CN1089200A - 稀土型免预热高抗裂堆焊电焊条 - Google Patents

Abstract

稀土型免预热高抗裂堆焊电焊条，其药皮材料包 括大理石、萤石、石英、钛白粉、中碳锰铁、45硅铁、白 土子、纯碱、高碳铬铁、石墨、钼铁、钛铁、镍粉、钒铁、 钨粉、稀土氧化物等。本焊条可广泛适用各种工件及 多道多层堆焊，并满足焊前不预热，焊后免热处理的 要求；焊接工艺及设备简便，劳动强度低；焊接性能稳 定，有较高的抗裂性，全熔质可以做各项机械性能试 验；原材料来源广泛，易得，生产成本低。用于模具 钢、轧辊钢、钢轨、轴、齿轮类，可获得高硬度、高强度、 耐冲击、耐磨损的堆焊表层。

Description

本发明是关于电焊条，特别是稀土型免预热高抗裂堆焊电焊条的发明。该焊条适用于：模具钢、轧辊钢、轴类、齿轮、机车车辆轮缘，无缝线路钢轨接头、滑块等高硬度、高强度、耐冲击、耐磨损部件表层堆焊。

目前，一般中高碳低合金钢、高合金钢部件表层堆焊据不同要求大都采用“堆132”、“堆172”、“堆167”、“堆212”、“堆207”、“堆397”等来得到堆焊层的高硬度、高耐磨性（见《焊接冶金与金属焊接性》机械工业出版社1988年11月第二版第452～457页），但此类堆焊层金属铸态组织中容易形成晶粒粗大的柱状马氏体及大量条状夹杂物组织，裂纹沿柱晶的开裂倾向较大，容易在堆焊层产生裂纹，一般在焊前需预热250℃～450℃，焊后缓冷，有些部件甚至要求热处理。其焊接工艺及焊接设备较复杂;并且焊接劳动强度大;堆焊层性能亦不稳定;堆焊层除了硬度要求外，不能做其它机械性能试验及要求，基于上述原因，人们都在寻求一种免预热、高抗裂的优质堆焊材料。在中国专利申请号86101106.6中公开了一种高硬度耐磨损不预热堆焊电焊条，其药皮材料配比为：

该焊条称为不预热堆焊电焊条，但只适用于低、中碳钢和低、中合金结构钢冷态堆焊，从药皮组成成份分析，铸态熔敷金属仍有许多柱状马氏体组织，堆焊大工件工具钢或高碳高合金钢时仍需预热，并且其中含有大量钨粉及大量钒铁，成本较高，焊条飞溅性大，工艺性能不好。另外，在中国专利申请号为90106115.8中公开了一种无渣耐磨堆焊电焊条，其药皮材料配方为：

该专利申请说明书中也提到不需预热，但从其配方来看，只能适用于堆焊中碳低合金钢，并单道堆焊，抗裂性仍不太高。另外该类焊条成型工艺较差;成本较高。该申请配方中加入的稀土合金主要目的为脱氧保护，对提高抗裂性作用不明显。

本发明的目的是针对现有技术中的不足之处，在焊条药皮中加入合金剂、变质剂，通过改善堆焊层一次结晶组织，细化晶粒，改善熔敷金属内夹杂物形状及分布等措施，将强硬性与塑韧性之间的矛盾较好地解决，使得堆焊层金属硬度在不明显降低的条件下，塑韧性大幅度提高，避免了焊前预热，焊后缓冷及热处理，获得可满足各种工件及多道多层堆焊要求，其抗裂性能好，所需原材料获得容易，生产成本低，工艺性能好的稀土型免预热高抗裂堆焊电焊条。

本发明目的的解决方案是：焊条焊芯采用HO8，直径为Φ3.2mm、Φ4.0mm、Φ5.0mm，成份见GB    1300-77。焊条药皮材料配方按重量百分比为：

本发明药皮配方中加入的稀土氧化物更具体地是指Ce₂O₃或La₂O₃或为二者的混合物，混合比不限，成份要求Ce₂O₃+La₂O₃≥85%;S≤0.03%;P≤0.03%。粒度要求：100%过120目，过200目＜50%。

药皮配方中加入高纯度的稀土氧化物，而不是稀土合金是本发明与现有技术的主要区别，并且加入量以重量百分比计算在5.0%～6.0%为最好，5.5%为最佳点。

本配方中稀土氧化物对提高堆焊层金属抗裂性能的作用机理简述如下：

加入到药皮中的稀土氧化物在电弧吹力的作用下，与熔池液态金属充分的接触，有少量的稀土氧化物存留在熔池液态金属中，对熔敷金属性能产生影响。

在堆焊层的凝固结晶过程中，一般是以基体金属的粗大晶粒为基础，进行联生结晶，最后形成组织粗大的柱状晶，而不可能有自发形核结晶，故性能较差。

进入熔池中的稀土氧化物，在初生奥氏体柱晶的长大过程中，将在奥氏体枝晶结晶前沿的熔液中富集，形成很强的成份过冷区，有利于奥氏体枝晶向多轴次发展，并且缩小了枝晶间距。另一方面，因为稀土氧化物在熔液中的扩散相对较慢，富集在奥氏体枝晶前沿的稀土氧化物又可以阻止奥氏体枝晶的生长，使得一次结晶枝晶成长速度变慢，致使枝晶可能熔断、游离，使枝晶的方向性降低，枝晶变细、变短。同时Ce₂O₃或La₂O₃又可以形成初生奥氏体的非自发核心，使得在焊道的中心部位出现奥氏体的形核长大，细化了组织。

在一次枝晶生长过程中，硫等夹杂物偏析，富集于枝晶晶界区，并随枝晶的定向生长，易长成长条状沿晶分布的非金属夹杂物。稀土氧化物的加入，也同时富集于晶界，富集于晶界的稀土氧化物同时也可以在非金属夹杂物的周围富集，使得非金属夹杂物在生长过程中的明显方向性被抑制，使夹杂物球化。

同时，加入钢中的稀土氧化物也可以同钢液中的硫等有害元素作用，形成高熔点的化合物，以Ce₂O₃为例：

形成的高熔点Ce₂O₂S在熔池未凝固之前，可从熔池中部分析出，这就既净化了钢液，又降低了由于硫等低熔点夹杂物形成热裂纹的倾向，使得熔敷金属的抗裂性提高。

在结晶的过程中，如果无稀土氧化物的作用，熔池中无非自发形核核心的存在，初生的奥氏体自发形核几乎不可能，在温度梯度较大的条件下，液态金属以母材粗大的晶粒为基，沿最大冷却速度的反方向结晶长大，成长晶体的主干方向平行于最大的导热方向，在成长中具有相同的位向，相邻的结晶体结成一束一起生长，这样，就构成了柱状的晶体结构。柱晶在成长过程中，相邻的两束晶体以大角度相交，构成柱状晶界。在平衡的结晶条件下，就单独一个晶粒而言，存在着由结晶偏析引起的化学不均匀性。这是由于在枝晶的形成长大过程中，硫、磷等偏析元素所富聚的最后结晶的液态金属被推挤到晶间所引起的。

晶间偏析元素的存在，往往导致晶间低熔相的出现。常见的有硫化物、氧化物等与复合硅酸盐以及它们的共晶。

在晶粒间，如果晶间金属以不连续的液膜态分布，在收缩引起的拉应力作用下，则容易产生沿一次枝晶的晶界产生裂纹。

由上述分析可知，一次结晶裂纹与结晶沿晶分布的低熔点化合物偏析有着本质的联系。这也就决定了结晶裂纹倾向与一次结晶的形状、尺寸与结构也有着本质的联系。当晶间的低熔点组分一定时，晶粒越粗大，方向性越强，晶界越平直时：一方面，晶界总面积小，裂纹扩展途径短，扩展阻力小;另一方面，则由于晶界总面积小，单位晶间区域所含低熔点组分增加，有害物质的元素富集量高，则开裂倾向大。

稀土氧化物的加入，一方面对熔池钢液有一定的净化作用，另一方面，因使柱晶变细，方向性减弱，晶界总面积增加，使得单位晶界上的低熔点夹杂物量减少，降低了形成开裂的倾向。同时，也使得裂纹扩展途径变长，并且单位扩展长度所消耗的能量增加，使裂纹扩展得到阻碍，提高了塑性韧性。

在焊缝的结晶过程中，裂纹的形成除了与结晶引起的偏析以及一次结晶的结构及形态有关外，还与宏观的区域不均匀性有关。就单独的焊道来说，焊缝中心偏上部是液相结晶较晚的部位，在这些部位的晶间区域中，低熔点组分富集的程度高，因而也是结晶裂纹最容易发生的部位。

由于稀土氧化物的加入，稀土氧化物在焊缝较晚凝固部位可以成为初生奥氏体的非自发形核，使得焊缝在结晶过程中除了由熔合线联生结晶外，也同时形核结晶。如此可见，加入稀土氧化物后的结晶组织，在一定程度上减弱或消除了宏观区域偏析，提高了焊层的抗裂性。

一次结晶完成后，富集晶界上的稀土氧化物对于晶界状态及晶粒的细化有明显的作用。

稀土氧化物富于晶界，形成一层薄膜状，晶界迁移时，稀土氧化物就必须随同晶界一起运动。

在二次结晶过程中，富于晶界的稀土氧化物一方面阻止晶粒长大，另一方面又可以作为二次结晶组织珠光体和铁素体的核心，打碎先共析铁素体的沿晶网状分布，阻止晶间裂纹的形成和发展。

晶界是位错运动的障碍，可以把塑性变形限定在一定的范围内，使变形均匀化。因此，细化晶粒可以提高熔敷金属的塑性;晶界又是裂纹扩展的阻力，所以，细化晶粒还可以改善熔敷金属韧性。如公式（1）：

${\sigma }_o=\frac{{\mathrm{2\; \mu \; S}}_P}{\mathrm{K\; y}}{d}^{\mathrm{-1\; /\; 2}}\mathrm{\dots \dots \; (\; 1\; )}$

式中：σ_O裂纹扩展临界应力，μ切变模量，S_P为断裂时产生新表面的单位面积表面能和单位裂口面积塑性变形能之和，K_y是使相邻晶粒位错源开动时晶界上应力集中的数值，它是一个和材料有关而和晶粒尺寸无关的常数，d为晶粒直径。

由公式（1）可以看出，细化晶粒，可使S_P增加，d减小，所以σ_o增大，提高了熔敷金属的塑性和韧性。

同时，稀土氧化物富集于晶界，在一定程度上减弱了硫、磷等夹杂物以及硅酸盐类复合夹杂物的沿晶偏聚，从而净化了晶界，改变了晶界状态，使晶界附近位错的可动性增加，移滑由一个晶粒到另一个相邻晶粒比较容易，塑性松驰易于实现，从而也增加了裂纹扩展的阻力。

另外，K_y值与晶界状态有关，晶界的净化，使得K_y值降低，从而也提高了裂纹的扩展临界应力σ_O。

稀土氧化物的加入，提高了熔敷金属的塑韧性，有细化晶粒和降低K_y值的综合作用。

在本发明中稀土氧化物加入量以重量百分比计算4～10均可以提高堆焊层的抗裂性，但最佳加入量为5～6，最佳加入点为5.5。这是因为：如果稀土氧化物加入过少，过渡到焊缝熔敷金属中的稀土氧化物量过少，形核，细化晶粒，细化夹杂等作用不明显，如果加入量过多，稀土氧化物本身又是一种附加的夹杂物，夹杂物量的增大，同样使性能变坏。所以，在本发明中以Ca₂CO₃+CaF₂+SiO₂渣系的强碱性堆焊焊条中，最佳加入稀土氧化物（Ce₂O₃+La₂O₃）的点为5.5%。另外，稀土氧化物加入过少或过多，焊条的工艺性同样会降低。

实施例：

焊芯：H08，直径Φ4.0×400mm;

药皮配方按重量百分比为：

K.Na水玻璃：20%（外加）;

稀土氧化物采用：Ce₂O₃+La₂O₃≥85%;S≤0.03%，P≤0.03%。100%过120目，过200目＜50%。

将上述配方中的有关元素混合均匀，配成药粉，加入水玻璃，用油压机按生产普通焊条工艺制成焊条，使用前在350℃～400℃烘干一小时，采用170A直流焊机，对热轧辊钢60CrMnMo的表层堆焊。

并制成熔敷金属全熔质试件，按焊后直冷、正火、调质三种不同状态测得不同工作温度下机械性能如下：

六、硬度（直冷态）

在60CrMnMo热轧辊钢上堆焊20mm高，纵向每2mm打硬度，从顶部到熔合线到母材，硬度值分别为（HRC）：

43    43    42.5    43.5    42    42    41    42.5

41    40    38    36    35    34    34    34

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.可广泛适用各种工件及多道多层堆焊，并满足焊前不预热，焊后免热处理的要求;因而使焊接工艺及设备简便宜行，劳动强度大大降低。

2.性能稳定，有较高的抗裂性，全熔质可以做各项机械性能试验。

3.原材料来源广泛、易得，生产成本低。

Claims (2)

1、一种稀土型免预热高抗裂堆焊电焊条，它包括HO8焊芯及焊条药皮材料按重量百分比为：大理石30～45，萤石10～20，石英3～7，钛白粉1～4，中碳粉锰铁3～7，45硅铁3～7，白土子2～3，纯碱0.2～1.0，高碳铬铁5～10，石墨2～4，钼铁1～4，钛铁5～10，镍粉4～10，钒铁0～3，钨粉0～3和水玻璃15～25(外加)，其特征是：药皮中加入稀土氧化物4～10。

2、根据权利要求1所述的电焊条，其特征在于：加入的稀土氧化物是Ce₂O₃或La₂O₃或二者的混合物，混合比不限，成份要求：Ce₂O₃+La₂O₃≥85%;S≤0.03%，P≤0.03%.