CN114083177A

CN114083177A - 一种复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝

Info

Publication number: CN114083177A
Application number: CN202111534500.XA
Authority: CN
Inventors: 谢晋平; 霍圣杰; 常庆杰
Original assignee: Qingdao Weilun Intelligent Equipment Co ltd
Current assignee: Qingdao Weilun Intelligent Equipment Co ltd
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2022-02-25
Anticipated expiration: 2041-12-15
Also published as: CN114083177B

Abstract

本发明公开了一种复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝，包括外层金属皮和内层药芯，药芯按以下重量比组成：碳化钨25～40％、碳化钛20～35％、Ni‑Cr‑B‑Si合金粉20～30％、金属锰1～3％、余量为镍粉，以碳化钨、碳化钛作为复合碳化物起到强化的作用，以镍作为粘结基体。本发明以复合碳化物强化、镍作为粘结基体，制备出无渣无飞溅的金属芯药芯焊丝，更环保，实现了堆焊合金的高耐磨、高耐腐蚀；采用热丝TIG焊，实现了无裂纹、变形小、焊接性能好、易于焊接全自动化等技术特性，对以白炭黑轮胎胶料为主的密炼机工作面表面强化具有重大意义；焊接操作工艺易于控制，焊接质量的一致性极高，综合成本低，满足了以白炭黑轮胎胶料为主的密炼机质量高、寿命长的要求。

Description

一种复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝

技术领域

本发明涉及一种复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝，属于堆焊焊接材料领域。

背景技术

为提高汽车轮胎性能，胎面胶中加入大量的白炭黑，可以降低滚动阻力、改善抗湿滑性能、提高抓地性。白炭黑(white carbon black)，水合二氧化硅(Hydrated Silica)，SiO2·nH2O，其SiO₂≥94％，硬度高，莫氏硬度达到7，比表面积大，最细可达纳米级，在强力捏合(糅合、剪切)中对密炼机工作面产生强烈磨损。白炭黑加入炼胶过程中产生硅烷化反应，产生大量的水汽和乙醇，与胶料中的其他添加物反应产生酸性物质，密炼过程中会温度升高快，对设备的腐蚀性增强。设备常用的高铬铸铁合金、钴基合金等堆焊工作面，但是裂纹难以避免，白炭黑等粉末及其反应物会渗入裂纹中，加剧磨损，降低设备适用寿命。高耐磨、耐腐蚀、无裂纹、高结合力逐渐成为当代密炼机合金堆焊的几大不可分割的约束性技术指标。

密炼机常用的高铬铸铁合金、钴基合金药芯焊丝堆焊层性能难以同时满足高耐磨、耐腐蚀、无裂纹、高结合力的约束性技术指标，主要原因：喷射过渡的药芯焊丝堆焊冷却速度过快、过渡层中的主要元素C、Cr、Mn由于熔合比过大而大量过渡到堆焊层等，又由于密炼室和转子拘束过大、堆焊层本身设计硬度高(HRC52-55以上)，实际的预热温度由于工装或现场条件受限达不到技术要求等等，这样就容易产生裂纹。

专利公开号CN108149126B一种耐磨转动轴用碳化物增强的钴基复合材料及其制备方法，属于高温耐磨合金领域。材料基体合金化学成分为：Cr 18～34％；W 9～28％；V 0～6％；Ni 0～10％，Fe 0～10％，C 0.2～2％，其余为Co，材料的主要增强相为M6C型和M23C6型碳化物，该复合材料采用粉末冶金方法制备而成。该发明选取了含高熔点元素W、Cr、Ni等的Co基合金为基体，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损的性能；在钴基合金基体中加入适量的WC粉末，通过WC的高温相变，形成M6C增强相，大幅度提高钴基合金的硬度和耐磨性能。粉末冶金方法周期长、使用钴作为合金粘结基体材料，成本偏高。

专利公开号CN103406689A一种WC颗粒增强型镍基MIG耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝直径为1.6mm，属于熔渣型药芯焊丝，焊接方法采用MIG，焊缝金属HRC≥45。焊缝金属熔合比过大，底层中主要合金元素过渡到焊缝金属比例容易偏大，对母材热输入量过大，易使母材基体发生变形；MIG焊后焊缝表面裂纹倾向大；熔渣型药芯焊丝焊后需要去除熔渣，保存不当存在易吸潮，产生气孔的风险较大，另外焊接飞溅也会增加，恶化焊接操作工艺性能；焊缝金属硬度HRC≥45，对于使用白炭黑轮胎胶料的密炼机工况来说偏低。国内外高性能密炼机普遍采用工作面镀硬铬的方法，硬度高(HRC≥60)、表面光滑无裂纹，耐磨耐腐蚀性能好，但是，电镀硬铬工艺环境负荷过大。寻求更高耐磨耐腐蚀性能又环保的技术工艺成为公认的方向。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝，采用热丝TIG焊、复合碳化物(WC、TiC)强化、镍作为粘结基体、无渣无飞溅的金属芯药芯焊丝，实现了环保、高耐磨、高耐腐蚀、无裂纹、变形小、焊接操作工艺性能好、易于焊接全自动化、综合生产成本较低等的技术特性，对于以白炭黑轮胎胶料为主的密炼机工作面表面强化具有现实的重大的意义。

为达到上述目的，本发明所采用的技术手段是：一种复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝，包括外层金属皮和内层药芯，所述药芯按以下重量比组成：碳化钨25～40％、碳化钛20～35％、Ni-Cr-B-Si合金粉20～30％、金属锰1～3％、余量为镍粉，其中，以碳化钨、碳化钛作为复合碳化物起到强化的作用，以镍作为粘结基体。

进一步的，所述复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝采用热丝TIG焊，压道50％，用于白炭黑轮胎胶料为主的密炼机工作面表面强化。

进一步的，所述外层金属皮为纯镍带，该纯镍带的Ni含量≥99.5％。

更进一步的，所述外层金属皮内药芯的填充率为26～28％。

更进一步的，所述纯镍带符合GB/T 2054NS5201或/和GB/T 2054NS5200标准的要求，规格为0.4mm×12mm。

进一步的，所述碳化钨32～35％、碳化钛28～30％、Ni-Cr-B-Si合金粉24～26％、金属锰1.5～2％、余量为镍粉，其中碳化钨与碳化钛重量之和占比不小于55％。

进一步的，所述碳化钨28～38％、碳化钛25～32％、Ni-Cr-B-Si合金粉22～28％、金属锰1.8～2.5％、余量为镍粉，其中碳化钨与碳化钛重量之和占比不小于60％。

进一步的，所述碳化钨为球状碳化钨。

进一步的，所述复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝的制备方法，步骤包括：

步骤一、控制组成药芯的原料粉末的颗粒度，而后混合均匀；

步骤二、将混合后的原料粉末除湿烘干后保温待用；

步骤三、将原料镍带经过超声波除油清洗并烘干；

步骤四、将原料镍带轧制成型，下混合后的原料药粉填充，控制填充误差；

步骤五、焊丝轧制合缝、减径、粗拉出线后退火；

步骤六、退火后精拉；

步骤七、定径，超声波清洗，烘干。

更进一步的，所述步骤一中将组成药芯的原料粉末筛分，控制复合碳化物的粉末颗粒度在80目～120目，其余原料的粉末粒度为100～250目；所述步骤二中，控制烘干温度150～180℃，时间2h，烘干后置于50℃环境中保温；所述步骤四中，控制填充误差±0.5％；所述步骤五中，采用在线高频焊接方式合缝，退火温度870～930℃，时间5h，减径采用湿式润滑辊模，其中在合缝和减径之间采用在线退火；所述步骤六中，精拉两次减径；所述步骤七中，采用金刚石眼模定径。

本发明的有益效果在于：

1、以复合碳化物(WC、TiC)强化、镍作为粘结基体，制备出无渣无飞溅的金属芯药芯焊丝，更环保，实现了堆焊合金的高耐磨、高耐腐蚀；

2、采用热丝TIG焊，实现了无裂纹、变形小、焊接性能好、易于焊接全自动化等技术特性，对以白炭黑轮胎胶料为主的密炼机工作面表面强化具有重大意义；

3、焊接操作工艺易于控制，焊接质量的一致性极高，综合成本低，满足了以白炭黑轮胎胶料为主的密炼机质量高、寿命长的要求。

具体实施方式

实施例1

白炭黑胶料用密炼机使用的复合碳化物(WC、TiC)强化镍基合金堆焊细直径金属芯药芯焊丝，焊丝由纯镍外皮和芯部粉末组成，填充率为25％。

镍带为纯镍带符合GB/T 2054NS5200标准的要求，规格为0.4mm×12mm，纯镍带的Ni含量≥99.5％。与现有此类药芯焊丝最细直径只能达到1.6mm相比，本方法能达到更细的1.2mm，有利于使用热丝TIG堆焊工艺，实现堆焊金属无裂纹。

药芯原料按重量比组成：球状碳化钨WC 34％、碳化钛TiC 29％、Ni-Cr-B-Si合金粉25％、金属锰1.6％、其余为镍粉。

药芯焊丝的制备过程如下：

药粉预备，

配粉，

轧制，

退火，退火温度870～930℃，时间5h；

铁篮筐层绕、铝箔真空包装。

实施例2

镍带为纯镍带符合GB/T 2054NS5201标准的要求，规格为0.4mm×12mm，纯镍带的Ni含量≥99.5％。

药芯原料按重量比组成：球状碳化钨WC28％、碳化钛TiC31％、Ni-Cr-B-Si合金粉27％、金属锰2.0％、其余为镍粉。

制备方法同实施例1。

对比例1

镍带为纯镍带符合GB/T 2054NS5200标准的要求，规格为0.4mm×12mm，纯镍带的Ni含量≥99.5％。

药芯原料按重量比组成：球状碳化钨WC 45％、碳化钛TiC 24％、Ni-Cr-B-Si合金粉22％、金属锰1.5％、其余为镍粉。

制备方法同实施例1。

对比例2

药芯原料按重量比组成：球状碳化钨WC 23％、碳化钛TiC 21％、Ni-Cr-B-Si合金粉25％、金属锰1.5％、其余为镍粉。

制备方法同实施例1。

上述实施例和对比例均进行合金堆焊，母材(铸钢或低合金钢)+堆焊过渡层+过渡层表面铣削0.5～1mm+预热350～380℃+本发明实施例和对比例的焊丝热丝TIG堆焊合金工作层+去应力退火670～830℃×6h+表面磨削。

其中，过渡层堆焊：

焊丝：19％Cr-9％Ni-6％Mn系不锈钢MIG焊丝，规格：

焊接方法：热丝TIG焊，热丝TIG焊接工艺参数为：

焊丝规格1.2mm、焊接电流390A、送丝速度2000mm/min、频率2.5Hz、焊接电压11V、焊接速度110mm/min、热丝电流70A、铈钨极直径4.0mm、氩气流量28L/min。

焊接层数、压道量及厚度：1层、50％、2.5～3.0mm。

性能测试：焊后HRC硬度试验、焊后40倍表面宏观裂纹观察、一定工作时间工作面宏观检测统计。

实施例与对比例及性能测试见下表。

实施例1和实施例2，焊接操作工艺性能佳：飞溅小、成型好、表面平整误差小等，焊后效果理想，实际工作寿命长于7年，优于镀硬铬工艺。

对比例1中WC比例超出本发明的设定范围，Ni-Cr-B-Si小于本发明的设定范围，焊后出现大量裂纹，达不到要求。

对比例2中WC+TiC之和44％，小于55％，硬度HRC51，明显偏低，达不到效果。

说明，本发明白炭黑胶料用密炼机复合碳化物(WC、TiC)强化镍基合金堆焊细直径金属芯药芯焊丝，用于轮胎橡胶用密炼机工作表面堆焊金属粉芯丝材，本发明研制的药芯焊丝堆焊硬度高，在以白炭黑为主的轮胎胶料捏合中，承受较高温度下的强烈磨粒磨损和腐蚀工况的工作层寿命高于镀硬铬工作层。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝，包括外层金属皮和内层药芯，其特征在于：所述药芯按以下重量比组成：碳化钨25～40％、碳化钛20～35％、Ni-Cr-B-Si合金粉20～30％、金属锰1～3％、余量为镍粉，其中，以碳化钨、碳化钛作为复合碳化物起到强化的作用，以镍作为粘结基体。

2.根据权利要求1所述的复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝，其特征在于：所述复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝采用热丝TIG焊，压道50％，用于白炭黑轮胎胶料为主的密炼机工作面表面强化。

3.根据权利要求1所述的复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝，其特征在于：所述外层金属皮为纯镍带，该纯镍带的Ni含量≥99.5％。

4.根据权利要求3所述的复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝，其特征在于：所述外层金属皮内药芯的填充率为26～28％。

5.根据权利要求3所述的复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝，其特征在于：所述纯镍带符合GB/T 2054NS5201或/和GB/T 2054NS5200标准的要求，规格为0.4mm×12mm。

6.根据权利要求1所述的复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝，其特征在于：所述碳化钨32～35％、碳化钛28～30％、Ni-Cr-B-Si合金粉24～26％、金属锰1.5～2％、余量为镍粉，其中碳化钨与碳化钛重量之和占比不小于55％。

7.根据权利要求1所述的复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝，其特征在于：所述碳化钨28～38％、碳化钛25～32％、Ni-Cr-B-Si合金粉22～28％、金属锰1.8～2.5％、余量为镍粉，其中碳化钨与碳化钛重量之和占比不小于60％。

8.根据权利要求1所述的复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝，其特征在于：所述碳化钨为球状碳化钨。

9.根据权利要求1所述的复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝的制备方法，其特征在于，步骤包括：

步骤二、将混合后的原料粉末除湿烘干后保温待用；

步骤三、将原料镍带经过超声波除油清洗并烘干；

步骤五、焊丝轧制合缝、减径、粗拉出线后退火；

步骤六、退火后精拉；

步骤七、定径，超声波清洗，烘干。

10.根据权利要求1所述的复合碳化物强化镍基合金堆焊用药芯焊丝的制备方法，其特征在于：

所述步骤一中将组成药芯的原料粉末筛分，控制复合碳化物的粉末颗粒度在80目～120目，其余原料的粉末粒度为100～250目；

所述步骤二中，控制烘干温度150～180℃，时间2h，烘干后置于50℃环境中保温；

所述步骤四中，控制填充误差±0.5％；

所述步骤五中，采用在线高频焊接方式合缝，退火温度870～930℃，时间5h，减径采用湿式润滑辊模，其中在合缝和减径之间采用在线退火；

所述步骤六中，精拉两次减径；

所述步骤七中，采用金刚石眼模定径。