CN112025135B - 一种耐磨堆焊层适应复杂工况的堆焊用药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，具体是一种耐磨堆焊层适应复杂工况的堆焊用药芯焊丝，包括十字芯、外皮Ⅰ、外皮Ⅱ和药芯；十字芯由钛合金制备，外皮Ⅰ由钽合金制备，外皮Ⅱ由铌合金制备；药芯成分为：纳米中空笼状碳微球9％‑12％，纳米氮化硅10.2％‑12.6％，Mg3.5％‑5.2％，氟化锰2.5％‑4.2％，碳酸钠4.2％‑5.6％，余量为FHT100·25还原铁粉。本发明堆焊熔敷金属中可形成多种碳化物和氮化物，硬质相种类多，数量大，耐磨堆焊层能适应复杂的工况条件；熔池冶金反应充分，熔敷金属硬度最小值为68.2HRC，硬度分布均匀，其使用周期为普通药芯焊丝堆焊层的3倍以上。

Description

一种耐磨堆焊层适应复杂工况的堆焊用药芯焊丝

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种耐磨堆焊层适应复杂工况的堆焊用药芯焊丝。

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，以及一些衬板和筛板等等，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，常用的改进工艺是在其表面进行堆焊形成耐磨堆焊层。堆焊技术是一种常用的表面改性及修复方法，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，延长工件的使用周期。

目前使用耐磨堆焊药芯焊丝进行堆焊时存在以下问题：

1)堆焊的熔敷金属中形成的硬质相：①数量小。普通药芯焊丝中药粉颗粒的填充率不能太高(一般小于50％)，另外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，所以形成的硬质相的数量小，对耐磨堆焊层的硬度提高效果不显著；②种类少。由于填充的合金粉末种类的限制，生成的硬质相的种类少，其稳定性、形状、尺寸大小、分布形态比较单一。由于①和②的原因，造成耐磨堆焊层只能在简单的工况条件下工作，不能适应复杂的工况条件。

2)为了在堆焊的熔敷金属中形成碳化物硬质相，需要在药芯中增加碳源，但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，与其他元素形成的碳化物分布不均匀，造成整个工件堆焊熔敷金属的硬度分布不均匀，无法达到增强耐磨性的目的。

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

为了解决上述技术问题，本发明提供一种耐磨堆焊层适应复杂工况的堆焊用药芯焊丝，具有以下技术效果：①耐磨堆焊层中形成的硬质相种类多、总数量大，可以适应复杂的工况条件；②耐磨堆焊层中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，且硬度分布均匀。

本发明采用如下技术方案：

一种耐磨堆焊层适应复杂工况的堆焊用药芯焊丝，包括十字芯、外皮Ⅰ、外皮Ⅱ和药芯；

在垂直焊丝长度的截面上，所述十字芯呈十字状，并在一端开有贯通长度方向的矩形凹槽，所述外皮Ⅰ和外皮Ⅱ由紧贴在一起的两种金属带卷制形成圆环状，形成圆环后在环形闭合处向圆环的圆心方向弯曲制备出弯折部，所述弯折部与矩形凹槽过盈配合将十字芯与外皮Ⅰ、外皮Ⅱ连接在一起，所述外皮Ⅱ闭合处设有焊缝；

所述药芯填充在十字芯与外皮Ⅰ之间的空隙处；

所述十字芯的化学成分及用量按质量百分比计为：Al 8.4％-10.5％，Mo 1.3％-1.5％，V 1.3％-1.6％，余量为Ti；

所述外皮Ⅰ(2)的化学成分及用量按质量百分比计为：W≤0.01％，Ni≤0.01％，Si≤0.05％，Fe≤0.02％，Ti≤0.02％，余量为Ta；

所述外皮Ⅱ(3)的化学成分及用量按质量百分比计为：Ni≤0.015％，Si≤0.03％，Ti≤0.03％，余量为Nb；

所述药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：中空笼状碳微球9％-12％，纳米氮化硅10.2％-12.6％，Mg 3.5％-5.2％，氟化锰2.5％-4.2％，碳酸钠4.2％-5.6％，余量为FHT100·25还原铁粉。

所述中空笼状碳微球的外径为310nm-350nm，内径230nm-255nm，介孔直径30nm-38nm。

所述外皮Ⅰ的厚度为0.1mm-0.8mm，所述外皮Ⅱ的厚度为0.1mm-0.8mm。

所述外皮Ⅰ与外皮Ⅱ的厚度相同。

所述外皮Ⅰ与外皮Ⅱ的厚度不同。

所述焊缝为间断式，采用电子束焊的方法获得。

所述焊丝直径为3.2mm-8.0mm，优选5.0mm-7.0mm。

本发明具有以下有益技术效果：

1)堆焊的熔敷金属中含有的硬质相种类多、总数量大，耐磨堆焊层可以适应复杂的工况条件。外皮Ⅰ、外皮Ⅱ和内十字芯的化学成分不同，堆焊时外皮Ⅰ、外皮Ⅱ和内十字芯全部熔化，堆焊的熔敷金属中可形成多种碳化物(碳化钽、碳化铌、碳化钛、碳化硅等)和氮化物(氮化钽、氮化铌、氮化钛、氮化硅等)，硬质相种类多，不同形状、不同尺寸、不同分布形态的硬质相均匀交错分布；由于采用了双外皮和内十字芯的结构，焊接时作为电极熔化，形成硬质相(碳化物和氮化物)的主元素在焊接时能绝大部分熔化，其原子数量多，形成的硬质相的总数量足够大。

2)碳化物均匀分布，得到的堆焊熔敷金属的硬度高且分布均匀，耐磨性好。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，钽、铌、钛、硅、铁等原子可以通过介孔进入空笼进而将碳球胀破，使碳分布更加均匀，生成的以碳化钽、碳化铌、碳化钛、碳化硅为主的各种碳化物均匀分布，得到的堆焊熔敷金属的硬度高且分布均匀。

3)本发明经过实验得到的堆焊熔敷金属硬度最小值为68.2HRC，硬度值高，耐磨性好；30个硬度测试点的最大值与最小值之差为1.1HRC，熔敷金属硬度分布均匀；经实验测定，其使用周期为普通药芯焊丝耐磨堆焊层的3倍以上，且焊接工艺性好。

附图说明

图1为本发明一种耐磨堆焊层适应复杂工况的堆焊用药芯焊丝垂直焊丝长度方向的截面图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明中十字芯的主视图。

附图标记说明：1、十字芯；1-1、矩形凹槽；2、外皮Ⅰ；3、外皮Ⅱ；4、药芯；5、焊缝。

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至图3所示，一种耐磨堆焊层适应复杂工况的堆焊用药芯焊丝，包括十字芯1、外皮Ⅰ2、外皮Ⅱ3和药芯4；在垂直焊丝长度的截面上，十字芯1呈十字状，并在一端开有贯通长度方向的矩形凹槽1-1，外皮Ⅰ2和外皮Ⅱ3由紧贴在一起的两种金属带卷制形成圆环状，形成圆环后在环形闭合处向圆环的圆心方向弯曲制备出弯折部，弯折部与矩形凹槽1-1过盈配合将十字芯1与外皮Ⅰ2、外皮Ⅱ3连接在一起；外皮Ⅱ3闭合处设有焊缝5；药芯4填充在十字芯1与外皮Ⅰ2之间的空隙处。

十字芯1的化学成分及用量按质量百分比计为：Al 8.4％-10.5％，Mo 1.3％-1.5％，V 1.3％-1.6％，余量为Ti。

外皮Ⅰ(2)的化学成分及用量按质量百分比计为：W≤0.01％，Ni≤0.01％，Si≤0.05％，Fe≤0.02％，Ti≤0.02％，余量为Ta。

外皮Ⅱ(3)的化学成分及用量按质量百分比计为：Ni≤0.015％，Si≤0.03％，Ti≤0.03％，余量为Nb。

药芯4的化学成分及用量按质量百分比计为：中空笼状碳微球9％，纳米氮化硅10.2％，Mg 3.5％，氟化锰2.5％，碳酸钠4.2％，余量为FHT100·25还原铁粉，中空笼状碳微球的外径为310nm-350nm，内径230nm-255nm，介孔直径30nm-38nm。

外皮Ⅰ2的厚度为0.1mm，外皮Ⅱ3的厚度为0.5mm。

焊缝为间断式，采用电子束焊的方法获得。

焊丝直径为5.0mm。

实施例2：

按实施例1制备药芯焊丝的结构形状。

十字芯1、外皮Ⅰ2、外皮Ⅱ3的化学成分及用量同实施例1。

药芯4的化学成分及用量按质量百分比计为：中空笼状碳微球12％，纳米氮化硅12.6％，Mg5.2％，氟化锰4.2％，碳酸钠5.6％，余量为FHT100·25还原铁粉，中空笼状碳微球的外径为310nm-350nm，内径230nm-255nm，介孔直径30nm-38nm。

外皮Ⅰ2的厚度为0.3mm，外皮Ⅱ3的厚度为0.5mm。

焊丝直径为8.0mm。

实施例3：

按实施例1制备药芯焊丝的结构形状。

十字芯1、外皮Ⅰ2、外皮Ⅱ3的化学成分及用量同实施例1。

药芯4的化学成分及用量按质量百分比计为：中空笼状碳微球10.5％，纳米氮化硅11.4％，Mg4.35％，氟化锰3.35％，碳酸钠4.9％，余量为FHT100·25还原铁粉，中空笼状碳微球的外径为310nm-350nm，内径230nm-255nm，介孔直径30nm-38nm。

外皮Ⅰ2的厚度为0.4mm，外皮Ⅱ3的厚度为0.4mm。

焊丝直径为6.0mm。

对比例1：

与实施例3基本相同，但焊丝中间没有十字芯1-1，外皮Ⅰ2和外皮Ⅱ3也不需弯折，只是封闭形成O形。

对比例2：

与实施例3基本相同，但只有外皮Ⅰ2，没有外皮Ⅱ3。

对比例3：

与实施例3基本相同，但没有外皮Ⅰ2，只有外皮Ⅱ3。

对比例4：

与实施例3基本相同，但只有一层低碳钢带制造的外皮，没有外皮Ⅰ2和外皮Ⅱ3。

对比例5：

与实施例3基本相同，但药芯4的化学成分中的中空笼状碳微球用石墨代替。

对比例6：

与实施例3基本相同，但药芯4的化学成分中纳米氮化硅用普通尺寸(非纳米)的氮化硅代替。对比例7：

采用普通结构制作药芯焊丝，焊丝中间没有十字芯1-1，外皮为一层低碳钢带，药芯成分与实施例3相同。

将实施例和对比例得到的药芯焊丝在Q420钢试板上进行多道多层堆焊，在试板上堆焊金属距表面相同位置处取样，进行硬度测试，并进行耐磨层磨损试验，结果如表1所示。

表1

注：对比例1、7焊接时电弧燃烧不稳定，焊接工艺性差。

从实施例1、2、3可以看出：本发明得到的堆焊熔敷金属的平均硬度值高，硬度分布均匀，耐磨性好。

从对比例1、2、3、4可以看出：①没有十字芯的存在；②只采用钽合金外皮；③只采用铌合金外皮；④只采用低碳钢带外皮。四种情况得到的堆焊熔敷金属的平均硬度值不高，硬度分布不均匀，耐磨性不好。

从对比例5可以看出：药芯的化学成分中的中空笼状碳微球用石墨代替，得到的堆焊熔敷金属的平均硬度值不高，硬度分布不均匀，耐磨性不好。

从对比例6可以看出：由于未采用纳米尺寸的氮化硅，在电弧热输入作用下一部分分解成氮和硅，硅与碳反应形成硬度高的碳化硅，氮与钽、铌、钛反应生成氮化钽、氮化铌、氮化钛等硬质相；另外一部分未分解的氮化硅无法作为形核质点起到非自发形核的作用，无法结合氮化硅的自身硬度提高了堆焊熔敷金属的硬度，无法杜绝较大尺寸颗粒存在对耐磨层产生割裂危害的现象，得到的堆焊熔敷金属的平均硬度值不高，硬度分布不均匀，耐磨性不好。

从对比例7可以看出：采用普通结构制作药芯焊丝，得到的堆焊熔敷金属的平均硬度值低，硬度分布不均匀，耐磨性差。

另外，从对比例1、7可以看出：由于没有十字芯的存在，焊丝中心导电性差，电弧燃烧不稳定，焊接工艺性差。

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 (6)

1.一种耐磨堆焊层适应复杂工况的堆焊用药芯焊丝，其特征在于：包括十字芯（1）、外皮Ⅰ（2）、外皮Ⅱ（3）和药芯（4）；

在垂直焊丝长度的截面上，所述十字芯（1）呈十字状，并在一端开有贯通长度方向的矩形凹槽（1-1），所述外皮Ⅰ（2）和外皮Ⅱ（3）由紧贴在一起的两种金属带卷制形成圆环状，形成圆环后在环形闭合处向圆环的圆心方向弯曲制备出弯折部，所述弯折部与矩形凹槽（1-1）过盈配合将十字芯（1）与外皮Ⅰ（2）、外皮Ⅱ（3）连接在一起，所述外皮Ⅱ（3）闭合处设有焊缝（5）；

所述药芯（4）填充在十字芯（1）与外皮Ⅰ（2）之间的空隙处；

所述十字芯（1）的化学成分及用量按质量百分比计为：Al 8.4%-10.5%，Mo 1.3%-1.5%，V 1.3%-1.6%，余量为Ti；

所述外皮Ⅰ（2）的化学成分及用量按质量百分比计为：W≤0.01%，Ni≤0.01%，Si≤0.05%，Fe≤0.02%，Ti≤0.02%，余量为Ta；

所述外皮Ⅱ（3）的化学成分及用量按质量百分比计为：Ni≤0.015%，Si≤0.03%，Ti≤0.03%，余量为Nb；

所述药芯（4）的化学成分及用量按质量百分比计为：中空笼状碳微球9%-12%，纳米氮化硅10.2%-12.6%，Mg 3.5%-5.2%，氟化锰2.5%-4.2%，碳酸钠4.2%-5.6%，余量为FHT100·25还原铁粉。

2.根据权利要求1所述的耐磨堆焊层适应复杂工况的堆焊用药芯焊丝，其特征在于：所述外皮Ⅰ（2）的厚度为0.1mm-0.8mm，所述外皮Ⅱ（3）的厚度为0.1mm-0.8mm。

3.根据权利要求2所述的耐磨堆焊层适应复杂工况的堆焊用药芯焊丝，其特征在于：所述外皮Ⅰ（2）与外皮Ⅱ（3）的厚度相同。

4.根据权利要求2所述的耐磨堆焊层适应复杂工况的堆焊用药芯焊丝，其特征在于：所述外皮Ⅰ（2）与外皮Ⅱ（3）的厚度不同。

5.根据权利要求1所述的耐磨堆焊层适应复杂工况的堆焊用药芯焊丝，其特征在于：所述焊缝（5）为间断式，采用电子束焊的方法获得。

6.根据权利要求1所述的耐磨堆焊层适应复杂工况的堆焊用药芯焊丝，其特征在于：所述焊丝直径为3.2mm-8.0mm。

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