CN114523229B - 一种耐磨药芯焊丝及其制备方法及堆焊工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨药芯焊丝及其制备方法及堆焊工艺，属于焊接材料及工艺技术领域，包括容纳有药芯的钢带套筒；药芯包括如下重量份的组分：高碳铬铁0%‑10%、铬粉35%‑55%、锰粉1%‑7%、硅铁1%‑5%、镍粉10%‑16%、钼铁1%‑7%、铌铁1%‑7%、钒铁1%‑7%、氮化铬0%‑7%，余量为铁粉；制备方法包括：将药芯按配方量选用规定粒度混合均匀；然后由填粉装置定宽定厚地铺排在预轧制成U形截面的前进中的钢带上；将装有药芯的钢带逐渐轧制成搭接闭合状态，得到容纳有药芯的钢带套筒，再经四道轧辊反复拉拔减径，得到耐磨药芯焊丝；堆焊工艺包括：设置工艺参数，在堆焊的过程中使用上述耐磨药芯焊丝，完成堆焊。

Description

一种耐磨药芯焊丝及其制备方法及堆焊工艺

技术领域

本发明涉及一种耐磨药芯焊丝及其制备方法及堆焊工艺，属于焊接材料及工艺技术领域。

背景技术

磨损会导致能源损耗及设备零部件失效，因摩擦引起的一次能源消耗占比1/3，由摩擦磨损引起的机械零部件失效约占机械工业零部件各种失效形式的60%，因而有必要采取合理措施来降低材料磨损，延长设备寿命。

堆焊技术在表面处理领域被广泛的应用，通过堆焊制造技术可以提高零件表面耐磨性，延长使用寿命，降低能源损耗，促进工业绿色发展。

药芯焊丝的发展使得高合金、高硬度的耐磨堆焊材料焊丝化成为可能，系列中高C、高C耐磨铁基药芯焊丝被开发应用，此类耐磨药芯焊丝主要依靠堆焊过程中在熔池形成M₇C₃型硬质相来提高堆焊层金属的硬度和耐磨性能，但因C含量高，存在焊接工艺性能差、开裂倾向大等问题；此外，药芯焊丝质量也会影响堆焊层性能，如存在混料不均匀、填充率不稳定、变形漏粉等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐磨药芯焊丝及其制备方法及堆焊工艺，克服药芯焊丝混料不均匀、填充率不稳定、变形漏粉等问题，保证混粉不分层，堆焊层硬度均匀，延长工件的使用寿命，流程简单易懂，易于应用到高耐磨工件的制造和修复，克服了耐磨药芯焊丝焊接工艺性能差、开裂倾向大等问题，耐磨及耐热性能好。

为实现以上目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种耐磨药芯焊丝，包括药芯和钢带套筒，药芯容纳于钢带套筒内部；所述药芯包括如下重量份的组分：高碳铬铁0%-10%、铬粉35%-55%、锰粉1%-7%、硅铁1%-5%、镍粉10%-16%、钼铁1%-7%、铌铁1%-7%、钒铁1%-7%、氮化铬0%-7%，余量为铁粉。

结合第一方面，进一步的，所述耐磨药芯焊丝的结构为搭接O形。

结合第一方面，进一步的，所述耐磨药芯焊丝的填充率为35%-37%，所述药芯各组分的粒度根据密度配置为高碳铬铁100-140目、铬粉100-140目、锰粉80-140目、硅铁120-200目、镍粉100-140目、钼铁60-80目、铌铁80-140目、钒铁80-140目、氮化铬100-140目，铁粉60-120目。

第二方面，本发明还提供了一种耐磨药芯焊丝的制备方法，包括：

称取配方量的药芯各组分，投入混粉机内混合均匀；

将混合均匀的药芯各组分倒入填粉装置内，由填粉装置将混合均匀的药芯各组分定宽定厚地铺排在预轧制成U形截面的前进中的钢带上。

结合第二方面，进一步的，所述混粉机为V型混粉机，混粉时间为1-2小时。

结合第二方面，进一步的，所述钢带为H08A，钢带尺寸为：宽16-18 mm，厚0.4-0.6mm。

第三方面，本发明还提供了一种堆焊工艺，包括：

清理工件表面，打磨工件表面，去除工件表面锈蚀、氧化皮和油污；

使用第一方面任一项所述的耐磨药芯焊丝，设置工艺参数，采用堆焊的方法在工件的工作面对应位置均匀熔敷三层马氏体不锈钢；

对工件进行去应力退火，削去堆焊层余高，精车精磨，对堆焊层金属实施淬火加低温回火。

结合第三方面，进一步的，所述工艺参数为：

焊接电流340-450A，焊接电压28-35V，焊接速度15-18m/h，焊丝干伸长量15mm，焊剂的覆盖厚度30mm以上，多道焊接道间重叠率1/4-1/3，每层堆焊层厚度2-2.5 mm，电源极性采用直流反接。

结合第三方面，进一步的，对工件进行去应力退火：

预热热处理炉，保温在400 ℃；

将脱渣过的工件整机放入热处理炉中，保温3-4小时；

以50 ℃/h的速度升炉温至600 ℃，保温6小时；

停止保温，工件随炉冷却至400 ℃；

开炉，取出工件在静止空气中冷却至室温。

结合第三方面，进一步的，对堆焊层金属实施淬火加低温回火：

先采用高频感应线圈集中加热工件至800-900℃，随后立即喷射5%NaOH 溶液冷却，最后整机装入200℃的油浴炉中，保温6小时，随炉冷至室温后取出。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明提供的一种耐磨药芯焊丝及其制备方法及堆焊工艺，耐磨药芯焊丝先将药芯各组分混合均匀后，再由填粉装置均匀的填入钢带中轧制成型，能够克服药芯焊丝混料不均匀、填充率不稳定、变形漏粉等问题；且本发明堆焊工艺能够有效节约工件制造过程中昂贵高合金钢的用量，还能够延长工件的使用寿命；本发明提供的堆焊工艺流程简单易懂，易于应用到高耐磨工件的制造和修复；本发明提供的耐磨药芯焊丝及其制备方法，通过药芯配方的设计，克服了耐磨药芯焊丝焊接工艺性能差、开裂倾向大等问题，使用此耐磨药芯焊丝堆焊而成的工件耐磨工作层厚度大，耐磨及耐热性能好，可用于高温耐磨的场合，平均硬度可在42-47HRC的范围内；

且本发明提供的一种耐磨药芯焊丝及其制备方法及堆焊工艺，耐磨药芯焊丝根据配方中药芯各组分密度选择合适的粒度，可以保证混粉过程中各组分不分层且混合均匀，保证堆焊层硬度均匀。

附图说明

图1是本发明实施例提供的填粉过程的示意图；

图2是本发明实施例提供的堆焊工艺的流程图；

图3是本发明实施例提供的堆焊过程的示意图；

图4是本发明实施例提供的耐磨药芯焊丝的截面示意图。

图中：1、钢带；2、带轮；3、合金粉末；4、轧辊；5、耐磨药芯焊丝；6、送丝机构；7、导电嘴；8、熔敷合金；9、埋弧焊焊剂；10、直流电源；11、钢带套筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明所用药芯中各原料均为市售原料，其作用原理如下：

高碳铬铁和铬粉：高碳铬铁和铬粉同时提供Cr，提高钢的点蚀电位，促进钢表面形成钝化膜，降低钢对点蚀的敏感性，提高钢的耐磨性能；同时增加钢的淬透性，与钢中的C形成M₃C、M₇C₃、M₂₃C₆等多种碳化物，有沉淀强化作用，有利于提高钢的强度、硬度和耐磨性能。

锰粉和硅铁：Si与Mn元素一起实现硅锰联合脱氧、脱硫，减小产生热裂纹倾向，有利于提高钢的低温韧性；Si作为合金元素对堆焊层金属有固溶强化作用，能显著提高钢的耐磨性；Si与Cr和Mo等元素结合，还能提高耐腐蚀性和抗氧化性，可作为合金元素改善耐热性能。

镍粉：Ni能在奥氏体中无限固溶，有固溶强化作用，能有效细化晶粒，提高酸碱环境中的耐腐蚀能力；在高温下有防锈和耐热能力。

钼铁：Mo与C、Fe元素结合，可以形成细小析出相（Mo₂C、Fe₂Mo），提高钢的强度，同时提高钢的回火稳定性，改善焊接工艺性。

铌铁：Nb作为碳氮化合物形成元素，在钢中能优先与C、N结合生成稳定的碳氮化合物、碳化物、氮化物等，这些高温析出相能提高形核率、钉扎晶界，有效细化晶粒，通过沉淀强化提高钢的高温力学性能；Nb与C结合避免碳化铬析出导致的晶格贫铬，能有效提高耐磨性。

钒铁：V与C形成的VC性能稳定、呈细小弥散分布，有强烈的二次硬化作用；能与Fe形成连续固溶体，有效强化基体；与Nb同时添加形成的(Nb,V)(C,N)比各自单独形成的析出相尺寸更细小，且析出温度范围变宽，可有效阻碍奥氏体晶粒长大和再结晶过程，使得钢的强度、硬度、耐磨性进一步提高。

氮化铬：N部分代替C，固溶于基体，提高钢的强度、耐蚀性能和焊接工艺性能；N常与Nb、V等合金元素复合添加，促进含Nb、V析出相的生成，能进一步提高钢的强度和耐磨损性能。

实施例1

如图4所示，本发明提供了一种耐磨药芯焊丝5，包括钢带套筒11和药芯3，药芯3容纳于钢带套筒11内部，上述耐磨药芯焊丝5的结构为搭接O形，所述耐磨药芯焊丝5的填充率为35%-37%，成品的耐磨药芯焊丝5直径为3.2mm。

药芯3包括如下重量份的组分：高碳铬铁0%-10%、铬粉35%-55%、锰粉1%-7%、硅铁1%-5%、镍粉10%-16%、钼铁1%-7%、铌铁1%-7%、钒铁1%-7%、氮化铬0%-7%，余量为铁粉。

所述药芯3各组分的粒度根据各组分的密度配置为：高碳铬铁100-140目、铬粉100-140目、锰粉80-140目、硅铁120-200目、镍粉100-140目、钼铁60-80目、铌铁80-140目、钒铁80-140目、氮化铬100-140目，铁粉60-120目。

本发明提供的耐磨药芯焊丝5及其制备方法，通过药芯配方的设计，克服了耐磨药芯焊丝5焊接工艺性能差、开裂倾向大等问题，使用此耐磨药芯焊丝5堆焊而成的工件耐磨工作层厚度大，耐磨及耐热性能好，可用于高温耐磨的场合，平均硬度可在42-47HRC的范围内。

实施例2

如图2所示，本发明实施例提供了一种耐磨药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：

（1）按设计的药芯3配方中各金属粉末的质量分数占比称取定量金属粉末，将金属粉末倒入V型混粉机内混合均匀，混粉时间设置为1-2h。

本实施例中，药芯3包括如下重量份的组分：高碳铬铁（高碳铬粉）2%、铬粉50%、锰粉（锰铁）4%、硅铁3%、镍粉（镍铁）15%、钼铁4%、铌铁4%、钒铁4%、铁粉14%。

所述药芯3各组分的粒度根据各组分的密度配置为：高碳铬铁100-140目、铬粉100-140目、锰粉80-140目、硅铁120-200目、镍粉100-140目、钼铁60-80目、铌铁80-140目、钒铁80-140目、氮化铬100-140目，铁粉60-120目。

（2）将混合均匀的药芯3倒入填粉装置内，填粉装置示意图如图1所示，药芯3随带轮一起运动至填粉装置侧边开口处，定宽定厚的均匀漏出，铺排在带轮2上随其继续运动至端部，落入前进的已由轧辊4预先轧制成U形截面的钢带1中。

所述钢带采用16×0.5 mm的H08A，填充率35%。

（3）将装有药芯3的U形的钢带1逐渐轧制成搭接闭合状态，完成药芯焊丝的挤压成形。

（4）经四道轧辊反复拉拔减径，得到耐磨药芯焊丝5。

制备得到的焊丝截面形状为搭接O形，如图4所示，成品焊丝直径3.2 mm。

本发明实施例提供了一种耐磨药芯焊丝的制备方法，焊丝混粉均匀，填充率稳定且误差不超过1%。

实施例3

如图2所示，本发明实施例提供了一种耐磨药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：

（1）按设计的药芯3配方中各金属粉末的质量分数占比称取定量金属粉末，将金属粉末倒入V型混粉机内混合均匀，混粉时间设置为1-2h。

本实施例中，药芯3包括如下重量份的组分：氮化铬4%、铬粉50%、锰粉（锰铁）4%、硅铁3%、镍粉（镍铁）15%、钼铁4%、铌铁4%、钒铁4%、铁粉12%。

所述药芯3各组分的粒度根据各组分的密度配置为：高碳铬铁100-140目、铬粉100-140目、锰粉80-140目、硅铁120-200目、镍粉100-140目、钼铁60-80目、铌铁80-140目、钒铁80-140目、氮化铬100-140目，铁粉60-120目。

（2）将混合均匀的药芯3倒入填粉装置内，填粉装置示意图如图1所示，药芯3随带轮一起运动至填粉装置侧边开口处，定宽定厚的均匀漏出，铺排在带轮2上随其继续运动至端部，落入前进的已由轧辊4预先轧制成U形截面的钢带1中。

所述钢带采用16×0.5 mm的H08A，填充率35%。

（3）将装有药芯3的U形的钢带1逐渐轧制成搭接闭合状态，完成药芯焊丝的挤压成形。

（4）经四道轧辊反复拉拔减径，得到耐磨药芯焊丝5。

制备得到的焊丝截面形状为搭接O形，如图4所示，成品焊丝直径3.2 mm。

本发明实施例提供了一种耐磨药芯焊丝的制备方法，焊丝混粉均匀，填充率稳定且误差不超过1%。

实施例4

本发明实施例提供了一种堆焊工艺，使用实施例2所制备温度耐磨药芯焊丝，采用堆焊的方法在工件的工作面对应位置均匀熔敷一层马氏体不锈钢，堆焊的过程如图3所示，首先要将直流电源10、耐磨药芯焊丝5、送丝机构6、导电嘴7、熔敷合金8按照图示连接起来，其中，导电嘴7距离工件表面的距离为15mm，将埋弧焊焊剂9按图示位置放置好。

堆焊工艺包括以下步骤：

（1）清理工件表面，打磨工件表面，去除工件表面锈蚀、氧化皮和油污。

使用丙酮擦洗工件表面，要求打磨工件表面至露出金属光泽。

（2）使用实施例2所制得的耐磨药芯焊丝，设置工艺参数，采用堆焊的方法在工件的工作面对应位置均匀熔敷三层马氏体不锈钢。

所述工艺参数为：焊接电流340-450 A，焊接电压28-35 V，焊接速度15-18 m/h，焊丝干伸长量15 mm，焊剂的覆盖厚度30 mm以上，每层堆焊层厚度2-2.5 mm，电源极性采用直流反接模式；采用多道焊接，重叠率控制在1/3附近，道与道之间必须严格清渣，避免夹渣。

（3）对工件进行去应力退火，削去堆焊层余高，精车精磨，对堆焊层金属实施淬火加低温回火。

堆焊后，对工件进行去应力退火，所述去应力退火通过以下过程进行：

A．预热热处理炉，保温在400 ℃；

B．将脱渣过的工件放入热处理炉中，保温3-4小时；

C．以50℃/h的速度升炉温至600 ℃，保温6小时；

D．停止加热，工件随炉冷却至400 ℃；

E．开炉，取出工件在静止空气中冷却至室温。

去应力退火后，对工件进行机加工获取所需精度：先粗车削去堆焊层余高，然后再精车、精磨，最终满足工件尺寸精度要求。

对堆焊层金属实施淬火加低温回火，即终热处理：先采用高频感应线圈集中加热辊面至800-900 ℃，随后立即喷射5% NaOH 溶液冷却；最后整机装入200 ℃的油浴炉中，保温6小时，随炉冷至室温后取出。

本发明堆焊工艺能够有效提高堆焊工作面硬度，延长工件的使用寿命；堆焊层硬度分布均匀，平均硬度可在46-47HRC的范围内；本发明提供的堆焊工艺流程简单易懂，易于应用到高耐磨工件的制造和修复。

实施例5

本发明实施例提供了一种堆焊工艺，使用实施例3所制备温度耐磨药芯焊丝，采用堆焊的方法在工件的工作面对应位置均匀熔敷三层马氏体不锈钢，堆焊的过程如图3所示，首先要将直流电源10、耐磨药芯焊丝5、送丝机构6、导电嘴7、熔敷合金8按照图示连接起来，其中，导电嘴7距离工件表面的距离为15mm，将埋弧焊焊剂9按图示位置放置好。

堆焊工艺包括以下步骤：

（1）清理工件表面，打磨工件表面，去除工件表面锈蚀、氧化皮和油污。

使用丙酮擦洗工件表面，要求打磨工件表面至露出金属光泽。

（2）使用实施例3所制得的耐磨药芯焊丝，设置工艺参数，采用堆焊的方法在工件的工作面对应位置均匀熔敷一层马氏体不锈钢。

所述工艺参数为：焊接电流340-450 A，焊接电压28-35 V，焊接速度15-18 m/h，焊丝干伸长量15 mm，焊剂的覆盖厚度30 mm以上，每层堆焊层厚度2-2.5 mm，电源极性采用直流反接模式；采用多道焊接，重叠率控制在1/3附近，道与道之间必须严格清渣，避免夹渣。

（3）对工件进行去应力退火，削去堆焊层余高，精车精磨，对堆焊层金属实施淬火加低温回火。

堆焊后，对工件进行去应力退火，所述去应力退火通过以下过程进行：

A．预热热处理炉，保温在400 ℃；

B．将脱渣过的工件放入热处理炉中，保温3-4小时；

C．以50℃/h的速度升炉温至600 ℃，保温6小时；

D．停止加热，工件随炉冷却至400 ℃；

E．开炉，取出工件在静止空气中冷却至室温。

去应力退火后，对工件进行机加工获取所需精度：先粗车削去堆焊层余高，然后再精车、精磨，最终满足工件尺寸精度要求。

对堆焊层金属实施淬火加低温回火，即终热处理：先采用高频感应线圈集中加热辊面至800-900 ℃，随后立即喷射5% NaOH 溶液冷却；最后整机装入200 ℃的油浴炉中，保温6小时，随炉冷至室温后取出。

本发明堆焊工艺能够有效提高堆焊工作面硬度，还能够延长工件的使用寿命；本发明提供的堆焊工艺流程简单易懂，易于应用到高耐磨工件的制造和修复。

将实施例1和实施例2制得的工件耐磨性进行比较，发现实施例2的堆焊层硬度稳定性明显高于实施例1，说明根据各组分密度配置粒度可以保证混粉时不分层，有效提高混粉的均匀性和填充率。

将实施例4和实施例5制得的工件耐磨性进行比较，发现实施例5的耐磨性略强于实施例4，而实施例5使用的是实施例3所制得的耐磨药芯焊丝，其中添加了氮化铬，实施例4使用的是实施例2所制得的耐磨药芯焊丝，其中未添加氮化铬，说明以氮化铬为媒介引入的氮元素对堆焊层起到了强化作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种耐磨药芯焊丝，其特征在于，包括药芯和钢带套筒，药芯容纳于钢带套筒内部；所述药芯包括如下重量份的组分：高碳铬铁0%-10%、铬粉35%-55%、锰粉1%-7%、硅铁1%-5%、镍粉10%-16%、钼铁1%-7%、铌铁1%-7%、钒铁1%-7%、氮化铬0%-7%，余量为铁粉；

所述耐磨药芯焊丝的填充率为35%-37%，所述药芯各组分的粒度根据密度配置为高碳铬铁100-140目、铬粉100-140目、锰粉80-140目、硅铁120-200目、镍粉100-140目、钼铁60-80目、铌铁80-140目、钒铁80-140目、氮化铬100-140目，铁粉60-120目。

2.根据权利要求1所述的一种耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述耐磨药芯焊丝的结构为搭接O形。

3.一种权利要求1至2任一项所述耐磨药芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括：

称取配方量的药芯各组分，投入混粉机内混合均匀；

将混合均匀的药芯各组分倒入填粉装置内，由填粉装置将混合均匀的药芯各组分定宽定厚地铺排在预轧制成U形截面的前进中的钢带上；

将装有药芯的钢带逐渐轧制成搭接闭合状态，得到容纳有药芯的钢带套筒，再经四道轧辊反复拉拔减径，得到耐磨药芯焊丝。

4.根据权利要求3所述的一种耐磨药芯焊丝的制备方法，其特征在于，所述混粉机为V型混粉机，混粉时间为1-2小时。

5.根据权利要求3所述的一种耐磨药芯焊丝的制备方法，其特征在于，所述钢带为H08A，钢带尺寸为：宽16-18 mm，厚0.4-0.6 mm。

6.一种堆焊工艺，其特征在于，包括：

清理工件表面，打磨工件表面，去除工件表面锈蚀、氧化皮和油污；

使用权利要求1至2任一项所述的耐磨药芯焊丝，设置工艺参数，采用堆焊的方法在工件的工作面对应位置均匀熔敷三层马氏体不锈钢；

对工件进行去应力退火，削去堆焊层余高，精车精磨，对堆焊层金属实施淬火加低温回火。

7.根据权利要求6所述的一种堆焊工艺，其特征在于，所述工艺参数为：

焊接电流340-450A，焊接电压28-35V，焊接速度15-18m/h，焊丝干伸长量15mm，焊剂的覆盖厚度30mm以上，多道焊接道间重叠率1/4-1/3，每层堆焊层厚度2-2.5 mm，电源极性采用直流反接。

8.根据权利要求6所述的一种堆焊工艺，其特征在于，对工件进行去应力退火：

预热热处理炉，保温在400 ℃；

将脱渣过的工件整机放入热处理炉中，保温3-4小时；

以50 ℃/h的速度升炉温至600 ℃，保温6小时；

停止保温，工件随炉冷却至400 ℃；

开炉，取出工件在静止空气中冷却至室温。

9.根据权利要求6所述的一种堆焊工艺，其特征在于，对堆焊层金属实施淬火加低温回火：

先采用高频感应线圈集中加热工件至800-900℃，随后立即喷射5%NaOH 溶液冷却，最后整机装入200℃的油浴炉中，保温6小时，随炉冷至室温后取出。

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