CN109175780B

CN109175780B - 一种耐磨堆焊药芯焊丝

Info

Publication number: CN109175780B
Application number: CN201811240124.1A
Authority: CN
Inventors: 刘胜新; 陈永; 连明洋; 孟迪; 王靖博; 王瑞娟; 陈志民; 李国鹏
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-10-20
Anticipated expiration: 2038-10-23
Also published as: CN109175780A

Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，特别涉及一种耐磨堆焊药芯焊丝，由低碳冷轧钢带包覆药芯粉制成，药芯成分及用量按质量百分比计为：纳米金刚石1.0%~1.8%，纳米三氧化二铝2.0%~4.0%、低碳铬铁2.5%~5.0%、钼铁4.0%~6.0%、镍铁3.0%~6.0%、硼铁2.0%~4.0%、铌铁1.5%~3.0%、硅铁2.0%~5.0%、锰铁5.0%~8.0%、长石5.0%~10.0%、冰晶石2.0%~5.0%、钛白粉4.0%‑8.0%、锆英石2.0%~5.0%，余量为FHT100·25还原铁粉，纳米金刚石的粒径为30~80nm，纳米三氧化二铝的粒径为40~100nm，药芯质量占药芯焊丝总质量的20%~35%，焊丝直径为1.2~2.4mm。

Description

一种耐磨堆焊药芯焊丝

技术领域

本发明涉及焊接材料领域，更具体地说，是涉及一种耐磨堆焊药芯焊丝。

技术背景

磨损是造成机械失效的主要原因之一，随着现代工业的发展，机械设备及其零部件在使用中对材料耐磨性的要求越来越高，其使用寿命成为影响机械设备生产效率越来越重要的因素。如水泥厂立磨磨辊和磨盘以及挤压辊、火力发电厂磨煤机磨辊和磨盘、破碎机锤头和滚筒、挖掘机的铲齿，使用过程中由于局部磨损、损伤而无法继续使用，损耗巨大。

堆焊技术是一种常用的表面改性及修复的方法，主要应用于水泥、钢铁、电力、采矿等行业，近年来药芯焊丝逐渐成为耐磨堆焊的首选焊材。

在焊接材料的设计中，合金元素对力学性能的影响不仅取决于碳与合金元素形成碳化物的类型、尺寸、形状、数量以及分布状态和面积比，而且取决于晶粒的大小及合金元素的分布均匀度。焊缝中为获取碳，在药芯焊丝中往往加入一定量的石墨，从而满足焊缝熔敷金属的硬度及其力学性能。但是，随着石墨的加入，焊缝中晶粒会变得比较粗大且组织分布不均匀，堆焊层易出现宏观裂纹，从而使堆焊层的保护效果大大降低。

中国专利CN105945456B公开了一种耐热耐磨药芯焊丝，熔敷金属及高温回火态微观组织均匀，900℃回火8小时洛氏硬度在58HRC以上，在600~900℃工况条件下使用具有优良的耐热耐磨性能。但药芯配方中加入了纳米级石墨烯、纳米级碳化铬、纳米级稀土，制备成本高，尤其是石墨烯和稀土，成本极高且稀土是国家战略物资，使这种药芯焊丝的工业化生产受到了限制。

中国专利CN105798484B公开了一种高碳高铬高钒耐磨堆焊自保护药芯焊丝，其中含高碳铬铁化学成分的质量百分比计为：5%~25%、碳化铬30%~60%、石墨1%~5%，这样就造成了碳含量的值很高，虽然一定程度上增大了硬度，但专利文本中并未公开如何避免高碳含量时焊缝中晶粒比较粗大且组织分布不均匀的问题，而利用钒与碳的亲和性生成极为细小的碳化物VC和V₂C，但未提及使用怎样的措施使其均匀分布，而剩余的C仍会形成粗大晶粒，专利文本中也没有提出处理的方法，所以专利文本中第0012段讲述的不会降低堆焊合金的韧性没有相应的科学依据。

中国专利CN106041364B公开了一种耐磨堆焊药芯焊丝，平均硬度在45~58HRC范围内，可满足一定工况下的耐磨需要，但无法满足水泥厂立磨磨辊和磨盘以及挤压辊、火力发电厂磨煤机磨辊和磨盘、破碎机锤头和滚筒、挖掘机的铲齿等要求60HRC以上的要求。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种耐磨堆焊药芯焊丝，可以大大提高堆焊合金的硬度（62-66HRC）和耐磨性，同时堆焊合金的韧性好，不易出现裂纹倾向。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种耐磨堆焊药芯焊丝，包括外皮和药芯，所述药芯成分及用量按质量分数计为：纳米金刚石1.0%~1.8%，纳米三氧化二铝2.0%~4.0%、低碳铬铁2.5%~5.0%、钼铁4.0%~6.0%、镍铁3.0%~6.0%、硼铁2.0%~4.0%、铌铁1.5%~3.0%、硅铁2.0%~5.0%、锰铁5.0%~8.0%、长石5.0%~10.0%、冰晶石2.0%~5.0%、钛白粉4.0%-8.0%、锆英石2.0%~5.0%，余量为FHT100·25还原铁粉，纳米金刚石的粒径为30~80nm，纳米三氧化二铝的粒径为40~100nm。

所述药芯质量占药芯焊丝总质量（即填充率）的20%~35%。

所述药芯粉80目通过率为100%。

所述焊丝直径为1.2~2.4mm。

所述外皮为宽度6~20mm、厚度0.25~1.6mm的低碳冷轧钢带，钢带的化学成分质量百分比为：C 0~0.003%，Mn 0.2%~0.35%，Si 0~0.028%，S 0~0.001%，P 0~0.001%，余量为Fe；钢带的抗拉强度为280~390MPa，伸长率不小于35%。

选用宽度为6~16mm，厚度为0.25~1.6mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型，再将混好的药芯粉填充到U型槽中，药芯粉质量占药芯焊丝质量的20%~35%；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф1.2~Ф2.4mm的焊丝。

本发明所用药芯中各原料作用原理如下：

纳米金刚石：在电弧热输入的作用下，一部分金刚石失去其原来结构，以C元素的形式与其他元素化合生成硬质相碳化物，而这部分C元素是以纳米形态存在的，纳米粒子表面原子数目增多，比表面积大，比表面能高，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程扩散路径，表面原子具有高的化学活性，很容易与其他原子结合使其扩散系数远大于常规材料，这样不会在熔敷金属中生成尺寸大小不均匀的夹杂物，对熔敷金属的综合力学性能的提高有显著作用。

纳米三氧化二铝：在电弧热输入的作用下，一部分三氧化二铝发生分解，Al元素可以作为强脱氧剂，兼具脱硫和脱磷的作用，Al可减轻熔敷金属对缺口的敏感性，减少或消除熔敷金属的时效现象，特别是降低韧脆转变温度，提高熔敷金属的冲击韧性。

没有来得及分解的纳米金刚石、纳米三氧化二铝则作为形核质点，起到非自发形核的作用，细化熔敷金属的晶粒，增大其强度和韧性。

低碳铬铁、钼铁、镍铁、硼铁、铌铁：向焊缝中过渡合金元素，形成高韧性基体组织和大量均匀分布耐磨硬质相。

硅铁：充分脱氧、脱硫，硅除了具有良好的脱氧作用外，还可以固溶在铁素体和奥氏体中，提高焊缝金属的强度，同时Si还可以增加焊缝金属的流动性，使焊丝在焊接过程中具有良好的焊接工艺性能。

锰铁：充分脱氧、脱硫，锰是增加焊缝金属强韧性的有益元素，锰元素有利于防止焊缝金属出现热裂纹。

长石：稳弧剂，具有稳定电弧的作用，可增加渣的黏度，减少发尘量。

冰晶石：含有Na、Al稳弧元素，具有稳弧作用，同时可以降低焊缝中的扩散氢含量。

钛白粉：含有质量分数大于98%的TiO₂，可以保护过热的熔滴，减少熔滴过渡过程中的蒸发；TiO₂可与FeO结合成为钛酸盐进入熔渣，减少氧化铁烟尘；同时稳定焊接电弧，改善焊接工艺性能。

锆英石：主要用于造渣，改善熔渣的脱渣性。

本发明的有益效果是：通过在药芯粉中加入纳米级金刚石、纳米级三氧化铝等组分，并优化各组分含量的合理范围，可以大大提高堆焊合金的硬度和耐磨性，保证硬度为62~66HRC，且不会降低堆焊合金的韧性，具有良好的焊接工艺性能和很高的熔敷效率，熔敷金属层表面硬度分布均匀，耐磨堆焊层的综合力学性能优异。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所列举实例只用于解释本发明，并非限定本发明的范围。

实施例1：

耐磨堆焊药芯焊丝，该药芯焊丝由低碳冷轧钢带包裹药芯粉构成。

首先选用宽度为10mm、厚度为0.3mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；然后将药芯粉填充到U型槽中，药芯粉占药芯焊丝质量的20%；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯粉包裹其中，按照常规方法经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф1.2mm的焊丝，即本发明的耐磨堆焊药芯焊丝。

所述药芯成分及用量按质量百分比计为：纳米金刚石1.0%，纳米三氧化二铝2.0%、低碳铬铁2.5%~5.0%、钼铁4.0%、镍铁3.0%、硼铁2.0%、铌铁1.5%、硅铁2.0%、锰铁5.0%、长石5.0%、冰晶石2.0%、钛白粉4.0%、锆英石2.0%，余量为FHT100·25还原铁粉。

实施例2：

首先选用宽度为13mm、厚度为0.5mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；然后将药芯粉填充到U型槽中，药芯粉占药芯焊丝质量的28%；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯粉包裹其中，按照常规方法经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф1.6mm的焊丝，即本发明的耐磨堆焊药芯焊丝。

所述药芯成分及用量按质量百分比计为：纳米金刚石1.4%，纳米三氧化二铝3.0%、低碳铬铁3.8%、钼铁5.0%、镍铁4.5%、硼铁3.0%、铌铁2.3%、硅铁3.5%、锰铁6.5%、长石7.5%、冰晶石3.5%、钛白粉6.0%、锆英石3.5%，余量为FHT100·25还原铁粉。

实施例3：

首先选用宽度为16mm、厚度为0.8mm的低碳冷轧钢带，通过成型机压制成U型；然后将药芯粉填充到U型槽中，药芯粉占药芯焊丝质量的35%；再将U型槽开口处合口形成O型，从而使药芯粉包裹其中，按照常规方法经拉丝机逐道拉拔、减径，得到Ф2.4mm的焊丝，即本发明的耐磨堆焊药芯焊丝。

所述药芯成分及用量按质量百分比计为：纳米金刚石1.8%，纳米三氧化二铝4.0%、低碳铬铁2.5%~5.0%、钼铁6.0%、镍铁6.0%、硼铁4.0%、铌铁3.0%、硅铁5.0%、锰铁8.0%、长石10.0%、冰晶石5.0%、钛白粉8.0%、锆英石5.0%，余量为FHT100·25还原铁粉。

对比例1：

本对比例与实施例3药芯成分及用量除无“纳米金刚石”外，其他完全相同，制备方法也完全相同。

对比例2：

本对比例与实施例3药芯成分及用量除无“纳米三氧化二铝”外，其他完全相同，制备方法也完全相同。

对比例3：

本对比例与实施例3药芯成分及用量除无“纳米金刚石、纳米三氧化二铝”外，其他完全相同，制备方法也完全相同。

将实施例1、2、3和对比例1、2、3得到的焊丝在Q235的试板上进行多道多层堆焊，堆焊宽度为100mm，厚度为40mm；采用直流反接法，焊接电流为210~260A，焊接电压为25~32V，焊接速度为5~10mm/s，CO₂气体流量为18L/min；焊后进行920~950℃保温12h随后炉冷的热处理；在试板上堆焊金属距表面相同位置处取样，并经打磨、抛光后，用体积分数3.5%的硝酸酒精擦试5次进行腐蚀，进行硬度测试。硬度测试结果如表1所示。

以上实施例及对比例表明：本发明中未添加“纳米金刚石”时，或未添加“纳米三氧化二铝”时，或未添加“纳米金刚石、纳米三氧化二铝”时，洛氏硬度值明显低于实施例，且其洛氏硬度波动范围显著大于对比例。

需要指出的是，本发明的创新核心在于给出了药芯的组成物成分及用量，特别是在药芯粉中添加了纳米金刚石、纳米三氧化二铝，并优化各组分合理范围，通过多种元素的复合强化实现了焊缝金属组织细化，并利用添加粒子的纳米结构实现了熔敷金属中硬质相的均匀分布。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，包括外皮和药芯，所述药芯成分及用量按质量比计为：纳米金刚石1.0%~1.8%，纳米三氧化二铝2.0%~4.0%、低碳铬铁2.5%~5.0%、钼铁4.0%~6.0%、镍铁3.0%~6.0%、硼铁2.0%~4.0%、铌铁1.5%~3.0%、硅铁2.0%~5.0%、锰铁5.0%~8.0%、长石5.0%~10.0%、冰晶石2.0%~5.0%、钛白粉4.0%-8.0%、锆英石2.0%~5.0%，余量为FHT100·25还原铁粉，纳米金刚石的粒径为30~80nm，纳米三氧化二铝的粒径为40~100nm，所述药芯粉80目通过率为100%，所述药芯质量占药芯焊丝总质量的20%~35%。

2.根据权利要求1所述的耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述外皮为宽度6~20mm、厚度为0.25~1.6mm的低碳冷轧钢带。

3.根据权利要求1所述的耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝直径为1.2~2.4mm。