CN110877169A - 一种电沉积镍钨稀土堆焊焊条及制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料焊接再制造领域，提供一种电沉积镍钨稀土堆焊焊条及制备工艺，所述焊条包括焊芯和药皮；选择H08系列牌号低碳钢为焊芯，且所述焊芯为Φ3.5mm～Φ5mm，且重量百分比为50％～65％。具体步骤为：将焊芯通过电沉积镍钨后进行镀铬，制得镀镍钨铬后的焊芯；稀土渣、碳酸钙、合金粉末、造渣剂、稳弧剂、硅酸钠溶液等物料加入混料机混匀制成药皮湿料；随后将上述的药皮湿料与镀镍钨铬后的焊芯按质量比为1：1.0～1.6置于焊条压涂机上压制成型；将湿焊条转入烘箱中，在温度为60～80℃条件下，干燥50～80min，将所得的焊条置于烘干炉中，以5℃/min升温至105℃，烘焙2h，再升温至300～330℃，保温2～2.5h后，即得电沉积镍钨铬稀土堆焊焊条。

Description

一种电沉积镍钨稀土堆焊焊条及制备工艺
技术领域
本发明属于金属材料焊接再制造领域，提供一种电沉积镍钨稀土堆焊焊条及制备工艺，适用于Q235、42CrMo、9Cr2Mo、中碳低合金钢等钢种的表面堆焊。
背景技术
随着我国能源需求的不断加大，应用于煤炭、冶金、建筑行业的机械零部件经常处于复杂恶劣的工况及环境下，大量的零部件设备设施经常因磨损、腐蚀、磨蚀而失效或报废。特别是在一些长期高温、高磨粒磨损、高湿度环境条件下，易造成氧化、组织相变软化、蠕变破坏、磨损失效及反复承受加热和冷却而产生热疲劳裂纹等问题。磨损不仅消耗能源、耗费材料，而且因磨损而造成的非计划停修、停工等所消耗的人力和物力以及降低劳动生产率等，更严重的造成设备与人身安全事故，所以近些年增材制造与堆焊修复技术发展迅速。
焊条中加入稀土早有报道，稀土可以改善焊接工艺性能和提高焊缝金属性能，减少焊缝堆焊层内部缺陷，提高堆焊层质量。然而先前专利中稀土均以其高纯度的氧化物或氟化物加入，成本较高。传统稀土堆焊焊条制备的堆焊层为典型的未完全合金化铸造组织，其中难熔Cr、Ni、W等金属粉粒未完全参与熔池冶金反应，组织不均匀成分偏析严重；此外Cr、NI、W等金属粉粒或合金势必将杂质带入焊缝组织，引起裂纹、气孔、杂质等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电沉积镍钨稀土堆焊焊条，包括焊芯和药皮；选择H08系列低碳钢为焊芯，焊芯直径为Φ3.5mm～Φ5mm，且重量百分比为50％～65％。
进一步地，按照先镀镍后镀钨的顺序，通过先加入镍盐溶液后加入钨盐溶液，先后控制电镀时间从而控制镍钨镀层厚度，控制焊芯表面镍、钨的净含量，即焊芯中镍净含量为0.9～1.6g，焊芯中钨净含量为1.1～1.3g。
进一步地，所述药皮选用CaO-CaF2-SiO2渣系，且药皮为低氢型。
进一步地，所述焊条在试件上形成的堆焊层硬度为HRC56～61；堆焊层金相组织为马氏体、少量残余奥氏体及碳化物组成的致密组织；
其中，马氏体形态包含针状、条状；碳化物尺寸为2μm-80μm，且呈网状和条带状分布。
进一步地，所述电沉积镍钨稀土堆焊焊条制备工艺的具体步骤为：
步骤一：将焊芯通过电沉积镍钨，制得镀镍钨后的焊芯；
步骤二：稀土渣、碳酸钙、合金粉末、造渣剂、稳弧剂、硅酸钠溶液等物料加入混料机混匀制成药皮湿料；
步骤三：随后将步骤二中所述的药皮湿料与步骤一镀镍钨后的焊芯按质量比为1：1.0～1.6置于焊条压涂机上压制成型；
步骤四：将湿焊条转入烘箱中，在温度为60～80℃条件下，干燥50～80min，将所得的焊条置于烘干炉中，以5℃/min升温至105℃，烘焙2h，再升温至300～330℃，保温2～2.5h后，即得电沉积镍钨稀土堆焊焊条。
进一步地，电沉积镍钨工艺为：将焊芯清洗除油污，按照先镀镍后镀钨的顺序，将焊芯用工装夹持放入镀液中做阴极，以高合金钢为阳极。先向镀液加入硫酸镍，用弱酸调节pH值为3.5～4.5，加热至50-60℃，控制电流密度为16～25A/dm2，电镀50～120分钟；再向镀液加入钨酸钠，保持pH值为3.5～4.5，温度为50～60℃，电流密度为16～25A/dm2，电镀60～110分钟。
优选的，以不锈钢为阳极，用醋酸调节PH值。
进一步地，所述镀液配方为：硫酸10～15g/L，钨酸钠80～84g/L，硫酸镍14～18g/L，硼酸34～38g/L，硫酸钠30～36g/L，硫酸铵20～24g/L，酒石酸30～34g/L，焦磷酸钾11～15g/L，抗坏血酸10～14g/L，甲醛1～3ml/L，二甲基己炔醇2～4ml/L，余量为水。
进一步地，所述稀土渣含有40％～50％镧铈稀土氧化物与20％～30％的镧铈稀土氟化物，6％～9％的铁及其氧化物，Ca与Si的含量合计1％～2％。稀土渣中其余为少量氟化锂与其它不可避免杂质，且氟化锂含量≤8％，堆焊过程中可通过熔池反应进入渣中去除；所述稀土渣的制备方法为：选取镧铈电解稀土尾渣作为原渣，将原渣用球磨机进行破碎至60～80目；之后将破碎的原渣进行磁选，去除铁与铁氧化物等杂质；最后将磁选后的稀土渣粉末打包存放。
进一步地，所述药皮组分按下述重量百分比制备而成：大理石20～26；萤石17～22；石英石1.5～2.5；锆英石1.2～1.6；金红石1.5～2.5；钛白粉2～2.3；钛铁3～6；45#硅铁3～6；中碳锰铁3～6；金属铬4～8；高碳铬铁3～6；钼铁2～10；钒铁2～6，其中钒铁中含V为52％～54％；石墨1～3.5；纯碱1～1.5；云母1～1.5；铝粉0.8～1.5；稀土渣4～10；氧化钇1～3；硅酸钠水溶液2～3且硅酸钠水溶液密度为1.36～1.45g/cm3。
本发明的有益效果是：
相比传统堆焊焊条的制备工艺，本发明电镀工艺均采用新技术低污染电解液配方，本发明利用的电解稀土渣为当地稀土产业的工业低值物料，将工业低值品转化为焊条药粉原材料，具有保护生态环境的有益效果，进一步降低了稀土堆焊焊条的成本。
其次，本发明焊条避免了Ni、W粉粒与合金带入杂质，药皮杂质含量较传统药皮杂质更低，氧化稀土与氟化稀土具有净化组织的作用，试件焊接后焊缝堆焊层组织更为致密，气孔或裂纹等缺陷明显减少。
而且，本发明焊条的焊接工艺性能良好，焊渣量较少；难熔金属粉粒较完全的参与熔池冶金反应，堆焊层组织均匀性好，具有硬度高、耐磨耐腐蚀以及良好的抗开裂性能。
最后，本发明焊条可根据不同材料调整堆焊层碳含量，可应用于Q235(碳素结构钢)、42CrMo(截齿)、45Mn(衬板)、中碳低合金铸件、9Cr(轧辊)等牌号与对应产品表面的堆焊。
附图说明
图1为焊接试件为中碳低合金钢锤头时焊条形成的堆焊层在光学显微镜下的金相组织。
图2为焊接试件为中碳低合金钢锤头时焊条形成的堆焊层XRD衍射分析。
图3为焊接试件为中碳低合金钢锤头时焊条形成的电子显微镜能谱点分析。
具体实施方式
实施例1
本实施例对应焊接试件为中碳低合金钢锤头。
H08A低碳钢焊芯表面进行电沉积镍钨，所述镀液配方为：硫酸14g/L，钨酸钠80g/L，硫酸镍15g/L，硼酸35g/L，硫酸钠32g/L，硫酸铵20g/L，酒石酸32g/L，焦磷酸钾12g/L，抗坏血酸12g/L，甲醛2ml/L，二甲基己炔醇2.5ml/L，余量为水。电镀工艺为：将焊芯清洗除油污，将焊芯用工装夹持放入镀液中做阴极。先向镀液加入硫酸镍，用醋酸调节pH值为4.0，加热至55℃，控制电流密度为20A/dm2，电镀75分钟；再向镀液加入钨酸钠，保持镀镍时的pH、温度、电流密度，电镀70分钟。
稀土渣粉生产步骤：首先将电解稀土原渣用球磨机进行破碎(至60目)；第二步将破碎后稀土渣进行磁选；第三步将上步所得稀土渣粉末打包存放以备后续混料使用。
最后将含有上述稀土渣以及合金粉末、造渣剂、稳弧剂、硅酸钠溶液等物料加入混料机混匀，具体组份参见表1；随后将药皮湿料与焊芯按质量比为1：1.4置于焊条压涂机上压制成型，将湿焊条转入烘箱中，在温度为60℃条件下，干燥60min；将所得的焊条置于烘干炉中，以5℃/min升温至105℃，烘焙2h，再升温至300℃，保温2h后，即得稀土堆焊焊条。
表1实施例1的药皮成分的质量百分比(wt％)
Figure BDA0002277114120000062
本发明焊条堆焊中碳低合金钢锤头，堆焊层化学成分参见表2。
表2实施例1的稀土堆焊层化学成分
编号 C Si Mn P S Cr W Mo V Ni
堆焊层 0.375 0.952 1.40 0.021 0.008 5.68 1.42 1.76 0.175 0.925
参见图1-3，图1为本实施例焊条形成的堆焊层在光学显微镜下的金相组织，图2为本实施例焊条形成的堆焊层XRD衍射分析，图3为本实施例焊条形成的堆焊层电子显微镜能谱点分析，具体数值见表3。
表3实施例1焊条形成的堆焊层电子显微镜能谱点分析
Figure BDA0002277114120000061
Figure BDA0002277114120000071
实施例2
本实施例焊条用于焊接42CrMo钢。
H08E低碳钢焊芯表面进行电沉积镍钨，所述镀液配方为：硫酸13g/L，钨酸钠83g/L，硫酸镍16g/L，硼酸35g/L，硫酸钠34g/L，硫酸铵22g/L，酒石酸33g/L，焦磷酸钾13g/L，抗坏血酸12.5g/L，甲醛2.5ml/L，二甲基己炔醇3ml/L，余量为水。电镀工艺为：将焊芯清洗除油污，将焊芯用工装夹持放入镀液中做阴极。先向镀液加入硫酸镍，用醋酸调节pH值为4.0，加热至55℃，控制电流密度为20A/dm2，电镀90分钟；再向镀液加入钨酸钠，保持镀镍时的pH、温度、电流密度，电镀85分钟。
稀土渣粉生产步骤：首先将电解稀土原渣用球磨机进行破碎(至60目)；第二步将破碎后稀土渣进行磁选；第三步将上步所得稀土渣粉末打包存放以备后续混料使用。
最后将含有上述稀土渣以及合金粉末、造渣剂、稳弧剂、硅酸钠等物料加入混料机混匀，参见表4，随后将药皮湿料与焊芯按质量比为1：1.5置于焊条压涂机上压制成型，将湿焊条转入烘箱中，在温度为60℃条件下，干燥60min，将所得的焊条置于烘干炉中，以5℃/min升温至105℃，烘焙2h，再升温至320℃，保温2.5h后，即得稀土堆焊焊条。
表4实施例2的药皮成分的质量百分比(％)
Figure BDA0002277114120000081
本发明焊条堆焊42CrMo钢试件，堆焊层化学成分参见表5。
表5实施例2的稀土堆焊层化学成分
编号 C Si Mn P S Cr W Mo V Ni
堆焊层 0.481 0.946 1.39 0.020 0.008 5.76 1.15 1.75 0.175 1.220
实施例3
本实施例对应焊接试件为9Cr2Mo轧辊钢。
H08E低碳钢焊芯表面进行电沉积镍钨，所述镀液配方为：硫酸15g/L，钨酸钠84g/L，硫酸镍17g/L，硼酸37g/L，硫酸钠35g/L，硫酸铵24g/L，酒石酸34g/L，焦磷酸钾15g/L，抗坏血酸14g/L，甲醛3ml/L，二甲基己炔醇4ml/L，余量为水。电镀工艺为：将焊芯清洗除油污，将焊芯用工装夹持放入镀液中做阴极。先向镀液加入硫酸镍，用醋酸调节pH值为4.0，加热至55℃，控制电流密度为20A/dm2，电镀60分钟；再向镀液加入钨酸钠，保持镀镍时的pH、温度、电流密度，电镀40分钟。
稀土渣粉生产步骤：首先将电解稀土原渣用球磨机进行破碎(至60目)；第二步将破碎后稀土渣进行磁选；第三步将上步所得稀土渣粉末打包存放以备后续混料使用。
最后将含有上述稀土渣以及合金粉末、造渣剂、稳弧剂、硅酸钠等物料加入混料机混匀，参见表6，随后将药皮湿料与焊芯按质量比为1：1.5置于焊条压涂机上压制成型，将湿焊条转入烘箱中，在温度为60℃条件下，干燥60min，将所得的焊条置于烘干炉中，以5℃/min升温至105℃，烘焙2h，再升温至320℃，保温2.5h后，即得稀土堆焊焊条。
表6实施例3的药皮成分的质量百分比(％)
Figure BDA0002277114120000091
本发明焊条堆焊9Cr2Mo轧辊钢试件，堆焊层化学成分参见表7。
表7实施例3的稀土堆焊层化学成分
编号 C Si Mn P S Cr Mo V Ni
堆焊层 0.782 0.476 0.86 0.019 0.009 2.26 1.22 0.175 0.842
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。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 (9)

1.一种电沉积镍钨稀土堆焊焊条，其特征在于：包括焊芯和药皮；选择H08系列牌号低碳钢为焊芯，且所述焊芯为Φ3.5mm～Φ5mm，且重量百分比为50％～65％。
2.按照权利要求1所述电沉积镍钨稀土堆焊焊条，其特征在于：每根焊芯表面镀镍层镍净含量为0.3～0.8g，镀钨层钨净含量为0.3～1.3g。
3.按照权利要求1所述电沉积镍钨稀土堆焊焊条，其特征在于：所述药皮选用CaO-CaF2-SiO2渣系，且药皮为低氢型。
4.按照权利要求1所述电沉积镍钨稀土堆焊焊条，其特征在于：所述焊条在试件上形成的堆焊层硬度为HRC56～61；堆焊层金相组织为马氏体、少量残余奥氏体及碳化物组成的致密组织；
其中，马氏体形态包含针状、条状；碳化物尺寸为2μm-80μm，且呈网状和条带状分布。
5.一种权利要求1所述电沉积镍钨稀土堆焊焊条的制备工艺，其特征在于，具体步骤为：
步骤一：将焊芯通过电沉积镍钨，制得镀镍钨的焊芯；
步骤二：稀土渣、碳酸钙、合金粉末、造渣剂、稳弧剂、硅酸钠等物料加入混料机混匀制成药皮湿料；
步骤三：随后将步骤二中所述的药皮湿料与步骤一镀镍钨后的焊芯按质量比为1：1.0～1.6置于焊条压涂机上压制成型；
步骤四：将湿焊条转入烘箱中，在温度为60～80℃条件下，干燥50～80min，将所得的焊条置于烘干炉中，以5℃/min升温至105℃，烘焙2h，再升温至300～330℃，保温2～2.5h后，即得电沉积镍钨稀土堆焊焊条。
6.按照权利要求5所述电沉积镍钨稀土堆焊焊条的制备工艺，其特征在于，电沉积镍钨工艺为：将焊芯清洗除油污，按照先镀镍后镀钨的顺序，将焊芯用工装夹持放入镀液中做阴极，以高合金钢为阳极。先向镀液加入硫酸镍，用弱酸醋酸调节pH值为3.5～4.5，加热至50-60℃，控制电流密度为16～25A/dm2，电镀55～95分钟；再向镀液加入钨酸钠，保持pH值为3.5～4.5，温度为50～60℃，电流密度为16～25A/dm2，电镀40～90分钟。
7.按照权利要求6所述电沉积镍钨稀土堆焊焊条的制备工艺，其特征在于，所述镀液配方为：硫酸10～15g/L，钨酸钠80～84g/L，硫酸镍14～18g/L，硼酸34～38g/L，硫酸钠30～36g/L，硫酸铵20～24g/L，酒石酸30～34g/L，焦磷酸钾11～15g/L，抗坏血酸10～14g/L，甲醛1～3ml/L，二甲基己炔醇2～4ml/L，余量为水。
8.按照权利要求5所述电沉积镍钨稀土堆焊焊条的制备工艺，其特征在于，所述稀土渣的制备方法为：选取镧铈电解稀土尾渣作为原渣，将原渣用球磨机进行破碎至60～80目；之后将破碎的原渣进行磁选，去除铁与铁氧化物等杂质；最后将磁选后的稀土渣粉末打包存放。
9.按照权利要求5所述电沉积镍钨稀土堆焊焊条的制备工艺，其特征在于，所述药皮的具体组分按下述重量百分比制备而成：大理石20～26；萤石17～22；石英石1.5～2.5；锆英石1.2～1.6；金红石1.5～2.5；钛白粉2～2.3；钛铁3～6；45#硅铁3～6；中碳锰铁3～6；金属铬4～8；高碳铬铁3～6；钼铁2～10；钒铁2～6，其中钒铁中含V为52％～54％；石墨1～3.5；纯碱1～1.5；云母1～1.5；铝粉0.8～1.5；稀土渣4～10；氧化钇1～3；硅酸钠水溶液2～3且硅酸钠水溶液密度为1.36～1.45g/cm3。
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