CN108971800A - 一种耐磨耐热堆焊用金属陶瓷焊条 - Google Patents

一种耐磨耐热堆焊用金属陶瓷焊条 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种耐磨耐热堆焊用金属陶瓷焊条，通过在药皮中加入纳米碳化钛粉末来改善焊条熔敷金属的韧性和抗裂性能，使其能够达到热作模具高韧性和抗裂性能的标准要求。焊条电弧焊的熔池存在时间短，采用微米级粉末其冶金反应不充分，难以形成足够多的三元硼化物硬质相。因此，本发明中通过加入纳米碳化钛粉末来改善三元硼化物Mo2FeB2的形态，使其弥散分布，提高堆焊金属的韧性和抗裂性能，使其能够达到高韧性和抗裂性能的标准要求。

Description

一种耐磨耐热堆焊用金属陶瓷焊条
技术领域
本发明属于焊接材料领域，涉及一种耐磨耐热堆焊用金属陶瓷焊条，尤其适用于热作模具的堆焊。
背景技术
Mo2FeB2三元硼化物基金属陶瓷具有高熔点、高硬度、优异的高温稳定性和耐腐蚀性能，适于热作模具的堆焊。Mo2FeB2基金属陶瓷的主要制备原料为Mo、Fe、FeB等低价粉末，制备成本远低于硬质合金，并且不需要使用W、Co等战略物资，与Ti(C，N)基金属陶瓷相比成本也较低。目前Mo2FeB2基金属陶瓷主要采用反应硼化烧结法制备，20世纪80年代，日本采用反应硼化烧结法成功地制备了Mo2FeB2、Mo2NiB2、WCoB等多种三元硼化物金属基陶瓷。曾鲜2013年采用真空反应烧结技术制备了Mo2FeB2基硬质合金(见曾鲜，郭志猛等.Mo2FeB2基新型硬质合金的制备[J].粉末冶金工业，2013(23)：32-36.)。王秋红等研究了真空、氩气和氮气等不同烧结气氛对Mo2FeB2金属基陶瓷组织及性能的影响。结果表明在氩气气氛中，硬质相在液相中的浸润性较差，导致其力学性能降低；在氮气及高温条件下，Fe和N2反应形成Fe3N，最终没有得到理想的烧结体；但真空气氛中，金属基陶瓷的组织及性能均比较理想(见王秋红，郑勇，余海洲.烧结气氛对Mo2FeB2基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响[J].硬质合金，20lO(27)：28l-286)。
Mo2FeB2三元硼化物金属基陶瓷材料、粉末冶金材料及部分覆层材料的制备基本都是采用烧结工艺。由于昂贵的烧结设备及复杂的真空烧结工艺，增加了三元硼化物材料的制备成本，其应用受到限制。堆焊易实现制备工艺的自动化，操作简单，使用灵活，尤其是在复杂形状零件表面、大型零件表面制备三元硼化物覆层，使其应用前景更加广阔。堆焊由于温度高、冶金反应时间短，其三元硼化物Mo2FeB2的形成机制与烧结的存在差异，在焊接材料设计方面有较大难度，目前堆焊焊接材料的研究不多。周小平等人利用反应热喷涂技术在钢的表面制备Mo2FeB2陶瓷涂层，其结果表明三元硼化物涂层有优良的耐磨性及抗热裂性能，熔覆层的显微硬度可达1200HV(见X.P.Zhou，X.B.u，Y.S.Xu.The microstructure andproperties of coating from Mo2FeB2cermet on surface of H13 steel by reactivef1ame spraying[J].Advanced Materials Research，2010(97-101)：1321-1327)。金亚旭等利用放电等离子烧结技术在钢基体表面制取Mo2FeB2三元硼化物覆层(见金亚旭，田玉明，周兴华.放电等离子烧结法制备三元硼化物基耐磨覆层材料的研究[J].热加工工艺，201O，39(12)：83-86)。屈彦杰等首先利用真空反应烧法制备Mo2FeB2颗粒，然后利用感应熔覆方法在钢的表面成功获得以Mo2FeB2为强化相的涂层(见屈彦杰，郭志猛等.感应熔覆Mo2FeB2/Fe耐磨涂层的组织与性能研究[J].粉末冶金工业，2013，23(4)：27-32.)。刘辉等利用氩弧熔敷技术，在铁基体上原位反应生成不同Mo/B比的熔敷层。结果表明，熔敷层主要Mo2FeB2和M3B2硬质相及Fe、Mo、Cr等合金组成的固溶体，其显微硬度在1000-1200HV之间，可以有效的提高基体的耐磨性(见刘辉，刘宗德等.氩弧原位合成Mo2FeB2熔覆层的研究[C].华北电力大学第五届研究生学术交流年会论文集，2007：71-75)。
目前尚未见以三元硼化物Mo2FeB2为强化相的铁基堆焊用焊接材料。根据三元硼化物硬质材料烧结领域的研究成果，结合焊接冶金特点，急待开发以一种以三元硼化物Mo2FeB2为硬质相的焊接材料，通过焊接冶金反应原位生成三元硼化物硬质相，并能够被应用于零件表面耐热耐磨耐蚀的改性，这不仅可以克服烧结工艺的缺点，而且对于拓宽三元硼化物硬质材料的应用、提高工件的耐高温磨损性能、耐高温腐蚀性能，尤其是对于提高热作模具寿命具有重要的意义。
堆焊常用的焊接材料有焊条和焊丝。焊条采用气渣联合保护，冶金质量较好，可以通过药皮和焊芯过渡合金元素，焊缝杂质含量少、洁净度较高，焊缝具有较高的抗疲劳性能。同时焊条使用灵活，也比较适合模具修复的短焊缝和不规则焊缝工况。因此，焊条常用于小型模具的堆焊修复，人们为此研发了多种热作模具堆焊焊条，如公布号为CN102240872A的专利“热锻模具堆焊修复及再制造用特种焊条”其药皮化学成分的重量百分比(wt％)为钛白粉1-3，大理石25-40，萤石10-15，石英3-5，白土子2-4，高碳铬铁8-12，高碳锰铁2-4，硅铁2-4，钛铁6-9，钼铁9-11，铈氧化物4-8，金属镍5-8，石墨1-2；焊芯为H08A。该焊条采用Cr-Ni-Mo合金系，焊条加入的碳化物形成元素主要是Cr，Cr的碳化物是间隙化合物，间隙化合物的熔点和硬度不如间隙相的高，加热时也比较容易分解，该焊条没有采用三元硼化物强化。授权公告号CN2507605Y“模具堆焊焊条”实用新型专利提出了一种管状焊条用于模具堆焊，该焊条以优质无缝钢管作导电载体，管外涂有药皮，管内填充粒状合金药芯，末端焊接设有夹持端。该专利没有涉及药芯和药皮的具体配方。
熔敷金属高温抗氧化性能优异、耐磨性好、洁净度高、具有良好抗疲劳性能的堆焊焊条是模具制造与修复再制造急需的焊接材料，目前我国该类焊条的性能与国外还存在较大差距。研发热作模具堆焊用焊条对于提高热作模具寿命具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明在之前研究的基础上，通过焊条配方的优化设计提供一种以Mo2FeB2三元硼化物为主要硬质相，以马氏体为基体的模具堆焊焊条。
具体技术方案如下：
一种耐磨耐热堆焊用金属陶瓷焊条，由药皮和焊芯两部分组成；所述药皮质量与焊芯质量之比(即药皮质量系数)为0.5-0.8：1；所述药皮配方以质量份计如下：大理石10-15，萤石5-8，钛白粉0.5-2，石英1-3，云母1-2，纯碱0.5-1，电解金属锰4-8，45#硅铁2-6，钛铁1-4，金属铬0-5，硼铁20-38，石墨0-3，钒铁2-6，钼粉32-50，金属镍粉0-4，铁粉2-8，纳米碳化钛粉2-4，氧化钇粉2-4。
本发明的焊芯优选304不锈钢焊芯，其直径为3.2mm-5.0mm，其化学成分以质量百分比计为：Cr为17.5％-19.5％、Ni为8.0％-10.5％、C不大于0.07％、Si不大于0.75％、Mn不大于2.0％、S不大于0.030％、P不大于0.045％、N不大于0.10％、余为Fe和不影响性能的杂质。
含有纳米碳化钛粉的焊条，在焊接冶金过程中，由于其熔点高达3140℃，在液态金属中作为弥散的Mo2FeB2非自发形核核心，使形成的三元硼化物Mo2FeB2弥散分布，因此堆焊金属具有优异的高温硬度、耐磨性能，以及良好的韧性和抗裂性能。所以，纳米碳化钛粉优选作为焊条药粉的基础原料使用。
当纳米碳化钛的含量低于2质量份时，高温硬度、耐磨性能，韧性和抗裂性能不良。另一方面，如果纳米碳化钛粉的含量高于4质量份，堆焊金属的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性能提高有限，成本亦升高。本发明已确认了下述结果：如果纳米碳化钛粉末的含量不低于2质量份且不超过4质量份时，可获得期待的高温硬度、耐磨性能，韧性和抗裂性能。
氧化钇稀土的主要作用是净化堆焊金属、球化夹杂物、促使形成弥散分布的三元硼化物Mo2FeB2、碳化钛等硬质相，提高堆焊金属高温耐磨性和抗疲劳性能。就其含量而言，尽管不能一概而论，但当氧化钇的含量低于2质量份时，可能会导致氧化钇的变质处理效果减弱。另一方面，氧化钇的含量高于4质量份时，可能会导致堆焊金属的韧性和抗裂性能以及高温硬度和耐磨性能下降，因此，本申请中将氧化钇的加入量限定在2-4质量份之间。
硼铁、钼粉、铁粉是冶金反应合成Mo2FeB2的原料，通过原料的优化配比，获得耐热耐磨性能优异的硬质相。
上述药皮配方中，大理石的成分以质量百分比计CaCO3含量不小于95％；萤石的成分以质量百分比计CaF2含量不小于95％；钛白粉的成分以质量百分比计TiO2含量不小于98％；石英的成分以质量百分比计SiO2含量不小于97％；云母的成分以质量百分比计SiO2含量为43％-50％，Al2O3含量为20％-35％，K2O+Na2O含量为7％-11％，K2O含量不小于6％；纯碱的的成分以质量百分比计Na2CO3含量不小于98％。电解金属锰的成分以质量百分比计Mn含量不小于99.5％；45#硅铁的成分以质量百分比计是40.0％～47.0％Si，0.1％C，余为Fe和不影响性能的杂质；钛铁的成分以质量百分比计是35％～45％Ti，Al不超过9.0％，Si不超过3.5％，Mn不超过2.5％，余为Fe和不影响性能的杂质；金属铬的成分以质量百分比计Cr含量不小于98％；硼铁的成分以质量百分比计B含量为19-21％、C含量不超过0.1％、Si含量不超过4.0％、Al含量不超过3.0％、S含量不超过0.01％、P含量不超过0.03％；石墨的成分以质量百分比计是94％～99％C；钒铁的成分以质量百分比计是75％-85％V，C不超过0.06％，Si不超过2％，Al不超过1.5％，余为Fe和不影响性能的杂质；钼粉的成分以质量百分比计Mo含量不小于99.8％；金属镍粉的成分以质量百分比计Ni含量不小于98％；氧化钇粉末的成分以质量百分比计Y2O3含量不小于99％；铁粉为雾化铁粉，以质量百分比计Fe含量不小于99.9％。上述粉末的粒径为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)；纳米碳化钛的成分以质量百分比计TiC含量不小于99.9％，粒径99％以上的小于40纳米。上述药粉的成分中允许含有加工过程中难以去除的不影响其性能的杂质。上述药皮中各组分的作用如下：
硼铁、钼粉和铁粉通过以下焊接冶金反应形成三元硼化物Mo2FeB2金属陶瓷硬质相，过量的Mo可以起到合金化，细化晶粒，固溶强化，形成碳化物，提高堆焊金属的高温性能和耐磨性能。
Fe+FeB＝Fe2B
2Mo+2FeB＝Mo2FeB2+Fe
Mo+2Fe2B＝Mo2FeB2+3Fe
金属铬的作用是向焊缝金属过渡Cr，Cr不仅会溶于铁基共晶组织对焊缝金属起到固溶强化作用，同时也会存在于Mo2FeB2三元硼化物硬质相中。加入一定量的Cr能取代共晶组织中正常格点的位置从而造成晶格畸变，在一定程度上起到合金强化的作用，提高了共晶组织的韧性和硬度，增加了堆焊合金的抗犁削和硬质相颗粒抗脱落的能力，从而提高了堆焊层的耐磨性。Cr含量达到11％以上还能提高堆焊金属的高温抗氧化性能。金属铬杂质含量少，利于堆焊金属的净化。金属铬主要通过焊芯过渡，焊芯过渡不足部分，通过药皮中加入金属铬粉补充。
与之前的研究相似，上述金属陶瓷焊条堆焊的焊接电流根据焊芯直径确定，焊芯直径3.2mm的焊接电流90A-110A，电压23V-26V；焊芯直径4.0mm的焊接电流120A-140A，电压24V-27V；焊芯直径5.0mm的焊接电流160A-180A，电压26V-28V。焊条的焊接工艺性能好，电弧稳定、飞溅小、抗裂性好。堆焊金属的硬度为HRC55-68。
本发明所述耐磨耐热堆焊用金属陶瓷焊条的制备方法，步骤是：
(1)铁合金钝化 焊条药皮中硅铁、电解金属锰、金属铬进行钝化处理，以在粉末颗粒的表面形成一层氧化膜，避免与药皮的粘接剂水玻璃中的游离碱反应，防止焊条药皮起泡。将45#硅铁、电解金属锰、金属铬分别置于耐热钢制盘中，其堆积厚度为30mm-40mm，焙烧时搅拌3-5次。焙烧的工艺参数为：45#硅铁为700℃～800℃，保温1小时，随炉冷却；电解金属锰为280℃～320℃，保温1小时，随炉冷却；金属铬为550℃～580℃，保温1小时，随炉冷却。其他铁合金无需处理，供货状态使用。
(2)干混粉 按焊条药皮配方的配比称量药粉，先将比重较小的大理石、萤石、钛白粉、石英、云母、纯碱、石墨按配方比例称量后混合，用现有的混粉机干混10-15分钟，获得非合金混合粉；然后将步骤(1)钝化的电解金属锰、45#硅铁、金属铬和无需钝化的钛铁、硼铁、钒铁、钼粉、金属镍粉、铁粉、纳米碳化钛粉、氧化钇粉等脱氧合金剂按配方比例称量后加入到非合金混合粉中，再继续混粉8-15分钟，获得干混粉。
其中：所述药粉的配比以质量份计如下：大理石10-15，萤石5-8，钛白粉0.5-2，石英1-3，云母1-2，纯碱0.5-1，电解金属锰4-8，45#硅铁2-6，钛铁1-4，金属铬0-5，硼铁20-38，石墨0-3，钒铁2-6，钼粉32-50，金属镍粉0-4，铁粉2-8，纳米碳化钛粉2-4，氧化钇粉2-4。纳米碳化钛粉的粒径为99％以上的小于40纳米，其他粉末的粒径为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。
(3)湿混粉 在步骤(2)获得的干混粉中加入干混粉质量20％-30％的钠水玻璃，边加入钠水玻璃边混粉，湿混粉的时间为10-15分钟，获得湿粉。以上所述钠水玻璃的模数为2.8-3.0，波美度为47－49。
(4)焊芯选用 选用市售的直径为3.2mm-5.0mm的304不锈钢焊芯，焊芯长度300mm-400mm。
(5)压涂 将步骤(3)制得的湿粉用现有的液压焊条压涂机压涂在步骤(4)选用的焊芯周围，制得湿焊条。药皮质量系数(药皮质量与焊芯质量之比)为0.5-0.8。
(6)烘干 将步骤(5)制得的湿焊条，在40-60℃下进行3-5小时的低温烘干，然后再进行350-400℃、1-2小时的高温烘干。低温烘干和高温烘干的升温速度不超过50℃/小时。湿焊条经低温烘干、高温烘干后获得耐磨耐热堆焊用金属陶瓷焊条成品。
本发明所具有的显著效果是：
(1)本专利焊条具有良好的工艺性能，使用灵活方便，可用于热作模具的制造与修复。
(2)焊条熔敷金属的成分可以通过改变药皮配方调整，可以制造出系列产品用于不同的热作模具钢堆焊，应用范围广。
(3)本专利焊条优化了Mo、B、Fe、Cr、Ni、纳米碳化钛含量，使堆焊金属具有良好的高温抗氧化性能和高温硬度，韧性、抗裂性能、抗疲劳性能优良，显著提高了热作模具的使用寿命。
(4)本专利焊条通过在药皮中加入纳米碳化钛粉，在焊接冶金过程中，由于其熔点高达3140℃，在液态金属中作为弥散的Mo2FeB2非自发形核核心，使形成的三元硼化物Mo2FeB2弥散分布，因此堆焊金属具有优异的高温硬度、耐磨性能，以及良好的韧性和抗裂性能。同时，纳米级碳化钛粉末活性大，冶金反应剧烈充分，可以弥补电弧堆焊熔池存在时间短、冶金反应不充分的弊端。
(5)本专利通过焊芯和药皮原材料的优选(如选用纯金属，少用铁合金)和加入稀土氧化钇，降低了堆焊金属的杂质含量，使夹杂物球化，细化晶粒，提高了堆焊金属的韧性、塑性和抗疲劳性能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1实施例1焊条堆焊熔敷金属组织；
图2对比例1焊条堆焊熔敷金属组织。
具体实施方式
实施例1：
(1)铁合金钝化 将45#硅铁、电解金属锰、金属铬分别置于耐热钢制盘中，其堆积厚度为30mm，焙烧时搅拌3次。焙烧的工艺参数为：45#硅铁为700℃，保温1小时，随炉冷却；电解金属锰为280℃，保温1小时，随炉冷却；金属铬为550℃，保温1小时，随炉冷却。其他铁合金无需处理，供货状态使用。
(2)干混粉 按焊条药皮配方的配比称量药粉，先将比重较小的大理石、萤石、钛白粉、石英、云母、纯碱、石墨按配方比例称量后混合，用现有的混粉机干混10分钟，获得非合金混合粉；然后将步骤(1)钝化的电解金属锰、45#硅铁、金属铬和无需钝化的钛铁、硼铁、钒铁、钼粉、金属镍粉、铁粉、纳米碳化钛粉、氧化钇粉等脱氧合金剂按配方比例称量后加入到非合金混合粉中，再继续混粉10分钟，获得干混粉。
其中：所述药粉的配比以质量份计如下：大理石10，萤石6，钛白粉1，石英2，云母1，纯碱0.5，电解金属锰4，45#硅铁2，钛铁1，金属铬5，硼铁20，石墨1，钒铁2，钼粉32，金属镍粉4，铁粉2，纳米碳化钛粉2，氧化钇粉2。纳米碳化钛粉的粒径为99％以上的小于40纳米，其他粉末的粒度为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。
(3)湿混粉 在步骤(2)获得的干混粉中加入干混粉质量20％的钠水玻璃，边加入钠水玻璃边混粉，湿混粉的时间为10分钟，获得湿粉。以上所述钠水玻璃的模数为2.8-3.0，波美度为47－49。
(4)焊芯选用 选用市售的直径为3.2mm的304不锈钢焊芯，焊芯长度300mm。
(5)压涂 将步骤(3)制得的湿粉用现有的液压焊条压涂机压涂在步骤(4)选用的焊芯周围，制得湿焊条。药皮质量系数(药皮质量与焊芯质量之比)为0.5。
(6)烘干 将步骤(5)制得的湿焊条，在40-60℃下进行3小时的低温烘干，然后再进行350-400℃、1小时的高温烘干。低温烘干和高温烘干的升温速度不超过50℃/小时。湿焊条经低温烘干、高温烘干后获得耐磨耐热堆焊金属陶瓷焊条成品。
试验焊接电流90A-110A，电压23V-26V。结果表明，堆焊焊条电弧燃烧稳定，焊缝成型美观，飞溅小，堆焊金属的硬度平均值为55HRC。
实施例2：
(1)铁合金钝化 将45#硅铁、电解金属锰、金属铬分别置于耐热钢制盘中，其堆积厚度为40mm，焙烧时搅拌5次。焙烧的工艺参数为：45#硅铁为800℃，保温1小时，随炉冷却；电解金属锰为320℃，保温1小时，随炉冷却；金属铬为580℃，保温1小时，随炉冷却。其他铁合金无需处理，供货状态使用。
(2)干混粉 按焊条药皮配方的配比称量药粉，先将比重较小的大理石、萤石、钛白粉、石英、云母、纯碱、石墨按配方比例称量后混合，用现有的混粉机干混15分钟，获得非合金混合粉；然后将步骤(1)钝化的电解金属锰、45#硅铁、金属铬和无需钝化的钛铁、硼铁、钒铁、钼粉、金属镍粉、铁粉、纳米碳化钛粉、氧化钇粉等脱氧合金剂按配方比例称量后加入到非合金混合粉中，再继续混粉15分钟，获得干混粉。
其中：所述药粉的配比以质量份计如下：大理石15，萤石8，钛白粉2，石英3，云母2，纯碱1，电解金属锰8，45#硅铁6，钛铁4，金属铬5，硼铁38，石墨3，钒铁6，钼粉50，铁粉8，纳米碳化钛粉4，氧化钇粉4。纳米碳化钛粉的粒径为99％以上的小于40纳米，其他粉末的粒度为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。
(3)湿混粉 在步骤(2)获得的干混粉中加入干混粉质量25％的钠水玻璃，边加入钠水玻璃边混粉，湿混粉的时间为15分钟，获得湿粉。以上所述钠水玻璃的模数为2.8-3.0，波美度为47－49。
(4)焊芯选用 选用市售的直径为5.0mm的304不锈钢焊芯，焊芯长度400mm。
(5)压涂 将步骤(3)制得的湿粉用现有的液压焊条压涂机压涂在步骤(4)选用的焊芯周围，制得湿焊条。药皮质量系数(药皮质量与焊芯质量之比)为0.8。
(6)烘干 将步骤(5)制得的湿焊条，在40-60℃下进行5小时的低温烘干，然后再进行350-400℃、2小时的高温烘干。低温烘干和高温烘干的升温速度不超过50℃/小时。湿焊条经低温烘干、高温烘干后获得热作模具堆焊焊条成品。
试验焊接电流160A-180A，电压26V-28V。结果表明，堆焊焊条电弧燃烧稳定，焊缝成型美观，飞溅小，堆焊金属的硬度平均值为68HRC。
实施例3：
(1)铁合金钝化 将45#硅铁、电解金属锰、金属铬分别置于耐热钢制盘中，其堆积厚度为35mm，焙烧时搅拌4次。焙烧的工艺参数为：45#硅铁为750℃，保温1小时，随炉冷却；电解金属锰为300℃，保温1小时，随炉冷却；金属铬为560℃，保温1小时，随炉冷却。其他铁合金无需处理，供货状态使用。
(2)干混粉 按焊条药皮配方的配比称量药粉，先将比重较小的大理石、萤石、钛白粉、石英、云母、纯碱、石墨按配方比例称量后混合，用现有的混粉机干混12分钟，获得非合金混合粉；然后将步骤(1)钝化的电解金属锰、45#硅铁、金属铬和无需钝化的钛铁、硼铁、钒铁、钼粉、金属镍粉、铁粉、纳米碳化钛粉、氧化钇粉等脱氧合金剂按配方比例称量后加入到非合金混合粉中，再继续混粉10分钟，获得干混粉。
其中：所述药粉的配比以质量份计如下：大理石12，萤石7，钛白粉1.5，石英2，云母2，纯碱0.8，电解金属锰6，45#硅铁4，钛铁3，金属铬3，硼铁27，石墨2，钒铁4，钼粉41，金属镍粉2，铁粉5，纳米碳化钛粉3，氧化钇粉3。纳米碳化钛粉的粒径为99％以上的小于40纳米，其他粉末的粒度为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。
(3)湿混粉 在步骤(2)获得的干混粉中加入干混粉质量25％的钠水玻璃，边加入钠水玻璃边混粉，湿混粉的时间为13分钟，获得湿粉。以上所述钠水玻璃的模数为2.8-3.0，波美度为47－49。
(4)焊芯选用 选用市售的直径为4.0mm的304不锈钢焊芯，焊芯长度350mm。
(5)压涂 将步骤(3)制得的湿粉用现有的液压焊条压涂机压涂在步骤(4)选用的焊芯周围，制得湿焊条。药皮质量系数(药皮质量与焊芯质量之比)为0.7。
(6)烘干 将步骤(5)制得的湿焊条，在40-60℃下进行4小时的低温烘干，然后再进行350-400℃、1.5小时的高温烘干。低温烘干和高温烘干的升温速度不超过50℃/小时。湿焊条经低温烘干、高温烘干后获得耐磨耐热堆焊金属陶瓷焊条成品。
试验焊接电流120A-140A，电压24V-27V。结果表明，堆焊焊条电弧燃烧稳定，焊缝成型美观，飞溅小，堆焊金属的硬度平均值为64HRC。
实施例4：
(1)铁合金钝化 将45#硅铁、电解金属锰、金属铬分别置于耐热钢制盘中，其堆积厚度为30mm，焙烧时搅拌3次。焙烧的工艺参数为：45#硅铁为700℃，保温1小时，随炉冷却；电解金属锰为320℃，保温1小时，随炉冷却；金属铬为580℃，保温1小时，随炉冷却。其他铁合金无需处理，供货状态使用。
(2)干混粉 按焊条药皮配方的配比称量药粉，先将比重较小的大理石、萤石、钛白粉、石英、云母、纯碱、石墨按配方比例称量后混合，用现有的混粉机干混10分钟，获得非合金混合粉；然后将步骤(1)钝化的电解金属锰、45#硅铁、金属铬和无需钝化的钛铁、硼铁、钒铁、钼粉、金属镍粉、铁粉、纳米碳化钛粉、氧化钇粉等脱氧合金剂按配方比例称量后加入到非合金混合粉中，再继续混粉8分钟，获得干混粉。
其中：所述药粉的配比以质量份计如下：大理石10，萤石6，钛白粉2，石英1，云母1，纯碱0.5，电解金属锰4，45#硅铁2，钛铁3，硼铁30，石墨3，钒铁6，钼粉42，金属镍粉2，铁粉5，纳米碳化钛粉2，氧化钇粉3。纳米碳化钛粉的粒径为99％以上的小于40纳米，其他粉末的粒度为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。
(3)湿混粉 在步骤(2)获得的干混粉中加入干混粉质量22％的钠水玻璃，边加入钠水玻璃边混粉，湿混粉的时间为10分钟，获得湿粉。以上所述钠水玻璃的模数为2.8-3.0，波美度为47－49。
(4)焊芯选用 选用市售的直径为4.0mm的304不锈钢焊芯，焊芯长度400mm。
(5)压涂 将步骤(3)制得的湿粉用现有的液压焊条压涂机压涂在步骤(4)选用的焊芯周围，制得湿焊条。药皮质量系数(药皮质量与焊芯质量之比)为0.6。
(6)烘干 将步骤(5)制得的湿焊条，在40-60℃下进行3小时的低温烘干，然后再进行350-400℃、2小时的高温烘干。低温烘干和高温烘干的升温速度不超过50℃/小时。湿焊条经低温烘干、高温烘干后获得耐磨耐热堆焊金属陶瓷焊条成品。
试验焊接电流120A-140A，电压24V-27V。结果表明，堆焊焊条电弧燃烧稳定，焊缝成型美观，飞溅小，堆焊金属的硬度平均值为60HRC。
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处在于，原料配方中不加入纳米碳化钛粉，对韧性和抗裂性能的进行测试，不加纳米碳化钛粉的对比例1，U型缺口冲击韧性的测试值为0.86J/cm2，在厚度为80mm的5CrNiMo模具钢表面堆焊，预热250℃才能不出现裂纹；实施例1的U型缺口冲击韧性的测试值为1.47J/cm2，在厚度为80mm的5CrNiMo模具钢表面堆焊，预热50℃即可不出现裂纹。表明本发明药芯中的纳米碳化钛粉能有效地提高堆焊金属的韧性和抗裂性能。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处在于，原料配方中不含氧化钇，对堆焊金属的热疲劳性进行测试，试样尺寸为50×20×1.5(mm)，在20mm一边的中心垂直厚度方向，开60°V型缺口，进行700℃-20℃的循环加热、冷却，用出现0.5mm裂纹的循环次数反映疲劳性能。不含氧化钇粉末的对比例2的循环次数为32次，含氧化钇2份(质量)的实施例1的循环次数为58次。通过与实施例1的比对，表明本发明氧化钇能有效提升堆焊金属的抗疲劳性能。
另外，如图1所述，实施例1的粉末中加入纳米碳化钛，堆焊金属中Mo2FeB2硬质相比不加纳米碳化钛(图2)的对比例2的细小，且均匀。
对比例3
本对比例与实施例1的不同之处在于，原料配方中采用粒度为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)的碳化钛粉，实测500℃的硬度为HRC39，硬度的最大值与最小值相差HRC6；实施例1的500℃硬度为HRC49，硬度的最大值与最小值相差HRC3。纳米碳化钛使堆焊金属高温下保持较高硬度，且堆焊金属的硬度较均匀。微米级的碳化钛由于颗粒较大，活性较小，在现有的加入量下由于焊接熔池冷却速度快，导致冶金反应不充分，无法有效提高堆焊金属的高温硬度和组织稳定性。
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种耐磨耐热堆焊用金属陶瓷焊条，其特征在于，由如下重量份的原料组成：大理石10-15，萤石5-8，钛白粉0.5-2，石英1-3，云母1-2，纯碱0.5-1，硼铁20-38，钼粉32-50，铁粉2-8，纳米碳化钛粉2-4，氧化钇粉2-4。
2.如权利要求1所述的焊条，其特征在于，由如下重量份的原料组成：大理石10-12.5，萤石7-8，钛白粉1.2-2，石英2-3，云母1.5-2，纯碱0.75-1，硼铁29-38，钼粉41-50，铁粉5-8，纳米碳化钛粉3-4，氧化钇粉3-4。
3.如权利要求1所述的焊条，其特征在于，由如下重量份的原料组成：大理石12.5-15，萤石5-7，钛白粉0.5-1.2，石英1-2，云母1-1.5，纯碱0.5-0.75，硼铁20-29，钼粉32-41，铁粉2-5，纳米碳化钛粉2-3，氧化钇粉2-3。
4.如权利要求1所述的焊条，其特征在于，所述原料中还包括：电解金属锰4-8、金属镍粉0-4、金属铬0-5、石墨0-3。
5.如权利要求1所述的焊条，其特征在于，所述铁粉中还加入45#硅铁2-6，钛铁1-4、钒铁2-6。
6.如权利要求1-5任一项所述的焊条，其特征在于，原料中各金属粉末的粒径为75微米～180微米。
7.如权利要求1-5任一项所述的焊条，其特征在于，大理石的成分以质量百分比计CaCO3含量不小于95％；萤石的成分以质量百分比计CaF2含量不小于95％；钛白粉的成分以质量百分比计TiO2含量不小于98％；石英的成分以质量百分比计SiO2含量不小于97％；云母的成分以质量百分比计SiO2含量为43％-50％，Al2O3含量为20％-35％，K2O+Na2O含量为7％-11％，K2O含量不小于6％；纯碱的的成分以质量百分比计Na2CO3含量不小于98％；电解金属锰的成分以质量百分比计Mn含量不小于99.5％；45#硅铁的成分以质量百分比计是40.0％～47.0％Si，0.1％C，余为Fe和不影响性能的杂质；钛铁的成分以质量百分比计是35％～45％Ti，Al不超过9.0％，Si不超过3.5％，Mn不超过2.5％，余为Fe和不影响性能的杂质；金属铬的成分以质量百分比计Cr含量不小于98％；硼铁的成分以质量百分比计B含量为19-21％、C含量不超过0.1％、Si含量不超过4.0％、Al含量不超过3.0％、S含量不超过0.01％、P含量不超过0.03％；石墨的成分以质量百分比计是94％～99％C；钒铁的成分以质量百分比计是75％-85％V，C不超过0.06％，Si不超过2％，Al不超过1.5％，余为Fe和不影响性能的杂质；钼粉的成分以质量百分比计Mo含量不小于99.8％；金属镍粉的成分以质量百分比计Ni含量不小于98％；氧化钇粉末的成分以质量百分比计Y2O3含量不小于99％；铁粉为雾化铁粉，以质量百分比计Fe含量不小于99.9％；上述粉末的粒径为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)；纳米碳化钛的成分以质量百分比计TiC含量不小于99.9％，粒径99％以上的小于40纳米。
8.一种耐磨耐热堆焊的金属陶瓷焊条的制备方法，其特征在于，包括：
(1)铁合金钝化焊条药皮中硅铁、电解金属锰、金属铬进行钝化处理，以在粉末颗粒的表面形成一层氧化膜，避免与药皮的粘接剂水玻璃中的游离碱反应，防止焊条药皮起泡；将45#硅铁、电解金属锰、金属铬分别置于耐热钢制盘中，其堆积厚度为30mm-40mm，焙烧时搅拌3-5次；焙烧的工艺参数为：45#硅铁为700℃～800℃，保温1小时，随炉冷却；电解金属锰为280℃～320℃，保温1小时，随炉冷却；金属铬为550℃～580℃，保温1小时，随炉冷却；其他铁合金无需处理，供货状态使用；
(2)干混粉按焊条药皮配方的配比称量药粉，先将比重较小的大理石、萤石、钛白粉、石英、云母、纯碱、石墨按配方比例称量后混合，用现有的混粉机干混10-15分钟，获得非合金混合粉；然后将步骤(1)钝化的电解金属锰、45#硅铁、金属铬和无需钝化的钛铁、硼铁、钒铁、钼粉、金属镍粉、铁粉、纳米碳化钛粉、氧化钇粉等脱氧合金剂按配方比例称量后加入到非合金混合粉中，再继续混粉8-15分钟，获得干混粉；
(3)湿混粉在步骤(2)获得的干混粉中加入干混粉质量20％-30％的钠水玻璃，边加入钠水玻璃边混粉，湿混粉的时间为10-15分钟，获得湿粉；以上所述钠水玻璃的模数为2.8-3.0，波美度为47－49；
(4)焊芯选用选用市售的直径为3.2mm-5.0mm的304不锈钢焊芯，焊芯长度300mm-400mm；
(5)压涂将步骤(3)制得的湿粉用现有的液压焊条压涂机压涂在步骤(4)选用的焊芯周围，制得湿焊条；药皮质量系数(药皮质量与焊芯质量之比)为0.5-0.8；
(6)烘干将步骤(5)制得的湿焊条，在40-60℃下进行3-5小时的低温烘干，然后再进行350-400℃、1-2小时的高温烘干；低温烘干和高温烘干的升温速度不超过50℃/小时；湿焊条经低温烘干、高温烘干后获得耐磨耐热堆焊金属陶瓷焊条成品。
9.权利要求1-7任一项所述的焊条，其特征在于，上述金属陶瓷焊条堆焊的焊接电流根据焊芯直径确定，焊芯直径3.2mm的焊接电流90A-110A，电压23V-26V；焊芯直径4.0mm的焊接电流120A-140A，电压24V-27V；焊芯直径5.0mm的焊接电流160A-180A，电压26V-28V。
10.权利要求1-7任一项所述的焊条在装备制造和工件修复中的应用。
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