高硬度高耐磨自保护金属芯堆焊焊丝.pdf

高硬度高耐磨自保护金属芯堆焊焊丝属于材料加工工程中的焊接领域。本发明焊丝，其特征在于所述的金属芯包括以下质量百分比含量的物质：64～77％碳化铬，4～8％75#硅铁，5～10％金属锰，1～3％铝镁合金，2～5％硼铁，2～6％钛铁，1～5％铌铁，1～8％钒铁。本发明①无需外加保护气体，在生产过程中不用考虑换气问题；②焊缝无熔渣，无清渣问题，在生产过程中可不间断连续多道施焊。因此，只需对自动焊机焊枪进行编程，控制其行走路线，便可实现无人工干预、能全天24小时连续作业的全自动化生产。这将极大的减轻人工劳动强度，极大的提高堆焊生产、修复效率。本发明主要应用于磨煤辊、水泥磨盘、钢厂淄槽、冷(热)轧辊等的堆焊修复。

1、  一种高硬度高耐磨自保护金属芯堆焊焊丝，其特征在于，所述的金属芯包括以下质量百分比含量的物质：64～77％碳化铬，4～8％75^#硅铁，5～10％金属锰，1～3％铝镁合金，2～5％硼铁，2～6％钛铁，1～5％铌铁，1～8％钒铁。

高硬度高耐磨自保护金属芯堆焊焊丝
技术领域
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、冷(热)轧辊等的堆焊修复。
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)，能耗过大(目前我国使用的焊剂普遍为熔炼型焊剂，而生产一吨熔炼型焊剂耗电量为2000～2500kw·h，这一能耗几乎相当于手工电弧焊时单位重量熔敷金属的耗电量)；污染环境(焊剂的生产过程中产生大量烟尘，熔炼型焊剂为一次性消耗品，不能再生利用，焊后焊剂的处理是一大问题)。
金属芯焊丝是近年来国际发展的新趋势。金属芯焊丝是相对于熔渣型药芯焊丝而言的，它的粉芯大部分是金属粉，只有少量的稳弧剂和造渣剂。之所以被评价为“代替实芯焊丝的焊材”，是因为它既有渣量少的实芯焊丝的长处，又兼备高熔敷速度、低飞溅型药芯焊丝的长处，而且氢含量可以很容易地限制在很低的水平，使抗裂性能得到提高。金属芯焊丝与实芯焊丝或普通的药芯焊丝相比，生产率提高，焊缝质量好，填充金属的费用低，减少了清理费用。
金属芯焊丝与实芯焊丝或普通的药芯焊丝相比，主要具有以下特点：①焊缝表面无渣，在连续施焊过程中无需清渣。②熔敷速度快。金属芯焊丝的粉芯中绝大部分是金属粉，必然会大幅度提高焊丝的熔化速度，熔化速度明显高于普通的药芯焊丝和实芯焊丝。③品种多、性能好、价格低。金属芯焊丝与普通药芯焊丝的制造方法相同，故兼备普通药芯焊丝的优点，可以很方便地制造出各种成分的金属芯焊丝。金属芯焊丝最主要的优点就是能够制造出以实芯焊丝的形式不易生产的特殊合金成分的焊丝。
对于传统的堆焊方法，无论是手工电弧堆焊，还是埋弧自动堆焊，都需人工操作。而自保护金属芯堆焊焊丝由于：①无需外加保护气体，在生产过程中不用考虑换气问题；②焊缝无熔渣，无清渣问题，在生产过程中可不间断连续多道施焊。因此，只需对自动焊机焊枪进行编程，控制其行走路线，便可实现无人工干预、能全天24小时连续作业的全自动化生产。这将极大的减轻人工劳动强度，极大的提高堆焊生产、修复效率。
自保护金属芯堆焊焊丝的研制在国内、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中存在的问题，提供一种高熔敷效率、低成本、可实现自动化作业的高硬度高耐磨自保护金属芯堆焊焊丝。
一种高硬度高耐磨自保护金属芯堆焊焊丝，其特征在于所述的金属芯包括以下质量百分比含量的物质：64～77％碳化铬，4～8％75^#硅铁，5～10％金属锰，1～3％铝镁合金，2～5％硼铁，2～6％钛铁，1～5％铌铁，1～8％钒铁。
其中各成分作用及含量如下：
碳化铬：向焊缝金属过渡合金元素。质量百分含量为：64～77％。
75^#硅铁：即FeSi75，其中含Si74.0-80.0％，C为0.1％，余为铁。向焊缝金属过渡合金元素，脱氧。质量百分含量为：4～8％。
金属锰：向焊缝金属过渡合金元素，脱氧，形成保护气氛。质量百分含量为：5～10％。
铝镁合金：其成分为铝∶镁为3∶2的合金粉末。脱氧、脱氮。质量百分含量为：1～3％。
硼铁：其成分为17-19％B，0.5％C，4％Si，0.5％Al，余为Fe。向焊缝金属过渡合金元素。质量百分含量为：2～5％。
钛铁：其成分为25-35％Ti，8.5％Al，5％Si，2.5％Mn，余为Fe。脱氧，脱氮，细化晶粒，提高韧性。质量百分含量为：2～6％。
铌铁：其成分为70％Nb，5％Al，2.5％Si，余为Fe。向焊缝金属过渡合金元素。质量百分含量为：1～5％。
钒铁：其成分为50％V，0.5％C，2％Si，0.8％Al，余为Fe。向焊缝金属过渡合金元素。质量百分含量为：1～8％。
自保护药芯焊丝是在无外加保护气体的情况下进行焊接的。其药芯中含有造气剂、造渣剂和脱氧剂等。由于没有外加气体的保护，在焊接过程中大气中的氧气和氮气很容易进入焊缝，最终产生气孔。所以，气孔问题是自保护焊丝研制过程中首先遇到的问题也是最难解决的问题之一。
本发明为自保护金属芯焊丝，粉芯中无造渣成分，其对焊接熔池的保护机制为气保护机制，脱氧保护机制，脱氮—固氮机制和熔池的自保护机制，下面分述之：
(1)气保护机制：本发明焊丝粉芯中含有一定量的金属锰及铝镁合金，金属锰的沸点相对较低(2335℃)，在焊接电弧温度(3000～5000℃)下，已蒸发为锰蒸汽，形成保护气氛，有效阻止有害气体的侵入。
(2)脱氧、保护机制：本发明焊丝粉芯中含有硅铁、金属锰、铝镁合金和钛铁，硅、锰、铝和钛都对氧的亲和力极强，在高温条件下极易生成SiO₂、MnO、Al₂O₃和TiO₂，有效避免了氧对熔池的侵入。
(3)脱氮—固氮机制：本发明焊丝粉芯中含有合金元素铝、硼、钛、铌，铝和氮易生成AlN，浮于熔池表面形成微量熔渣。而合金元素铝、硼、钛、铌在熔池的高温剧烈反应下，均可和氮结合形成氮化物BN、TiN、NbN。这三种氮化物硬度极高，其中BN-硬度仅次于金刚石；TiN-硬度52Gpa；NbN-硬度56GPa。因此这三种氮化物均可作为硬质相，弥散分布于基体当中，对基体起到强化作用。
(4)熔池的自保护机制：在普通的药芯焊丝和焊条中，造渣剂起到阻止气体侵入的作用，但同时也对先期侵入气体的逸出起到阻碍作用。在本发明金属芯焊丝中，熔池无熔渣保护，气体易进入熔池，但也正因为熔池表面无熔渣的阻碍作用，且气体在熔融金属中的溶解度极小，在熔池金属的剧烈反应过程中，气体很容易从熔池表面逸出，从而避免了焊缝气孔的产生。
组分无造渣成分，故采用本金属芯焊丝堆焊时，无须清渣，可实现全自动化焊接。焊接烟尘及其毒性都较小。电弧稳定，飞溅颗粒小且量少，焊缝无气孔，焊道成形美观。此焊丝主要运用于磨煤辊、水泥磨盘、钢厂淄槽、冷(热)轧辊等的堆焊修复。
本发明的制备方法采用现有技术，包括以下步骤：
1、将钢带轧制成U形，再向U形槽中加入占本发明焊丝总重的30-50％的本发明粉芯；
2、将U形槽合口，使粉芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.4mm-3.2mm，得到最终产品。
附图说明
图1：药芯焊丝成形工艺示意图
具体实施方式
所有实施例焊丝都是由昆明重工生产的“FCWM50”药芯焊丝成型机”制出：
1.选用14×0.3(宽度为14mm，厚度为0.3mm)的H08A冷轧钢带。先将其轧成U形。取碳化铬64克、75^#硅铁5克、金属锰10克、铝镁合金1克、硼铁5克、钛铁2克、铌铁5克、钒铁8克。(所取粉末的粒度为能通过40目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合10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30％。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的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.4mm。堆焊三层，焊接电流320～380A，焊接电压26～30V，焊接速度25厘米/分钟。层间温度控制在100～200℃。堆焊层熔敷金属硬度及相对耐磨性见表1。
2.选用14×0.3(宽度为14mm，厚度为0.3mm)地H08A冷轧钢带。先将其轧成U形。取碳化铬68克、75^#硅铁6克、金属锰7克、铝镁合金2克、硼铁4克、钛铁6克、铌铁1克、钒铁6克。(所取粉末的粒度为能通过40目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合10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40％。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的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.6mm。堆焊三层，焊接电流320～380A，焊接电压26～30V，焊接速度30厘米/分钟。层间温度控制在100～200℃。堆焊层熔敷金属硬度及相对耐磨性见表1。
3.选用14×0.3(宽度为14mm，厚度为0.3mm)的H08A冷轧钢带。先将其轧成U形。取碳化铬74克、75^#硅铁8克、金属锰6克、铝镁合金1克、硼铁2克、钛铁3克、铌铁2克、钒铁4克。(所取粉末的粒度为能通过40目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合10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：4.2mm、3.6mm、3..4mm、3.15mm、3.0mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到3.0mm。堆焊三层，焊接电流320～380A，焊接电压26～30V，焊接速度35厘米/分钟。层间温度控制在100～200℃。堆焊层熔敷金属硬度及相对耐磨性见表1。
4.选用14×0.3(宽度为14mm，厚度为0.3mm)的H08A冷轧钢带。先将其轧成U形。取碳化铬77克、75^#硅铁4克、金属锰5克、铝镁合金3克、硼铁3克、钛铁4克、铌铁3克、钒铁1克。(所取粉末的粒度为能通过40目的筛子)。将所取各种粉末放入混粉机内混合10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：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。堆焊三层，焊接电流320～380A，焊接电压26～30V，焊接速度40厘米/分钟。层间温度控制在100～200℃。堆焊层熔敷金属硬度及相对耐磨性见表1。
表1所打硬度采用HR-150A洛氏硬度机，载荷为150kg，对每一堆焊层取六点打硬度，最后得到该焊丝堆焊层的平均洛氏硬度值。
磨损实验采用MLS-225磨损实验机进行实验。
在堆焊层中取六个57×25×5mm磨损式样，磨损实验时，试验参数如下：橡胶轮转速：240转/分，橡胶轮直径：178mm，橡胶轮硬度：60(邵尔硬度)，载荷：10Kg，磨损时间：250s，橡胶轮转数：约1000转，磨料：40～70目的石英砂。材料的耐磨性能用磨损的失重量来衡量。在试验前、后，将试件放入盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3～5分钟，实验时用Q235钢作为对比，对比件失重量与测量件失重量之比作为该式样的相对耐磨性。

表1 各实施例堆焊层熔敷金属的硬度HRC与相对耐磨性