；
4、干燥：在100～200℃对药芯焊丝进行干燥。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、采用本发明的药芯焊丝，通过3D打印可以制备成具有耐磨表面各种形状的零部件，其硬度与传统的过共晶Fe-Cr-C堆焊合金相比较，由HRC60提高到HRC61～63，而在经过14h的摩擦磨损试验后，磨损失重由4.5g减少到4.0～ 3.0g；
2、在过共晶Fe-Cr-C堆焊合金成分基础上，同时添加合金元素Ti、Nb和N。由于复合(Ti,Nb)(C,N)化合物与M7C3型初生碳化物之间的错配度为6.15％ (小于12％)，为中等有效。因此，在随后的凝固过程中，细化的复合(Ti,Nb) (C,N)化合物还可以成为后析出M7C3型初生碳化物的非自发形核核心，从而进一步细化M7C3型初生碳化物，获得更细小的纳米M7C3型初生碳化物，从而进一步提高了堆焊合金的抗剥落性能，使堆焊合金具有更高的耐磨性；
3、本发明的过共晶Fe-Cr-C-Ti-Nb-N药芯焊丝，可以广泛的应用在冶金、机械、矿山、煤炭、石油、建筑等领域，通过3D打印可以制备成具有耐磨表面各种形状的零部件，其市场空间十分广阔。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的过共晶Fe-Cr-C堆焊合金中M7C3型初生碳化物扫描电镜图，图中(a)为没有添加N元素、(b)为添加N元素。
具体实施方式
实施例1：
取药芯焊丝熔敷后堆焊合金的化学成分质量百分比为(wt％)：C 3.80Kg、 Si1.00Kg、Mn 1.95Kg、Cr 25.00Kg、Ti 1.40Kg、Nb 1.40Kg、N 0.30Kg、Fe 65.15 Kg、上述原料粒度均为60～80目。先对硅铁、高碳铬铁和高碳锰铁进行钝化处理，即将硅铁粉末加热，在700℃保温1小时；将高碳铬铁粉末加热，在550℃保温1小时；将高碳锰铁粉末加热，在300℃保温1小时。将上述药芯的各种原料放入混料机进行充分混合，采用药芯焊丝生产设备，将上述混合均匀后的原料填装入带钢，药粉填充率为37％，经拉丝机2次拉拔成外径为Φ4的药芯焊丝。其堆焊金属的硬度为HRC61。
实施例2：
取药芯焊丝熔敷后堆焊合金的化学成分质量百分比为(wt％)：C 3.95Kg、 Si1.05Kg、Mn 2.05Kg、Cr 25.50Kg、Ti 1.50Kg、Nb 1.50Kg、N 0.35Kg、Fe 64.10 Kg。上述原料粒度为60～80目。先对硅铁、高碳铬铁和高碳锰铁进行钝化处理，即将硅铁粉末加热，在730℃保温1小时；将高碳铬铁粉末加热，在570℃保温 1小时；将高碳锰铁粉末加热，在320℃保温1小时。将上述药芯的各种原料放入混料机进行充分混合，采用药芯焊丝生产设备，将上述混合均匀后的原料填装入带钢，药粉填充率为40％，经拉丝机4次拉拔成外径为Φ4的药芯焊丝。其堆焊金属的硬度为HRC62。
实施例3：
取药芯焊丝熔敷后堆焊合金的化学成分质量百分比为(wt％)：C 4.10Kg、 Si1.10Kg、Mn 2.15Kg、Cr 26.00Kg、Ti 1.60Kg、Nb 1.60Kg、N 0.40Kg、Fe 63.05 Kg。上述原料粒度为60～80目。先对硅铁、高碳铬铁和高碳锰铁进行钝化处理，即将硅铁粉末加热，在750℃保温1小时；将高碳铬铁粉末加热，在600℃保温 1小时；将高碳锰铁粉末加热，在350℃保温1小时。将上述药芯的各种原料放入混料机进行充分混合，采用药芯焊丝生产设备，将上述混合均匀后的原料填装入带钢，药粉填充率为45％，经拉丝机5次拉拔成外径为Φ4的药芯焊丝。其堆焊金属的硬度为HRC63。

Claims (2)

1.一种电弧堆焊增材制造用过共晶Fe-Cr-C-Ti-Nb-N药芯焊丝，其特征在于：其药芯焊丝经堆焊熔敷后，堆焊合金的化学成分质量百分比为：C 3.80～4.10％、Si 1.00～1.10％、Mn 1.95～2.15％、Cr 25.00～26.00％、Ti 1.40～1.60％、Nb 1.40～1.60％、N 0.30～0.40％、余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的电弧堆焊增材制造用过共晶Fe-Cr-C-Ti-Nb-N药芯焊丝，其特征在于：其药粉的填充率为37～45％。
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