一種釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲的製作方法

2023-07-26 01:36:46 1

一種釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充於鋼帶中，藥芯成分按質量百分數為：55～65％的高碳鉻鐵；2～6％的釩鐵；2～6％的鈦鐵；3～7％的鈮鐵；3～5％的石墨；2～3％的硼鐵；8～14％脫氧劑，餘為鐵粉，脫氧劑為鋁鎂合金、錳粉和矽鐵的混合物，質量比為鋁鎂合金∶錳粉∶矽鐵＝(1～4)∶(6～8)∶(1∶3)，且質量滿足：錳粉wt％≥矽鐵wt％+鋁鎂合金wt％，藥芯佔焊絲總重量的比例為50～57％。本發明提供的焊絲，具有成本低廉，硬度高且均勻，耐磨性佳等特點，且多層焊無需清渣，氣孔敏感性極小。
【專利說明】一種釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲
【技術領域】
[0001]本發明屬於材料加工工程中的焊接領域，具體地涉及一種釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲。
【背景技術】
[0002]自保護藥芯焊絲具有堆敷效率快、組分調節便捷，無需外加輔助氣體或焊劑，自動化程度高等優點，是21世紀最有發展前景的耐磨堆焊材料之一。堆焊用自保護藥芯焊絲一般依靠藥芯組分在焊接冶金過程中生成碳化物抗磨質點，這些抗磨質點分布在強韌的基體組織中，使得堆焊金屬具有優良的耐磨性。因此，堆焊金屬中所過渡的合金數量，從根本上決定了它的耐磨性能。傳統的自保護藥芯焊絲，為了實現良好的自保護效果，除了添加形成耐磨焊縫所必需的合金元素外，還要在藥芯中添加造渣劑，如金紅石、螢石、碳酸鹽等，這些造渣劑在焊接過程中形成熔渣，從而避免空氣對金屬熔滴的入侵。但是由於造渣劑質量較輕，往往佔據了藥芯中大部分的空間。這就使得鐵合金和金屬粉末的添加量受到限制，從而成為自保護藥芯焊絲耐磨性能進一步提高的瓶頸。近幾年，無渣自保護藥芯焊絲的出現突破了這一技術瓶頸，其藥芯中不添加任何礦物粉末，從而最大限度地增大了合金粉的裝填量，同時有利於增加填充率，提供了調整焊絲耐磨性能的廣闊空間和內在潛力。
[0003]目前堆焊修復的耐磨堆焊用藥芯焊絲，一般都含有Mn、S1、C等元素。其中所含的Cr，在焊接過程中與C和Fe形成粗大的(Cr、Fe)7C3碳化物，該類焊絲抗裂性較差。同時(Cr^Fe)7C3碳化物的生長位向對耐磨性影響較大。這是因為(Cr、Fe)7C3碳化物為六方稜柱結構，其橫截面顯微硬度為1500-1700HV，縱截面顯微硬度為1100-1200HV。研究者們通過添加強碳化物形成元素在一定程度上改良了這一現狀。如河海大學的《釩強化耐磨埋弧堆焊藥芯焊絲》(201010197412.0)，其中釩鐵質量比8~20% ;中冶集團建築研究總院的《一種高碳高鉻高鈮鑄鐵自保護藥芯`焊絲》(200710175676.4)，其中鈮鐵質量比10~30% ;河海大學的《鈦強化耐磨埋弧堆焊藥芯焊絲》(201010197427.7)，其中鈦鐵質量比10~25%。然而，(V，Ti，Nb)C複合碳化物具有更高的熱穩定性和硬度，倘若利用明弧焊接技術在堆焊過程中析出(V，Ti，Nb)C複合碳化物，無疑將進一步提高堆焊合金組織穩定性及耐磨性。此外，使用多元複合添加的方法可能在保證形成MC型一次複合碳化物的條件下，將強碳化物形成元素的添加總量控制在較低的水平，從而達到節約成本、控制焊絲製造成本的目的，將適合大量應用於耗材量較大的鋼軋輥、磨煤輥、輥壓機、挖掘機等大型設備耐磨部件的再製造和修復作業。目前研究中還未有通過添加少量多元強碳化物形成元素以形成複合碳化物硬質相強化堆焊藥芯焊絲的報導。

【發明內容】

[0004]發明目的:為解決現有技術中存在的技術問題，本發明提供一種釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲。
[0005]技術內容:為實現上述技術目的，本發明提出一種釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充於鋼帶中，其特徵在於，所述的藥芯成分質量百分數範圍如下55~65%的高碳鉻鐵；2~6%的釩鐵；2~6%的鈦鐵；3~7%的銀鐵；3~5%的石墨；2~3 %的砸鐵；8~14%脫氧劑,餘為鐵粉,脫氧劑為招續合金、猛粉和矽鐵的混合物，質量比為鋁鎂合金:錳粉:矽鐵=(I~4):出~8): (I: 3)，且質量滿足:錳粉wt %≥矽鐵wt % +鋁鎂合金wt %，藥芯佔焊絲總重量的比例為50~57 %。
[0006]優選地，所述的高鉻鑄鐵含碳量為9~IOwt %，含鉻量為60~70wt%，其餘為鐵；所述的釩鐵含釩量為35~50wt%，其餘為鐵；所述的鈦鐵含鈦量為28~32wt%，其餘為鐵；所述的鈮鐵含鈮量為50~60wt%，其餘為鐵；所述的硼鐵含硼量為19~25wt%，其餘為鐵；所述的脫氧劑中鋁鎂合金含鋁量為47~53wt%，其餘為鎂；所述的脫氧劑中矽鐵含矽量為72~80wt%，其餘為鐵。
[0007]優選地，所述藥芯的所有組分的粒徑大於或等於80目。
[0008]優選地，所述低碳鋼帶為H08A碳鋼鋼帶。
[0009]其中，所述低碳鋼帶的尺寸(厚度X寬度)為:0.3 X 16mm或0.4 X 18mm或
0.5X 21mm。
[0010]所述焊絲的直徑為 2.40mm、2.60mm、2.85mm、3.15mm、3.45mm、3.80mm 和 4.1Omm 中
的任意一種。
[0011]上述釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟:
[0012](I)利用成型軋輥將低碳鋼鋼帶軋成U形，然後通過送粉裝置將本發明的藥芯材料按本發明焊絲總重的50~57%加入到U形槽中；
[0013](2)將U形槽合口，使藥芯包裹其中，通過拉絲模，逐道拉拔、減徑，最後使其直徑達到2.40~4.10mm，得到最終產品。
[0014]在上述藥芯中各組分主要作用如下:
[0015]高碳鉻鐵:其成分為:向堆焊金屬中過渡合金元素Cr，並提供C元素。
[0016]釩鐵、鈦鐵和鈮鐵:優先與C結合形成(V，Ti，Nb)C複合硬質耐磨相。
[0017]石墨:提供C元素，部分氧化形成CO造成熔池微沸騰，降低氣孔敏感性。
[0018]硼鐵:改善焊道表面成形。
[0019]脫氧劑為鋁鎂合金、錳粉和矽鐵3種的機械混合物。通過脫氧達到良好的自保護效果。
[0020]由上述技術方案和藥芯中各組分的作用簡述可以明了，本發明由於同時在藥芯中添加適量的釩、鈦和鈮，在焊接冶金過程中形成大量的(V，Ti，Nb)C複合碳化物，且彌散分布。從而使組織得以細化，增加堆焊金屬強韌性。並且，由於先析(V，Ti，Nb)C複合碳化物具有比之(Cr、Fe)7C3碳化物更高的硬度和熱穩定性，提高堆焊金屬的硬度和耐磨性。釩鈦鈮複合添加總量大為減少，就能達到顯著提高耐磨性能的目的，從而大大節約了焊絲製造成本，實現了少量多元強化的初衷，達到了本發明的目的。
[0021]在上述技術方案中，所述脫氧劑是鋁鎂合金、錳粉和矽鐵3種合金按(I~4):出~8): (1: 3)的機械混合。由於本焊絲不添加任何礦物粉，只能主要依靠合金元素脫氧保護熔滴或熔池，需要添加強脫氧元素Al和Mg。但是鋁鎂合金添加過多會惡化焊縫表面成形。Si的脫氧能力低於Al而強於Mn，但添加過量會使焊道表面形成凹坑。Mn有脫氧和造氣的雙重效果，添加量相對宜多。經過反覆試驗，發現配製的脫氧劑質量同時滿足錳粉％ >矽鐵％ +鋁鎂合金％時，三者聯合脫氧的綜合效果較為理想。
[0022]有益效果:本發明通過同時在藥芯中添加適量的釩、鈦和鈮，在焊接冶金過程中形成大量彌散分布的(V，Ti，Nb) C複合碳化物，並成為(Cr、Fe)7C3碳化物的異質形核核心，而降低(Cr、Fe)7C3碳化物的尺寸，使組織得以細化。並且，先析(V，Ti，Nb)C複合碳化物具有比之(Cr、Fe)7C3碳化物更高的硬度和熱穩定性，進一步提高堆焊金屬的耐磨性。本發明的藥芯焊絲成本低廉，焊接工藝性能好，氣孔敏感性極小，合金均勻化程度高，堆焊層表面硬度均勻，平均硬度在56~65HRC範圍。耐磨性為Q235的16~35倍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發明實施例1得到的藥芯焊絲的(V，Ti，Nb)C複合碳化物形態。
[0024]圖2為本發明實施例1得到的藥芯焊絲的(V，Ti，Nb)C複合碳化物(如圖1)能譜分析圖片。
【具體實施方式】
[0025]根據下述實施例，可以更好地理解本發明。然而，實施例所描述的具體的藥芯組分配比、工藝條件及其結果僅用於說明本發明，而不應當也不會限制權利要求書中所詳細描述的本發明。其中，下列各實施例中所使用的高鉻鑄鐵含碳量為9~IOwt^，含鉻量為60~70wt %，其餘為鐵；釩鐵含釩量為35~50wt %，其餘為鐵；鈦鐵含鈦量為28~32wt %，其餘為鐵；銀鐵含銀量為50~60wt%,其餘為鐵；硼鐵含硼量為19~25wt%,其餘為鐵；脫氧劑中鋁鎂合金含鋁量為47~53wt %，其餘為鎂；脫氧劑中矽鐵含矽量為72~80wt %，其餘為鐵。
[0026]實施例1
[0027]一種釩鈦鈮複合 強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充於鋼帶中，藥芯成分按以下質量進行配製:55g的高碳鉻鐵、2g的釩鐵、4g的鈦鐵、7g的鈮鐵、3g的石墨、2g的硼鐵、8g的脫氧劑和19g的鐵粉，共100g粉末，其中脫氧劑包含Ig的鋁鎂合金、6g的錳粉和Ig的矽鐵。所取的粉末均通過80目的篩子。將所取各種粉末置入混粉機內，混合40分鐘，然後把混合粉末加入U形的16 X 0.3mm的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為54%。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接著使其分別通過直徑為4.10mm、3.80mm、
3.45mm、3.15mm、2.85mm、2.60mm、2.40mm的拉絲模中的一種或多種，逐道拉拔、減徑，最後獲得直徑為2.40~4.1Omm的產品。焊接電流為280~400A，焊接電壓為28~36V，焊接速度為2.4m/min，層間溫度控制在150~250°C，堆焊3層。堆焊金屬硬度為56HRC及耐磨性見表1。
[0028]實施例2
[0029]一種釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充於鋼帶中，藥芯成分按以下質量進行配製:58g的高碳鉻鐵、5g的釩鐵、2g的鈦鐵、6g的鈮鐵、4g的石墨、2.5g的硼鐵、14g的脫氧劑和8.5g的鐵粉，共100g粉末，其中，脫氧劑包含4g的鋁鎂合金、Sg的錳粉和2g的矽鐵。所取的粉末均通過80目的篩子。將所取各種粉末置入混粉機內，混合4 0分鐘，然後把混合粉末加入U形的16X0.3mm的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為50%。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接著使其分別通過直徑為
4.10mm、3.80mm、3.45mm、3.15mm、2.85mm、2.60mm、2.40mm 的拉絲模中的一種或多種，逐道拉拔、減徑，最後獲得直徑為2.40?4.1Omm的產品。焊接電流為280?400A，焊接電壓為28?36V，焊接速度為2.4m/min，層間溫度控制在150?250°C，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見表I。
[0030]實施例3
[0031]一種釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充於鋼帶中，藥芯成分按以下質量進行配製:62g的高碳鉻鐵、4g的釩鐵、5g的鈦鐵、4g的鈮鐵、4g的石墨、2.5g的硼鐵、12g的脫氧劑和6.5g的鐵粉，共IOOg粉末，其中，脫氧劑包含3g的鋁鎂合金、6g的錳粉和3g的矽鐵。所取的粉末均通過80目的篩子。將所取各種粉末置入混粉機內，混合40分鐘，然後把混合粉末加入U形的16X0.3mm的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為51%。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接著使其分別通過直徑為
4.10mm、3.80mm、3.45mm、3.15mm、2.85mm、2.60mm、2.40mm 的拉絲模中的一種或多種，逐道拉拔、減徑，最後獲得直徑為2.40?4.1Omm的產品。焊接電流為280?400A，焊接電壓為28?36V，焊接速度為2.4m/min，層間溫度控制在150?250°C，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見表I。
[0032]實施例4
[0033]一種釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充於鋼帶中，藥芯成分按以下質量進行配製:65g的高碳鉻鐵、6g的釩鐵、6g的鈦鐵、3g的鈮鐵、5g的石墨、3g的硼鐵、IOg的脫氧劑和2g的鐵粉，共IOOg粉末，其中，脫氧劑包含2g的鋁鎂合金、7g的錳粉和Ig的矽鐵。所取的粉末均通過80目的篩子。將所取各種粉末置入混粉機內，混合40分鐘，然後把混合粉末加入U形的16 X 0.3mm的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為52%。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接著使其分別通過直徑為4.10mm、3.80mm、3.45mm、3.15mm、2.85mm、2.60mm、2.40mm的拉絲模中的一種或多種，逐道拉拔、減徑，最後獲得直徑為2.40?4.1Omm的產品。焊接電流為280?400A，焊接電壓為28?36V，焊接速度為2.4m/min，層間溫度控制在150?250°C，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見表I。
[0034]表I所打硬度採用HR-150A洛氏硬度計，荷載150Kg，對每一個測試樣取5點硬度，計算平均硬度值。
[0035]磨損實驗採用MLS-225型溼式橡膠輪磨損試驗機。
[0036]將每個實施例的堆焊層切五個尺寸為57X25X6mm磨損試樣。磨損實驗參數如下:橡膠輪直徑:178mm，橡膠輪轉速:240轉/分，橡膠輪硬度:70 (邵爾硬度)，載荷:10Kg，橡膠輪轉數:預磨1000轉，正式試驗轉1000轉，磨料:40?70目的石英砂。堆焊金屬的耐磨性能以正式磨損的失重量來衡量。在每次實驗前、後將試樣置入盛有丙酮溶液的燒杯中，在超聲波清洗儀中清洗3?5分鐘，待幹後稱重記錄。實驗用Q235鋼作為對比樣，對比件失重量與測量件失重量之比作為堆焊樣的相對耐磨性ε。
[0037]表I各實施例堆焊金屬氣孔敏感性與耐磨性
[0038]
【權利要求】
1.一種釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充於鋼帶中，其特徵在於，所述的藥芯成分質量百分數範圍如下:55~65%的高碳鉻鐵；2~6%的釩鐵；2~6%的鈦鐵；3~7%的鈮鐵；3~5%的石墨；2~3%的硼鐵；8~14%脫氧劑，餘為鐵粉，脫氧劑為鋁鎂合金、錳粉和矽鐵的混合物，質量比為鋁鎂合金:錳粉:娃鐵=(I~4): (6~8): (1: 3),且質量滿足:猛粉wt %≥娃鐵wt %+招鎂合金wt藥芯佔焊絲總重量的比例為50~57%。
2.根據權利要求1所述的釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲，其特徵在於，所述的高鉻鑄鐵含碳量為9~IOwt %，含鉻量為60~70Wt%，其餘為鐵；所述的釩鐵含釩量為35~50wt%，其餘為鐵；所述的鈦鐵含鈦量為28~32wt%，其餘為鐵；所述的鈮鐵含鈮量為50~60wt%，其餘為鐵；所述的硼鐵含硼量為19~25wt%，其餘為鐵；所述的脫氧劑中鋁鎂合金含鋁量為47~53wt%，其餘為鎂；所述的脫氧劑中矽鐵含矽量為72~80wt%，其餘為鐵。
3.根據權利要求1所述的釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲，其特徵在於，所述藥芯的所有組分的粒徑大於或等於80目。
4.根據權利要求1所述的釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲，其特徵在於，所述低碳鋼帶為H)8A碳鋼鋼帶。
5.根據權利要求1或4所述的釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲，其特徵在於，所述低碳鋼帶的厚度X寬度為:0.3 X 16mm或0.4X 18mm或0.5 X 21mm。
6.根據權利要求1所述的釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲，其特徵在於，所述焊絲的直徑為 2.4 0mm>2.60mm>2.85mm、3.15mm、3.45mm、3.80mm和 4.1Omm 中的任意一種。
7.權利要求1所述的釩鈦鈮複合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟: (1)利用成型軋輥將低碳鋼鋼帶軋成U形，然後通過送粉裝置將本發明的藥芯材料按本發明焊絲總重的50~57%加入到U形槽中； (2)將U形槽合口，使藥芯包裹其中，通過拉絲模，逐道拉拔、減徑，最後使其直徑達到.2.40~4.10mm，得到最終產品。
【文檔編號】B23K35/22GK103769770SQ201410032232
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月23日 優先權日:2014年1月23日
【發明者】劉大雙, 吳銘方, 魏萍 申請人:江蘇科技大學