CN1465465A - 一种粘着磨损用堆焊药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粘着磨损用堆焊药芯焊丝。焊丝外皮由08钢带或其他低碳钢制成管状，焊丝管内填装合金粉。按重量百分比，其合金成分配比为：C：0.5～0.8％，Cr：7～16％，Mo：0.5～2％，W：3～9％，V：0.4～1.2％，Ti：0.5～1.2％，Si：0.3～1％，Mn：0.8～2％，Re：0.005～1.5％，Re为混合稀土，可以是Y：0～1.5，Yb：0～1，La：0～1，余量为Fe。本发明提供的药芯焊丝可采用埋弧焊和气体保护焊方法堆焊。堆焊金属硬度高，抗金属间磨损性能好，抗裂性极佳。可用于轧辊、模具、剪刃、齿轮、轴类等的堆焊制造和修复。

Description

一种粘着磨损用堆焊药芯焊丝

所属领域

本发明涉及焊接材料，具体地说是一种焊丝。主要应用于以冷轧工作辊、冷冲模具、冷剪刃等常温下工作的冲压成型部件及齿轮、轴类的堆焊制造和修复。也适用于对硬度要求较低的(HRC50～55)热成型部件的堆焊制造和修复。

背景技术：

常温冲压成型工作部件在是指冷态下，即非高温状态下通过挤压或冲制的方式将金属加工成型的工作部件，如冷轧工作辊、冷冲模、冷挤压模等。目前，对硬度要求较低的(HRC40～55)抗粘着磨损部件及热冲压成型部件的堆焊制造和修复问题已得到很好的解决。以冶金行业为例，连铸机导辊、拉矫辊是连铸生产线上的重要部件，因磨损失效率很高，而且失效批量大，其堆焊制造和修复技术发展很快，并且在生产中得到广泛应用，如日本新日铁公司、日立公司、法国洛林连轧公司以及瑞士、德国等部分钢铁工业用复合制作技术堆焊制造复合拉矫辊取得显著成果。国内如宝钢、鞍钢、武钢、包钢、酒钢也均采用复合堆焊制造技术制造和修复连铸导辊，使得失效后的辊材得以修复后重复使用。在工作条件更为恶劣的热轧工作辊的堆焊制造技术方面，国内已取得重大进展。哈尔滨焊接研究所的研究成果取得了显著成效，其堆焊制造热轧工作辊技术(尤其堆焊材料)已达到国际先进水平，研制的热轧工作辊堆焊材料已广泛应用于国内各大主要钢厂的热轧辊批量规模制造，并已成为国内堆焊制造热轧工作辊的主要堆焊材料，创造了可观的经济效益和社会效益。该堆焊材料亦成功地应用于多种热冲锻模具的堆焊制造和修复。

关于局部补焊修复冷挤压模、冷冲模方面国内外已有大量报导，无论所采用的堆焊材料还是堆焊工艺均因母材及工件形式不同差别很大，在生产中应用的范例很多。但采用堆焊复合制造高硬度(HRC≥60)大型冷成形部件则少有报道，尤其是综合性能好的堆焊药芯焊丝，目前国内外尚未见有在生产中应用的报道。

技术方案

本发明目的是公开一种粘着磨损用堆焊药芯焊丝。药芯焊丝堆焊金属硬度值≥HRC60；抗裂性指标与YS-16药芯焊丝相当，其堆焊金属硬度值为HRC50～52，抗裂性优良，成功地堆焊56T大型热轧工作辊无裂，抗粘着磨损性能与冷轧工作辊材质9Cr2Mo钢淬火状态相当。综合技术指标达到先进水平。

本发明其特征在于：焊丝外皮由08钢带或例似低碳钢制成管状，焊丝管内填装合金粉；焊丝的粉芯中各种粉料的重量配比为：C：0.5～0.8％、Cr：7～16％、Mo：0.5～2％、W：3～9％、V：0.4～1.2％、Ti：0.5～1.2％、Si：0.3～1％、Mn：0.8～2％、Re：0.005～1.5％、Re为混合稀土，可以是Y：0～1.5％、Yb：0～1％、La：0～1％、余量为Fe；粉芯占焊丝的重量百分比为15～50％。

下文所述合金元素含量均为重量百分比

根据冷压、冷冲成型部件的使用性要求，在确定合金元素含量范围时，首先必须严格控制C的含量范围，适宜的C含量是保证堆焊金属硬度和耐磨性的基础。众所周知，C是马氏体形成元素，可以使堆焊金属形成饱和及过饱和固溶体，引起晶格畸变，提高堆焊金属的硬度，达到强化的效果。C还可以与合金元素相互作用，形成一次碳化物，提高堆焊金属的耐磨性。适当的C含量还可以与多种元素同时作用形成弥散分布的碳化物，增加液态金属的形核质点，细化晶粒，达到弥散强化的效果，提高堆焊金属的韧性。但C的含量不宜过高，也不宜单独增加C的含量。因为过高的C含量会造成C的偏析，形成碳化物残存于堆焊金属晶界，降低晶界强度或形成微观缺陷，在焊接应力的作用下产生裂纹。此外，单独增加C含量，还会形成粗大的片状马氏体，使材料变脆，韧性降低，抗裂性变坏。因此，要保证堆焊金属具有高硬度和高耐磨性，并且兼顾抗裂性，还必须加入其他强化元素，而且C含量不能过高。在本发明提供的药芯焊丝中，C的含量范围为0.5～0.8wt％。

Cr是缩小奥氏体区的元素，Cr的加入有利于马氏体转变，增加堆焊金属的淬透性，提高堆焊金属的硬度。适当的Cr含量还可以增加熔敷金属的形核质点，具有阻止奥氏体晶粒长大的作用。Cr和C形成的碳化物还可以提高堆焊金属的耐磨性和热稳定性。因此，Cr是堆焊金属具有高硬度、高耐磨性不可缺少的元素之一。但综合考虑合金元素的相互作用，Cr的含量不宜过高，根据舍弗勒图(Schaeffler diagram)和笛龙图(DeLong diagram)，Cr的含量直接影响堆焊金属的Cr当量，当堆焊金属的Cr当量达到一定值时，就会进入奥氏体或铁素体形成区，增加堆焊金属奥氏体或铁素体含量，降低堆焊金属硬度，不利于堆焊金属硬度的提高。因此，本发明提供的药芯焊丝Cr含量范围为7～16％wt％.

Mo，W对于提高堆焊金属的淬透性作用更显著，适量的Mo，W还具有阻止奥氏体晶粒长大、细化晶粒、提高堆焊金属韧性的作用。Mo，W都是碳化物形成元素，它们在堆焊金属中能形成稳定的碳化物，有利于提高堆焊金属的耐磨性。另外，在有热冲击的情况下，当堆焊金属表面达到一定温度后，晶界强度会低于晶粒本身强度，加入适量的Mo，Cr可提高晶界强度，进而提高堆焊金属的抗热冲击和蠕变性能。但过高的Mo，W含量同样会成造偏析，使得Mo，W形成的碳化物聚集于晶界，降低晶界强度，使堆焊金属脆化，不利于抗裂性的提高。本发明提供的药芯焊丝中，Mo的含量变围为0.5～2％wt％，当Mo的含量范围为0.8～1.5wt％效果更好。W的含量范围为3～9％wt％.

V是强碳化物形成元素，在熔敷金属凝固过程中，由于能够形成不易溶入奥氏体的稳定碳化物，使得堆焊金属中的平均C含量高于奥氏体中的C含量，进而影响形成的马氏体形态，其作用程度较Mo，W更显著。此外，在影响奥氏体晶粒长大方面，合金元素的作用也各不相同，其中，强碳化物形成元素V，Nb阻止奥氏体晶粒长大倾向更强烈。在有热冲击时，由于V，Nb一般不固溶于马氏体中，且形成的碳化物较稳定，因此，不会影响马氏体分解。另外，V形成的碳化物可以阻碍C原子的扩散，降低马氏体的分解，使堆焊金属具有较高的回火稳定性。在晶界强化方面，V的效果也更显著。但当堆焊金属的一次碳化物含量过高时，会造成偏析严重或形成“消应力裂纹”，不适于粘着磨损。因此，堆焊金属要保证优良的抗裂性，V，Nb的含量应控制在较抵的水平，本发明提供的药芯焊丝的V含量范围均为0.4～1.2％wt％。

Mn能和奥氏体Fe无限固溶，是扩大奥氏体区元素。Mn对堆焊金属性能的影响主要在于固溶强化，增加堆焊金属的淬透性。由于马氏体转变为非扩散型相变，合金元素不影响其转变动力学，但能显著影响马氏体转变温度和残余奥氏体量，大多数合金元素均降M_s点，其中Mn的作用最强。因此，适当地调整Mn含量可以控制堆焊金属的残余奥氏体含量，进而调整堆焊金属硬度与抗裂性的匹配关系。此外，药芯焊丝中加入适量的Mn还具有脱氧、脱硫的作用，可以净化堆焊金属、避免产生FeS低熔点共晶，提高堆焊金属的韧性。其反应式为：

[Mn]+[FeO]＝[Fe]+(MnO)

[Mn]+[S]＝(MnS)

但Mn含量过高时也会造成偏析，使堆焊金属性能变坏。本发明提供的药芯焊丝的Mn含量范围为Mn：0.8～2％wt％。

Si为非碳化物形成元素，主要与Fe形成固溶体，对阻止奥氏体晶粒长大作用轻微，对堆焊金属淬透性的影响也较小，Si对马氏体转变温度几乎没有影响。药芯焊丝中含有适量的Si还可以配合Mn起到联合脱氧的作用，Si的脱氧反应式为：

[Si]+2[FeO]＝2[Fe]+(SiO₂)

本发明提供的药芯焊丝的Si含量范围为0.3～1wt％。

稀土是强还原性元素，在电弧过渡过程中具有保护和净化熔滴的作用。另外，稀土在熔池中还具有脱O、脱S和变质作用，减少堆焊金属中的夹杂物含量，钇基稀土在焊接过程中还具有去H的作用。本发明提供的药芯焊丝具有高抗裂性的重要原因是药芯中含有适量的稀土元素和Ti。

稀土的脱O、脱S作用主要通过还原反应实现的。研究结果表明，稀土的变质作用，主要通过与堆焊金属中的Ti，V等微量元素作用，生成弥散分布的硬质点，改善堆焊金属的组织，提高韧性。另外，稀土还可以与残留于堆焊金属中的O、S等形成稀土氧化物和稀土硫化物，改变O、S等在堆焊金属中的存在形式和分布形态，这些作用都有利于堆焊金属抗裂性的提高。

稀土元素配合Ti的联合使用效果更优异，可有效地抑制合金元素的偏析，使组织均匀化，抗裂性明显提高。适量的Ti在堆焊金属中还可形成弥散分布的TiC，改善一次和二次结晶组织，细化晶粒，提高抗裂性。本发明提供的药芯焊丝的稀土含量范围为Re：0.005～1.5wt％，Y：0～1.5wt％，Yb：0～1wt％，La：0～1。强还原活性元素Ti的含量范围为0.5～1.2wt％。

冷压、冷冲成型部件与热压、热冲成型部件的工作条件差别很大，对其性能要求也有很大差别。由于冷压成型部件是在冷态下将金属加工成型的，因此，其工作条件更为恶劣，对其表面性能的要求更高，堆焊制造和修复的难度也更大。以冶金工业生产为例，图1和2分别是宝钢由德国SMS公司引进的热轧机及冷轧机的一些技术数据比较。

其中图1的2050热轧机是由德国SMS引进的高产量、高速度、高质量和全线自动化的第五代轧机。设计年产量400万吨板卷。该设备的轧辊单重为3.5～47吨。图2的2030冷轧机是从SMS公司成套引进的国内第一套全连续式冷轧机，在目前世界上近200套冷连轧机中设计产量处于第二位(年产量210万吨)。轧辊单重为2.5～40吨。

图1为宝钢2050钢板热轧机技术数据

图2为宝钢2030冷轧机技术数据

图中R1～R4表示第一～第四架粗轧机；

    F1～F7表示第一～第七加精轧机；

    E1～E4表示每加粗轧机前的立辊。

由图1和图2轧机工作条件和技术数据的对比可以看出，冷连轧机的轧制速度远远大于热轧机，且轧制力与热轧机相当，从而使冷轧工作辊在更大的静载荷和动载荷下工作。由于轧辊表面与轧材之间存在着巨大的摩擦力，往往会使辊面迅速拉毛，从而加剧摩擦并出现疲劳裂纹。同时，生产中不可避免的轧钢事故如跑偏、折叠、缠辊、粘钢、打滑、甩尾等甚至可能产生高于相变点温度的热冲击，也会使轧辊瞬间损坏。这些条件决定了冷轧工作辊必须具备下列性能：

1.具有较高的抗断裂和抗剥落性能。轧辊在轧制力下产生的裂纹、弯曲、扭曲以及轧辊本身的剪切应力均会导致轧辊的断裂和剥落。

2.具有较高的抗热冲击(抗网状裂纹)和抗事故的能力。网状裂纹一般是轧辊在出现轧钢事故时，由于钢板缠辊和粘辊而造成的，是冷轧中常见事故。

3.具有很高的耐磨性能，从而保证钢板的表面质量。整体合金钢制造的冷轧工作辊具有以下要求：

(1)轧辊应具有较高的硬度(＞HS90，相当于HRC60～62)和硬化层深度；

(2)轧辊应具有低级别的树枝状结晶组织；

(3)轧辊应由高纯度钢制造，具有较低的夹杂物含量。

由此可见，高表面硬度、高耐磨性、良好的抗热冲击性、抗剥落性是冷轧辊选材的主要标准。从我国国标规定的高硬度、大尺寸冷轧工作辊用钢的钢号，如图3所示中也说明了这一点。

图3为冷轧工作辊用钢及化学成分(wt％)；

目前，国内外冷轧工作辊、冷冲模具等普遍采用类似图3所示的高碳合金工具钢整体制造，通过锻造、热处理等方法提高表面硬度来达到使用性能要求的，由于冷压、冷冲成型部件对工作层硬度要求很高，热处理及加工工艺复杂，加之采用整体高合金钢制造，因此制造成本很高，并且失效后很难重复使用。多年来，国内外一些研究单位和生产企业一直在探索新的制造途径，以降低制造成本、实现修复后重复使用，如采用堆焊方法复合制造，同时也尝试采用堆焊方法来修复这些已失效的部件。但到目前为止，无论是堆焊制造还是修复，对于硬度要求高的大型部件，仍没有合适堆焊材料，试验研究工作开展很多，但效果都不是很理想。由于冷压、冷冲成型部件尤其是大型部件刚性拘束大，工作层硬度要求高，在保证高硬度的前提下，要达到对工件进行大面积多层堆焊而不裂，还有相当难度，国内外还没有合适的堆焊材料解决这一难题。

一般情况下，用于粘着磨损的堆焊金属，随着其硬度值升高抗裂性逐渐变差，尤其在硬度值达HRC60时，这一矛盾表现得尤为突出。本发明提供的药芯焊丝关键在于解决了这一矛盾，使堆焊金属同时兼备高硬度、高抗裂性和高耐磨性。

附图说明

图1为宝钢2050钢板热轧机技术数据表；

图2为宝钢2030冷轧机技术数据表；

图3为冷轧工作辊用钢及化学成分数据表；

图4为CrMoWVTi和CrMoWV堆焊金属的能谱分析结果数据表；

图5为白色带状组织中的黑色条状和颗粒状组织能谱分析成分数据表；

图6为堆焊金属的O、S、P含量值数据表；

图7为CrMoWVTi和CrMoWV堆焊金属综合性能对比数据表；

图8为CrMoWVTi熔敷金属金相组织×400；

图9为CrMoWV熔敷金属金相组织×400；

图10为CrMoWV堆焊金属裂纹金相照片；

图11为堆焊后的轧辊经着色探伤结果。

实施方案

采用堆焊技术制造和修复冷成型部件，可以综合考虑工件强度、工作层硬度、耐磨性等因素的合理匹配。如针对工作层的失效特点，利用堆焊层所具有的特殊性能，使堆焊的工作层在充分满足使用性要求的同时，还可以根据部件的强度要求采用相应的部件钢种以达到性能的合理匹配，最终满足综合使用性要求。且失效后的冷成型部件可重复堆焊使用，从而大大降低了制造成本，提高了被堆焊部件利用率及使用寿命。

目前，我国冶金行业冷轧辊的年报废率相当高。椐统计，1999年我国冷轧板的年产量为723万t，工作辊的换辊周期一般为1000～3000t一次，年报废的冷轧辊高达2500～7000t，报废的辊材基本上不能修复使用。由于重新冶炼成本过高，很多企业失效后的冷轧辊常年堆积如山，找不到很好的处理办法，年造成经济损失高达数亿元人民币。在我国首钢的成本消耗中，原料(钢坯)消耗通常占轧钢成本的90％，加热炉燃耗占整个轧钢工序能耗的60～70％。由此可见，采用堆焊技术制造和修复冷轧辊可大大降低企业的原材料和能源消耗，是企业降低成本、提高效益的重要途径。

芯焊丝药用于堆焊生产，在很大程度上提高了堆焊自动化水平。由于耐磨堆焊材料的合金量高、硬度高、塑性差，一些硬度较高的堆焊材料利用冶金拉拔方法制成实芯焊丝难度很大，甚至一些材料无法通过冶金拉拔制成实芯焊丝，如本发明提供的高硬度芯焊丝药等。药芯焊丝的应用和发展使得这些高合金含量、硬度高的堆焊材料能够制成用途广泛的自动化生产用焊丝，在很大程度上取代了多种手工堆焊工艺方法，提高了生产效率、降低了工人劳动强度。因此，硬度高堆焊药芯焊丝用于现代自动化生产具有不可替代的优势。此外，对合金含量高、成分变化多、生产批量小的焊丝生产，药芯焊丝具有很强的适应性。

本发明提供的药芯焊丝称之为1#堆焊药芯焊丝，其不加入稀土、Ti的堆焊药芯焊丝称之为2#(其它元素含量相同)，以下是对二者进行抗裂性分析之一例。

1#和2#堆焊金属的金相组织如图8、9所示。二者的金相组织均为隐针马氏体+少量残余奥氏体+少量碳化物。由图9可见，2#有明显的粗大白色带状马氏体组织偏析，而在1#的组织中没有。由图3可见，裂纹主要是沿着这些白色带状组织产生的。

为进一步确定合金元素的偏析程度，本文对堆焊金属组织中的不同部位进行了扫描电镜的能谱分析，分析结果见图4、5所示。

由图4可见，2#组织中Cr、Mo、W、V的偏析量明显高于1#。尤其是Cr，在浅色组织和深色组织中的平均含量分别为9.49wt％和4.42wt％，相差5.07wt％；而在1#的浅色组织和深色组织中，Cr的含量偏差仅为1.7wt％。

由图9可见，在白色带状组织中还含有黑色条状和颗粒状组织，其成分的能谱分析结果见图5所示。分析结果显示，该区域的强碳化物形成元素很高。可以判定，这些黑色条状和颗粒状物质是大量碳化物的聚集体。

图4为CrMoWVTi和CrMoWV堆焊金属的能谱分析结果wt％；

图中：I、II、III为每种组织分析的三个点位。

图5为白色带状组织中的黑色条状和颗粒状组织能谱分析成分wt％；图中：I、II为两个不同测试点。

由以上的分析结果可见，2#的组织偏析程度大大高于1#，严重偏析造成了堆焊组织的显微缺陷、低强、组织不均匀性、和脆化，是堆焊金属抗裂性低的主要原因。稀土和Ti在抑制合金元素偏析方面起了重要作用，是1#堆焊金属具有高抗裂性的重要原因。

另外，本文对1#和2#堆焊金属的O、S、P含量进行了分析。结果显示，1#的O、S含量较2#低很多，如图6所示。

图6为堆焊金属的O、S、P含量值

可见，稀土和Ti的强氧化性，对堆焊金属起到了脱氧、脱硫的净化作用，对减少低熔点共晶、提高材料的韧性起到了一定作用，从而使抗裂性也得到了一定提高。同时，也实现了在焊接条件下满足“轧辊应具有低级别的树枝状结晶组织；轧辊应由高纯度钢制造，具有较低的夹杂物含量”的客观要求。

大量试验表明，药芯焊丝中加入一定量的稀土和Ti对堆焊金属抗裂性的提高有明显的作用。但应注意控制稀土和Ti加入量，试验结果证明，加入过高稀土和Ti，也会造成抗裂性的变坏。

1#和2#堆焊金属综合性能对比之一例见图7所示。试验方法从略。

图7为CrMoWVTi和CrMoWV堆焊金属综合性能对比

本发明提供的药芯焊丝采用埋弧焊方法获得的堆焊金属主要性能指标为：

(1).药芯焊丝堆焊金属硬度值≥HRC60；

(2).抗裂性指标与哈尔滨焊接研究所研制的YS-16药芯焊丝相当，YS-16是热轧工作辊堆焊制造用药芯焊丝，其堆焊金属硬度值为HRC50～52，该焊丝已稳定应用于生产，抗裂性优良，成功地堆焊56T大型热轧工作辊无裂，综合技术指标达到国际先进水平。

(3).抗粘着磨损性能与冷轧工作辊材质9Cr2Mo钢淬火状态相当。

实施例：

堆焊的冷轧工作辊是失效的9Cr2Mo钢冷轧工作辊，辊身中部产生局部剥落，轧辊外径为Φ190mm，辊面硬度为HS90～95，辊脖硬度为HS45～50。

堆焊条件首先，通过退火处理使辊身表面硬度降为≤HRC50，辊脖硬度不变。然后，将辊径加工至Φ170mm，先用18CrMo焊丝堆焊一层过渡层，再用CrMoWVTi药芯焊丝堆焊四层工作层。

图8为CrMoWVTi熔敷金属金相组织×400；

图9为CrMoWV熔敷金属金相组织×400；

图10为CrMoWV堆焊金属裂纹金相照片；

堆焊效果：堆焊后的辊径为Φ192mm，堆焊后的轧辊经着色探伤探伤无裂纹产生，见图11所示。

另外，研制的CrMoWVTi堆焊药芯焊丝目前已成功地应用于轧钢精整辊的堆焊制造和修复。

Claims (1)

1.一种粘着磨损用堆焊药芯焊丝，其特征在于：焊丝外皮由08钢带或例似低碳钢制成管状，焊丝管内填装合金粉；焊丝的粉芯中各种粉料的重量配比为：C：0.5～0.8％、Cr：7～16％、Mo：0.5～2％、W：3～9％、V：0.4～1.2％、Ti：0.5～1.2％、Si：0.3～1％、Mn：0.8～2％、Re：0.005～1.5％、Re为混合稀土，可以是Y：0～1.5％、Yb：0～1％、La：0～1％、余量为Fe；粉芯占焊丝的重量百分比为15～50％。

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