一种多元控量弥散分布硬质相增强自保护堆焊药芯焊丝及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种多元控量弥散分布硬质相增强自保护堆焊药芯焊丝，以低碳钢带为外皮，药芯成分按质量百分比为：50～65％的高碳铬铁，6～10％的钨粉、6～10％的铌铁，6～10％的钼粉，6～10％的钒铁，2～4％的石墨，2～4％的铝镁合金，2～6％的硅锰合金，余量铁粉，其中，石墨、铝镁合金及硅锰合金均以60目和200目两种粒度添加，药芯粉末占焊丝总重的52‑56％。本发明专利技术提供的焊丝，通过添加不同粒度的药芯组分，保证了良好的焊接工艺性能，并通过其他药芯组分的合理添加配比，使其在焊接过程中弥散析出(Cr,Fe)7C3，(Nb,V)C、Mo2C、WC等硬质相以构成交错分布的耐磨骨架，硬度高且均匀，耐磨性极佳，且焊接工艺性能良好，熔敷效率高，多层焊无需清渣。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料加工工程中的焊接领域，具体地涉及一种多元控量弥散分布硬质相增强自保护堆焊药芯焊丝及其制备方法。
技术介绍
堆焊作为一种绿色制造工艺，广泛应用于各类耐磨部件的修复或再制造。由于成本低廉加之便于制备，高铬铸铁堆焊合金得到广泛应用。大量的Cr7C3型碳化物作为耐磨质点，是高铬铸铁堆焊合金具有耐磨性的根本原因。然而，这类粗大的碳化物在服役过程中易开裂，抗裂性较差，导致在承受较高压力的磨损条件时，出现开裂甚至脱落的倾向，堆焊合金的耐磨性受到限制。为了进一步改善高铬铸铁堆焊合金在严苛磨损工况下的服役寿命，一方面需要添加合适的合金元素，以期形成多元碳化物，达到协同增强合金性能的目的；另一方面则需要在添加多量合金粉末的同时，所添加的少量脱氧剂还能够保证焊丝同时具备优越的自保护效果。两个方面的要求同时满足，则是制备一种新型耐磨焊丝的关键要素。
技术实现思路
专利技术目的：为解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供一种多元控量弥散分布硬质相增强自保护堆焊药芯焊丝及其制备方法。
技术实现思路
：为实现上述技术目的，本专利技术提出一种多元控量弥散分布硬质相增强自保护堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，所述的药芯成分质量百分含量范围如下：所述的药芯成分质量百分含量范围如下：50～65％的高碳铬铁，6～10％的钨粉、6～10％的铌铁，6～10％的钼粉，6～10％的钒铁，2～4％的石墨，2～4％的铝镁合金，2～6％的硅锰合金，余量铁粉，其中，石墨、铝镁合金及硅锰合金均以60目和200目两种粒度添加，药芯粉末占焊丝总重的52-56％。最为优选，所述的高铬铸铁含碳量为9～10wt％，含铬量为60～70wt％，其余为铁；所述的钒铁含钒量为35～50wt％，其余为铁；所述的铌铁含铌量为50～60wt％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。优选地，所述药芯中不同粒度的石墨：60目的石墨和200目的石墨，并以质量比1:1组合的方式加入。优选地，所述药芯中不同粒径的铝镁合金：60目的铝镁合金和200目的铝镁合金，并以质量比1:1组合的方式加入。优选地，所述药芯中不同粒径的硅锰合金：60目的硅锰合金和200目的硅锰合金，并以质量比1:1组合的方式加入。优选地，所述药芯中，所述药芯中的高碳铬铁及铁粉组分的粒径均等于80目。优选地，所述药芯中，所述低碳钢带厚度×宽度为0.5×21mm。优选地，所述药芯中，所述焊丝的直径为2.8mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm和4.2mm中的任意一种。上述多元控量弥散分布硬质相增强自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：(1)利用成型轧辊将低碳钢钢带轧成U形，然后通过送粉装置将本专利技术的药芯粉末按本专利技术焊丝总重的52-56％加入到U形槽中；(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2.8～4.2mm，得到最终产品。在上述药芯中各组分主要作用如下：高碳铬铁：向堆焊金属中过渡合金元素Cr，并提供C元素。钨粉：与C结合析出WC等硬质相。铌铁和钒铁：优先与C结合形成(V,Nb)C复合硬质耐磨相。石墨：提供C元素，脱氧形成CO，并降低焊接气氛中的氧分压和氮分压。铝镁合金：脱氧，固氮，增强自保护效果。硅锰合金：脱氧，增强自保护效果；过渡合金元素Mn及元素Si。由上述技术方案和药芯中各组分的作用简述可以明了，本专利技术由于同时在药芯中添加Cr，W，Nb，V等合金元素，它们在焊接冶金熔体中优先与C发生反应，交错弥散析出(Cr,Fe)7C3，(Nb,V)C、Mo2C、WC等硬质相，使得耐磨骨架的结构和成分得以优化，同时细化组织，大大提高耐磨性，达到了本专利技术的目的。在上述技术方案中，所述合金元素是多元控量组合的。这是因为，一方面，(Cr,Fe)7C3，(Nb,V)C、Mo2C、WC等硬质相的高硬度、高热稳定性能是近似趋同的，这都极大贡献于堆焊合金耐磨性；另一方面，(Cr,Fe)7C3，(Nb,V)C、Mo2C、WC等硬质相的熔点、形态等物化性能又有所差异，这既有利于硬质质点在焊接凝固初期较宽的高温温度区间递次析出以构成梯度多元强化细化效果，又有利于丰富硬质相的成分以有效抵御特别是复杂工况条件下的综合耐磨效果，从而提供了更稳定的优良耐磨性。药芯中石墨、铝镁合金及硅锰合金的粒度均有两种：60目和200目，以粒度差异组合的方式添加。在整个焊接过程中，既有温度极高的熔滴阶段，又有温度稍低的熔池阶段，无论哪个阶段都需要有效避免空气污染才能得到合格的焊接熔敷金属，课题组通过前期大量的工艺试验发现，通过不同粒度的上述药芯组分可以明显改善焊丝的自保护效果。这是不同粒度的粉末具有不同的氧化活性。通过成分粒度控制化学冶金反应活性的新思路，在药芯中添加极细的200目石墨、铝镁合金及硅锰合金，利用其在焊接升温阶段进行有效的先期脱氧，同时在药芯中添加较粗的60目纤维素、铝镁合金及硅锰合金，使之保留在熔滴高温阶段及熔池阶段，也能够进行有效的脱氧造气，从而保证在整个焊丝受热、熔化、形成熔滴、熔滴过渡、形成熔池并开始凝固的焊接冶金全程均具备良好的自保护效果，从而实现了本焊丝在没有添加任何矿物粉造渣剂的情况下，仍然能够具备良好的焊接工艺性能及焊接金属表面成形。有益效果：本专利技术通过同时在药芯中添加多元合金元素Cr、Nb、V、Mo、W等强碳化物形成元素，在焊接冶金过程中与C反应形成碳化物硬质相并大量弥散析出，提供高硬度、高热稳定性并细化组织，并通过避免单一的多元组分添加方式有效利用(Cr,Fe)7C3，(Nb,V)C、Mo2C、WC在熔点、形态等物化性能上的差异，获得高温温度区间递次析出以构成梯度多元强化细化效果，也有利于丰富硬质相的成分以有效抵御特别是复杂工况条件下的磨削，提供了更稳定的综合耐磨效果。并且，通过成分粒度控制化学冶金反应活性的新思路，在药芯中分别组合添加极细的200目和较粗的60目石墨、铝镁合金及硅锰合金，有效保证在整个焊丝受热、熔化、形成熔滴、熔滴过渡、形成熔池并开始凝固的焊接冶金全程均具备良好的自保护效果，从而实现了本焊丝在没有添加任何矿物粉造渣剂的情况下，仍然能够具备良好的焊接工艺性能及焊道表面成形。本专利技术的药芯焊丝焊接工艺性能好，合金均匀化程度高，堆焊层表面硬度均匀，平均硬度在60～66HRC范围。耐磨性为Q235的28～38倍。具体实施方式根据下述实施例，可以更好地理解本专利技术。然而，实施例所描述的具体的药芯组分配比、工艺条件及其结果仅用于说明本专利技术，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本专利技术。其中，下列各实施例中所使用的高铬铸铁含碳量为9～10wt％，含铬量为60～70wt％，其余为铁；所述的钒铁含钒量为35～50wt％，其余为铁；所述的铌铁含铌量为50～60wt％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。实施例1一种多元控量弥散分布硬质相增强自保护堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：50g的80目高碳铬铁，10g的80目钨粉、10g的80目铌铁，6g的80目钼粉，8g的80目钒铁，4g的石本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多元控量弥散分布硬质相增强自保护堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，其特征在于，所述的药芯成分质量百分含量范围如下：50～65％的高碳铬铁，6～10％的钨粉、6～10％的铌铁，6～10％的钼粉，6～10％的钒铁，2～4％的石墨，2～4％的铝镁合金，2～6％的硅锰合金，余量铁粉，其中，石墨、铝镁合金及硅锰合金均以60目和200目两种粒度添加，药芯粉末占焊丝总重的52‑56％。

【技术特征摘要】
1.一种多元控量弥散分布硬质相增强自保护堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，其特征在于，所述的药芯成分质量百分含量范围如下：50～65％的高碳铬铁，6～10％的钨粉、6～10％的铌铁，6～10％的钼粉，6～10％的钒铁，2～4％的石墨，2～4％的铝镁合金，2～6％的硅锰合金，余量铁粉，其中，石墨、铝镁合金及硅锰合金均以60目和200目两种粒度添加，药芯粉末占焊丝总重的52-56％。2.根据权利要求1所述的多元控量弥散分布硬质相增强自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述的高铬铸铁含碳量为9～10wt％，含铬量为60～70wt％，其余为铁；所述的钒铁含钒量为35～50wt％，其余为铁；所述的铌铁含铌量为50～60wt％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。3.根据权利要求1所述的含有多元控量弥散分布硬质相增强自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于不同粒度的石墨：60目的石墨和200目的石墨，并以质量比1:1组合的方式加入。4.根据权利要求1所述的含有多元控量弥散分布硬质相增强自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于不同粒径的铝镁合金：...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘大双，祁凯，魏萍，吴海斌，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32