CN111687560A - 一种熔敷金属硬度均匀的耐磨堆焊用药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种熔敷金属硬度均匀的耐磨堆焊用药芯焊丝。包括外皮和药芯，在垂直焊丝长度的截面上，外皮呈异形结构，药芯包裹部是圆形，另外一体成形连接有内延伸部和外延伸部；药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：纳米六硼化镧6％‑9％，FeCr30Si40‑A硅铬合金10％‑16％，中空笼状碳微球3％‑5％，氟化锰8％‑11％，碳酸钾2％‑3％，余量为FHT100·25还原铁粉。本发明增大了液态熔池的停留时间，熔池冶金反应充分，得到的熔敷金属硬度高，硬度分布均匀，堆焊合金层耐磨性好。

Description

一种熔敷金属硬度均匀的耐磨堆焊用药芯焊丝
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种熔敷金属硬度均匀的耐磨堆焊用药芯焊丝。
背景技术
磨损是造成机械失效的主要原因之一，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、抛丸机的叶片，等等，在使用过程中由于局部磨损、损伤而无法继续使用，损耗巨大。
药芯焊丝可以通过调整药芯层的药粉合金元素种类以及比例，设计出具有不同用途的焊丝，配方灵活多变，可实现自动化焊接、焊接效率是普通手工电弧焊的几倍等优点，实用性强，因此在焊接领域运用非常广泛。堆焊技术是一种常用的表面改性及修复的方法，近年来药芯焊丝逐渐成为耐磨堆焊的首选焊材，通过在工件表面堆焊特种合金，可以提高其硬度，增强耐磨性，延长工件的使用寿命。
目前使用耐磨药芯焊丝进行堆焊时存在以下问题：
1)药芯焊丝由于内部药芯层不导电，电弧很容易沿四周的钢皮旋转，造成电弧稳定性差，不易焊接，且药粉熔化不充分。
2)焊接时电弧是一个移动的热源，焊接过程是一个快速熔化快速冷却凝固的过程，药芯中药粉颗粒的熔化率难以保证，冶金反应不充分，熔敷金属的硬度分布不均匀，无法达到堆焊增强耐磨性的目的。
3)石墨等碳源由于其团聚效应，在电弧热输入及电弧力作用下，与金属元素形成的碳化物分布不均匀，造成整个工件的硬度分布不均匀，无法达到堆焊增强耐磨性的目的。
因此，耐磨堆焊用药芯焊丝的改进和创新是目前急待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种焊接熔池冶金反应充分的药芯焊丝，解决如下技术问题：①药芯中心导电，电弧稳定性好，药芯粉熔化充分；②液态熔池可以保持较长时间，熔池冶金反应充分，得到的熔敷金属化学成分和硬度均匀分布；③碳与其他元素形成的碳化物分布均匀，较大幅度地提高熔敷金属的硬度，同时熔敷金属的硬度分布均匀；④熔敷金属晶粒细小，硬度值高，需达到62HRC以上。
本发明采用如下技术方案：
一种熔敷金属硬度均匀的耐磨堆焊用药芯焊丝，包括外皮和药芯。
在垂直焊丝长度的截面上，所述外皮包括内延伸部、药芯包裹部和外延伸部，所述外皮先在水平方向从头部向尾部延伸一段后反折180°回到头部形成内延伸部，然后绕制成药芯包裹部与内延伸部头部闭合，再向药芯包裹部外部反向延伸一段后反折180°回到内延伸部的头部与药芯包裹部闭合形成外延伸部。
所述药芯包裹部呈圆形，所述药芯填充在药芯包裹部内。
所述外皮由厚度为0.3-1.2mm的低碳冷轧钢带绕制而成，优选厚度0.6-0.9mm。
所述药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：纳米六硼化镧6％-9％，FeCr30Si40-A硅铬合金10％-16％，中空笼状碳微球3％-5％，氟化锰8％-11％，碳酸钾2％-3％，余量为FHT100·25还原铁粉。
本发明具有以下有益技术效果：
1)焊接时，外皮作为电极全部熔化，药芯包裹部内延伸部熔化时，电弧燃烧稳定，其内部的药芯开始熔化并发生冶金反应，当药芯包裹部及内延伸部引起的电弧前移时，后面的外延伸部仍存有电弧并不断熔化，与前移的药芯包裹部及内延伸部熔化的液态金属形成一体，增大了液态熔池的停留时间，已经部分熔化的药芯可继续熔化，熔池冶金反应充分，既避免了合金元素的流失，又能使熔敷金属充分合金化，得到的熔敷金属化学成分和硬度分布均匀。
2)使用外径为纳米级的中空笼状碳微球作为碳源，纳米级的碳微球存在大量的界面，具有高密度的短程扩散路径，使其在金属熔体中比石墨等碳源更容易扩散，焊接时中空笼状碳微球分布均匀，硼、铬、硅、铁等原子可以通过介孔进入空笼进而将空笼胀破，使碳分布更加均匀，生成的以碳化硼、碳化硅、碳化铬为主的各种碳化物均匀分布，得到的熔敷金属硬度的硬度高且分布均匀。
3)纳米六硼化镧在电弧热输入作用下一部分分解成硼和镧，硼与碳反应形成硬度高的碳化硼，镧作为稀土元素可以促使晶粒细化并均匀分布，一部分未分解的六硼化镧作为形核质点，起到非自发形核的作用，细化熔敷金属的晶粒，结合六硼化镧的自身硬度提高了熔敷金属的硬度；FeCr30Si40-A硅铬合金在在电弧热输入作用下分解出铬和硅，与碳反应形成硬度高的碳化铬和碳化硅，且熔敷金属晶粒细小，提高了熔敷金属的硬度，且硬度分布均匀。
4)本发明经过实验得到的熔敷金属硬度最小值为65.5HRC，硬度值高，耐磨性好；25个硬度测试点的最大值与最小值之差为1.2HRC，熔敷金属硬度分布均匀。
附图说明
图1为本发明一种熔敷金属硬度均匀的耐磨堆焊用药芯焊丝垂直焊丝长度方向的截面图。
附图标记说明：1、外皮；1-1、内延伸部；1-2、药芯包裹部；1-3、外延伸部；2、药芯。
具体实施方式
以下结合实施例和对比例对本发明的原理和特征进行描述，所列举实施例和对比例只用于解释本发明，并非限定本发明的范围。
实施例1：
如图1所示，一种熔敷金属硬度均匀的耐磨堆焊用药芯焊丝，在垂直焊丝长度的截面上，外皮1包括内延伸部1-1、药芯包裹部1-2和外延伸部1-3，外皮1先在水平方向从头部向尾部延伸一段后反折180°回到头部形成内延伸部1-1，然后绕制成药芯包裹部1-2与内延伸部1-1头部闭合，再向药芯包裹部1-2外部反向延伸一段后反折180°回到内延伸部1-1的头部与药芯包裹部1-2闭合形成外延伸部1-3。
药芯包裹部1-2呈圆形，药芯2填充在药芯包裹部1-2内。
药芯2的化学成分及用量按质量百分比计为：纳米六硼化镧6％，FeCr30Si40-A硅铬合金10％，中空笼状碳微球3％，氟化锰8％，碳酸钾2％，余量为FHT100·25还原铁粉。
实施例2：
按实施例1制备药芯焊丝的结构形状。
药芯2的化学成分及用量按质量百分比计为：纳米六硼化镧9％，FeCr30Si40-A硅铬合金16％，中空笼状碳微球5％，氟化锰11％，碳酸钾3％，余量为FHT100·25还原铁粉。
实施例3：
按实施例1制备药芯焊丝的结构形状。
药芯2的化学成分及用量按质量百分比计为：纳米六硼化镧7.5％，FeCr30Si40-A硅铬合金13％，中空笼状碳微球4％，氟化锰9.5％，碳酸钾2.5％，余量为FHT100·25还原铁粉。
对比例1：
按实施例1制备药芯焊丝的结构形状。
药芯2的化学成分及用量按质量百分比计为：纳米六硼化镧7.5％，FeCr30Si40-A硅铬合金13％，石墨4％，氟化锰9.5％，碳酸钾2.5％，余量为FHT100·25还原铁粉。
对比例2：
按实施例1制备药芯焊丝的结构形状。
药芯2的化学成分及用量按质量百分比计为：硼2.4％，镧5.1％，FeCr30Si40-A硅铬合金13％，中空笼状碳微球4％，氟化锰9.5％，碳酸钾2.5％，余量为FHT100·25还原铁粉。
对比例3：
按实施例1制备药芯焊丝的结构形状。
药芯2的化学成分及用量按质量百分比计为：纳米六硼化镧7.5％，铬4％，硅5.2％，中空笼状碳微球4％，氟化锰9.5％，碳酸钾2.5％，余量为FHT100·25还原铁粉。
对比例4：
按实施例1制备药芯焊丝的结构形状。
药芯2的化学成分及用量按质量百分比计为：六硼化镧7.5％，FeCr30Si40-A硅铬合金13％，中空笼状碳微球4％，氟化锰9.5％，碳酸钾2.5％，余量为FHT100·25还原铁粉。
对比例5：
选用低碳冷轧钢带制成通过成型机压制成U型；然后将药芯粉填充到U型槽中，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，得到本发明药芯焊丝。
药芯2的化学成分及用量按质量百分比计为：纳米六硼化镧7.5％，FeCr30Si40-A硅铬合金13％，中空笼状碳微球4％，氟化锰9.5％，碳酸钾2.5％，余量为FHT100·25还原铁粉。
将实施例1、2、3和对比例1、2、3、4、5得到的药芯焊丝在Q420钢试板上进行多道多层堆焊，堆焊宽度为50mm，厚度为20mm；采用直流反接法，焊接电流为200～230A，焊接电压为26～30V，焊接速度为6～8mm/s，CO2气体流量为15～20L/min；在试板上堆焊金属距表面相同位置处取样，试样为25mm×25mm的试块，将试样经打磨、抛光后，用体积分数3.5％的硝酸酒精擦试5次进行腐蚀后进行硬度测试。硬度测试结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002558671920000041
从实施例和对比例可以看出：
①利用本发明实施例1、2、3得到药芯焊丝进行堆焊，得到的堆焊合金硬度平均值高，硬度分布均匀，耐磨性好；
②对比例1中将本发明的药芯成分中的中空笼状碳微球换成石墨，则因其易团聚，生成的碳化物分布不均匀，硬度最大值不低，但硬度分布不均匀；
③对比例2将本发明的药芯成分中的纳米六硼化镧换成硼、镧，得到的熔敷金属硬度值较低，但分布均匀，说明本发明的结构形状、中空笼状碳微球的加入对熔敷金属的合金均匀化有利，但因生成的硬质相少，未与碳结合的硼不能作为非自发形核质点细化晶粒，整体硬度偏低；
④对比例3将本发明的药芯成分中的FeCr30Si40-A硅铬合金换成铬、硅，得到的熔敷金属硬度值较低，但分布均匀，说明本发明的结构形状、中空笼状碳微球的加入对熔敷金属的合金均匀化有利，但因生成的硬质相少，未与碳结合的硅、铬不能作为非自发形核质点细化晶粒，整体硬度偏低；
⑤对比例4中将本发明的药芯成分中的纳米六硼化镧换成普通粒径的六硼化镧，非纳米尺寸的六硼化镧则不能做为非自发形核的质点，无法细化晶粒，相反对基体产生割裂，整体硬度偏低且分布不均匀；
⑥对比例5中利用本发明的药芯成分，采用普通圆形外皮制备的药芯焊丝焊接后熔敷金属的硬度分布不均匀，这是因为没有内、外延伸部，熔池冶金反应不充分造成的。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，而其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，都包含在本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种熔敷金属硬度均匀的耐磨堆焊用药芯焊丝，其特征在于：包括外皮(1)和药芯(2)；
在垂直焊丝长度的截面上，所述外皮(1)包括内延伸部(1-1)、药芯包裹部(1-2)和外延伸部(1-3)，所述外皮(1)先在水平方向从头部向尾部延伸一段后反折180°回到头部形成内延伸部(1-1)，然后绕制成药芯包裹部(1-2)与内延伸部(1-1)头部闭合，再向药芯包裹部(1-2)外部反向延伸一段后反折180°回到内延伸部(1-1)的头部与药芯包裹部(1-2)闭合形成外延伸部(1-3)；
所述药芯包裹部(1-2)呈圆形，所述药芯(2)填充在药芯包裹部(1-2)内；
所述药芯成分及用量按质量百分比计为：中空笼状碳微球3％-5％，纳米六硼化镧6％-9％，FeCr30Si40-A硅铬合金10％-16％，氟化锰8％-11％，碳酸钾2％-3％，余量为FHT100·25还原铁粉。
2.根据权利要求1所述的焊接熔池冶金反应充分的药芯焊丝，其特征在于：所述外皮(1)由厚度为0.3-1.2mm的低碳冷轧钢带绕制而成，优选厚度0.6-0.9mm。
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