CN107363431A - 一种自保护明弧堆焊奥氏体基体药芯焊丝及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自保护明弧堆焊奥氏体基体药芯焊丝及其应用方法。其药芯焊丝采用H08A冷轧薄钢带为外层包皮，配以高碳铬铁、铌铁、硅铁、超微细石墨和超细化铝粉以及其它金属粉末构成粉芯，形成以奥氏体为基体和其中析出粗大的NbC为主耐磨相以及沿晶离散分布的M₂₃C₆型碳化物为辅助耐磨相组织结构的堆焊合金。采用粉芯中超微细石墨在70～80℃烘干两小时，以使超微细石墨颗粒充分吸附一定数量的空气而具有一定的燃爆性；利用其爆发性激使Al₂O₃形成微细烟尘而在电弧吹力作用下驱散去除，但爆发力不足以使其它较粗组分颗粒予以驱散，获得残渣量极少的焊缝，其优异耐磨性，可用于中高温和冲击载荷频变等复杂磨损工况，且堆焊时不产生气孔。

Description

一种自保护明弧堆焊奥氏体基体药芯焊丝及其应用方法

技术领域

本发明属于堆焊药芯焊丝技术领域，具体涉及一种可用于中高温和载荷复变工况的耐磨粒磨损要求零部件的自保护明弧堆焊奥氏体基体药芯焊丝及其应用方法。

背景技术

作为一种经济适用且可靠的工艺，药芯焊丝自保护明弧焊方法应用于快速制造和再制造先进机械零件耐磨合金层，如：磨煤辊、衬板和破碎机齿头等。但是，上述零件粉碎作业时，常因粉料硬度波动过大而造成磨损表面冲击载荷频变，耐磨合金所含脆性变态共晶极易开裂，造成工件表面金属脱落，形成“掉渣”现象而使之过早失效。

堆焊合金的耐磨性与显微组织中的主耐磨相，如初生碳化物的体积分数相关，韧性取决于基体组织数量及其分布。在铁素体、马氏体和奥氏体等三种基体中，铁素体偏软，但是为高碳型高铬和高硼合金的主要基体；低碳马氏体强韧性高，但在中高碳型高铬合金或者高硼合金难以形成；以奥氏体为基体的高锰钢、钴基和镍基合金等具有良好的韧性，且奥氏体基体的高温强度高，但在常温低应力磨粒磨损工况下表现不理想，主要因为该奥氏体合金组织主要由初生胞状奥氏体和沿晶分布的树枝状或者网状硬质相组成，其中胞状奥氏体往往过于粗大，使得磨粒易于锲入并易于平滑显微切削，因而耐磨粒磨损性能低。含较高硼的的镍基和钴基合金高温强度高，中高温工况下的耐磨性表现较好，突出缺点是价格昂贵和冷热疲劳性能差，若用于烧结矿单辊破碎机的齿头堆焊或者修复，仍然存在使用周期偏短的缺点。

烧结矿单辊破碎机的齿头处在750～1000℃的高温环境下，破碎大块烧结矿饼，通常先与炙热的高温矿渣接触后，然后喷水冷却降温。这些大块烧结矿饼因成分不均匀而使之显微硬度波动大，对单辊破碎机齿头表面造成较大的高温、冲击和磨粒磨损。目前，该单辊破碎机齿头部分基于经济适用等原则，通常采用高铬系耐磨合金作为堆焊材料，使用寿命偏短，主要因为高铬系合金铁素体基体高温强度低；而该合金长期处于750～1000℃工况环境，铁素体软化严重，在频繁的冷热和复变冲击载荷作用下，在其脆性变态共晶(α-Fe+M₇C₃)或(α-Fe+Fe₃C)区易萌生裂纹，导致堆焊层过早剥落失效。不仅如此，烧结矿单辊破碎机的齿头堆焊层厚度至少需要12～20mm以上，厚度越高，残余应力累加值越大，韧性不足的高铬合金在明弧堆焊时就已出现宏观横裂纹，虽然焊缝开裂可释放一部分残余应力，但随后这些裂纹随后在冷热疲劳和复变冲击载荷作用下容易扩展，造成合金层崩裂而失效，而以奥氏体为基体的堆焊合金则可通过奥氏体组织的塑性变形而降低或者消除残余应力。

但是，传统以Ni和Mn制备的奥氏体基体的耐磨堆焊合金存在一个突出的工艺问题：由于高温下奥氏体熔体较为粘稠，致使其气孔敏感性大，在明弧堆焊快速冷却条件下，极易出现密集气孔等缺陷而使奥氏体基体堆焊合金层失去可用性。不仅如此，堆焊合金加入高含量Ni，这使之材料成本高而不为市场所接受；以高锰为主的奥氏体堆焊合金则存在变形大的明显缺点。

发明内容

本发明的目的之一在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种既有优异耐磨性，又可用于中高温和冲击载荷频变等复杂磨损工况，且堆焊时不产生气孔等缺陷的一种经济型的自保护明弧堆焊奥氏体基体药芯焊丝。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：该自保护明弧堆焊奥氏体基体药芯焊丝，它以H08A冷轧薄钢带为外层包皮，该包皮内配以粉末组分构成粉芯，形成包括以奥氏体为基体和其中原位析出粗大的碳化铌/NbC相为主耐磨相以及沿晶离散的六碳化二十三金属元素/M₂₃C₆型碳化物作为辅助耐磨相组织结构的堆焊合金；

所述药芯焊丝粉芯各粉末组分的重量百分含量分别为：38～42％的含铬量为68～72％、含碳量为8％的高碳铬铁/FeCr70C8.0；28～35％的含铌量为60％的铌铁/FeNb60-A；4～5％的含碳量不低于98％的鳞片石墨/C；2～4％的含硅量为40～47％的硅铁/FeSi45；2～3％的含碳量不低于99％的超微细石墨/C；3～5％的含锰量为78～85％、含碳量为1.5％的中碳锰铁/FeMn80C1.5；1～1.5％的含铝量不低于99％的超细化铝粉/Al；余量为含铁量不低于98％的还原铁粉/Fe；

所述药芯焊丝粉芯的填充率为46～50％。

进一步，药芯焊丝粉芯中，所述高碳铬铁、铌铁、鳞片石墨、硅铁、中碳锰铁、还原铁粉的细度为60目；所述超微细石墨的细度为500目；所述超细化铝粉的细度为300目。

进一步，组成药芯焊丝粉芯的组分粉末是在70～80℃烘干两小时后所得。

本发明的目的之二在于提供上述自保护明弧堆焊奥氏体基体药芯焊丝的应用方法，即：采用药芯焊丝粉芯中超微细石墨在70～80℃烘干两小时，以使超微细石墨颗粒充分吸附一定数量的空气而使之具有一定的燃爆性；利用吸附了一定数量空气的超微细石墨粉末瞬时氧化所具有的爆发性，激使Al₂O₃形成微细烟尘而在电弧吹力的作用下驱散去除，但爆发力不足以使其它较粗组分颗粒予以驱散，获得残渣量极少的明弧自保护焊缝。

进一步，堆焊电流控制值为460～500A，焊接速度15～18mm/min。

本发明药芯焊丝的堆焊合金基体为奥氏体，采用超细化铝粉和超微细石墨组合脱氧方式，采用奥氏体基体原位析出粗大碳化铌/NbC为主耐磨相以及离散的六碳化二十三金属元素/M₂₃C₆型碳化物作为辅助耐磨相的组织结构。以基体固溶碳、铬、硅和锰方式，获得以奥氏体基体的堆焊合金，具备良好的热强性和抗高温氧化性，可广泛应用于要求冲击和耐中高温度等复杂磨损工况零部件的堆焊制造或者修复，如烧结矿单辊破碎机的齿头。与现有技术相比，本发明具有如下创新点和有益效果：

(1)奥氏体基体形成机制和成本不同：利用固溶碳强烈的奥氏体化能力，配合适量固溶铬和锰而使之奥氏体基体稳定性增强，其马氏体开始转变温度Ms低于室温，因而合金奥氏体基体可保留到室温，这与传统的高含量镍/Ni和锰/Mn合金增强奥氏体的稳定性方法不同，其基体奥氏体化成本大幅度降低而使之经济性良好。

(2)氧化物熔渣去除机制不同：利用吸附了一定数量空气的超微细石墨粉末瞬时氧化所具有的爆发性，激使超细化铝粉先期脱氧形成的Al₂O₃变成微细烟尘被驱散去除，这与传统的敲击去除焊缝熔渣方法不同。

(3)主耐磨相不同：采用奥氏体基体析出的碳化铌/NbC作为主耐磨相，同时，晶界析出少量离散的六碳化二十三金属元素/M₂₃C₆型碳化物作为辅助耐磨相，与一般奥氏体基合金以沿晶网状和树枝状三碳化七金属元素/M₇C₃型作为主耐磨相不同。

(4)宏观硬度不同：本堆焊药芯焊丝的宏观硬度为45～47HRC，远低于高铬合金60HRC左右的宏观硬度，磨损失重低于市售高铬铸铁药芯焊丝合金，突破只有高硬度堆焊药芯焊丝才具备高耐磨性的局限，不仅具有良好的耐冲击载荷磨损能力，而且其耐磨粒磨损性能优于一般高铬铸铁药芯焊丝。

(5)沿晶硬质相形貌不同：本发明的奥氏体基体药芯焊丝堆焊合金，其沿晶碳化物呈离散分布，与传统奥氏体基体药芯焊丝堆焊合金沿晶网状和树枝状碳化物的刚性形貌不同，因而具有良好的韧性。

(6)组织温度转变应力小：本发明堆焊药芯焊丝采用奥氏体基体和离散沿晶碳化物形态，当耐磨层从室温升高至工作温度750～1000℃或者从工作温度750～1000℃降低至室温，其基体为奥氏体，因不会发生基体相变而不产生相变应力，离散沿晶碳化物克服了沿晶网状或者树枝状硬质相的刚性和拘束度大的缺点，因而该合金热应力和应变小。此外，通过其奥氏体基体塑性变形可降低或者消除合金的残余应力。

(7)使用工况范围宽：既可以用于低应力、高应力以及变应力载荷下的磨粒磨损工况，又可用于耐中高温度工况的耐磨粒磨损工况，或者两者交错的复杂磨损工况。

附图说明

图1为本发明实施例1自保护明弧堆焊奥氏体基体药芯焊丝合金表层的组织形态图。

图2为图1所示明弧堆焊合金表层的相组成图。

图3为对比例2药芯焊丝明弧堆焊高锰合金表层的组织形态图。

图4为图3所示高锰合金表层的相组成图。

图5为图1所示自保护明弧堆焊奥氏体基体药芯焊丝的磨损形貌图。

图6为图3所示药芯焊丝明弧堆焊高锰合金的磨损形貌图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

本发明的自保护明弧堆焊奥氏体基体药芯焊丝直径为Φ3.2mm，由药芯和外表部分两部分构成，其中，药芯由以下类型粉末材料组成：38～42％的含铬量为68～72％、含碳量为8％的高碳铬铁/FeCr70C8.0；28～35％的含铌量为60％的铌铁/FeNb60-A；4～5％的含碳量不低于98％的鳞片石墨/C；2～4％的含硅量为40～47％的硅铁/FeSi45；2～3％的含碳量不低于99％的超微细石墨/C；3～5％的含锰量为78～85％、含碳量为1.5％的中碳锰铁/FeMn80C1.5；1～1.5％的含铝量不低于99％的超细化铝粉/Al；余量为含铁量不低于98％的还原铁粉/Fe；外表部分选用H08A冷轧薄钢带；药芯焊丝粉芯的填充率为46～50％。在药芯焊丝成型之前，先将超微细石墨过500目筛，超细化铝粉过300目筛，其余合金组分过60目筛，然后将所有组成组分混合均匀，混合粉末倒入不锈钢托盘内，摊开并使粉末堆积高度不超过15mm，将之放入烘干炉内升温至70～80℃并保温2小时，随炉冷却至30℃出炉，随即在药芯焊丝成型机上压制成型为Φ4.6mm的粗丝，粉料出炉到压制成型之间停留时间不得超过2小时，然后以每次减径0.2mm，逐步拉拔至Φ3.2mm备用。

将Φ3.2mm的药芯焊丝用MZ-1000焊机在Q235A钢板上自保护明弧焊，形成第一层焊缝。待焊缝空冷至100～150℃以下，采用药芯焊丝明弧自保护堆焊第二层，焊后空冷；同上措施堆焊第三层焊缝。

药芯焊丝内加入1～1.5％超细化铝粉主要作用在于先期脱氧，使之先期氧化形成Al₂O₃微细颗粒物，同时配合2～3％超微细石墨，使之瞬时氧化为一氧化碳和二氧化碳气体，即自生足量的保护气体以覆盖熔池；同时利用超微细石墨粉末瞬时氧化所具有的爆发性，激使Al₂O₃形成微细烟尘颗粒而驱散去除，并通过500目数控制和均匀拌混入其他合金粉末而使之爆发力不足以驱散其他较粗组分颗粒，从而获得自保护性能良好、残渣极少和飞溅小的药芯焊丝明弧堆焊焊缝。

基于此，申请人提出了本发明基体奥氏体化新型方式：首先加入适量的强奥氏体化元素碳，并加入若干铌铁而使熔体优先析出NbC相，调控合金奥氏体基体的含碳量，并利用铌对碳较强的亲和力，控制可扩散其胞状奥氏体基体晶界的自由碳原子数量，从而减少沿晶碳化物的体积分数，也减少因沿晶碳化物数量生成增多而消耗过多的铬和锰组分的缺点，使固溶于奥氏体基体的铬和锰含量提高，进一步增加该奥氏体的稳定性而使之保留至室温，同时也使奥氏体基体的抗氧化能力和固溶强度提高。由于奥氏体对碳原子的容纳量比铁素体高得多，这避免了因奥氏体分解或者相变而所释放固溶碳原子扩散到晶界，形成过多的沿晶网状或者树枝状碳化物现象的出现。

至此，该药芯焊丝应用方式为：优化药芯焊丝组分，分别通过超细化铝粉和超微细石墨的自脱氧和自生保护气体等保护作用，以及超微细石墨瞬时激烈氧化所具有的爆发性，激使超细化Al₂O₃形成烟尘而予以扩散驱除；再利用铌对碳的强大亲和性而形成“固碳”效应，控制可扩散到胞状奥氏体晶界的碳量，从而控制沿晶碳化物数量。同时，利用固溶碳元素强烈的奥氏体化能力以及铬、锰等元素较强的奥氏体化能力增加奥氏体基体的稳定性，促使基体容纳自由碳量提升而控制沿晶碳化物数量；并利用固溶铬的热强性和固溶硅的抗氧化性提升堆焊合金的热强性和抗高温氧化性，最终形成以奥氏体为基体和其中原位析出粗大的NbC相为主耐磨相以及离散的M₂₃C₆型碳化物作为辅助耐磨相的堆焊合金组织结构。

下面是具体实施例：

实施例1：

制作时按上述药芯焊丝的粉芯组成配比要求称取高碳铬铁、铌铁、鳞片石墨、硅铁、超微细石墨、超细化铝粉和其它合金粉末，其中，超微细石墨还需过500目筛，超细化铝粉还需过300目筛，然后所有粉末全部过60目筛，所有组分混合均匀，混合粉末倒入不锈钢托盘内，摊开并使粉末堆积高度不超过15mm，将之放入烘干炉内升温到70～80℃并保温2小时，然后随炉冷却至30℃出炉。随即将该混合药粉在天津三英焊业有限公司制造的YHZ-1药芯焊丝成型机压制成型。该药芯焊丝外层包皮为H08A冷轧钢带(宽度16mm×厚度0.36mm，以下同)，包皮内配以铁合金、超微细石墨和超细化铝粉等构成粉芯，其粉芯组成(重量百分比)为：高碳铬铁38％、铌铁30％、鳞片石墨4％、硅铁3％、超微细石墨2％、中碳锰铁4％、超细化铝粉1％、还原铁粉18％，所述粉芯填充率为48％。粉芯的各组分搅拌均匀后轧制为Φ4.6mm药芯焊丝，以每次减径0.2mm，再依次拉拔减径为Φ3.2mm焊丝。

在120mm×80mm×16mm的试板(Q235A钢)将药芯焊丝用焊机MZ-1000自保护明弧焊，形成第一层焊缝；待焊缝冷却到100～150℃，堆焊该药芯焊丝熔敷形成第二层焊缝；同上，再堆焊第三层。药芯焊丝自保护明弧堆焊工艺参数如表1所示，焊后焊缝无裂纹和气孔等缺陷，仅有微量残渣。将堆焊试样用线切割技术加工制备为57mm×25.5mm×6mm耐磨性试样，并用HR-150洛氏硬度计测试其表面硬度。

表1药芯焊丝自保护明弧堆焊工艺参数

耐磨性试验采用MLS-225B型湿砂橡胶轮式磨损试验机，试验条件如下：橡胶轮直径178mm、硬度为60邵尔，所加砝码重2.5千克，橡胶轮转速240转/分钟，砂浆比例为40～60目1500克石英砂配1000克自来水。试样先预磨1000转，冲洗干净，吹干，称初重M₀，然后正式试验1000转后清洗吹干，称重M₁，试样磨损绝对失重量ΔM＝M₀-M₁。以下面所述对比例1堆焊试样为市售高铬铸铁药芯焊丝堆焊标准试样1#，相对磨损系数ε＝标准试样绝对失重量/试样绝对失重量，试验结果见表2。本实施例的药芯焊丝合金表层的组织形态图和相组成图分别如图1和图2所示，药芯焊丝的磨损形貌图如图5所示。

实施例2：

制作时按上述药芯焊丝粉芯的组成配比要求称取高碳铬铁、铌铁、鳞片石墨、硅铁、超微细石墨、超细化铝粉和其它合金粉末，其中，超微细石墨还需过500目筛，超细化铝粉还需过300目筛，然后所有粉末全部过60目筛，所有组分混合均匀，混合粉末倒入不锈钢托盘内，摊开并使粉末堆积高度不超过15mm，将之放入烘干炉内升温70～80℃并保温2小时，随炉冷却至30℃出炉。随即将该混合药粉在天津三英焊业有限公司制造的YHZ-1药芯焊丝成型机压制成型。该药芯焊丝外层包皮为H08A冷轧钢带，包皮内配以铁合金、超微细石墨和超细化铝粉等粉末构成粉芯，其粉芯组成(重量百分比)为：高碳铬铁42％、铌铁35％、鳞片石墨5％、硅铁4％、超微细石墨3％、中碳锰铁5％、超细化铝粉1.5％、还原铁粉4.5％，所述粉芯填充率为46％。粉芯的各组分搅拌均匀后轧制为Φ4.6mm药芯焊丝，以每次减径0.2mm，再依次拉拔减径为Φ3.2mm焊丝。

耐磨性试验内容同实施例1。

实施例3：

制作时按上述药芯焊丝粉芯的组成配比要求称取高碳铬铁、铌铁、鳞片石墨、硅铁、超微细石墨、超细化铝粉和其它合金粉末，其中，超微细石墨还需过500目筛，超细化铝粉还需过300目筛，然后所有粉末全部过60目筛，所有组分混合均匀，混合粉末倒入不锈钢托盘内，摊开并使粉末堆积高度不超过15mm，将之放入烘干炉内升温70～80℃并保温2小时，随炉冷却至30℃出炉。随即将该混合药粉在天津三英焊业有限公司制造的YHZ-1药芯焊丝成型机压制成型。该药芯焊丝外层包皮为H08A冷轧钢带，包皮内配以铁合金、超微细石墨和超细化铝粉等粉末构成粉芯，其粉芯组成(重量百分比)为：高碳铬铁40％、铌铁28％、鳞片石墨4％、硅铁5％、超微细石墨2％、中碳锰铁4％、超细化铝粉1％、还原铁粉16％，所述粉芯填充率为50％。粉芯的各组分搅拌均匀后轧制为Φ4.6mm药芯焊丝，以每次减径0.2mm，再依次拉拔减径为Φ3.2mm焊丝。

耐磨性试验内容同实施例1。

对比例1：

采用市售的高铬铸铁药芯焊丝(Φ3.2mm)在120mm×80mm×16mm的试板(Q235A钢)上，用焊机MZ-1000自保护明弧堆焊三层，工艺参数同表1。单层堆焊后表面残留有少量熔渣，并出现8～15mm间隔的横向裂纹，双层和三层堆焊后焊缝表面还出现少量纵向裂纹。

耐磨性试验内容同实施例1。

对比例2：

采用自制高锰含铌药芯焊丝(Φ3.2mm)在120mm×80mm×16mm的试板(Q235A钢)上，用焊机MZ-1000自保护明弧堆焊三层，堆焊工艺参数同表1。堆焊后表面残留微量熔渣，无裂纹和气孔等缺陷，但试板变形较大。

耐磨性试验内容同实施例1。本对比例的药芯焊丝明弧堆焊高锰合金表层的组织形态图和相组成图分别如图3和图4所示，药芯焊丝的磨损形貌图如图6所示。

从表2可以看出，本发明的自保护明弧奥氏体基体药芯焊丝堆焊合金的相对磨损系数ε是市售高铬铸铁药芯焊丝堆焊合金的1.51～1.71倍，并是自制高锰含铌药芯焊丝堆焊合金的1.84～2.09倍。药芯焊丝堆焊奥氏体基体合金的耐磨得到明显改善。药芯焊丝明弧堆焊三层后泼水冷却没有开裂，具有高韧性。对比图1和图3以及通过图2和图4可知，一般奥氏体基体堆焊合金组织主要为胞状奥氏体和沿胞状晶呈网状或者树枝状分布的硬质相组成，沿晶网状或树枝状硬质相刚性大，耐冲击性能差。对比图5和图6所示堆焊合金的磨损形貌可知，在同样磨损条件下，本发明的自保护明弧堆焊奥氏体基体药芯焊丝堆焊合金磨损表面划痕浅，而高锰含铌药芯焊丝堆焊合金磨损表面具有大量的划痕和沟槽，且深度大，沟槽方向几乎没有转变，说明其磨损量大，以上结果表明本发明的自保护明弧堆焊奥氏体基体药芯焊丝拥有优良的耐磨性。

表2实施例堆焊合金的耐磨粒磨损性能

Claims (5)

1.一种自保护明弧堆焊奥氏体基体药芯焊丝，其特征在于：它以H08A冷轧薄钢带为外层包皮，该包皮内配以粉末组分构成粉芯，形成包括以奥氏体为基体和其中原位析出粗大的碳化铌/NbC相为主耐磨相以及沿晶离散的六碳化二十三金属元素/M₂₃C₆型碳化物作为辅助耐磨相组织结构的堆焊合金；

所述药芯焊丝粉芯各粉末组分的重量百分含量分别为：38～42％的含铬量为68～72％、含碳量为8％的高碳铬铁/FeCr70C8.0；28～35％的含铌量为60％的铌铁/FeNb60-A；4～5％的含碳量不低于98％的鳞片石墨/C；2～4％的含硅量为40～47％的硅铁/FeSi45；2～3％的含碳量不低于99％的超微细石墨/C；3～5％的含锰量为78～85％、含碳量为1.5％的中碳锰铁/FeMn80C1.5；1～1.5％的含铝量不低于99％的超细化铝粉/Al；余量为含铁量不低于98％的还原铁粉/Fe；

所述药芯焊丝粉芯的填充率为46～50％。

2.根据权利要求1所述自保护明弧堆焊奥氏体基体药芯焊丝，其特征在于：药芯焊丝粉芯中，所述高碳铬铁、铌铁、鳞片石墨、硅铁、中碳锰铁、还原铁粉的细度为60目；所述超微细石墨的细度为500目；所述超细化铝粉的细度为300目。

3.根据权利要求1所述自保护明弧堆焊奥氏体基体药芯焊丝，其特征在于：组成药芯焊丝粉芯的组分粉末是在70～80℃烘干两小时后所得。

4.一种如权利要求1所述自保护明弧堆焊奥氏体基体药芯焊丝的应用方法，其特征在于：采用药芯焊丝粉芯中超微细石墨在70～80℃烘干两小时，以使超微细石墨颗粒充分吸附一定数量的空气而使之具有一定的燃爆性；利用吸附了一定数量空气的超微细石墨粉末瞬时氧化所具有的爆发性，激使Al₂O₃形成微细烟尘而在电弧吹力的作用下驱散去除，但爆发力不足以使其它较粗组分颗粒予以驱散，获得残渣量极少的明弧自保护焊缝。

5.根据权利要求4所述自保护明弧堆焊奥氏体基体药芯焊丝的应用方法，其特征在于：堆焊电流控制值为460～500A，焊接速度15～18mm/min。