CN1186167C

CN1186167C - 高硬度高耐磨自保护堆焊药芯焊丝

Info

Publication number: CN1186167C
Application number: CN 03153132
Authority: CN
Inventors: 栗卓新; 蒋旻; 蒋建敏; 魏琪; 贺定勇
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2023-08-08
Also published as: CN1478632A

Abstract

一种高硬度高耐磨自保护堆焊药芯焊丝属于材料加工工程中的焊接领域。本发明提供的药芯焊丝，所述的药芯成分质量百分比含量如下：45～60%高碳铬铁，5～15%TiB₂，4～8%75^#硅铁，5～10%Mn，2～5%硼铁，1～3%硅灰石，2～5%ZrO₂，5～15%TiO₂。该药芯中还可含有以下一种或几种成分：Na₂CO₃：0～3%，Na₂SiF₆：0～3%，NaF：0～3%，LiF：0～3%。其研制在国内、国外尚未见相关的专利及文献报道。自保护药芯焊丝具有：①不需外加保护气源，焊枪结构简单、重量轻，便于操作；②具有优良的抗风能力，通常能在四级风下顺利施焊；③对装配尺寸的要求不高；④优良的抗锈能力的优点，适用于管道施工中的下向焊接，具有生产效率高、抗风能力强、焊接质量好和易于掌握等优点。

Description

高硬度高耐磨自保护堆焊药芯焊丝

技术领域

一种高硬度高耐磨自保护堆焊药芯焊丝属于材料加工工程中的焊接领域，该发明主要应用于磨煤辊、水泥磨盘、钢厂淄槽等的堆焊修复。

背景技术

现有的堆焊技术手段主要是手工电弧堆焊、埋弧自动堆焊和等离子堆焊。这些堆焊方法都存在着不同程度的问题。总的来说主要表现为生产效率低(如手工电弧堆焊不能够自动、连续施焊)；成本过高(如埋弧自动堆焊，堆焊一吨金属需2～3吨焊剂)；污染环境(焊剂的处理是一大问题)。自保护药芯焊丝堆焊是近年来迅速发展起来的一种新型表面工程技术。

自保护药芯焊丝由于其具有：①不需外加保护气源，焊枪结构简单、重量轻，便于操作；②具有优良的抗风能力，通常能在四级风下顺利施焊；③对装配尺寸的要求不高；④优良的抗锈能力。由于自保护药芯焊丝所具有的上述特点，它适用于管道施工中的全位置焊接，具有生产效率高、抗风能力强、焊接质量好和易于掌握等优点。已在国外的油气管道、冶金高炉以及城市高层钢结构建设中得到广泛应用。

近年来自保护药芯焊丝应用于堆焊，并迅猛发展成为一种新型表面强化技术。自保护药芯焊丝堆焊无须保护气体，无需焊剂，操作简便，采用平特性电源，可自(半)动焊接。与目前常用的埋弧堆焊、手工堆焊相比其特点为：①清洁：自保护药芯焊丝堆焊是一种清洁的表面强化技术，该方法无须外加保护气体和焊剂，因而工作环境清洁，焊枪结构简化，可方便地在焊枪上方增加集中排尘装置，使得焊接工作环境得以较大改善。这是其它焊接方法所不能比拟的。②高效：在自保护药芯焊丝电弧焊中，电弧在钢皮上燃烧，导电面积相对于实芯焊丝和焊条小，电流密度增大，熔敷速度加快，通常自保护药芯焊丝熔敷速度比实芯焊丝和手工焊高。③低成本：自保护药芯焊丝堆焊可节省约20％熔敷金属。此外自保护药芯焊丝堆焊无需焊剂和保护气体，减少辅助材料的费用，并具有较低的稀释率。因此自保护药芯焊丝堆焊是目前堆焊方法中较经济、方便的绿色焊接技术。

自保护堆焊药芯焊丝的研制在国内、国外尚未见相关的专利及文献报道。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服传统堆焊方法及堆焊材料中存在的问题，提供一种高硬度高耐磨自保护堆焊药芯焊丝。

本发明所提供的高硬度高耐磨自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述的药芯成分质量百分比含量如下：

45～60％高碳铬铁，5～15％TiB₂，4～8％75^#硅铁，5～10％Mn，2～5％硼铁，1～3％硅灰石，2～5％ZrO₂，5～15％TiO₂。

药芯中还可含有以下一种或几种成分：

Na₂CO₃：0～3％，Na₂SiF₆：0～3％，NaF：0～3％，LiF：0～3％。

药芯中主要成分作用如下：

高碳铬铁：引入C和Cr，堆焊层硬度和耐磨性随含C量增加而增加。Cr是铁素体元素，随含Cr量增加，可限制奥氏体晶粒粗大化，当含C量足够时，形成Cr₇C₃，堆焊层的耐磨性能随之提高。

TiB₂：加入TiB₂，可作为焊缝金属的陶瓷硬质增强相，提高其硬度和耐磨性。硼化物陶瓷是一类具有特殊物理性能和化学性能的陶瓷，具有高熔点、高化学稳定性、高硬度、高导电率、耐侵蚀、耐高温、耐热冲击、耐熔敷金属腐蚀、比重轻等与众不同的特殊性能。TiB₂的各项性能见表1。

基于上述优点，将少许TiB₂加入药芯成分当中，可以显著地提高熔敷金属的硬度和耐磨性。在焊缝表面，均匀地分布着少许横向裂纹，可有效地释放焊接应力。TiB₂对熔敷金属硬度的影响见图1。由图可见，在开始阶段，随TiB₂含量增加，熔敷金属硬度随之增加，但当TiB₂含量超过14％时，硬度趋于稳定。

75^#硅铁：Si能脱氧，并具有强烈的固溶强化作用，增加淬硬性和回火稳定性，提高耐热性和耐蚀性，并可降低液态金属表面张力。

Mn：Mn具有良好的脱氧和脱硫作用，并具有较强的固溶强化作用；能提高淬硬性。

硼铁：B在焊缝凝固过程中与N结合为BN，降低固溶N的含量。固溶B能抑制γ晶间的先共析铁素体的析出。

硅灰石：主要作用是造渣，并可调整熔渣的熔点、粘度、表面张力和流动性。

ZrO₂：俗称锆英石，主要起造渣作用，调整熔渣的物化性能，改善脱渣性。

TiO₂：是渣形成组分，可以改善渣的覆盖性能和焊缝脱渣性。另外，它还起到使电弧集中，稳定，从而减少飞溅的作用。本发明中TiO₂均以天然金红石方式加入，其中TiO₂质量百分比含量＞96％。

Na₂CO₃：受热分解产生CO₂气体和Na离子，CO₂气体可起气保护作用，Na离子可稳定电弧。

Na₂SiF₆，NaF，LiF：多种氟化物调整熔渣熔化温度，降低熔渣粘度，张力。

药芯的组分中，氟化物所占比例很小，不超过总组分的10％，采用本药芯焊丝堆焊时，电弧稳定，飞溅颗粒极小且量少，焊道成形美观，脱渣容易。此焊丝主要运用于磨煤辊、水泥磨盘、钢厂淄槽等的堆焊修复。

本发明的制备方法采用现有技术，包括以下步骤：

1、钢带轧成U形，再向U形槽中加入占本发明焊丝总重的38-58％的本发明药芯(所选用粉末粒度为20～120目)；

2、将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.0～3.2mm，得到最终产品。

附图说明

图1：TiB₂对熔敷金属硬度的影响；

图2：药芯焊丝成形工艺示意图；

图3：磨粒磨损试验机原理示意图；

1—载荷；2—式样槽；3—试样；4—橡胶轮；5—磨料(水加石英砂)。

具体实施方式

所有实施例焊丝都是由昆明重机厂制造的“FCWM50被动拉拔式药芯焊丝机”制出：

自保护堆焊药芯焊丝由于无外部气体和焊剂保护，焊接过程中全靠自身药芯成分来进行保护，还要获得良好的焊接工艺；再者，要达到高硬度高耐磨的性能要求，其中要有足够的合金含量。自保护堆焊药芯焊丝自身的这些特点决定了其必须具有较高的填充率，需采用较宽的钢带来满足要求。本发明选用宽度为16mm～20mm，厚度为0.4mm～0.6mm的钢带来制造焊丝。

1.选用16×0.4(宽度为16mm，厚度为0.4mm)的H08A冷轧钢带。先将其轧成U形。高碳铬铁粉末45％(质量百分比，下同)、TiB₂粉末15％、75^#硅铁8％、金属锰粉末10％、硼铁粉末2％、硅灰石粉末3％、锆英石粉末2％、天然金红石粉末10％、Na₂CO₃粉末3％、LiF粉末1％、Na₂SiF₆粉末1％。配制药粉500克。所取粉末的粒度为能通过20目的筛子。将所取各种粉末放入混粉机内混合40分钟，然后将混合粉末加入U形的H08A冷轧钢带槽中，填充率为38％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：4.2mm、3.6mm、3..4mm、3.15mm、2.95mm、2.8mm、2.6mm、2.4mm、2.2mm、2.0mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.0mm。堆焊层熔敷金属硬度及相对耐磨性见表2。

2.选用16×0.4(宽度为16mm，厚度为0.4mm)的H08A冷轧钢带。先将其轧成U形。高碳铬铁粉末50％(质量百分比，下同)、TiB₂粉末12％、75^#硅铁6％、金属锰粉末9％、硼铁粉末5％、硅灰石粉末2％、锆英石粉末4％、天然金红石粉末5％、Na₂CO₃粉末1％、NaF粉末3％、Na₂SiF₆粉末3％。配制药粉500克。所取粉末的粒度为能通过60目的筛子。将所取各种粉末放入混粉机内混合40分钟，然后将混合粉末加入U形的H08A冷轧钢带槽中，填充率为45％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：5.0mm、4.6mm、4.2mm、3.6mm、3..4mm、3.15mm、2.95mm、2.8mm、2.6mm、2.4mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.4mm。堆焊层熔敷金属硬度及相对耐磨性见表2。

3.选用18×0.5(宽度为18mm，厚度为0.5mm)的H08A冷轧钢带。先将其轧成U形。高碳铬铁粉末55％(质量百分比，下同)、TiB₂粉末8％、75^#硅铁5％、金属锰粉末7％、硼铁粉末4％、硅灰石粉末3％、锆英石粉末3％、天然金红石粉末9％、Na₂CO₃粉末2％、LiF粉末3％、Na₂SiF₆粉末1％。配制药粉500克。所取粉末的粒度为能通过100目的筛子。将所取各种粉末放入混粉机内混合40分钟，然后将混合粉末加入U形的H08A冷轧钢带槽中，填充率为50％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：5.8mm、5.4mm、5.0mm、4.6mm、4.2mm、3.6mm、3..4mm、3.15mm、2.95mm、2.8mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.8mm。堆焊层熔敷金属硬度及相对耐磨性见表2。

4.选用20×0.6(宽度为20mm，厚度为0.6mm)的H08A冷轧钢带。先将其轧成U形。高碳铬铁粉末60％(质量百分比，下同)、TiB₂粉末5％、75^#硅铁4％、金属锰粉末5％、硼铁粉末3％、硅灰石粉末1％、锆英石粉末5％、天然金红石粉末15％、Na₂CO₃粉末1％、Na₂SiF₆粉末1％。配制药粉500克。所取粉末的粒度为能通过120目的筛子。将所取各种粉末放入混粉机内混合40分钟，然后将混合粉末加入U形的H08A冷轧钢带槽中，填充率为58％。将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为：6.4mm、6.0mm、5.8mm、5.4mm、5.0mm、4.6mm、4.2mm、3.6mm、3..4mm、3.2mm、的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到3.2mm。堆焊层熔敷金属硬度及相对耐磨性见表2。

图1和表2所打硬度均采用HR-150A洛氏硬度机，载荷为150kg，对堆焊层打硬度，最后得到该焊丝堆焊层的平均洛氏硬度值。

磨粒磨损实验

试样尺寸：57mm×25.5mm×6mm。试样切好后，在磨床上磨光表面，同时保证磨损面和基面相互平行。图3为磨粒磨损试验机原理示意图。

试验原理：试验时装上60邵尔硬度的橡胶轮，并将预磨损试样置于夹具杆的试样槽内，使试样堆焊层表面的正中对准橡胶轮缘，施加一个载荷，通过杠杆作用，使磨损表面受到一个正压力。利用转动的橡胶轮带动与水混合的石英砂磨粒对堆焊层产生磨损，通过测定磨损试样的失重来确定堆焊层的耐磨性能。磨损后用万分之一光学分析天平测量磨损试样的磨损量。

实验条件：橡胶轮转速240rpm；橡胶轮直径176mm；橡胶轮硬度60(邵尔硬度)；水1000克，磨料为1500克、40～70目石英砂；载荷7kg，磨损时间4分20秒，橡胶轮总转数1000转。

本实验采用45^#淬火钢(HRC51.5)作为标准试样进行比较。

所得结果见表2。

表1 TiB₂的各项性能一览表。

熔点	硬度	电阻率	化学稳定性	抗侵蚀性	高温性能
熔点	硬度	电阻率	化学稳定性	抗侵蚀性	高温性能	3253℃	仅次于金刚石和立方碳化硼	为石墨的二分之一	在1100℃高温抗氧化	抗熔融有色金属、冰晶石、酸渣的侵蚀	能在很高的温度下保持良好的机械性能，如：硬度、强度、耐热冲击

表2各实施例堆焊层熔敷金属的硬度HRC与相对耐磨性

	硬度(HRC)	相对耐磨性(ε)
	硬度(HRC)	相对耐磨性(ε)	1	65	16.25
2	63	14.57	1	65	16.25
2	63	14.57	3	61	13.32
4	61	13.28	3	61	13.32

Claims

1、一种高硬度高耐磨自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述的药芯包括以下质量百分比含量的物质：45～60％高碳铬铁，5～15％TiB₂，4～8％75′硅铁，5～10％Mn，2～5％硼铁，1～3％硅灰石，2～5％ZrO₂，5～15％TiO₂。

2、根据权利要求1所述的高硬度高耐磨自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述的药芯还包括以下质量百分比含量的物质：Na₂CO₃：0～3％，Na₂SiF₆：0～3％，NaF：0～3％，LiF：0～3％。