CN114029650A - 堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接材料技术领域，具体是堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝，包括药芯粉和外皮，药芯粉中：碳包硅球4.0%‑8.0%，纳米铌粉5.0%‑8.0%，FZFeCr10‑50自熔合金粉15.0%‑20.0%，AlMn25铝锰合金粉8.0%‑12.0%，碳酸钾粉6.0%‑9.0%，碳酸钠粉3.0%‑6.0%，金红石粉5.0%‑9.0%，余量为FHT100·25还原铁粉；碳包硅球的中心硅球直径为60nm‑90nm，硅球外包覆的碳层厚度为20nm‑25nm。本发明原位生成硬度高的碳化硅，在堆焊合金中均匀弥散分布，与周围基体呈冶金结合，堆焊合金的硬度高且韧性好，具有极好的抗裂性。

Description

堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性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，具体是一种堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性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，随着现代工业的发展，机械设备及其零部件在使用中对材料耐磨性的要求越来越高，其使用寿命成为影响机械设备生产效率越来越重要的因素。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，使用过程中由于局部磨损、损伤而无法继续使用，损耗巨大。

堆焊技术是一种常用的表面改性及修复的方法，主要应用于水泥、钢铁、电力、采矿等行业，近年来药芯焊丝逐渐成为耐磨堆焊的首选焊材，可通过在关键部件表面利用药芯焊丝堆焊特种合金，可以提高其硬度，增强耐磨性，延长部件的使用周期。

为了增加堆焊层的耐磨性，现有技术中采用增加堆焊合金中碳化物（碳化钨、碳化硼、碳化钛、碳化钒）硬质相的方法，最后形成碳化物颗粒增强的耐磨堆焊复合合金，但加入的碳化物颗粒与基体合金的界面结合强度弱，碳化物颗粒作为夹杂存在于堆焊金属中，对堆焊金属起到割裂作用，降低了堆焊合金的力学性能。

如果在焊丝的药芯粉中加入碳源（C）及金属粉（如Cr或W）或非金属粉（如B、Si），期望在焊接熔池中反应生成碳化物以增强堆焊合金的耐磨性，因为碳源及金属粉或非金属粉在熔池中很难分布均匀，形成部分富碳区和部分贫碳区，生成的碳化物偏析严重，降低了堆焊合金的力学性能。

Si@C（即碳包硅球）是在硅球外均匀包覆一层碳，如果将碳包硅球应用于药芯焊丝，焊接时在焊接熔池中原位生碳化硅，以增加其合金的硬度及其与周围基体的结合力，进而提高堆焊合金的力学性能，是一种创造性探索。

如何解决上述问题，是本领域技术人员工作的当务之急。

发明内容

本发明提供一种堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝，解决如下技术问题：如何做到堆焊合金中硬质相与基体结合牢固、组织均匀，进而提高其力学性能（包括硬度、韧性及抗裂性等）。

本发明采用如下技术方案：

一种堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝，包括药芯粉和外皮，其特征在于：

所述药芯粉的化学成分及质量占比：碳包硅球4.0%-8.0%，纳米铌粉5.0%-8.0%，FZFeCr10-50自熔合金粉15.0%-20.0%，AlMn25铝锰合金粉8.0%-12.0%，碳酸钾粉6.0%-9.0%，碳酸钠粉3.0%-6.0%，金红石粉5.0%-9.0%，余量为FHT100·25还原铁粉。

所述碳包硅球的内部为实心硅球，外部包覆碳层。

所述实心硅球的直径为60nm-90nm，硅球外包覆的碳层厚度为20nm-25nm。

所述外皮采用低碳冷轧钢带制备。

所述药芯粉的化学成分及质量百占比：碳包硅球5.0%-7.0%，纳米铌粉6.0%-7.0%，FZFeCr10-50自熔合金粉16.0%-19.0%，碳酸钾粉7.0%-8.0%，碳酸钠粉4.0%-5.0%，金红石粉6.0%-8.0%，AlMn25铝锰合金粉9.0%-11.0%，余量为FHT100·25还原铁粉。

所述药芯粉的化学成分及用量按质量百分比计：碳包硅球6.0%，纳米铌粉6.5%，FZFeCr10-50自熔合金粉17.5%，碳酸钾粉7.5%，碳酸钠粉4.5%，金红石粉7.0%，AlMn25铝锰合金粉10.0%，余量为FHT100·25还原铁粉。

所述FZFeCr10-50自熔合金粉的化学成分符合YS/T 538-2016《Fe-Cr-B-Si系自熔合金粉》的规定，所述AlMn25的化学成分符合GB/T 27677-2011《铝中间合金》的规定。

所述纳米铌粉的粒径为80nm-120nm。

所述FZFeCr10-50自熔合金粉、碳酸钾粉、碳酸钠粉、金红石粉、AlMn25铝锰合金粉、FHT100·25还原铁粉的100目通过率为100%。

所述低碳冷轧钢带的厚度为0.2mm-1.2mm。

所述药芯粉质量占药芯焊丝总质量的32%-38%。

所述药芯焊丝直径为1.8mm-8.0mm，优选3.2mm-6.0mm。

一种堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝，其制备步骤如下：

（1）选料：选择相应化学成分的原料进行质量纯度控制；

（2）药粉处理：将药粉放入敞口的石英容器中，然后置于干燥箱中干燥，干燥温度50℃±5℃，干燥时间2.0h-2.5h；

（3）配粉和混粉：按比例称取过筛后的药粉加入混粉机内，进行搅拌混合，搅拌混合后成混合药粉；

（4）钢带轧制及药粉封装：将低碳冷轧钢带放置在药芯焊丝成型机的放带机上，通过成型机将低碳冷轧钢带制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤（3）得到的混合药粉，再通过成型机将U型槽碾压闭合形成O型，使药粉包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，将其拉拔至1.8mm-8.0mm，得到药芯焊丝，盘成圆盘，密封包装。

本发明具有以下有益技术效果：

堆焊合金的硬度高（最小值为67.2HRC）、韧性强（冲击吸收能量大于16.8J）、抗裂性好（内部及外表面均无裂纹）：①由于碳包硅球是纳米尺寸，具有高密度的短程扩散路径，碳包硅球在制备药芯焊丝的混粉过程中就极易混合均匀，又由于其具有极高的表面活性，焊接时碳包硅球在熔池中发生反应，原位生成硬度高且热稳定性好的碳化硅晶体，而且在堆时合金中均匀弥散分布，且与周围基体呈冶金结合，连接牢固，完全不同于碳化硅颗粒增强的复合材料，堆焊合金的硬度高且韧性好，具有极好的抗裂性；②FZFeCr10-50自熔合金粉和AlMn25铝锰合金粉的熔点低，在焊接熔池中冶金反应充分，使堆焊合金组织均匀、抗裂性好；③与碳包硅球相邻的铌、铬、硼（铬和硼来自FZFeCr10-50自熔合金粉）会原位形成部分碳化铌、碳化铬和碳化硼，堆焊合金中碳化硅/碳化铌/碳化铬/碳化硼弥散分布，而且均与基体结合牢固，有效提高了堆焊合金的硬度和韧性，延长了堆焊合金的使用周期。

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：

一种堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝，包括药芯粉和外皮：

药芯粉的化学成分及质量占比：碳包硅球4.0%，纳米铌粉5.0%，FZFeCr10-50自熔合金粉15.0%，AlMn25铝锰合金粉8.0%，碳酸钾粉6.0%，碳酸钠粉3.0%，金红石粉5.0%，余量为FHT100·25还原铁粉。

碳包硅球的内部为实心硅球，外部包覆碳层。

实心硅球的直径为60nm-90nm，硅球外包覆的碳层厚度为20nm-25nm。

外皮采用低碳冷轧钢带制备。

纳米铌粉的粒径为80nm-120nm。

FZFeCr10-50自熔合金粉、碳酸钾粉、碳酸钠粉、金红石粉、AlMn25铝锰合金粉、FHT100·25还原铁粉的100目通过率为100%。

低碳冷轧钢带的厚度为0.5mm。

药芯粉质量占药芯焊丝总质量的32%。

药芯焊丝直径为1.8mm。

一种堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝，其制备步骤如下：

（1）选料：选择相应化学成分的原料进行质量纯度控制；

（2）药粉处理：将药粉放入敞口的石英容器中，然后置于干燥箱中干燥，干燥温度50℃±5℃，干燥时间2.0h-2.5h；

（3）配粉和混粉：按比例称取过筛后的药粉加入混粉机内，进行搅拌混合，搅拌混合后成混合药粉；

（4）钢带轧制及药粉封装：将低碳冷轧钢带放置在药芯焊丝成型机的放带机上，通过成型机将低碳冷轧钢带制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤（3）得到的混合药粉，再通过成型机将U型槽碾压闭合形成O型，使药粉包裹其中，经拉丝机逐道拉拔、减径，将其拉拔至1.8mm，得到药芯焊丝，盘成圆盘，密封包装。

实施例2：

一种堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝，包括药芯粉和外皮：

药芯粉的化学成分及质量占比：碳包硅球8.0%，纳米铌粉8.0%，FZFeCr10-50自熔合金粉20.0%，AlMn25铝锰合金粉12.0%，碳酸钾粉9.0%，碳酸钠粉6.0%，金红石粉9.0%，余量为FHT100·25还原铁粉。

碳包硅球的内部为实心硅球，外部包覆碳层。

实心硅球直径为60nm-90nm，硅球外包覆的碳层厚度为20nm-25nm。

外皮采用低碳冷轧钢带制备。

纳米铌粉的粒径为80nm-120nm。

FZFeCr10-50自熔合金粉、碳酸钾粉、碳酸钠粉、金红石粉、AlMn25铝锰合金粉、FHT100·25还原铁粉的100目通过率为100%。

低碳冷轧钢带的厚度为1.2mm。

药芯粉质量占药芯焊丝总质量的38%。

药芯焊丝直径为8.0mm。

如上所述的堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝的制备步骤如实施例1，经拉丝机逐道拉拔减径，将其直径拉拔至8.0mm。

实施例3：

碳包硅球6.0%，纳米铌粉6.5%，FZFeCr10-50自熔合金粉17.5%，AlMn25铝锰合金粉10.0%，碳酸钾粉7.5%，碳酸钠粉4.5%，金红石粉7.0%，余量为FHT100·25还原铁粉。

碳包硅球的内部为实心硅球，外部包裹碳层。

实心硅球直径为60nm-90nm，硅球外包覆的碳层厚度为20nm-25nm。

外皮采用低碳冷轧钢带制备。

纳米铌粉的粒径为80nm-120nm。

FZFeCr10-50自熔合金粉、碳酸钾粉、碳酸钠粉、金红石粉、AlMn25铝锰合金粉、FHT100·25还原铁粉的100目通过率为100%。

药芯粉质量占药芯焊丝总质量的35%。

药芯焊丝直径为4.0mm。

如上所述的堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝的制备步骤如实施例1，经拉丝机逐道拉拔减径，将其直径拉拔至4.0mm。

对比例1：

与实施例3基本相同，其区别在于：药芯粉化学成分中无碳包硅球。

对比例2：

与实施例3基本相同，其区别在于：药芯化学成分中碳包硅球换成相应质量的硅粉和碳粉。

对比例3：

与实施例3基本相同，其区别在于：药芯化学成分中粒径为纳米的碳包硅球换成相应质量的粒径为微米的碳包硅球。

对比例4：

与实施例3基本相同，其区别在于：将药芯粉化学成分中的纳米碳包硅球换成相应质量的纳米级碳化硅颗粒。

对比例5：

与实施例3基本相同，其区别在于：将药芯粉化学成分中的纳米碳包硅球换成相应质量的微米级碳化硅颗粒。

对比例6：

与实施例3基本相同，其区别在于：药芯化学成分中粒径为纳米的铌粉换成相应质量的粒径为微米级的铌粉。

对比例7：

与实施例3基本相同，其区别在于：将药芯粉化学成分中的FZFeCr10-50自熔合金粉换成相应质量的Fe粉、Cr粉、B粉、Si粉、C粉、Ni粉、Mo粉。

对比例8：

与实施例3基本相同，其区别在于：将药芯粉化学成分中的AlMn25铝锰合金粉换成相应质量的Al粉、Mn粉。

将实施例和对比例制备的药芯焊丝进行堆焊，测试其硬度、韧性，用目视法观测表面开裂情况，用X射线无损检测方法检测内部裂纹情况，每个项目进行10次实验取其结果的平均值，检测结果如表1所示。

①实施例1-3为本发明的技术方案，得到的堆焊合金硬度高、硬度分布均匀、纳米级别的碳化硅等碳化物与基体结合力好，堆焊合金的韧性好、抗裂性强。

②对比例1药芯粉化学成分中无碳包硅球，不会生成硬质相，堆焊合金的硬度低，但熔池反应充分、堆焊合金组织均匀，故硬度差值小，冲击吸收能量高、抗裂性强。

③对比例2药芯化学成分中碳包硅球换成相应质量的硅粉和碳粉，硅粉与碳粉不能在位置上一一对应，焊接时不能完全反生成碳化硅，堆焊合金的硬度和冲击韧性大幅度降低，生成的碳化硅等碳化物不能均匀分布，堆焊合金的硬度分布不均匀，抗裂性差。

④对比例3药芯化学成分中粒径为纳米的碳包硅球换成相应质量的粒径为微米的碳包硅球，焊接时熔池的凝固速度快，两者反应生成碳化硅不完全，硬度和韧性有所降低，堆焊合金的硬度分布不均匀，抗裂性差。

⑤对比例4将药芯粉化学成分中的纳米碳包硅球换成相应质量的纳米级碳化硅颗粒，硬质相碳化硅与基体的结合强度不如原位生成的碳化硅，堆焊合金的硬度和韧性有所降低。

⑥对比例5将药芯粉化学成分中的纳米碳包硅球换成相应质量的微米级碳化硅颗粒，硬质相碳化硅与基体的结合强度不如原位生成的碳化硅，且碳化硅颗粒粒径大，不能作为非自发形核的质点，故堆焊合金的硬度和韧性降低较大，堆焊合金的硬度分布不均匀，抗裂性差。

⑦对比例6药芯化学成分中粒径为纳米的铌粉换成相应质量的粒径为微米级的铌粉，熔池快速冷却时不能完全反应生成碳化铌，且铌粉颗粒不能作为非自发形核的质点，故堆焊合金的硬度和韧性降低，堆焊合金的硬度分布不太均匀，抗裂性较差。

⑧对比例7和对比例8是将中间合金换成相应质量的各种单质，其熔点高，焊接时熔池冶金反应不充分，堆焊合金的硬度和韧性降低，堆焊合金的硬度分布不太均匀，抗裂性较差。

本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。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 (8)

1.堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝，包括药芯粉和外皮，其特征在于：

所述药芯粉的化学成分及质量占比为：碳包硅球4.0%-8.0%，纳米铌粉5.0%-8.0%，FZFeCr10-50自熔合金粉15.0%-20.0%，AlMn25铝锰合金粉8.0%-12.0%，碳酸钾粉6.0%-9.0%，碳酸钠粉3.0%-6.0%，金红石粉5.0%-9.0%，余量为FHT100•25还原铁粉；

所述碳包硅球的内部为实心硅球，外部包覆碳层；

所述实心硅球的直径为60nm-90nm，实心硅球外部包覆的碳层厚度为20nm-25nm；

所述外皮采用低碳冷轧钢带制备。

2.根据权利要求1所述的堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯粉的化学成分及质量百占比为：碳包硅球5.0%-7.0%，纳米铌粉6.0%-7.0%，FZFeCr10-50自熔合金粉16.0%-19.0%，碳酸钾粉7.0%-8.0%，碳酸钠粉4.0%-5.0%，金红石粉6.0%-8.0%，AlMn25铝锰合金粉9.0%-11.0%，余量为FHT100•25还原铁粉。

3.根据权利要求1或2所述的堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯粉的化学成分及用量按质量百分比计为：碳包硅球6.0%，纳米铌粉6.5%，FZFeCr10-50自熔合金粉17.5%，碳酸钾粉7.5%，碳酸钠粉4.5%，金红石粉7.0%，AlMn25铝锰合金粉10.0%，余量为FHT100•25还原铁粉。

4.根据权利要求1所述的堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝，其特征在于，所述纳米铌粉的粒径为80nm-120nm。

5.根据权利要求1所述的堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝，其特征在于，所述FZFeCr10-50自熔合金粉、碳酸钾粉、碳酸钠粉、金红石粉、AlMn25铝锰合金粉、FHT100•25还原铁粉的100目通过率为100%。

6.根据权利要求1所述的堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝，其特征在于，所述低碳冷轧钢带的厚度为0.2mm-1.2mm。

7.根据权利要求1所述的堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯粉质量占药芯焊丝总质量的32%-38%。

8.根据权利要求1-7任意之一所述的堆焊合金高硬度高韧性强抗裂性的耐磨堆焊用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯焊丝直径为1.8mm-8.0mm，优选3.2mm-6.0mm。