CN110788520B

CN110788520B - 高合金钢耐磨药芯焊丝及其制备方法

Info

Publication number: CN110788520B
Application number: CN201911143002.5A
Authority: CN
Inventors: 郑利华; 何金花; 覃科
Original assignee: Guilin University of Aerospace Technology
Current assignee: Guilin University of Aerospace Technology
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2039-11-20
Also published as: CN110788520A

Abstract

本发明涉及一种高合金钢耐磨药芯焊丝及其制备方法，其特征在于，由药芯和包裹药芯的低碳钢钢带组成，所述药芯占高合金钢耐磨药芯焊丝总重量的12‑20％，所述药芯包含以下质量百分比的组分：二氧化钛粉5‑10％、碳化铌粉4‑8％、铝粉2‑5％、铬粉2‑4％、复合氟化物1‑3％、钼铁粉0.5‑2％、钒铁粉0.5‑2％、硼化碳粉0.5‑2％、氮化铌0.5‑2％、稀土硅铁粉0.2‑1％、石墨0.2‑0.5％、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。本发明高合金钢耐磨药芯焊丝具有易脱渣、电弧稳定，焊缝组织具有优异的耐磨、耐腐蚀性能以及高硬度，能满足汽车、建筑、电力、机械、石油化工、锅炉、冶金矿山、船舶等行业高合金钢的焊接。

Description

高合金钢耐磨药芯焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种焊接技术领域，具体涉及一种的高合金钢耐磨药芯焊丝及其制备方法。

背景技术

堆焊技术制备耐磨材料正是随着工业抗磨损需求的加大而快速发展起来的，并成为最具经济效益的耐磨材料表面强化技术之一。

高合金钢是指在钢铁中有合金元素在10％以上的合金钢，其牌号冠以字母X，后面是表示平均含碳量的数字(万分之几)和合金元素符号(按含量排列)，最后是标明各主要合金元素含量的平均百分值(按四舍五入化为整数)。高合金钢有优质合金钢、特质合金钢；按特性和用途又分为合金结构钢、不锈钢、耐酸钢、耐磨钢、耐热钢、合金工具钢、滚动轴承钢、合金弹簧钢和特殊性能钢(如软磁钢、永磁钢、无磁钢)等，广泛应用于汽车、建筑、电力、机械、石油化工、锅炉、冶金矿山、船舶等行业。

对于高合金钢的焊接，采用药芯焊丝进行堆焊后产生的堆焊层金属具有高硬度高耐磨性等性能，在易磨损表面堆焊耐磨金属，可以使零件的寿命大大增加。但是，我国的药芯焊丝发展水平较低，生产的药芯焊丝堆焊后的合金质量较差,硬度及耐磨性不能完全满足工业生产中耐磨的要求。因此，一种具有优异耐磨性能的高合金钢药芯焊丝具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，通过科学优选添加合金元素，提供一种易脱渣、电弧稳定，焊缝组织具有优异的耐磨、耐腐蚀以及高硬度的高合金钢耐磨药芯焊丝及其制备方法。

本发明是这样实现的：

一种高合金钢耐磨药芯焊丝，其特征在于，由药芯和包裹药芯的低碳钢钢带组成，所述药芯占高合金钢耐磨药芯焊丝总重量的12-20％，所述药芯包含以下质量百分比的组分：二氧化钛粉5-10％、碳化铌粉4-8％、铝粉2-5％、铬粉2-4％、复合氟化物1-3％、钼铁粉0.5-2％、钒铁粉0.5-2％、硼化碳粉0.5-2％、氮化铌0.5-2％、稀土硅铁粉0.2-1％、石墨0.2-0.5％、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。

进一步优选，所述药芯包含以下质量百分比的组分：二氧化钛粉8％、碳化铌粉6％、铝粉4％、铬粉3％、复合氟化物2％、钼铁粉1％、钒铁粉1.5％、硼化碳粉1.5％、氮化铌1％、稀土硅铁粉0.5％、石墨0.3％、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。

进一步优选，所述低碳钢钢带包括以下质量百分比的组分：C:0.1-0.3％、Si:0.1-0.50％、Mn:0.5-1.8％、Sn:0.01-0.05％、V:0.02-0.15％、S≤0.01％，P≤0.01％、N≤0.01％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。

进一步优选，所述碳化铌粉中铌含量为40-55wt％，所述钼铁粉中钼含量为30-40wt％，所述钒铁中钒含量为40-50wt％。

进一步优选，所述氟化物包括氟化镁、氟化稀土和氯化镉的混合物，氟化镁、氟化稀土和氯化镉的重量比为1-2:0.5:0.1,所述氟化稀土为无水氟化钇。

进一步优选，所述药芯占高合金钢耐磨药芯焊丝总重量的15-18％。

本发明高合金钢耐磨药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：

S1、按照配比称取二氧化钛粉、碳化铌粉、铝粉、铬粉、复合氟化物、钼铁粉、钒铁粉、硼化碳粉、氮化铌、稀土硅铁粉、石墨和铁粉混合搅拌均匀，置于烘干炉中进行烘干，得到药芯粉末；

S2、将低碳钢带放入药芯焊丝成型机上，药芯焊丝成型机将低碳钢钢带轧制成U型带，然后向低碳钢U型带中加入药芯粉末，通过成型机将低碳钢U型带闭合，再通过拉拔机进行拉拔，拉拔至直径为1.2-2.0mm，得到高合金钢耐磨药芯焊丝。

进一步优选，所述步骤1中的烘干温度为80-100℃，烘干时间为2-3小时。

进一步优选，所述拉拔时每次拉拔延伸率为10％-15％。

本发明的突出的实质性特点和显著的进步是：

1、本发明高合金钢耐磨药芯焊丝通过调整药芯原料成分，加入碳化铌粉、铝粉、铬粉、氮化铌粉、硼化碳粉和石墨，形成Fe-Ti-Cr-C-N-Nb-Al-B合金体系的药芯焊丝，它们分布在基体中与基体组织相互配合，能够显著提高焊缝组织的硬度和耐磨损性能，焊缝组织硬度(HV10)≥350，抗拉强度大于750MPa，具有优异的耐磨、耐腐蚀性能以及高硬度。

2、本发明加入的碳化铌粉、铝粉、氮化铌和石墨，在γ-Fe相中原位合成NbC颗粒和AlN陶瓷硬质相，NbC颗粒作为异质形核核心，能够细化组织结构，改善合金耐磨性能，而且弥散分布的NbC颗粒还能够细化晶粒而改善合金的韧性，并减少碳化物含量增加对合金的不利影响；在AlN和共晶碳化物联合作用下，AlN陶瓷硬质相的耐磨机制比单一复合碳化物硬质相要优越，提高了复合合金的耐磨性能。

3、本发明在制备过程中采用在线焊合封闭焊丝上钢带的接口，并在闭合前过程中采用在线高温退火去除药芯及附着在钢带上的水分，解决了焊丝内部药粉的吸潮问题，制备完成后对焊丝表面进行清洗，有效去除了焊丝表面残留的润滑剂，减少药芯焊丝焊接过程中的焊缝组织杂质。

4、本发明采用氟化镁、氟化稀土和氯化镉形成的复合氟化物，能够改提高焊缝的韧性和抗拉强度、减少裂纹，改善焊缝的性能，使电弧稳定，飞溅少，脱渣容易，提高焊接的稳定性。

5、本发明加入适量的稀土硅铁粉，有助于促进夹杂物的球化和细化，提高针状铁素体形核率，改善焊缝金属微观组织，进而提高焊缝熔敷金属的强度和韧性。

具体实施方式

实施例1

高合金钢耐磨药芯焊丝由药芯和包裹药芯的低碳钢钢带组成，药芯占高合金钢耐磨药芯焊丝总重量的12％，药芯包含以下质量百分比的组分：二氧化钛粉5％、碳化铌粉4％、铝粉2％、铬粉2％、复合氟化物1％、钼铁粉0.5％、钒铁粉0.5％、硼化碳粉0.5％、氮化铌0.5％、稀土硅铁粉0.2％、石墨0.2％、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。

低碳钢钢带包括以下质量百分比的组分：C:0.1％、Si:0.1％、Mn:0.5％、Sn:0.01％、V:0.02％、S≤0.01％，P≤0.01％、N≤0.01％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；

碳化铌粉中铌含量为40wt％，所述钼铁粉中钼含量为30wt％，所述钒铁中钒含量为40wt％。

氟化物包括氟化镁、氟化稀土和氯化镉的混合物，氟化镁、氟化稀土和氯化镉的重量比为1:0.5:0.1。

本发明高合金钢耐磨药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：

S1、按照配比称取二氧化钛粉、碳化铌粉、铝粉、铬粉、复合氟化物、钼铁粉、钒铁粉、硼化碳粉、氮化铌、稀土硅铁粉、石墨和铁粉混合搅拌均匀，置于烘干炉中进行烘干，得到药芯粉末，烘干温度为80℃，烘干时间为3小时。

S2、将低碳钢带放入药芯焊丝成型机上，药芯焊丝成型机将低碳钢钢带轧制成U型带，然后向低碳钢U型带中加入药芯粉末，通过成型机将低碳钢U型带闭合，在闭合前过程中采用在线高温退火去除药芯及附着在钢带上的水分，并通过在线焊合封闭焊丝钢带的接口，然后用拉拔机进行拉拔，拉拔至直径为1.2-2.0mm，拉拔后采用超声波对药芯焊丝表面进行在线清洗，最后将药芯焊丝进行热风吹干，得到高合金钢耐磨药芯焊丝，拉拔时每次拉拔延伸率为10％，所述高温退火温度为350℃。

实施例2

高合金钢耐磨药芯焊丝由药芯和包裹药芯的低碳钢钢带组成，药芯占高合金钢耐磨药芯焊丝总重量的15％，药芯包含以下质量百分比的组分：二氧化钛粉10％、碳化铌粉8％、铝粉5％、铬粉4％、复合氟化物3％、钼铁粉2％、钒铁粉2％、硼化碳粉2％、氮化铌2％、稀土硅铁粉1％、石墨0.5％、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。

低碳钢钢带包括以下质量百分比的组分：C:0.2％、Si:0.3％、Mn:1.0％、Sn:0.02％、V:0.05％、S≤0.01％，P≤0.01％、N≤0.01％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；

碳化铌粉中铌含量为55wt％，所述钼铁粉中钼含量为40wt％，所述钒铁中钒含量为50wt％。

氟化物包括氟化镁、氟化稀土和氯化镉的混合物，氟化镁、氟化稀土和氯化镉的重量比为2:0.5:0.1。

本发明高合金钢耐磨药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：

S1、按照配比称取二氧化钛粉、碳化铌粉、铝粉、铬粉、复合氟化物、钼铁粉、钒铁粉、硼化碳粉、氮化铌、稀土硅铁粉、石墨和铁粉混合搅拌均匀，置于烘干炉中进行烘干，得到药芯粉末，烘干温度为100℃，烘干时间为2小时。

S2、将低碳钢带放入药芯焊丝成型机上，药芯焊丝成型机将低碳钢钢带轧制成U型带，然后向低碳钢U型带中加入药芯粉末，通过成型机将低碳钢U型带闭合，在闭合前过程中采用在线高温退火去除药芯及附着在钢带上的水分，并通过在线焊合封闭焊丝钢带的接口，然后用拉拔机进行拉拔，拉拔至直径为1.2-2.0mm，拉拔后采用超声波对药芯焊丝表面进行在线清洗，最后将药芯焊丝进行热风吹干，得到高合金钢耐磨药芯焊丝，拉拔时每次拉拔延伸率为14％，所述高温退火温度为350℃。

实施例3

高合金钢耐磨药芯焊丝由药芯和包裹药芯的低碳钢钢带组成，药芯占高合金钢耐磨药芯焊丝总重量的18％，药芯包含以下质量百分比的组分：二氧化钛粉7％、碳化铌粉5％、铝粉3％、铬粉3％、复合氟化物22.5％、钼铁粉1％、钒铁粉1％、硼化碳粉1％、氮化铌1％、稀土硅铁粉0.5％、石墨0.3％、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。

低碳钢钢带包括以下质量百分比的组分：C:0.25％、Si:0.3％、Mn:1.5％、Sn:0.04％、V:0.10％、S≤0.01％，P≤0.01％、N≤0.01％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；

碳化铌粉中铌含量为50wt％，所述钼铁粉中钼含量为35wt％，所述钒铁中钒含量为45wt％。

本发明高合金钢耐磨药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：

S1、按照配比称取二氧化钛粉、碳化铌粉、铝粉、铬粉、复合氟化物、钼铁粉、钒铁粉、硼化碳粉、氮化铌、稀土硅铁粉、石墨和铁粉混合搅拌均匀，置于烘干炉中进行烘干，得到药芯粉末，烘干温度为90℃，烘干时间为2.5小时。

S2、将低碳钢带放入药芯焊丝成型机上，药芯焊丝成型机将低碳钢钢带轧制成U型带，然后向低碳钢U型带中加入药芯粉末，通过成型机将低碳钢U型带闭合，在闭合前过程中采用在线高温退火去除药芯及附着在钢带上的水分，并通过在线焊合封闭焊丝钢带的接口，然后用拉拔机进行拉拔，拉拔至直径为1.2-2.0mm，拉拔后采用超声波对药芯焊丝表面进行在线清洗，最后将药芯焊丝进行热风吹干，得到高合金钢耐磨药芯焊丝，拉拔时每次拉拔延伸率为12％，所述高温退火温度为380℃。

实施例4

高合金钢耐磨药芯焊丝由药芯和包裹药芯的低碳钢钢带组成，药芯占高合金钢耐磨药芯焊丝总重量的20％，所述药芯包含以下质量百分比的组分：二氧化钛粉8％、碳化铌粉6％、铝粉4％、铬粉3％、复合氟化物2％、钼铁粉1％、钒铁粉1.5％、硼化碳粉1.5％、氮化铌1％、稀土硅铁粉0.5％、石墨0.3％、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。

低碳钢钢带包括以下质量百分比的组分：C:0.3％、Si:0.50％、Mn:1.8％、Sn:0.05％、V:0.15％、S≤0.01％，P≤0.01％、N≤0.01％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；

碳化铌粉中铌含量为52wt％，所述钼铁粉中钼含量为38wt％，所述钒铁中钒含量为48wt％。

本发明高合金钢耐磨药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：

S1、按照配比称取二氧化钛粉、碳化铌粉、铝粉、铬粉、复合氟化物、钼铁粉、钒铁粉、硼化碳粉、氮化铌、稀土硅铁粉、石墨和铁粉混合搅拌均匀，置于烘干炉中进行烘干，得到药芯粉末，烘干温度为95℃，烘干时间为2.8小时。

S2、将低碳钢带放入药芯焊丝成型机上，药芯焊丝成型机将低碳钢钢带轧制成U型带，然后向低碳钢U型带中加入药芯粉末，通过成型机将低碳钢U型带闭合，在闭合前过程中采用在线高温退火去除药芯及附着在钢带上的水分，并通过在线焊合封闭焊丝钢带的接口，然后用拉拔机进行拉拔，拉拔至直径为1.2-2.0mm，拉拔后采用超声波对药芯焊丝表面进行在线清洗，最后将药芯焊丝进行热风吹干，得到高合金钢耐磨药芯焊丝，拉拔时每次拉拔延伸率为15％，所述高温退火温度为400℃。

试验效果

1、实施例1-4制得的焊丝进行熔敷金属性能试验，熔敷金属焊接试板选用Cr12MoV钢，焊丝直径为1.6mm，焊接工艺参数为：焊接电压为22V，焊接电流320A，电流极性为直流正接(DCEN)。实施例根据GB/T2652-2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》、GB/T 2650-2008《焊接接头冲击试验方法》、GB/T4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验方法》进行试验，结果如下：

表1为本发明熔敷金属的力学性能：

2、对实例所制备焊缝组织进行耐磨损实验，采用轮式磨损试验机进行。磨损试样尺寸为60×30×6mm，试验参数如下：橡胶轮转速：250r/min；橡胶轮直径：170mm；橡胶轮硬度：60(绍尔硬度)，载荷100N；橡胶轮转数：预磨1000转、精磨1000转，磨料：粒度50-80目石英砂。材料耐磨性能用同等实验条件下本发明高合金钢耐磨药芯焊丝焊接的焊缝组织与Cr12MoV钢磨损失重量的比值来衡量，结果如表2所示：

实施例	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					相对耐磨性(ε)	18.6	18.9	20.1	19.7

由表1和表2得知，本发明的高合金钢耐磨药芯焊丝具有优良的焊接工艺性能和力学性能，能更好地应用在工业生产中，能满足汽车、建筑、电力、机械、石油化工、锅炉、冶金矿山、船舶等行业高合金钢的焊接。

Claims

1.一种高合金钢耐磨药芯焊丝，其特征在于，由药芯和包裹药芯的低碳钢钢带组成，所述药芯占高合金钢耐磨药芯焊丝总重量的12-20%，所述药芯包含以下质量百分比的组分：二氧化钛粉5-10%、碳化铌粉4-8%、铝粉2-5%、铬粉2-4%、复合氟化物1-3%、钼铁粉0.5-2%、钒铁粉0.5-2%、硼化碳粉0.5-2%、氮化铌0.5-2%、稀土硅铁粉0.2-1%、石墨0.2-0.5%、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100%；

所述低碳钢钢带包括以下质量百分比的组分：C:0.1-0.3%、Si:0.1-0.50%、Mn:0.5-1.8%、Sn:0.01-0.05%、V:0.02-0.15%、S≤0.01%，P≤0.01%、N≤0.01%，余量为Fe及其他不可避免的杂质；

所述碳化铌粉中铌含量为40-55wt%，所述钼铁粉中钼含量为30-40wt%，所述钒铁中钒含量为40-50wt%；

所述复合氟化物包括氟化镁、氟化稀土和氯化镉的混合物；氟化镁、氟化稀土和氯化镉的重量比为1-2:0.5:0.1；

所述的高合金钢耐磨药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：

S2、将低碳钢带放入药芯焊丝成型机上，药芯焊丝成型机将低碳钢钢带轧制成U型带，然后向低碳钢U型带中加入药芯粉末，通过成型机将低碳钢U型带闭合，在闭合前过程中采用在线高温退火去除药芯及附着在钢带上的水分，并通过在线焊合封闭焊丝钢带的接口，然后用拉拔机进行拉拔，拉拔至直径为1.2-2.0mm，拉拔后采用超声波对药芯焊丝表面进行在线清洗，最后将药芯焊丝进行热风吹干，得到高合金钢耐磨药芯焊丝。

2.根据权利要求1所述的高合金钢耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述药芯包含以下质量百分比的组分：二氧化钛粉8%、碳化铌粉6%、铝粉4%、铬粉3%、复合氟化物2%、钼铁粉1%、钒铁粉1.5%、硼化碳粉1.5%、氮化铌1%、稀土硅铁粉0.5%、石墨0.3%、余量为铁粉，以上组分质量百分比之和为100%。

3.根据权利要求1所述的高合金钢耐磨药芯焊丝，其特征在于：所述步骤S1中的烘干温度为80-100℃，烘干时间为2-3小时。

4.根据权利要求1 所述的高合金钢耐磨药芯焊丝，其特征在于：所述拉拔时每次拉拔延伸率为10%-15%，所述高温退火温度为350-400℃。

5.根据权利要求1 所述的高合金钢耐磨药芯焊丝，其特征在于：所述药芯占高合金钢耐磨药芯焊丝总重量的15-18%。