本發(fā)明屬于材料加工工程中的焊接領(lǐng)域，具體地涉及一種錳強(qiáng)韌化高鉻鑄鐵自保護(hù)堆焊藥芯焊絲及其制備方法。
背景技術(shù)：
堆焊作為一種綠色制造工藝，廣泛應(yīng)用于各類耐磨部件的修復(fù)或再制造。由于成本低廉加之便于制備，以M7C3型碳化物(M＝Cr,Fe)為耐磨骨架的高鉻鑄鐵堆焊合金得到廣泛應(yīng)用。高鉻鑄鐵堆焊合金過(guò)共晶組織中粗大的M7C3型碳化物，一方面對(duì)于提高耐磨性多有裨益，另一方面其本身容易出現(xiàn)冶金缺陷及微裂紋，脆性很大，成為堆焊合金在服役過(guò)程中發(fā)展成為宏觀裂紋甚至開(kāi)裂破壞的重要原因。因此，克服傳統(tǒng)高鉻鑄鐵型堆焊合金抗裂性差的缺陷，是近年來(lái)發(fā)展堆焊技術(shù)的一個(gè)熱點(diǎn)課題。
通常采用降低C及合金元素含量的辦法，使得高鉻鑄鐵型堆焊合金由過(guò)共晶組織向亞共晶組織轉(zhuǎn)變，以獲得足夠的韌性；然而降低C及合金元素含量會(huì)同時(shí)導(dǎo)致堆焊合金硬度明顯下降，耐磨性也無(wú)法得以保證。值得注意的是，高鉻鑄鐵型堆焊合金中的奧氏體類似于硬質(zhì)合金中的“粘結(jié)相”。通過(guò)成分改性的方法，適當(dāng)增加這種“粘結(jié)相”—奧氏體，將是改善高鉻鑄鐵型堆焊合金抗裂性的全新思路。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種錳強(qiáng)韌化高鉻鑄鐵自保護(hù)堆焊藥芯焊絲及其制備方法。
技術(shù)內(nèi)容：為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提出一種錳強(qiáng)韌化高鉻鑄鐵自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中，所述的藥芯成分質(zhì)量百分含量范圍如下：60～72％的80目高碳鉻鐵，12～18％的80目電解錳粉，1～2％的石墨，2～8％的硼鐵，1～4％的60目鋁鎂合金，2～6％的硅鐵，余量為80目鐵粉，其中，石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵均以60目和200目?jī)煞N粒度添加，，其中，藥芯粉末占焊絲總重的54-58％。
作為優(yōu)選，所述的高碳鉻鐵含碳量為9～10wt％，含鉻量為60～70wt％，其余為鐵；所述的硅鐵含硅量為72～80wt％，其余為鐵；所述的硼鐵含硼量為19～25wt％，其余為鐵；所述的鋁鎂合金含鋁量為47～53wt％，其余為鎂。
優(yōu)選地，所述藥芯中不同粒度的石墨：60目的石墨和200目的石墨，并以質(zhì)量比1:1組合的方式加入。
優(yōu)選地，所述藥芯中不同粒度的硼鐵：60目的石墨和200目的石墨，并以質(zhì)量比1:1組合的方式加入。
優(yōu)選地，所述藥芯中不同粒徑的鋁鎂合金：60目的鋁鎂合金和200目的鋁鎂合金，并以質(zhì)量比1:1組合的方式加入。
優(yōu)選地，所述藥芯中不同粒徑的硅鐵：60目的硅鐵和200目的硅鐵，并以質(zhì)量比1:1組合的方式加入。
優(yōu)選地，所述藥芯中，所述藥芯中的高碳鉻鐵、硅鐵及鐵粉組分的粒徑均等于80目。
優(yōu)選地，所述藥芯中，所述低碳鋼帶厚度×寬度為0.5×21mm。
優(yōu)選地，所述藥芯中，所述焊絲的直徑為2.8mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm和4.2mm中的任意一種。
上述錳強(qiáng)韌化高鉻鑄鐵自保護(hù)堆焊藥芯焊絲的制備方法，包括如下步驟：
(1)利用成型軋輥將低碳鋼鋼帶軋成U形，然后通過(guò)送粉裝置將本發(fā)明的藥芯粉末按本發(fā)明焊絲總重的54-58％加入到U形槽中；
(2)將U形槽合口，使藥芯包裹其中，通過(guò)拉絲模，逐道拉拔、減徑，最后使其直徑達(dá)到2.8～4.2mm，得到最終產(chǎn)品。
在上述藥芯中各組分主要作用如下：
高碳鉻鐵：向堆焊金屬中過(guò)渡合金元素Cr，并提供C元素。
錳粉：過(guò)渡合金元素Mn，固溶強(qiáng)化M7C3碳化物，促進(jìn)“粘結(jié)相”奧氏體的形成。
硼鐵：脫氧，降低熔池表面張力，改善焊道成形。
石墨：提供C元素，脫氧形成CO，并降低焊接氣氛中的氧分壓和氮分壓。
鋁鎂合金：脫氧，固氮，增強(qiáng)自保護(hù)效果。
硅鐵：脫氧，滲Si。
由上述技術(shù)方案和藥芯中各組分的作用簡(jiǎn)述可以明了，本發(fā)明由于在藥芯中添加了較大含量的Mn元素，其在堆焊合金組織中主要存在于M7C3之中，而較少量存在于基體中，同時(shí)Mn作為一種奧氏體形成元素，促進(jìn)“粘結(jié)相”奧氏體組織的形成，有效改善了堆焊合金的韌性，從而提高其抗裂性，改善耐磨性。另一方面，由于Mn固溶于M7C3之中，進(jìn)一步提高了M7C3的硬度。
此外，藥芯中石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵的粒度均有兩種：60目和200目，以粒度差異組合的方式添加。在整個(gè)焊接過(guò)程中，既有溫度極高的熔滴階段，又有溫度稍低的熔池階段，無(wú)論哪個(gè)階段都需要有效避免空氣污染才能得到合格的焊接熔敷金屬，課題組通過(guò)前期大量的工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)不同粒度的上述藥芯組分可以明顯改善焊絲的自保護(hù)效果。這是不同粒度的粉末具有不同的氧化活性。通過(guò)成分粒度控制化學(xué)冶金反應(yīng)活性的新思路，在藥芯中添加極細(xì)的200目石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵，利用其在焊接升溫階段進(jìn)行有效的先期脫氧，同時(shí)在藥芯中添加較粗的60目石墨、鋁鎂合金及硅鐵，保留在熔滴高溫階段及熔池階段，也能夠進(jìn)行有效的脫氧造氣，從而保證在整個(gè)焊絲受熱、熔化、形成熔滴、熔滴過(guò)渡、形成熔池并開(kāi)始凝固的焊接冶金全程均具備良好的自保護(hù)效果，從而實(shí)現(xiàn)了本焊絲在沒(méi)有添加任何礦物粉造渣劑的情況下，仍然能夠具備良好的焊接工藝性能及焊接金屬表面成形。同時(shí)，多粒度脫氧劑的添加，保證在較小脫氧劑的添加條件下，取得良好自保護(hù)效果，為藥芯配方中高碳鉻鐵、錳粉等的足量添加和以大過(guò)渡系數(shù)過(guò)渡創(chuàng)造了空間條件和環(huán)境條件。
有益效果：本發(fā)明通過(guò)在藥芯中添加了較大含量的Mn元素，其一方面有效促進(jìn)“粘結(jié)相”奧氏體組織的形成，有效改善了堆焊合金的韌性，從而提高其抗裂性。另一方面，由于Mn固溶于M7C3之中，進(jìn)一步提高了M7C3的硬度。兩個(gè)方面的綜合作用，使得高鉻鑄鐵堆焊合金的耐磨性得以有效改善。此外，還通過(guò)成分粒度控制化學(xué)冶金反應(yīng)活性的新思路，在藥芯中分別組合添加極細(xì)的200目和較粗的60目石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵，有效保證在整個(gè)焊絲受熱、熔化、形成熔滴、熔滴過(guò)渡、形成熔池并開(kāi)始凝固的焊接冶金全程均具備良好的自保護(hù)效果，從而實(shí)現(xiàn)了本焊絲在沒(méi)有添加任何礦物粉造渣劑的情況下，仍然能夠具備良好的焊接工藝性能及焊道表面成形。本發(fā)明的藥芯焊絲焊接工藝性能好，合金組織細(xì)化明顯，堆焊層表面硬度均勻，韌性較好，平均硬度在62～66HRC范圍。耐磨性為Q235的30倍左右。
具體實(shí)施方式
根據(jù)下述實(shí)施例，可以更好地理解本發(fā)明。然而，實(shí)施例所描述的具體的藥芯組分配比、工藝條件及其結(jié)果僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而不應(yīng)當(dāng)也不會(huì)限制權(quán)利要求書中所詳細(xì)描述的本發(fā)明。其中，下列各實(shí)施例中所使用的高碳鉻鐵含碳量為9～10wt％，含鉻量為60～70wt％，其余為鐵；所述的硅鐵含硅量為72～80wt％，其余為鐵；所述的硼鐵含硼量為19～25wt％，其余為鐵；所述的鋁鎂合金含鋁量為47～53wt％，其余為鎂。
實(shí)施例1
一種錳強(qiáng)韌化高鉻鑄鐵自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中，藥芯成分按以下質(zhì)量進(jìn)行配制：72g的80目高碳鉻鐵，12g的80目電解錳粉，1g的石墨，3g的硼鐵，1g的60目鋁鎂合金，2g的硅鐵，9g的80目鐵粉，其中，石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵均以60目和200目?jī)煞N粒度添加，且所添加的每一種粉末中60目和200目的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均各占50％。將所取各種粉末置入混粉機(jī)內(nèi)，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U(xiǎn)形的21×0.5mm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(guò)直徑為4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉絲模中的一種或多種，逐道拉拔、減徑，最后獲得直徑為2.8～4.2mm的產(chǎn)品。焊接電流為280～420A，焊接電壓為30～42V，焊接速度為0.4m/min，層間溫度控制在150～250℃，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見(jiàn)表1。
實(shí)施例2
一種錳強(qiáng)韌化高鉻鑄鐵自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中，藥芯成分按以下質(zhì)量進(jìn)行配制：65g的80目高碳鉻鐵，14g的80目電解錳粉，1.5g的石墨，2g的硼鐵，4g的60目鋁鎂合金，6g的硅鐵，7.5g的80目鐵粉，其中，石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵均以60目和200目?jī)煞N粒度添加，且所添加的每一種粉末中60目和200目的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均各占50％。將所取各種粉末置入混粉機(jī)內(nèi)，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U(xiǎn)形的21×0.5mm的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為55％。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接著使其分別通過(guò)直徑為4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉絲模中的一種或多種，逐道拉拔、減徑，最后獲得直徑為2.8～4.2mm的產(chǎn)品。焊接電流為280～420A，焊接電壓為30～42V，焊接速度為0.4m/min，層間溫度控制在150～250℃，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見(jiàn)表1。
實(shí)施例3
一種錳強(qiáng)韌化高鉻鑄鐵自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中，藥芯成分按以下質(zhì)量進(jìn)行配制：70g的80目高碳鉻鐵，16g的80目電解錳粉，1.5g的石墨，5g的硼鐵，2g的60目鋁鎂合金，4g的硅鐵，4.5g的80目鐵粉，其中，石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵均以60目和200目?jī)煞N粒度添加，且所添加的每一種粉末中60目和200目的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均各占50％。將所取各種粉末置入混粉機(jī)內(nèi)，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U(xiǎn)形的21×0.5mm的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為57％。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接著使其分別通過(guò)直徑為4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉絲模中的一種或多種，逐道拉拔、減徑，最后獲得直徑為2.8～4.2mm的產(chǎn)品。焊接電流為280～420A，焊接電壓為30～42V，焊接速度為0.4m/min，層間溫度控制在150～250℃，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見(jiàn)表1。
實(shí)施例4
一種錳強(qiáng)韌化高鉻鑄鐵自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中，藥芯成分按以下質(zhì)量進(jìn)行配制：60g的80目高碳鉻鐵，18g的80目電解錳粉，2g的石墨，8g的硼鐵，3g的60目鋁鎂合金，5g的硅鐵，4g的80目鐵粉，其中，石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵均以60目和200目?jī)煞N粒度添加，且所添加的每一種粉末中60目和200目的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均各占50％。將所取各種粉末置入混粉機(jī)內(nèi)，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U(xiǎn)形的21×0.5mm的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為58％。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接著使其分別通過(guò)直徑為4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉絲模中的一種或多種，逐道拉拔、減徑，最后獲得直徑為2.8～4.2mm的產(chǎn)品。焊接電流為280～420A，焊接電壓為30～42V，焊接速度為0.4m/min，層間溫度控制在150～250℃，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見(jiàn)表1。
表1所打硬度采用HR-150A洛氏硬度計(jì)，荷載150Kg，對(duì)每一個(gè)測(cè)試樣取5點(diǎn)硬度，計(jì)算平均硬度值。
磨損實(shí)驗(yàn)采用MLS-225型濕式橡膠輪磨損試驗(yàn)機(jī)。
將每個(gè)實(shí)施例的堆焊層切五個(gè)尺寸為57×25×6mm磨損試樣。磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：橡膠輪直徑：178mm，橡膠輪轉(zhuǎn)速：240轉(zhuǎn)/分，橡膠輪硬度：70(邵爾硬度)，載荷：10Kg，橡膠輪轉(zhuǎn)數(shù)：預(yù)磨1000轉(zhuǎn)，正式試驗(yàn)轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)，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(lái)衡量。在每次實(shí)驗(yàn)前、后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，待干后稱重記錄。實(shí)驗(yàn)用Q235鋼作為對(duì)比樣，對(duì)比件失重量與測(cè)量件失重量之比作為堆焊樣的相對(duì)耐磨性ε。
表1各實(shí)施例堆焊金屬硬度與耐磨性
本發(fā)明通過(guò)在藥芯中添加了較大含量的Mn元素，其一方面有效促進(jìn)“粘結(jié)相”奧氏體組織的形成，有效改善了堆焊合金的韌性，從而提高其抗裂性。另一方面，由于Mn固溶于M7C3之中，進(jìn)一步提高了M7C3的硬度。兩個(gè)方面的綜合作用，使得高鉻鑄鐵堆焊合金的耐磨性得以有效改善。此外，還通過(guò)成分粒度控制化學(xué)冶金反應(yīng)活性的新思路，在藥芯中分別組合添加極細(xì)的200目和較粗的60目石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵，有效保證在整個(gè)焊絲受熱、熔化、形成熔滴、熔滴過(guò)渡、形成熔池并開(kāi)始凝固的焊接冶金全程均具備良好的自保護(hù)效果，從而實(shí)現(xiàn)了本焊絲在沒(méi)有添加任何礦物粉造渣劑的情況下，仍然能夠具備良好的焊接工藝性能及焊道表面成形。本發(fā)明的藥芯焊絲焊接工藝性能好，合金組織細(xì)化明顯，堆焊層表面硬度均勻，韌性較好，平均硬度在62～66HRC范圍。耐磨性為Q235的30倍左右。