CN100999041A - 用于大型中高碳钢零部件堆焊修复及再制造用系列药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于大型中高碳钢零部件堆焊修复及再制造用系列药芯焊丝，其化学成分为(wt％)：萤石5－10％，高碳铬铁25－45％，高碳锰铁2－10％，硅铁5－8％，钼铁10－15％，稀土氧化物8－14％，金属镍5－15％，钒铁2－5％，石墨0.5－2％，氮化物2－4％，铝镁合金1－2.5％。外皮采用低碳钢钢带。可适用于明弧焊或埋弧焊。采用本堆焊用系列药芯焊丝，可以焊前免预热、焊后免热处理或在较低的温度预热和热处理条件下对中高碳钢零部件进行堆焊修复及再制造，堆焊金属具有较高的抗开裂性能，现场使用非常方便。硬度范围为HRC35－55。在免预热和免热处理的情况下，修复后的使用寿命是原零部件的3倍左右。在预热和热处理条件下，其使用寿命可提高6－8倍。

Description

用于大型中高碳钢零部件堆焊修复及再制造用系列药芯焊丝

技术领域

本发明涉及材料科学与工程领域。特别是涉及一种用于大型中高碳钢零部件堆焊修复及再制造用系列药芯焊丝。

背景技术：

热轧辊、热模具等中高碳钢零部件是工业生产的关键部件，不仅其消耗量大，费用昂贵，而且其材质的好坏直接影响着产品的数量、质量和生产效率。

这些中高碳钢零部件的工作条件较为复杂。工作时承受着机械载荷、热载荷和磨擦载荷。以热轧辊钢为例，在初轧过程中，热轧辊辊面可与温度高达900～1200℃的红热钢材直接接触，然后又被冷却水强制冷却，连续经历着急冷和急热的交变作用，因此，热轧辊的主要破坏形式为热疲劳破坏，即轧辊表面发生龟裂和剥落现象。同时，轧辊因过渡磨损而报废也是其主要失效原因之一。热模具与热轧辊相类似，在工作过程中，同样承受着机械载荷、热载荷和磨擦载荷，因热疲劳和过渡磨损而失效。虽然人们在寻求各种各样的方式(如热处理、微合金化等)来提高热轧辊等中高碳钢零部件的使用寿命，但是，由于其表面热疲劳破坏和过渡磨损，这些零部件最终还是要报废的。

这些中高碳钢零部件一般由含有贵重合金元素的Cr、Ni、Mn和Mo钢制造，如70Cr3Mo、60CrMnMo、5CrNiMo、45Cr2NiMoVSi、H13等。整体制造热轧辊、热模具等零部件不仅费用昂贵，而且由于工作层仅在表面，内部贵重合金元素的优势不能完全发挥出来。若采用堆焊修复或再制造技术制造中高碳钢零部件，即零部件的基体和表层采用不同性能的材料，不仅可发挥零部件的综合技术性能和材料的工作潜力，还能节约大量的贵重合金。

再制造技术是利用原有零部件，采用高新的表面工程技术及其它加工技术使零部件恢复尺寸、形状和性能，形成再制造毛坯，经加工过程形成再制造的产品。特别是绿色再制造是以优质、高效、节能、节材、环保为主要目标，统筹考虑零部件整个寿命周期内的再制造策略，从而使报废(退役)产品在对环境污染最小，资源利用率最高的情况下重新达到最佳的性能。

近几年来，国内外许多企业试图通过堆焊的方式来堆焊修复废旧的热轧辊、热模具等中高碳钢零部件或再制造这些零部件，但由于其碳当量较高，采用传统的堆焊材料，必须将焊件在焊前预热400℃左右、焊后必须进行热处理，即使这样也不能保证焊件焊后不开裂。

因此，开发一系列具有较高抗开裂堆焊用药芯焊丝，应用于堆焊修复废旧热轧辊等中高碳钢零部件，或基体采用普通碳钢在其上堆焊一层高抗开裂的熔敷金属制造双金属复合机械零部件，不仅将还产生巨大的经济效益，而且还会产生巨大的社会效益。

发明内容

为了能够实现对大型中高碳钢零部件进行堆焊修复及绿色再制造，本发明提供一种用于大型中高碳钢零部件堆焊修复及再制造用系列药芯焊丝，该系列焊丝的特点是对含碳量较低且零部件尺寸较小如热模具等零部件等，在焊前不需进行预热，焊后不用进行热处理的情况下进行堆焊修复，能保证焊后不开裂，并能达到性能要求；而对含碳量较高尺寸较大的热轧辊等中高碳钢零部件，仅需要低温预热或热处理，就能保证焊后不开裂，并能达到性能要求。现场使用非常方便，硬度范围为HRC35-50。在免预热和免热处理的情况下，修复后的零部件使用寿命长于原零部件3倍左右。在有预热和热处理的条件下，使用寿命可提高6-8倍。

这种用于大型中高碳钢零部件堆焊修复及再制造用系列药芯焊丝，其化学成分为(wt％)：萤石5-10％，高碳铬铁25-45％，高碳锰铁2-10％，硅铁5-8％，钼铁10-15％，稀土氧化物8-14％，金属镍5-15％，钒铁2-5％，石墨0.5-2％，氮化物2-4％，铝镁合金1-2.5％；外皮采用低碳钢钢带。对于高碳硅铁、高碳铬铁和高碳锰铁使用前需要进行钝化处理，钝化工艺硅高碳铁粉末为720-750℃，高碳铬铁粉末为550-600℃，高碳锰铁粉末为300-350℃，以上金属粉末均保温1小时。

堆焊药芯焊丝设计的原则是根据中高碳钢零部件在使用过程中，不仅要求堆焊修复及再制造后的中高碳钢零部件在其工作时要具有较高的抗热疲劳性能和耐磨性，而且还要求堆焊后具有较高的抗开裂性能。从提高堆焊金属的抗热疲劳性能和耐磨性角度考虑，堆焊金属要具有较高的含碳量，并有适量的铬、锰、硅等合金元素。从提高堆焊金属的抗开裂性能角度考虑，过量的碳会提高堆焊金属的淬硬性，增加片状马氏体的数量，从而增加堆焊金属的开裂倾向；而添加钼、钒可以细化晶粒，添加镍可以提高奥氏体稳定性，减缓奥氏体向片状马氏体的转变，增加残余奥氏体量，提高堆焊金属的塑、韧性；特别是添加稀土氧化物可以脱氧、脱硫，净化堆焊熔池，而且细化结晶晶粒，变质夹杂物，均可以提高堆焊金属的抗开裂性能；由于氮能与铬、镍、钒等在高温下形成极稳定的氮化物，并以弥散状细小质点均匀分布于堆焊层之中，因而有利于细化晶粒、提高强度和改善韧性，氮化物的沉淀析出还有利于二次硬化，从而提高堆焊层的抗回火稳定性，同时，氮还能降低使马氏体转变在较低的温度范围(110～195℃)进行，因而堆焊时预热温度与层问温度可以控制在较低的温度(150℃左右即可)。另外，发明人过去对堆焊残余应力场的数值模拟研究工作可知，降低马氏体开始转变温度Ms点可以降低堆焊金属的残余应力，从而使中高碳钢零部件在免预热、免热处理的条件下堆焊也不开裂。因此，在堆焊金属中添加氮化物和金属Ni都可以降低Ms点，降低堆焊金属的残余应力，而不象增加碳含量虽然可以降低Ms点，但是同时也增加片状马氏体含量，从而增加堆焊金属的脆性。特别是对于母材热影响区，由于其成分不可改变，因此，降低其应力分布显得尤为重要。所以，新型堆焊及再制造用药芯焊丝的设计原则为：1)、控制适当的含碳量，保证适当堆焊金属焊的硬度；2)、加入适量的铬、锰、钼等合金元素，保证堆焊金属具有较高的强硬性和耐磨性；3)、加入适量稀土氧化物，以改善焊后一次结晶组织和二次结晶组织，变质夹杂物；4)、加入适量的金属镍粉，以改善堆焊组织，降低马氏体相变温度Ms点，改善应力分布；5)、加入氮与铬、镍、钒等在高温下形成极稳定的氮化物，并以弥散状细小质点均匀分布于堆焊层之中，细化晶粒、提高强度和改善韧性，并产生二次硬化作用，同时也降低马氏体相变温度Ms点，改善应力分布。从而提高堆焊金属的抗开裂性能。通过成分调整和优化，使系列堆焊金属的硬度在HRC35-50之间范围。

具体实施方式

实施例1

堆焊及再制造热模具药芯焊丝，其化学成分为(wt％)：萤石10％，高碳铬铁25％，高碳锰铁2％，硅铁5％，钼铁15％，稀土氧化物14％，金属镍15％，钒铁5％，石墨0.5％，氮化物6％，铝镁合金2.5％。外皮采用低碳钢钢带。对于硅铁、铬铁和锰铁使用前按前述的工艺进行钝化处理。将上述配方中的相关粉末采用混料机进行混合，用专用的药芯焊丝挤压机制作出药芯焊丝，在250-300℃对其进行烘干。采用上述制造的堆焊药芯焊丝对报废的45Cr2NiMoVSi热模具进行堆焊修复，使用直流焊机，进行明弧堆焊，焊接电流为150-200A，焊接电压为70-80V。经焊前免预热、焊后免热处理，通过堆焊再制造的热模具表面的硬度为HRC35-45，经磨削加工后可以代替经整体生产的热模具，不仅减少了制造工序，节省了原料和能源，同时也提高了使用寿命。

实施例2

堆焊及再制造热轧辊药芯焊丝，其化学成分为(wt％)：萤石10％，高碳铬铁35％，高碳锰铁15％，硅铁10％，钼铁10％，稀土氧化物8％，金属镍10％，钒铁2％，石墨2％，氮化物2％，铝镁合金1％。外皮采用低碳钢钢带。其它工艺与前面相同。对报废的60CrMnMo热轧辊进行堆焊修复，经焊前低温预热、焊后低温回火，通过堆焊再制造的热轧辊表面的硬度为HRC40-50，经切削加工后可以代替经整体生产的热轧辊。

采用本发明的系列堆焊药芯焊丝对中高碳钢零部件进行堆焊修复及绿色再制造，简化了制造方法，减少了能源消耗，避免了制造过程对环境的污染；通过免预热或低温预热堆焊使废旧的中高碳钢零部件恢复了原来的形状和尺寸，并且提高了其使用寿命，真正实现了绿色再制造，对解决我国冶金机械、矿山机械、农业机械、石油化工机械等各行各业所普遍存在的中高碳钢零部件进行堆焊修复及绿色再制造这一难题具有重要的工程意义，其市场空间十分广阔。

Claims (2)

1.一种用于大型中高碳钢零部件堆焊修复及再制造用系列药芯焊丝，其特征是：堆焊药芯焊丝的化学成分为(wt％)：萤石5-10％，高碳铬铁25-45％，高碳锰铁2-10％，硅铁5-8％，钼铁10-15％，稀土氧化物8-14％，金属镍5-15％，钒铁2-5％，石墨0.5-2％，氮化物2-4％，铝镁合金1-2.5％；外皮采用低碳钢钢带。

2.根据权利要求1所述的用于大型中高碳钢零部件堆焊修复及再制造用系列药芯焊丝，其特征是：高碳硅铁、高碳铬铁和高碳锰铁使用前需要进行钝化处理，钝化工艺硅高碳铁粉末为720-750℃，高碳铬铁粉末为550-600℃，高碳锰铁粉末为300-350℃，上述金属粉末均保温1小时。