CN101664862A

CN101664862A - 一种铁基高钛耐磨堆焊药芯焊丝

Info

Publication number: CN101664862A
Application number: CN200910024043A
Authority: CN
Inventors: 王新虎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2010-03-10

Abstract

本发明涉及一种铁基高钛耐磨堆焊药芯焊丝。目前的耐磨堆焊焊丝及合金种类很多，有些耐磨性很好，但有些合金脆性很大、韧性较低，易开裂，不适合存在低度冲击的磨料磨损工况。本发明由低碳钢***与芯部粉末组成，焊丝的合金元素按重量百分比包含：碳(C)1.0～3.0％、钛(Ti)1.0～12.0％、钒(V)0.5～9.0％、硅(Si)0.1～1.5％、锰(Mn)0.2～2.0％、硼(B)0～3.0％、稀土(RE)0.00～0.10％、铬(Cr)0～13.0％、钼(Mo)0～1.0％、钨(W)0～1.0％、镍(Ni)0～2.0％、铌(Nb)0～0.5％、锆(Zr)0～0.5％。本发明耐磨堆焊药芯焊丝主要依靠碳、钛、钒等合金元素以及少量硼元素，形成的碳化物、硼化物实现合金的耐磨性能，并通过调节碳、钛、钒、硅、锰、硼等元素的组合，调节合金硬度、增加韧性、降低裂纹敏感性。

Description

一种铁基高钛耐磨堆焊药芯焊丝

技术领域

本发明属于机械、钢铁材料等领域，具体说涉及一种用于在钢铁工具表面堆焊耐磨层的一种耐磨堆焊药芯焊丝。

背景技术

目前的耐磨堆焊焊丝及合金种类很多，有些耐磨性很好，但有些合金脆性很大、韧性较低，不适合存在低度冲击的磨料磨损工况；有些适合低度冲击的磨料磨损工况的合金含有贵金属如Nb、W、Cr、Ni、等很多，成本较高。例如中国专利耐磨堆焊合金材料(申请号200510043305.1)涉及一种耐磨堆焊合金材料，其合金具体组成含量(重量％)为：W 5-30、Nb 2-15、V 3-12、Mo 1-8、Cr 1-5、B 2-7、稀土0.01-2、余量为Fe。该发明不含碳元素，以重金属硼化物为硬质强化相，硼化物在合金中起耐磨骨架作用，对合金基体相产生保护效应。其显微硬度均在HV1700～2800之间。该发明可以制成堆焊焊条、药芯焊丝、块状堆焊材料或粉末堆焊材料。可用于旋流器、泥浆泵、疏浚泵等的修复堆焊和制造。显然该发明耐磨性很好，但由于贵金属很多，所以成本较高。一些承受低度冲击下的磨粒磨损的机械装备如石油钻具，目前大多堆焊高铬铸铁合金，此类堆焊合金耐磨性好，但脆性大，易开裂，有裂纹存在，容易剥落。例如中国专利一种喷焊用合金粉末(申请号02139492)用于钻杆接头的堆焊，该合金粉末由以下以重量份数计的物质混合而成，Cr18～30份；Ni 4～9份；Mn 2～6份；Si 2～6份；B 2～5份；C 2～4.5份；余量为Fe。该发明耐磨性好，但脆性大，易开裂，有裂纹存在，容易剥落。而且贵金属很多，成本较高。又例如中国专利02139493.8一种堆焊用包芯焊丝，该发明由低碳钢***和芯部粉末组成，芯部粉末与低碳钢***的重量百分比为30～40％∶70～60％，所述芯部粉末由以下以重量百分比计的物质混合而成，Cr 25～30％；Ni15～19％；Mn 3～5％；Si 2～5％；B 3.5～6％；C 1～3％，Fe余量。该发明虽然耐磨性好，但脆性大，易开裂，有裂纹存在，容易剥落。而且贵金属很多，成本较高。所以有时石油钻具也堆焊高铬钢类合金，虽然合金韧性提高，但耐磨性下降。所以发明耐磨性好、韧性好、不易开裂的耐磨堆焊合金具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对低度冲击、强烈磨粒磨损工况，克服目前堆焊耐磨合金硬度与韧性不匹配、有裂纹的缺点，提供一种在钢铁工具表面堆焊耐磨合金材料的一种耐磨堆焊药芯焊丝，其堆焊合金硬度高，韧性好，裂纹敏感性低，耐磨性优良，成本也较低。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种铁基高钛耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于：焊丝的合金元素按重量百分比包含：碳(C)1.0～3.0％、钛(Ti)1.0～12.0％、钒(V)0.5～9.0％、硅(Si)0.1～1.5％、锰(Mn)0.2～2.0％。

一种铁基高钛耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于：焊丝的合金元素按重量百分比包含：碳(C)1.0～3.0％、钛(Ti)1.0～12.0％、硅(Si)0.1～1.5％、锰(Mn)0.2～2.0％。

上述焊丝还可以加入其它合金元素：硼(B)0～3.0％、稀土(RE)0.00～0.10％、铬(Cr)0～13.0％、钼(Mo)0～1.0％、钨(W)0～1.0％、镍(Ni)0～2.0％、铌(Nb)0～0.5％、锆(Zr)0～0.5％。

上述稀土(RE)为铈(Ce)、钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、镨(Pr)、钕(Nd)其中的一种，或它们的混合物。

本发明相对于现有技术，其优点如下：

本发明耐磨堆焊药芯焊丝主要依靠碳、钛、钒等以及少量硼元素，形成的碳化物、硼化物实现合金的耐磨性能。通过调节碳、钛、钒、硅、锰、硼等元素合理的组合，达到调节合金硬度、增加韧性、降低裂纹敏感性的目的。本发明耐磨堆焊药芯焊丝可以加入稀土元素，稀土元素可净化晶界，细化晶粒，进一步提高合金的性能。本发明耐磨堆焊药芯焊丝也可以再加入铬(Cr)、或少量钼(Mo)、钨(W)、镍(Ni)、铌(Nb)、锆(Zr)等元素，进一步提高合金的耐磨性。

具体实施方式

本发明铁基高钛耐磨堆焊药芯焊丝，可以在钢铁工件或工具表面上单层堆焊形成1～3mm厚的耐磨层，考虑到钢铁工件或工具大部分含有碳、硅、锰、铬、钼等合金元素，所以本发明合金与钢铁工具熔合后的堆焊层中合金元素按重量百分比包含：碳(C)0.7～3.0％、钛(Ti)1.0～12.0％、钒(V)0.5～9.0％、硅(Si)0.1～1.5％、锰(Mn)0.5～2.0％、硼(B)0～3.0％、稀土(RE)0.00～0.10％、铬(Cr)0.3～13.0％、钼(Mo)0.1～1.0％、钨(W)0～1.0％、镍(Ni)0～2.0％、铌(Nb)0～0.5％、锆(Zr)0～0.5％等。

本发明铁基高钛耐磨堆焊药芯焊丝及堆焊合金具有优良耐磨损性能的原理是：

本发明堆焊合金含有较多碳、钛、钒元素，由于钛与钒是强烈的碳化物形成元素，可以形成大量碳化物。钛的碳化物的硬度及耐磨性在所有合金碳化物中是最高的，钒碳化物的硬度及耐磨性在所有合金碳化物中也是较高的，大于铬、钼、钨、铌的碳化物。TiC的硬度为HV2800～3200、VC的硬度为HV2800，而Cr₇C₃的硬度为HV1300～1600、WC的硬度为HV2100～2400、NbC的硬度为HV2400、Mo₂C的硬度为HV 1800～2200、Fe₃C的硬度为HV800～1100。本发明合金以碳、钛合金元素为主，将碳、钛、钒等元素合理搭配，当碳化物形成后，使得合金基体的碳含量下降，不会形成脆性很大的高碳马氏体，裂纹敏感性低，因此本发明耐磨合金在韧性好的基体分布着大量的高硬度碳化物，高硬度和韧性得到合理匹配。由于矾元素比较贵，所以不能加入过多，也可以添加适量硼元素，合金的基体上可形成硬度很高的硼化物，硼化物的硬度及耐磨性高于相同金属元素的碳化物，例如铁、铬的碳化物。各种元素的硼化物如FeB的硬度为HV1800～2000、CrB₂的硬度为HV1800～2100、TiB的硬度为HV2800、B₄C的硬度为HV3700。试验发现硼、钛、钒元素相互协同作用，会细化碳化物与硼化物，提高合金韧性，所以本发明合金比高铬耐磨堆焊合金硬度高、韧性好、耐磨性优良、不易开裂。

本发明合金也可加入铬(Cr)0.3～13.0％，合金基体形成高铬马氏体、增大堆焊合金的耐腐蚀性能，同时大量铬元素也可以减少钢铁工件间的粘着磨损，所以加入大量铬后本发明合金可以减少与之接触的其它钢铁工件的磨损。

本发明耐磨堆焊药芯焊丝可以加入稀土元素，稀土元素可净化晶界，细化晶粒，细化碳化物，进一步提高合金的性能。本发明耐磨堆焊药芯焊丝也可以再加入少量钼(Mo)、钨(W)、镍(Ni)、铌(Nb)、锆(Zr)等元素，进一步提高合金的耐磨性。

本发明铁基高钛堆焊药芯焊丝的制造方法：药芯焊丝是以低碳钢薄钢带作外皮，以合金粉末为药芯的焊丝，其制造方法是工业成熟技术，本发明耐磨堆焊药芯焊丝就用现有工业成熟技术制成。其原理是：购买药芯焊丝专用低碳钢薄钢带，用专用设备将薄钢带轧成成半圆形状如U型等，将合金粉末加入形成药芯，轧制封口，形成了很长很细的包有药芯的金属管，然后经过扎制或冷拉拔，形成直径为

的药芯焊丝成品。

形成药芯的合金粉末可以是纯金属粉末或合金粉末。合金粉末有铁碳合金、钒铁合金、钛铁合金、锰铁合金、硅铁合金、硼铁合金、稀土-硅铁合金、稀土铈化合物、铬铁合金、钼铁合金及其它所需铁合金等。纯金属粉末或合金粉末可以外购，其生产方法是成熟工业生产技术，如雾化法、研磨法或其它方法将纯金属或合金制成粉末。雾化法是将金属或合金加热熔化，然后在高压惰性气体作用下将熔化的金属以雾状从喷嘴喷出，雾状金属液滴冷却便形成粉末。研磨法是用机械研磨的方式将碎块的纯金属、或合金研磨成金属粉末。也可以用其它现代新技术制造合金粉末。将制成的纯金属粉末、合金粉末混合即成本发明焊丝的药芯合金粉末。

由于金属粉末制造技术早已成为可大规模工业生产的成熟技术，所以本发明合金也可以将购买的纯金属粉末、合金粉末混合即成。合金粉末可选用铁碳合金粉末、钒铁合金、钛铁合金、锰铁合金粉末、硅铁合金粉末、硼铁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末、稀土铈化合物粉末、铬铁合金粉末或其它铁合金粉末等。

焊丝药芯中每种合金粉末的加入量可以用式(1)初步计算得出：

k_{ci} = \frac{[(1 - k_{c}) + k_{cm} k_{c}] c_{eo} - (1 - k_{c}) c_{es}}{k_{c} c_{ei}} - - - (1)

式(1)中：k_ci-药芯中合金粉末i含量(％)；

k_c-焊丝中药芯的填充系数(％)，一般为15％～65％；

k_cm-药芯中除造渣剂外合金粉末的总含量(％)，有时药芯中不含造渣剂；

c_eo-合金元素e在焊丝中的含量(％)；

c_es-合金元素e在焊丝外表钢皮中的含量(％)；

c_ei-合金元素e在合金粉末i中的含量(％)；

由于一种合金元素可能含在多种合金粉末中，或一种合金粉末中可能含多种合金元素，所以每种合金粉末的加入量可以根据式(2)调整，以满足焊丝中每种合金元素的含量：

c_{eo} = \frac{(1 - k_{c}) c_{es} + k_{c} Σ (k_{ci} c_{ei})}{(1 - k_{c}) + k_{cm} k_{c}} - - - (2)

堆焊方法：本发明堆焊药芯焊丝向工件表面的堆焊方法可以采用自保护电弧焊、自保护等离子弧焊、二氧化碳气体保护电弧焊、二氧化碳气体保护等离子弧焊、氩气保护电弧焊、氩气保护等离子弧焊、埋弧焊等方法堆焊。

本发明堆焊药芯焊丝适合一些承受低度冲击下的磨粒磨损的机械装备如石油钻具的维护，目前这些机械工具大多数堆焊高铬铸铁合金，此类堆焊合金硬度高，但脆性大，易开裂，有裂纹存在，容易剥落。所以有时石油钻具也堆焊高铬钢类合金(HRC50～55)，虽然合金韧性提高，但耐磨性下降。本发明焊丝堆焊的合金设计为韧性基体上含大量高硬度硬质相，高硬度(HRC55～62)与良好韧性匹配、不易开裂，所以耐磨性优于目前一些机械工具如石油钻具的耐磨堆焊合金。

本发明耐磨堆焊药芯焊丝的主要合金元素是碳、钛、钒、硼等，硼是我国的富有元素，价格较低、钛的价格也较低，硼的使用代替或减少了贵重元素的使用。所以本发明耐磨堆焊药芯焊丝成本不高。

下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1：

一种铁基高钛耐磨堆焊药芯焊丝，成分为：碳C 1.9％、钛Ti 3.0％、钒V 2.0％、硅Si1.0％、锰Mn 1.2％、硼B 1.5％、稀土0.05％、铬Cr 1.3％、钼Mo 0.3％、余量为铁。

焊丝外皮用焊丝专用H08A薄钢带制造，薄钢带宽16mm、厚0.3mm，成分为0.08％C、0.4％Mn、0.10％Cr、0.15％Ni。药芯可以购买焊丝专用合金粉末混合即成，填充系数35％，合金粉末为铁碳合金粉末、钒铁合金、钛铁合金、锰铁合金粉末、硅铁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末、硼铁合金粉末、稀土铈化合物粉末、铬铁合金粉末、钼铁合金粉末等，将这些合金粉末充分混合均匀即成，各种合金粉末的量按照式(1)与式(2)计算。不添加造渣剂。

用我国生产药芯焊丝的主要方法-钢带法生产焊丝，工艺流程为：将薄钢带扎为U型、加药芯粉末、封口成型、轧制减径成

药芯焊丝、卷线包装。

用CO₂气体保护电弧焊技术进行堆焊，堆焊在工件上的耐磨合金的硬度达到了HRC55～62，没有目视可见裂纹，耐磨性良好。

实施例2：

一种铁基高钛耐磨堆焊药芯焊丝，成分为：碳C 2.2％、钛Ti 6.0％、钒V 3.0％、硅Si1.0％、锰Mn 1.2％、硼B 1.0％、稀土0.02％、铬Cr 1.3％、钼Mo 0.3％、余量为铁。

焊丝外皮用焊丝专用H08A薄钢带制造，薄钢带宽16mm、厚0.3mm。药芯可以购买焊丝专用合金粉末混合即成，填充系数35％，合金粉末为铁碳合金粉末、钒铁合金、钛铁合金、锰铁合金粉末、硅铁合金粉末、硼铁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末、稀土铈化合物粉末、铬铁合金粉末、钼铁合金粉末等，将这些合金粉末充分混合均匀即成，各种合金粉末的量按照式(1)与式(2)计算。不添加造渣剂。

用我国生产药芯焊丝的主要方法-钢带法生产焊丝，工艺流程为：将薄钢带扎为U型、加药芯粉末、封口成型、拉拔减径成

药芯焊丝、卷线包装。

用CO₂气体保护电弧焊技术进行堆焊，堆焊在工件上的耐磨合金的硬度可达到HRC55～62，没有目视可见裂纹，耐磨性良好。

实施例3：

一种铁基高钛耐磨堆焊药芯焊丝，成分为：碳C 2.5％、钛Ti 8.0％、钒V 5.0％、硅Si1.0％、锰Mn 1.2％、硼B 0.5％、稀土0.05％、铬Cr 1.3％、钼Mo 0.3％、余量为铁。

焊丝外皮用焊丝专用H08A薄钢带制造，薄钢带宽16mm、厚0.3mm。药芯可以购买焊丝专用合金粉末混合即成，填充系数36％，合金粉末为铁碳合金粉末、钒铁合金、钛铁合金、锰铁合金粉末、硅铁合金粉末、硼铁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末、稀土铈化合物粉末、铬铁合金粉末、钼铁合金粉末等，将这些合金粉末充分混合均匀即成，各种合金粉末的量按照式(1)与式(2)计算。不添加造渣剂。

药芯焊丝、卷线包装。

用CO₂气体保护电弧焊技术进行堆焊，堆焊在工件上的耐磨合金的硬度可达到HRC57～62，没有目视可见裂纹，耐磨性良好。

实施例4：

一种铁基高钛耐磨堆焊药芯焊丝，成分为：碳C 2.8％、钛Ti 11.0％、硅Si0.8％、锰Mn 1.0％、硼B 0.1％、稀土0.04％、铬Cr 0.5％、钼Mo 0.2％、余量为铁。

焊丝外皮用焊丝专用H08A薄钢带制造，薄钢带宽16mm、厚0.3mm。药芯可以购买焊丝专用合金粉末混合即成，填充系数35％，合金粉末为铁碳合金粉末、钛铁合金、锰铁合金粉末、硅铁合金粉末、硼铁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末、稀土铈化合物粉末、铬铁合金粉末、钼铁合金粉末等，将这些合金粉末充分混合均匀即成，各种合金粉末的量按照式(1)与式(2)计算。不添加造渣剂。

药芯焊丝、卷线包装。

用CO₂气体保护电弧焊技术进行堆焊，堆焊在工件上的耐磨合金的硬度可达到HRC58～63，没有目视可见裂纹，耐磨性良好。

实施例5：

一种铁基高钛耐磨堆焊药芯焊丝，成分为：碳C 2.0％、钛Ti 9.0％、硅Si 0.8％、锰Mn 1.0％、稀土0.04％、铬Cr 13.0％、钼Mo 0.2％、余量为铁。

用我国生产药芯焊丝的主要方法-钢带法生产焊丝，工艺流程为：将薄钢带扎为U型、加药芯粉末、封口成型、拉拔减径成药芯焊丝、卷线包装。

用CO₂气体保护电弧焊技术进行堆焊，堆焊在工件上的耐磨合金的硬度可达到HRC58～63，没有目视可见裂纹，耐磨性良好，耐腐蚀性良好，与之接触的其它钢铁工件不易磨损。

本发明的焊丝不受上述实施例的限制，任何在本发明的权利要求范围内的改进或变化都在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种铁基高钛耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于：焊丝的合金元素按重量百分比包含：碳(C)1.0～3.0％、钛(Ti)1.0～12.0％、钒(V)0.5～9.0％、硅(Si)0.1～1.5％、锰(Mn)0.2～2.0％。

2.一种铁基高钛耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于：焊丝的合金元素按重量百分比包含：碳(C)1.0～3.0％、钛(Ti)1.0～12.0％、硅(Si)0.1～1.5％、锰(Mn)0.2～2.0％。

3.根据权利要求1或2所述的一种铁基高钛耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于：焊丝加入以下合金元素：硼(B)0～3.0％、稀土(RE)0.00～0.10％、铬(Cr)0～13.0％、钼(Mo)0～1.0％、钨(W)0～1.0％、镍(Ni)0～2.0％、铌(Nb)0～0.5％、锆(Zr)0～0.5％。

4.根据权利要求3所述的一种铁基高钛耐磨堆焊药芯焊丝，其特征在于：所述稀土(RE)为铈(Ce)、钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、镨(Pr)、钕(Nd)其中的一种，或它们的混合物。