CN109014658A - 一种用于电渣堆焊高铬铸铁的烧结焊剂及其制备方法 - Google Patents

一种用于电渣堆焊高铬铸铁的烧结焊剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，并公开了一种用于电渣堆焊高铬铸铁的烧结焊剂，该烧结焊剂由下列重量份数的多个原料组分共同构成：CaF2：35份～40份；Al2O3：25份～30份；CaO：20份～25份；SiO2：5份～10份；MgO：2份～4份；以及Cr2O3：1份～3份。本发明还公开了相应的制备方法。通过本发明，减少了高铬铸铁熔池中Cr元素的选择性氧化，降低了电渣堆焊时Cr元素的烧损，同时避免了产生Cr的氧化膜与熔渣产生外延取向共生，有效改善了焊剂的脱渣性能。液态渣池具有稳定的电导率、黏度和表面张力，电渣过程稳定，脱渣性好，高铬铸铁堆焊硬面层表面平整光洁，没有气孔、夹渣、未熔合和裂纹缺陷，质量优良。

Description

一种用于电渣堆焊高铬铸铁的烧结焊剂及其制备方法
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，更具体地，涉及一种用于电渣堆焊高铬铸铁的烧结焊剂及其制备方法。
背景技术
高铬铸铁具有良好的耐磨损性能，是应用十分广泛的耐磨损金属材料。将高铬铸铁堆焊在韧性较好的金属材料表面形成双金属复合材料，可以提高金属工件的耐磨损性能，延长使用寿命。因此，采用堆焊方法在低合金钢(或低碳钢)上熔敷高铬铸铁硬面层，在工程应用领域有广泛的需求。
当采用手工电弧堆焊或埋弧焊堆焊高铬铸铁硬面层时，极易在高铬铸铁硬面层中产生裂纹，造成高铬铸铁堆焊层在使用过程中产生块状剥落。为此，已经引入电渣堆焊的工艺来解决此问题。所谓电渣堆焊，是利用电流通过焊剂熔化后形成的具有较高电传导性的液态熔渣时产生的电阻热作为焊接热源，熔化焊丝、焊剂及少量母材，最终形成与母材紧密结合的堆焊层。由于电渣堆焊具有大的堆焊参数规范，堆焊热输入大，堆焊时工件温度梯度小，堆焊高铬铸铁时不易产生裂纹缺陷，因而作为一种重要的高铬铸铁堆焊方法获得了日益广泛的应用。
实际工作中进一步的研究表明，焊剂的选择对电渣堆焊过程稳定性和堆焊层质量影响很大，但国内对电渣堆焊高铬铸铁的焊接材料及堆焊复合工艺研究非常有限，没有合适的专用焊剂用于高铬铸铁的电渣堆焊。具体而言，国内电渣焊常用的焊剂一般为高锰高硅的HJ431或HJ360焊剂，这类熔炼焊剂所存在的技术缺陷主要包括：(1)它的制造过程耗能较大，污染严重，且HJ431和HJ360焊剂中MnO、SiO2含量较高，表现出较强的氧化性；而高铬铸铁中Cr元素含量很高，电渣堆焊时MnO、SiO2与Cr发生吸热反应，会在金属熔池与渣池界面的高温反应区，金属熔池中的Cr元素被氧化，高铬铸铁硬面层中的Cr元素烧损严重；(2)与此同时，由于电渣堆焊时水冷铜模的激冷作用，部分液态熔渣在水冷铜模和堆焊层金属间会冷却凝固，形成一层渣皮；而渣皮的脱渣性直接影响堆焊层的表面成形质量； (3)Cr的选择性氧化还会使得在高铬铸铁硬面层表面继续形成一层Cr2O3氧化膜，熔渣凝固时在Cr2O3氧化膜上易产生外延取向共生，造成渣皮在高铬铸铁硬面层表面黏着，脱渣性差，高铬铸铁硬面层表面成形不良。相应地，本领域亟需对电渣堆焊高铬铸铁的专用焊接剂做出进一步的研究改进，以便在克服以上技术难题的同时，能够更好地满足高质量高效率电渣堆焊高铬铸铁的需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于电渣堆焊高铬铸铁的烧结焊剂及其制备方法，其中通过对其反应机理的深入研究，对其组分配比及加工流程工艺等多个方面重新进行了设计，相应不仅在实际使用时可获得更弱的氧化性、有效避免合金元素的过分烧损，而且由于其属于低硅无锰氟化物型渣系，能够更好地平衡熔渣的电导率、黏度及表面张力等物化性能，电渣过程稳定性好，同时堆焊层成形良好，在确保具备良好脱渣性能的同时还进一步提高了硬面层的成形质量，因而尤其适用于钢铁冶炼、矿山机械等设备的工件表面堆焊高铬铸铁硬面层等应用场合。
相应地，按照本发明的一个方面，提供了一种用于电渣堆焊高铬铸铁的烧结焊剂，其特征在于，该烧结焊剂由下列重量份数的多个原料组分共同构成：
CaF2：35份～40份；
Al2O3：25份～30份；
CaO：20份～25份；
SiO2：5份～10份；
MgO：2份～4份；
Cr2O3：1份～3份。
通过以上构思，本发明所设计的烧结焊剂中除了包括SiO2和MgO2等组分之外，还专门增加了如CaF2、Cr2O3等添加组分并且进一步对其作用机理进行了针对性设计。更具体地，SiO2主要作用是降低渣的熔点和电导率，促进渣池中铝酸盐向硅酸盐的转变，减轻夹杂物对堆焊金属的不利影响；除此之外，它形成的复合离子团可以适当降低上述专用焊剂中O2-离子活度，防止渣池吸氢增氧，并且能改善堆焊层表面光洁度，提高表面成形质量。MgO主要作用是提高熔渣的高温黏度，在渣池表面形成半凝固膜以防止渣池吸氢以及渣中变价氧化物向金属熔池传递供氧。
作为关键改进所在，CaF2主要作用是降低电渣堆焊过程中以上专用焊剂熔化形成的液态渣池的黏度、熔点及表面张力，使高温渣液具备良好的流动性，从而提高电渣过程的稳定性。且CaF2对焊缝金属没有氧化性，可以降低堆焊过程中的合金元素烧损。与此同时，Al2O3主要作用是降低焊剂的电导率，提高焊剂的电效率，由此配合CaF2实现一定的脱硫脱氧效果。CaO 主要作用则是降低焊剂熔点，提高渣的比电阻，加强焊剂脱氧脱硫的效果。
此外，作为更关键的改进所在，所添加的Cr2O3主要作用是降低高铬铸铁金属熔池中Cr元素的氧化烧损，改善脱渣性。具体而言，通过在焊剂中添加Cr2O3，可如下列公式(1)和公式(2)所示，液态渣池和高铬铸铁熔池界面处(Cr2O3)浓度得以提高，而根据化学平衡概念，[Cr]的氧化被抑制，因此焊剂中添加加Cr2O3可以减小Cr元素的烧损，同时也可以防止堆焊层表面形成加Cr2O3氧化膜，避免熔渣在氧化膜表面产生外延取向共生，保证焊剂有良好的脱渣性能。此外，本发明中，加Cr2O3的用量范围被进一步设定为重量份数是1～3份，其用量过少时，无法起到减少Cr元素选择性氧化，改善脱渣性的目的。其用量大于3份时，则会造成电渣过程不稳定。
3MnO+2Cr＝3Mn+Cr2O3 (1)
3SiO2+4Cr＝3Si+2Cr2O3 (2)
作为进一步优选地，上述烧结焊剂的碱度优选设定为2.3～2.7。
作为进一步优选地，上述烧结焊剂的粒度优选设定为20目～40目。
作为进一步优选地，上述烧结焊剂为低硅无锰氟化物型渣系。
按照本发明的另一方面，结合以上烧结焊剂的组分配方及作用机理，还针对性提供了相应的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(i)按照上述烧结焊剂的原料组分选料，并按照其质量份数配比称重备好对应的干粉粉料；
(ii)将备好的干粉粉料加入干搅拌器进行干搅拌，搅拌均匀后将粉料送入湿搅拌器，加入水玻璃进行湿搅拌，充分搅拌使之均匀；
(iii)将搅拌均匀的湿料送入造粒机进行造粒，得到颗粒状的烧结焊剂坯料；
(iv)将颗粒状烧结焊剂坯料经热风干燥后送入烘干炉进行烘干，去除水分送入烧结炉进行烧结处理，冷却到低于100℃时进行过筛，最终获得所述烧结焊剂。
作为进一步优选地，在步骤(i)中，所述干粉粉料优选采用60目以下的筛网进行过滤处理。
作为进一步优选地，在步骤(ii)中，所述水玻璃优选为钠水玻璃，并且在室温下的波美度为38°～40°。
作为进一步优选地，所述钠水玻璃的质量百分比优选设定为为所述干粉粉料总质量的18％～21％。
作为进一步优选地，在步骤(iv)中，所述烘干温度优选设定为200℃～ 300℃，烧结温度为700℃～900℃，烧结时间为90分钟～120分钟。
作为进一步优选地，在步骤(iv)中，优选采用双层筛网来执行所述过筛操作，并且该双层筛网的目数分别设定为20目和40目，过筛后所得的烧结焊剂的粒度为20目～40目。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、通过对关键反应物的具体类型和配料比进行研究和设计，与现有产品相对具备更弱的氧化性，电渣堆焊时与高铬铸铁药芯焊丝配合使用，可避免合金元素的过分烧损。同时，针对高铬铸铁中Cr元素含量高且易烧损的特点，烧结焊剂中通过添加特定比例的Cr2O3，能够进一步降低高铬铸铁金属熔池中Cr元素的氧化强度，有效减小Cr元素的烧损；
2、本发明所提供的这种电渣堆焊高铬铸铁专用烧结焊剂由于采用了低硅无锰氟化物型渣系，较多的实际测试表明，很好地平衡了熔渣的电导率、黏度和表面张力等物化性能，电渣过程稳定，并且堆焊层成形良好，没有夹渣和未熔合缺陷，保证了硬面层的成形质量；
3、本发明所添加的Cr2O3还能够有效与其他材料组分相互发挥作用，不仅有效防止了堆焊层表面形成Cr的氧化膜，而且还能够避免熔渣在氧化膜表面产生外延取向共生，保证焊剂有良好的脱渣性能。
4、本发明通过对其制造工艺路线及其关键反应条件作出针对性的设计改进，能够在确保获得所需质量的专用烧结焊剂的同时，还具备操作简便、便于操控等优点，因而尤其适用于各类需要进行灵活调节的应用场合。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
本实施例中所用电渣堆焊高铬铸铁硬面层专用烧结焊剂按重量分数计的原料组分分别是：CaF2为40重量份数、Al2O3为25重量份数、CaO为20 重量份数、SiO2为10重量份数、MgO为2重量份数和Cr2O3为3重量份数，并且其碱度进一步设计为2.33。
实施例2
本实施例中所用电渣堆焊高铬铸铁硬面层专用烧结焊剂按重量分数计的原料组分分别是：CaF2为39重量份数、Al2O3为26重量份数、CaO为22 重量份数、SiO2为7重量份数、MgO为4重量份数和Cr2O3为2重量份数，并且其碱度进一步设计为2.68。
实施例3
本实施例中所用电渣堆焊高铬铸铁硬面层专用烧结焊剂按重量分数计的原料组分分别是：CaF2为38重量份数、Al2O3为28重量份数、CaO为23 重量份数、SiO2为6重量份数、MgO为4重量份数和Cr2O3为1重量份数，并且其碱度进一步设计为2.68。
实施例4
本实施例中所用电渣堆焊高铬铸铁硬面层专用烧结焊剂按重量分数计的原料组分分别是：CaF2为36重量份数、Al2O3为30重量份数、CaO为25 重量份数、SiO2为7重量份数、MgO为3重量份数和Cr2O3为1重量份数，并且其碱度进一步设计为2.41。
参见表1，给出了按照本发明所用于解释说明配方组成及作用机理的 1-4具体实施例。
实施例 CaF2 Al2O3 CaO SiO2 MgO Cr2O3 碱度
1 40 25 20 10 2 3 2.33
2 39 26 22 7 4 2 2.68
3 38 28 23 6 4 1 2.68
4 36 30 25 5 3 1 2.41
表1
下面将结合实施例1-4具体解释说明其制备过程。
实施例1焊剂制备过程：
首先复检原料，合格后按表1中实施例1所示配方称重干粉粉料进行配比，然后将配比后的粉料放入干搅拌器中搅拌5分钟，干粉搅拌均匀后送入湿搅拌器，加入室温下波美度为38～40°Be'的钠水玻璃充分搅拌均匀，水玻璃加入量占干粉质量18％。将搅拌均匀后的湿料送入造粒机进行造粒。造粒完成后将粒状湿坯料送入烘干炉在200℃进行热风烘干定形，然后送入烧结炉进行900℃烧结，烧结时间90分钟。出炉冷却到100℃以下后用20 目和40目双层筛网过筛，得到粒度20～40目烧结焊剂。
实施例2烧结焊机制备过程：
首先复检原料，合格后按表1中实施例2所示配方称重干粉粉料进行配比，然后将配比后的粉料放入干搅拌器中搅拌5分钟，干粉搅拌均匀后送入湿搅拌器，加入室温下波美度为38～40°Be'的钠水玻璃充分搅拌均匀，水玻璃加入量占干粉质量19％。将搅拌均匀后的湿料送入造粒机进行造粒。造粒完成后将粒状湿坯料送入烘干炉在250℃进行热风烘干定形，然后送入烧结炉进行800℃烧结，烧结时间100分钟。出炉冷却到100℃以下后用20 目和40目双层筛网过筛，得到粒度20～40目烧结焊剂。
实施例3烧结焊机制备过程：
首先复检原料，合格后按表1中实施例3所示配方称重干粉粉料进行配比，然后将配比后的粉料放入干搅拌器中搅拌5分钟，干粉搅拌均匀后送入湿搅拌器，加入室温下波美度为38～40°Be'的钠水玻璃充分搅拌均匀，水玻璃加入量占干粉质量20％。将搅拌均匀后的湿料送入造粒机进行造粒。造粒完成后将粒状湿坯料送入烘干炉在275℃进行热风烘干定形，然后送入烧结炉进行750℃烧结，烧结时间110分钟。出炉冷却到100℃以下后用20 目和40目双层筛网过筛，得到粒度20～40目烧结焊剂。
实施例4烧结焊机制备过程：
首先复检原料，合格后按表1中实施例4所示配方称重干粉粉料进行配比，然后将配比后的粉料放入干搅拌器中搅拌5分钟，干粉搅拌均匀后送入湿搅拌器，加入室温下波美度为38～40°Be'的钠水玻璃充分搅拌均匀，水玻璃加入量占干粉质量21％。将搅拌均匀后的湿料送入造粒机进行造粒。造粒完成后将粒状湿坯料送入烘干炉在300℃进行热风烘干定形，然后送入烧结炉进行700℃烧结，烧结时间120分钟。出炉冷却到100℃以下后用20 目和40目双层筛网过筛，得到粒度20～40目烧结焊剂。
下面将具体说明按照本发明所制得的烧结焊剂的使用过程及机理。
电渣堆焊前，将烧结焊剂在干燥炉中300℃烘干2小时进行干燥处理。电渣堆焊过程在水冷铜块与30mm厚的低合金钢(或低碳钢)板组成的长方体间隙中进行，药芯焊丝持续进入液态渣池，和熔嘴一起熔化成金属熔池，冷却后形成一定厚度的高铬铸铁堆焊硬面层。堆焊电流320～340A，堆焊电压35～38V。
实施例1至4电渣堆焊高铬铸铁专用烧结焊剂工艺性能及堆焊层成形质量见下表2示范性所示。
由表2可知，按照本发明所制得的高铬铸铁专用烧结焊剂电渣堆焊过程稳定，工艺性能良好，无损检测I级合格，合金元素烧损率低，硬面层和低合金钢(或低碳钢)基体结合良好，脱渣性良好，添加了Cr2O3的高铬铸铁烧结焊剂脱渣性更优。
表2
综上，本发明的烧结焊剂通过对其具体组分及配比的重新设计，不仅减少了高铬铸铁熔池中Cr元素的选择性氧化，降低了电渣堆焊时Cr元素的烧损，同时避免了产生Cr的氧化膜与熔渣产生外延取向共生，有效改善了焊剂的脱渣性能。相应所获得液态渣池具有稳定的电导率、黏度和表面张力，电渣过程稳定，脱渣性好，高铬铸铁堆焊硬面层表面平整光洁，没有气孔、夹渣、未熔合和裂纹缺陷，质量优良，因而尤其适用于钢铁冶炼、矿山机械等设备的工件表面堆焊高铬铸铁硬面层等应用场合，并达到提高工件耐磨损性能，延长工件使用寿命的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于电渣堆焊高铬铸铁的烧结焊剂，其特征在于，该烧结焊剂由下列重量份数的多个原料组分共同构成：
CaF2：35份～40份；
Al2O3：25份～30份；
CaO：20份～25份；
SiO2：5份～10份；
MgO：2份～4份；
Cr2O3：1份～3份。
2.如权利要求1所述的烧结焊剂，其特征在于，上述烧结焊剂的碱度优选设定为2.3～2.7。
3.如权利要求1或2所述的烧结焊剂，其特征在于，上述烧结焊剂的粒度优选设定为20目～40目。
4.如权利要求1-3任意一项所述的烧结焊剂，其特征在于，上述烧结焊剂为低硅无锰氟化物型渣系。
5.一种用于制备如权利要求1所述烧结焊剂的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(i)按照上述烧结焊剂的原料组分选料，并按照其质量份数配比称重备好对应的干粉粉料；
(ii)将备好的干粉粉料加入干搅拌器进行干搅拌，搅拌均匀后将粉料送入湿搅拌器，加入水玻璃进行湿搅拌，充分搅拌使之均匀；
(iii)将搅拌均匀的湿料送入造粒机进行造粒，得到颗粒状的烧结焊剂坯料；
(iv)将颗粒状烧结焊剂坯料经热风干燥后送入烘干炉进行烘干，去除水分送入烧结炉进行烧结处理，冷却到低于100℃时进行过筛，最终获得所述烧结焊剂。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤(i)中，所述干粉粉料优选采用60目以下的筛网进行过滤处理。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在步骤(ii)中，所述水玻璃优选为钠水玻璃，并且在室温下的波美度为38°～40°。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述钠水玻璃的质量百分比优选设定为为所述干粉粉料总质量的18％～21％。
9.如权利要求5-8任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤(iv)中，所述烘干温度优选设定为200℃～300℃，烧结温度为700℃～900℃，烧结时间为90分钟～120分钟。
10.如权利要求5-9任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤(iv)中，优选采用双层筛网来执行所述过筛操作，并且该双层筛网的目数分别设定为20目和40目，过筛后所得的烧结焊剂的粒度为20目～40目。
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