CN115815868B

CN115815868B - 一种Fe基高温堆焊药芯焊丝

Info

Publication number: CN115815868B
Application number: CN202310133163.6A
Authority: CN
Inventors: 肖辉英; 许立宝; 张振喆; 崔学团; 黄锐
Original assignee: Tianjin Jinqiao New Materials Co ltd; Tianjin Golden Bridge Welding Materials Group Co Ltd
Current assignee: Tianjin Jinqiao New Materials Co ltd; Tianjin Golden Bridge Welding Materials Group Co Ltd
Priority date: 2023-02-20
Filing date: 2023-02-20
Publication date: 2023-06-23
Anticipated expiration: 2043-02-20
Also published as: CN115815868A

Abstract

本发明提供了一种Fe基高温堆焊药芯焊丝，包括药芯和外皮，所述药芯包括如下质量分数组分：金属铬45%‑60%，75#硅铁1%‑3%，电解锰2%‑5%，钼铁8%‑15%，钒铁0.5%‑3%，钨粉6‑12%，钴粉15%‑30%,钛添加物3%‑8%，稀土添加物1%‑5%，其余为铁粉，其中各组分的质量分数之和为100%。本发明焊丝可制备为1.6mm富Ar气保护焊丝、2.0mm/2.5mmTIG直条焊丝，堆焊工艺性能良好，便于现场施焊。

Description

一种Fe基高温堆焊药芯焊丝

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其是涉及一种Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝。

背景技术

长期服役于高温高负荷工况的工件，磨损严重、使用寿命低；需堆焊修复层来改善工件的热疲劳、蠕变极限和持久强度等高温性能。目前650℃以上高温磨损工况，大都采用钴基和镍基合金修复，特别是Co-Cr-W合金和Ni-Cr-B-Si合金被广泛应用。钴基堆焊合金在500℃-700℃时具有350-500HV的硬度，红硬性和冷热疲劳性能良好；镍基堆焊合金在950℃以下具有较好的耐高温氧化性能和耐高温磨损性能。

钴和镍都属于贵重金属，其耐磨焊材成本较高，生产应用受到限制，所以研究开发出价格合适的铁基高温耐磨焊材很有必要；但铁基材料在高温、高应力下，热稳定性降低，导致合金力学性能下降。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种适用于高温环境的Fe基耐磨堆焊合金，该堆焊合金适用于650-750℃高温环境、焊态硬度在HRC45-55之间、耐金属间磨损的工况，该堆焊合金通过药芯焊丝TIG/MAG堆焊熔敷获得，再辅以适当的回火时效处理（（550-600）℃*（4-8）h时效回火）提升堆焊合金性能；进而大幅节省修复成本，满足使用要求。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝，包括药芯和外皮，所述药芯包括以下质量分数的组分：金属铬45%-60%，75#硅铁1%-3%，电解锰2%-5%，钼铁8%-15%，钒铁0.5%-3%，钨粉6-12%，钴粉15%-30%，钛添加物3%-8%，稀土添加物1%-5%，其余为铁粉，其中各组分的质量分数之和为100%。

优选的，所述药芯占焊丝总重量的比例为25%-30%；所述外皮为碳钢冷轧钢带。

优选的，所述金属铬中，铬含量99wt%以上；75#硅铁中，硅含量74wt%-80wt%，余量为铁；电解锰中，锰含量99.70wt%以上；钼铁中，钼含量57wt%-60wt%以上，余量为铁；钒铁中，钒含量50wt%-55wt%以上，余量为铁；钨粉中，钨含量98wt%以上；钴粉中，钴含量99.5wt%以上；各组分的颗粒度为60-200目。

优选的，所述75#硅铁中，硅含量75wt%，余量为铁；钼铁中，钼含量59wt%，余量为铁；钒铁中，钒含量50wt%，余量为铁。

优选的，所述钛添加物为钛铁、碳化钛、钛硼合金中的一种或两种以上；所述稀土添加物为稀土氧化物、稀土氟化物、稀土硅铁中的一种或两种以上；其中，稀土元素为镧或铈。

本发明同时提供如上所述的Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝在富Ar气保护焊接中的应用。

优选的，富Ar气保护焊接的焊接条件：电流220A；电压20V；气体流量20L/min，每层熔敷金属厚度不少于2mm。

本发明也提供如上所述的Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝在TIG焊接中的应用。

优选的，TIG焊接的焊接条件：电流150A，每层熔敷金属厚度不少于1mm。

本发明也提供如上所述的Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝在长期服役于高温高负荷工况的工件堆焊修复层中的应用，优选的，在Q235母材中的应用；服役环境为650-750℃高温环境、焊态硬度在HRC45-55。

所述焊丝是将碳钢冷轧钢带轧制形成U型槽，将药粉混匀烘烤后加入，并通过轧制、拉拔减径获得。制备为焊丝直径为1.6mm富Ar气保护焊丝或直径为2.0mm/2.5mmTIG直条焊丝。

其中，本发明中各元素作用效果如下：

C：与Cr、Mo、W、V等合金元形成碳化物，随着药粉中添加量升高，堆焊金属硬度、耐磨性增加；但过高的C含量导致合金层脆性增加、抗冲击韧性下降，同时由于碳化物是基体组织的强阴极相，会加速堆焊金属与母材的电化学腐蚀。

Cr：铬能够与碳相互作用生成硬度较高的碳化物，提高强度、硬度，这些碳化物可以起到抗磨相的作用，显著提高堆焊层的耐磨性；同时铬有红硬性和高温抗氧化性，使高温时仍能维持高硬度；而且铬还能固溶于基体中，提高基体组织的淬透性、硬度、耐磨性及耐蚀性。

Co：钴基本身具有耐蚀性，属固溶基体，碳与铬结合成坚硬的碳化物时，可提高熔敷金属的硬度。由于在熔敷金属中存在一定量铬，所以在氧化条件下能形成薄而紧密黏附的，起防护作用的氧化皮，因此在540-650度高温下，熔敷金属具有较好的抗蠕变性能和高温硬度。

V：与碳可以行成稳定的碳化物，是比较理想的碳化物硬质相，这主要是因为形成的碳化物质地坚硬，高温性能好，在磨损情况下不容易开裂。在形成碳化物硬质相时，可以形成碳化物的弥散强化，对提高材料的耐磨性有很重要的作用。

Mo：主要以共晶碳化物和固溶形式存在于熔敷金属中，在堆焊金属中的作用可以提高淬透性、产生固溶强化、抑制回火脆性；形成的碳化物具有增强二次硬化效应。不仅能够提高钢的淬硬性及其强度和延展性，更由于钼可以消除或减轻其他合金元素所造成的回火脆性而大大改善冲击韧度，钼在堆焊金属中的分布主要是固溶于基体中，提高淬硬性。

Si、Mn：硅、锰是铁基耐磨材料最常用的合金化元素，固溶于基体中提高基体强度；与O的亲和力较大，是良好的脱氧剂，有利于降低焊缝中的氧含量，防止CO₂气孔产生。

Ti：钛可在液相中优先在原位析出熔点高达3150℃和显微硬度3200HV的TiC相颗粒；固定堆焊金属中自由C原子减少形成脆性共晶的概率。但Ti加入过量时，易导致合金组织中初生M2B主耐磨相减少甚至消失，进而降低堆焊合金耐磨性。

稀土元素：少量RE具有细化晶粒、净化杂质S和P，改善堆焊金属高温抗氧化能力的作用；但稀土加入量过多时，易造成堆焊层组织疏松，硬度反而下降。

相对于现有技术，本发明所述的Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝，具有以下优势：

（1）本发明提供的药芯焊丝堆焊合金由孪晶马氏体、少量奥氏体、δ铁素体为基体+弥散的合金碳化物、金属间相组成，W、Mo、Co除部分溶入固溶体外，主要以碳化物和金属间相的形式存在。相变过程中在奥氏体基体中过饱和析出的金属间化合物（Laves相）和复合碳化物M6C、M23C6为主要强化相，能提升基体的热强性和高温硬度。

（2）本发明所述的Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝，稀土元素铈、镧起到净化晶界、细化晶粒的作用，有益于消除结晶裂纹、提高焊缝金属的韧性。

（3）本发明所述的Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝堆焊合金经过（550-600）℃*（4-8）h时效回火后，金相组织为索氏体+碳化物，二次碳化物析出、金属间化合物质点弥散+组织均匀化使得堆焊金属硬度略升高3-5HRC，高温耐磨性提升。

（4）本发明所述焊丝通过药粉组分及含量控制堆焊金属成分，Mo在堆焊金属中的物相主要是以固溶体的形式存在，Mo的碳化物相对较少，以Mo₂C形式存在。Mo在原始的奥氏体晶内与晶界分布不均匀，晶界必然会出现这种元素的富集，增加了奥氏体的稳定性，晶界存在残余奥氏体组织，由于V的碳化物形成能力较强，V优于Cr形成碳化物形成VC；Cr的碳化物固溶于基体中起到了固溶强化作用。

（5）本发明提供的药芯焊丝堆焊合金在使用过程中有“自身强化”的特点，受温度和应力的双重作用，发生形变强化、析出强化和诱发马氏体相变。滑动摩擦、粘着磨损和氧化磨损使得堆焊金属内部Laves相沿滑移带析出，冷热疲劳使得堆焊金属表面形成致密的Cr₂O₃氧化膜，对摩擦起到润滑作用的同时，能阻止氧化反应的继续进行。从而减弱粘着磨损的进程，延长使用寿命。

（6）本发明适用于耐磨和抗腐蚀要求高的长期服役于高温高负荷工况的工件。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的拉伸试样示意图。

具体实施方式

除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

下面结合实施例来详细说明本发明创造。

以下实施例中使用的，金属铬中，铬含量99.03wt%以上；75#硅铁中，硅含量75.46wt%，余量为铁；电解锰中，锰含量99.80wt%；钼铁中，钼含量57.67%，余量为铁；钒铁中，钒含量51.04wt%，余量为铁；钨粉中，钨含量98.22wt%；钴粉中，钴含量99.58wt%；各组分的颗粒度为60-200目。

实施例1

一种Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝，包括药芯和包覆在药芯外侧的碳钢冷轧钢带，所述药芯占焊丝总重量的比例为26%；

所述药芯包括如下重量百分数的组分：

金属铬45%，

75#硅铁1%，

电解锰2%，

钼铁8%，

钒铁1%，

钨粉6%，

钴粉15%，

钛添加物3%：选取钛含量28wt%的钛铁，

稀土添加物1%：稀土元素铈的氧化物：氧化铈，

铁粉18%，

所述焊丝的直径为1.6mm。

所述焊丝是将碳钢冷轧钢带轧制形成U型槽，将药粉混匀，经120℃烘烤3h后加入，并通过轧制、拉拔减径获得。

实施例2

一种Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝，包括药芯和包覆在药芯外侧的碳钢冷轧钢带，所述药芯占焊丝总重量的比例为27%；

所述药芯包括如下重量百分数的组分：

金属铬48%，

75#硅铁1%，

电解锰3%，

钼铁10%，

钒铁1%，

钨粉8%，

钴粉17%，

钛添加物3%：选取钛含量28wt%的钛铁，

稀土添加物1%：稀土元素铈的氧化物：氧化铈，

铁粉8%，

所述焊丝的直径为1.6mm。

实施例3

一种Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝，包括药芯和包覆在药芯外侧的碳钢冷轧钢带，所述药芯占焊丝总重量的比例为29%；

所述药芯包括如下重量百分数的组分：

金属铬47%，

75#硅铁1%，

电解锰3%，

钼铁10%，

钒铁1.5%，

钨粉9%，

钴粉18%，

钛添加物3%：选取钛含量28wt%的钛铁，

稀土添加物1%：稀土元素铈的氧化物：氧化铈，

铁粉6.5%，

所述焊丝的直径为1.6mm。

试验

将实施例1-3中制备的药芯焊丝在Q235母材上采用高温耐磨堆焊药芯焊丝堆焊10层，焊前进行预热处理，每层空冷至150℃-200℃再进行下一道焊接，每层确保堆焊金属成分为纯熔敷金属。

1、硬度测试

堆焊层硬度采用HBRV-187.5型布洛维硬度计测定，每个实施例堆焊层取10硬度点，最后得到该实施例堆焊层的平均洛氏硬度值，具体数值如表1。

表1 实施例1-3堆焊熔敷金属金属硬度表

经过600℃，8h回火处理后，再进行同上操作得出硬度值。

2、热稳定性试验

本发明模拟实际应用场景，通过堆焊金属冷热循环后的硬度损失表征其热稳定性，具体试验方法如下：

（1）制备熔敷金属试块：使用本发明焊丝在普通碳钢板上堆焊超过30mm厚的堆焊金属，由堆焊表层向下切割出厚度10mm（长50mm*宽30mm）的熔敷金属试块，同时制备同等规格的压铸模具钢3Cr2W8V试块做对标样，并测定2个试块正反两面的常温硬度。

（2）冷热循环试验：试验所用高温箱温度为700℃±20℃范围，低温箱温度为20℃±10℃，在试块到温后保温约5min后进行高温箱和低温箱之间的转换，500次冷热循环后测定常温硬度。

（3）同等条件下，计算试验试块和对标试块的硬度损失，硬度选取试块正反两面均匀分布10个硬度点的均值。

（4）试验结果具体数值如表2。

表2 实施例1-3堆焊熔敷金属金属磨粒磨损相对耐磨性

3、高温强度性能试验

本发明焊丝高温强度测定参照GB/T228.2-2015《金属材料拉伸试验第2部分：高温试验方法》标准实施，具体试验方法如下：

（1）制备拉伸试样：使用本发明焊丝在普通碳钢板上堆焊超过30mm厚的堆焊金属，由堆焊表层向下切割出厚度5mm（具体示意图，如图1所示，对应的尺寸如下表所示）试样。

拉伸试验尺寸/mm

（2）使用加热装置使试样加热到规定温度700℃，抗拉强度测试方法按照GB/T228.1—2021中的相关内容进行测定。

试验测试结果具体数值如表3。

表3 实施例1-3堆焊熔敷所制拉伸试样金属700℃抗拉强度

由试验结果可得，700℃抗拉强度本发明合金＞500MPa，3Cr2W8V≈400MPa。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝，包括药芯和外皮，其特征在于：所述药芯包括以下质量分数的组分：金属铬45%-60%，75#硅铁1%-3%，电解锰2%-5%，钼铁8%-15%，钒铁0.5%-3%，钨粉6-12%，钴粉15%-30%，钛添加物3%-8%，稀土添加物1%-5%，其余为铁粉，其中各组分的质量分数之和为100%。

2.根据权利要求1所述的Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于：所述药芯占焊丝总重量的比例为25%-30%；所述外皮为碳钢冷轧钢带。

3.根据权利要求1所述的Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于：所述金属铬中，铬含量99wt%以上；75#硅铁中，硅含量74wt%-80wt%，余量为铁；电解锰中，锰含量99.70wt%以上；钼铁中，钼含量57wt%-60wt%，余量为铁；钒铁中，钒含量50wt%-55wt%，余量为铁；钨粉中，钨含量98wt%以上；钴粉中，钴含量99.5wt%以上；各组分的颗粒度为60-200目。

4.根据权利要求3所述的Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于：所述75#硅铁中，硅含量75wt%，余量为铁；钼铁中，钼含量59wt%，余量为铁；钒铁中，钒含量50wt%，余量为铁。

5.根据权利要求1所述的Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于：所述钛添加物为钛铁、碳化钛、钛硼合金中的一种或两种以上；所述稀土添加物为稀土氧化物、稀土氟化物、稀土硅铁中的一种或两种以上；其中，稀土元素为镧或铈。

6.根据权利要求1-5任一项所述的Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝在富Ar气保护焊接中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：富Ar气保护焊接的焊接条件：电流220A-260A；电压20V-22V；气体流量20L/min-25L/min；每层熔敷金属厚度不少于2mm。

8.根据权利要求1-5任一项所述的Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝在TIG焊接中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：TIG焊接的焊接条件：电流140A-160A；每层熔敷金属厚度不少于1mm。

10.根据权利要求1-5任一项所述的Fe基高温耐磨堆焊药芯焊丝在服役于高温高负荷工况的工件堆焊修复层中的应用，其特征在于：服役环境为650-750℃高温环境、焊态硬度在HRC45-55。