CN112975207A - 一种金属型药芯焊丝及其用于低碳钢表面改性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属型药芯焊丝及其用于低碳钢表面改性的方法，药芯焊丝按照质量比由以下组分组成：硅铁8％，锰粉6％，镍粉30％，铬粉20％，钼粉2％，铜粉1％，钛粉0.5％，氧化镧0.5％，氮化铁16％～19％，铝粉1％～3％，其余为铁粉，以上组分的质量百分比之和为100％。本发明以MAG焊为热源，金属型药芯焊丝为原材料，在低碳钢表面进行堆焊。发明在堆焊过程中电弧及熔滴过渡稳定，焊接飞溅少，焊缝成形性好且焊丝熔化效率高，焊接变形小；金属型药芯焊丝制备周期短，生产效率高，可以实现连续生产；所制备的堆焊层在10％HCl、10％H2SO4酸性环境下耐腐蚀性能优异。

Description

一种金属型药芯焊丝及其用于低碳钢表面改性的方法
技术领域
本发明属于工件表面处理方法技术领域，具体涉及一种金属型药芯焊丝，还涉及上述金属型药芯焊丝用于低碳钢表面改性的方法。
背景技术
低碳钢在我国被主要应用于工程结构件，但因其抗腐蚀能力差等缺点，导致低碳钢作为工程结构件所应用的领域受限。因此为了充分发挥低碳钢使用潜能，通常会对其表面进行改性处理，这样既能保持低碳钢原有的塑韧性，又能大幅提高工件表面的抗腐蚀能力，拓宽其应用的范围。
材料改性的主要手段就是通过堆焊技术制造双金属零件以取代价格昂贵的整体合金。使低碳钢结构件具有良好的耐蚀，耐磨等性能以满足工作条件的特殊要求，延长工件的使用寿命。
基于此，本发明设计了一种低碳钢表面改性的方法。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种金属型药芯焊丝，其能够用于低碳钢表面改性，进而提高低碳钢表面的抗腐蚀能力。
本发明的第二个目的是提供一种金属型药芯焊丝用于低碳钢表面改性的方法，能够提高低碳钢表面的抗腐蚀能力。
本发明所采用的第一种技术方案是：一种金属型药芯焊丝，按照质量比由以下组分组成：硅铁8％，锰粉6％，镍粉30％，铬粉20％，钼粉2％，铜粉1％，钛粉0.5％，氧化镧0.5％，氮化铁16％～19％，铝粉1％～3％，其余为铁粉，以上组分的质量百分比之和为100％。
本发明所采用的第二种技术方案是：一种金属型药芯焊丝用于低碳钢表面改性的方法，具体按照以下步骤进行：
步骤1、按照质量比分别称取：硅铁8％，锰粉6％，镍粉30％，铬粉20％，钼粉2％，铜粉1％，钛粉0.5％，氧化镧0.5％，氮化铁16％～19％，铝粉1％～3％，其余为铁粉，以上组分含量均为质量百分比且质量百分比之和为100％；
步骤2、将步骤1称取的粉末作为药芯，以低碳钢作为焊皮，基于MAG焊，改成采用步骤1制备的金属型药芯焊丝为原料，在低碳钢表面堆焊即得到熔敷层金属。
本发明所采用的第二种技术方案的特点还在于，
步骤4中焊接速度为0.21m/min～0.25m/min；保护气体为80％Ar+20％CO2，焊接电流为140A～180A。
步骤2中将步骤1称取的所有原料混合均匀，置于管式炉中，持续通入氩气保护，并在200℃～300℃下，保温2h～3h得到合金粉再进行堆焊。
堆焊完成后，分别计算低碳钢及堆焊层在10％HCl、10％H2SO4酸性环境下的腐蚀速率。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用MAG焊的焊接方法在低碳钢表面进行堆焊，堆焊过程中电弧及熔滴过渡稳定，焊接飞溅少，焊缝成形性好且焊丝熔化效率高，焊接变形小，生产率高；
2.本发明所述的金属型药芯焊丝制备周期短，生产效率高，可以实现连续生产；
3.本发明将均匀混合的药芯粉末放置在管式炉中，持续通入氩气，并在200℃～300℃下，保温2h～3h，通过这种方法可以有效的避免合金元素的氧化，减少堆焊层氧元素的含量；
4.本发明基于MAG焊，使用金属型药芯焊丝在低碳钢表面制备的堆焊层，抗腐蚀能力优异。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种金属型药芯焊丝，按照质量比由以下组分组成：硅铁8％，锰粉6％，镍粉30％，铬粉20％，钼粉2％，铜粉1％，钛粉0.5％，氧化镧0.5％，氮化铁16％～19％，铝粉1％～3％，其余为铁粉，以上组分含量均为质量百分比且质量百分比之和为100％。
以上各组分的作用和功能如下：
硅(Si)、锰(Mn)在铁素体和奥氏体中有较好的固溶强化作用，其次，Si-Mn一般用于联合脱氧，减少因堆焊层增氧引起的堆焊层金属脆化。且Si会在堆焊层金属表面形成稳定的富Si氧化膜(SiO3)，提高堆焊层金属在高温浓硫酸环境中的耐固溶态晶间腐蚀能力，以及在高浓度氯化物环境中的耐穿晶型应力腐蚀性能。
镍(Ni)是强烈形成并稳定奥氏体的元素，随着Ni含量的提高，导致堆焊层金属的热力学稳定性增加，使堆焊层金属具有更好的耐蚀性及耐氧化性。
铬(Cr)是强烈形成并稳定铁素体的元素，Cr能增大碳的溶解度，增强堆焊层金属的抗晶间腐蚀能力，当钢种同时有Mo存在时，Cr的这种有效性将大大增强。
钼(Mo)主要作用是提高堆焊层金属在还原性介质的耐蚀性，并提高堆焊层金属的耐点腐蚀及缝隙腐蚀等性能；
铜(Cu)主要作用是提高奥氏体不锈钢的冷加工成形性能，与Mo配合，进一步提高堆焊层金属在还原性介质中的耐蚀性；
钛(Ti)由于其与碳亲和力远大于Cr，常作为稳定化元素，优先于碳结合形成TiC，从而提高堆焊层金属抗晶间腐蚀的能力；
镧(La)在净化钢液、变质夹杂、微合金化作用等方面具有重要的作用，可以整体提高堆焊层金属的抗晶间腐蚀性能及耐点蚀性能。
氮(N)是强奥氏体化元素，稳定奥氏体能力约为镍的18倍，可以提高钝化膜的稳定性，适量的N可以抑制P、S等原子偏析及夹杂物在晶界偏聚，提高钢耐非敏化态晶间腐蚀性。
铝(Al)具有抗氧化性和抗腐蚀型能，在Al、Cr及Si的共同作用下，可显著提高堆焊层的耐腐蚀性能。
本发明还提供一种采用上述药芯焊丝用于低碳钢表面改性的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：按照质量比分别称取：硅铁8％，锰粉6％，镍粉30％，铬粉20％，钼粉2％，铜粉1％，钛粉0.5％，氧化镧0.5％，氮化铁16％～19％，铝粉1％～3％，其余为铁粉，以上组分含量百分比之和为100％。
步骤2：将上述称取好的金属粉末作为药芯，以低碳钢作为焊皮，基于MAG焊，采用步骤1制备的金属型药芯焊丝为原料，在低碳钢表面堆焊制备熔敷层金属，具体实施方法为：先将步骤1混匀后的合金粉末置于管式炉中，持续通入氩气，并在200℃～300℃下，保温2h～3h，随炉冷却至室温后，将药芯粉末填入低碳钢钢带U型槽内，经过闭合成型轧辊后制成Φ2.50mm的焊丝，并通过逐级减径的方法最终制成Φ1.18mm的金属型药芯焊丝，之后使用全自动焊接机器人在低碳钢基板上进行堆焊，即得到改性好的药芯焊丝。堆焊过程中焊接速度为0.21m/min～0.25m/min；保护气体为80％Ar+20％CO2。焊接电流：140A～180A。
采用自研药芯焊丝，通过向低碳钢表面堆焊熔敷金属的方法，来改变低碳钢表面的某种性质，本文通过向低碳钢表面堆积熔敷金属，从而提高低碳钢表面的耐腐蚀性。
本发明以在低碳钢表面堆焊的方式，向低碳钢表面过渡N、Al、Cr、Ni元素，提高低碳钢表面耐腐蚀性。其中氮(N)是强奥氏体化元素，稳定奥氏体能力约为镍的18倍，可以提高钝化膜的稳定性，铝(Al)具有抗氧化性和抗腐蚀型能，在Al、Cr及Si的共同作用下，可显著提高堆焊层的耐腐蚀性能。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取硅铁8％，锰粉6％，镍粉30％，铬粉20％，钼粉2％，铜粉1％，钛粉0.5％，氧化镧0.5％，氮化铁16％％，铝粉1％，其余为铁粉，以上组分含量均为质量百分比且质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的所有原料混合均匀，置于管式炉中，持续通入氩气，在200℃下，保温3h；
步骤3：将宽度为7mm、厚度0.3mm的低碳钢钢带放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢钢带轧制成U型槽，将步骤2得到的药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在15wt％～20wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔至直径为1.18mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到堆焊用金属型药芯焊丝。
步骤4：将制备好的金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并运行焊接机器命令，采用MAG焊为热源进行堆焊；其中焊接工艺的具体参数为：焊接速度为0.21m/min；保护气体为80％Ar+20％CO2；焊接电流为140A～180A。
步骤5：堆焊完成后，分别计算低碳钢及堆焊层在10％HCl、10％H2SO4酸性环境下的腐蚀速率，经计算，低碳钢在10％HCl环境下的腐蚀速率为40.3mm/a；在10％H2SO4环境下的腐蚀速率为30.2mm/a。
堆焊层在10％HCl环境下的腐蚀速率为18.6mm/a；在10％H2SO4环境下的腐蚀速率为18.3mm/a。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取硅铁8.5％，锰粉6％，镍粉30％，铬粉20％，钼粉2％，铜粉1％，钛粉0.5％，氧化镧0.5％，氮化铁16.6％，铝粉1.5％，其余为铁粉，以上组分含量均为质量百分比且质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的所有原料混合均匀，置于管式炉中，持续通入氩气，在230℃下，保温3h；
步骤3：将宽度为7mm、厚度0.3mm的低碳钢钢带放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢钢带轧制成U型槽，将步骤2得到的药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在15wt％～20wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔至直径为1.18mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到堆焊用金属型药芯焊丝。
步骤4：将制备好的金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并运行焊接机器命令，采用MAG焊为热源进行堆焊；其中焊接工艺的具体参数为：焊接速度为0.22m/min；保护气体为80％Ar+20％CO2，焊接电流为140A～180A；
步骤5：堆焊完成后，计算堆焊层在10％HCl、10％H2SO4酸性环境下的腐蚀速率，经计算，堆焊层在10％HCl环境下的腐蚀速率为18.2mm/a；在10％H2SO4环境下的腐蚀速率为17.8mm/a。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取硅铁9％，锰粉6％，镍粉30％，铬粉20％，钼粉2％，铜粉1％，钛粉0.5％，氧化镧0.5％，氮化铁17.8％，铝粉2％，其余为铁粉，以上组分的质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的所有原料混合均匀，置于管式炉中，持续通入氩气，在250℃下，保温2.5h；
步骤3：将宽度为7mm、厚度0.3mm的低碳钢钢带放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢钢带轧制成U型槽，将步骤2得到的药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在15wt％～20wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔至直径为1.18mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到堆焊用金属型药芯焊丝。
步骤4：将制备好的金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并运行焊接机器命令，采用MAG焊为热源进行堆焊；其中焊接工艺的具体参数为：焊接速度为0.23m/min；保护气体为80％Ar+20％CO2，焊接电流为140A～180A；
步骤5：堆焊完成后，计算堆焊层在10％HCl、10％H2SO4酸性环境下的腐蚀速率，经计算，堆焊层在10％HCl环境下的腐蚀速率为18.4mm/a；在10％H2SO4环境下的腐蚀速率为18.2mm/a。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取硅铁9.5％，锰粉6％，镍粉30％，铬粉20％，钼粉2％，铜粉1％，钛粉0.5％，氧化镧0.5％，氮化铁17.8％，铝粉2.5％，其余为铁粉，以上组分含量均为质量百分比且质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的所有原料混合均匀，置于管式炉中，持续通入氩气，在280℃下，保温2h；
步骤3：将宽度为7mm、厚度0.3mm的低碳钢钢带放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢钢带轧制成U型槽，将步骤2得到的药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在15wt％～20wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔至直径为1.18mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到堆焊用金属型药芯焊丝。
步骤4：将制备好的金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并运行焊接机器命令，采用MAG焊为热源进行堆焊；其中焊接工艺的具体参数为：焊接速度为0.24m/min；保护气体为80％Ar+20％CO2，焊接电流为140A～180A；
步骤5：堆焊完成后，计算堆焊层在10％HCl、10％H2SO4酸性环境下的腐蚀速率，经计算，堆焊层在10％HCl环境下的腐蚀速率为18.6mm/a；在10％H2SO4环境下的腐蚀速率为17.9mm/a。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取硅铁10％，锰粉6％，镍粉30％，铬粉20％，钼粉2％，铜粉1％，钛粉0.5％，氧化镧0.5％，氮化铁19％，铝粉3％，其余为铁粉，以上组分含量均为质量百分比且质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的所有原料混合均匀，置于管式炉中，持续通入氩气，在300℃下，保温2h；
步骤3：将宽度为7mm、厚度0.3mm的低碳钢钢带放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢钢带轧制成U型槽，将步骤2得到的药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在15wt％～20wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔至直径为1.18mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到堆焊用金属型药芯焊丝。
步骤4：将制备好的金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并采用MAG焊为热源进行堆焊；其中焊接工艺的具体参数为：焊接速度为0.25m/min；保护气体为80％Ar+20％CO2，焊接电流为140A～180A；
步骤5：堆焊完成后，计算堆焊层在10％HCl、10％H2SO4酸性环境下的腐蚀速率，经计算，堆焊层在10％HCl环境下的腐蚀速率为18.4mm/a；在10％H2SO4环境下的腐蚀速率为18.0mm/a。

Claims (5)

1.一种金属型药芯焊丝，其特征在于，按照质量比由以下组分组成：硅铁8％，锰粉6％，镍粉30％，铬粉20％，钼粉2％，铜粉1％，钛粉0.5％，氧化镧0.5％，氮化铁16％～19％，铝粉1％～3％，其余为铁粉，以上组分的质量百分比之和为100％。
2.一种权利要求1所述的金属型药芯焊丝用于低碳钢表面改性的方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤1、按照质量比分别称取：硅铁8％，锰粉6％，镍粉30％，铬粉20％，钼粉2％，铜粉1％，钛粉0.5％，氧化镧0.5％，氮化铁16％～19％，铝粉1％～3％，其余为铁粉，以上组分含量均为质量百分比且质量百分比之和为100％；
步骤2、将步骤1称取的粉末作为药芯，以低碳钢作为焊皮，基于MAG焊，用步骤1制备的金属型药芯焊丝为原料，在低碳钢表面堆焊制备得到熔敷层金属。
3.根据权利要求2所述的金属型药芯焊丝用于低碳钢表面改性的方法，其特征在于，所述步骤4中焊接速度为0.21m/min～0.25m/min；保护气体为80％Ar+20％CO2，焊接电流为140A～180A。
4.根据权利要求2所述的金属型药芯焊丝用于低碳钢表面改性的方法，其特征在于，所述步骤2中将步骤1称取的所有原料混合均匀，置于管式炉中，持续通入氩气保护，并在200℃～300℃下，保温2h～3h得到合金粉再进行堆焊。
5.根据权利要求2所述的金属型药芯焊丝用于低碳钢表面改性的方法，其特征在于，所述堆焊完成后，分别计算低碳钢及堆焊层在10％HCl、10％H2SO4酸性环境下的腐蚀速率。
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