CN106001995B

CN106001995B - 一种多元氮化物及硼化物协同增强自保护堆焊药芯焊丝

Info

Publication number: CN106001995B
Application number: CN201610609701.4A
Authority: CN
Inventors: 刘大双; 吴铭方; 魏萍
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2016-07-28
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2018-07-31
Anticipated expiration: 2036-07-28
Also published as: CN106001995A

Abstract

本发明公开一种多元氮化物及硼化物协同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：6～45％的高碳铬铁，3～10％的TiN、3～10％的BN，3～10％的B₄C、3～10％的TiB₂、3～10％的ZrB₂，1～3％的石墨，0.5～1％的60目纤维素粉末、0.5～1％的200目纤维素粉末，1～3％的60目铝镁合金、1～3％的200目铝镁合金，2～5％的60目硅锰合金、2～5％的200目硅锰合金，余量为铁粉，药芯粉末占焊丝总重的50‑54％。本发明提供的焊丝，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，并通过与其他合金粉末的合理配比，使之在焊接过程中弥散析出多元氮化物及硼化物，具有硬度高且均匀，耐磨性佳等特点，且焊道表面基本无渣，多层焊无需清渣。

Description

一种多元氮化物及硼化物协同增强自保护堆焊药芯焊丝

技术领域

本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体地涉及一种多元氮化物及硼化物协同增强自保护药芯焊丝。

背景技术

目前堆焊修复的耐磨堆焊用药芯焊丝，一般依靠以M₇C₃为主的碳化铬类型碳化物提供其硬度，M₇C₃显微硬度为1200-1700 HV。研究者们往往通过添加强碳化物形成元素Nb、Ti等进一步提高其硬度。总体来说，依靠碳化物在堆焊合金组织中发挥抗磨骨架作用，以提高堆焊合金的耐磨性是当前焊接材料制造商的普遍选择。

与碳化物相比较，硼化物和氮化物往往具有更高的硬度，从而理论上能够提供更优异的耐磨性能，例如B₄C、BN是当前已知自然界最坚硬的三种材料之二，其显微硬度达到3500HV左右。然而，在传统的焊接过程中，添加B容易导致堆焊金属的脆性增大，主要是因为在高温熔体凝固过程中，B与其他元素反应生成网枝状硼化物，该类硼化物韧性差，极易产生裂纹，大大限制其耐磨性；此外，N的加入则容易引起氮气孔。

发明内容

发明目的：为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种多元氮化物及硼化物协同增强自保护药芯焊丝及其制备方法。

技术内容：为实现上述技术目的，本发明提出一种多元氮化物及硼化物协同增强自保护药芯焊丝，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：6～45％的高碳铬铁，3～10％的TiN、3～10％的BN，3～10％的B₄C、3～10％的TiB₂、3～10％的ZrB₂，1～3％的石墨，0.5～1％的60目纤维素粉末、0.5～1％的200目纤维素粉末，1～3％的60目铝镁合金、1～3％的200目铝镁合金，2～5％的60目硅锰合金、2～5％的200目硅锰合金，余量为铁粉，药芯粉末占焊丝总重的50-54％。

优选地，所述药芯中不同粒径的纤维素：60目的纤维素和200目的纤维素粉末，以质量比为0.5～1：0.5～1组合的方式加入。

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，以质量比为1～3：1～3组合的方式加入。

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，以质量比为2～5：2～5组合的方式加入。

优选地，所述药芯中的高碳铬铁、TiN、BN、B₄C、TiB₂、ZrB₂、石墨及铁粉组分的粒径均大于或等于80目。

优先地，所述的高碳铬铁含碳量为9.0～9.5wt％，含铬量为62～72wt％，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。

优先地，所述低碳钢带厚度×宽度为0.5×21 mm。

所述焊丝的直径为2.8 mm、3.2 mm、3.5 mm、3.8 mm和4.2mm中的任意一种。

上述多元氮化物及硼化物协同增强自保护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药芯粉末按焊丝总重的50-54％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2.8～4.2 mm，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：形成Cr₇C₃，Cr₂₃C₆，Cr₃C等铬的碳化物；并向基体组织中过渡C。

TiN、BN、B₄C、TiB₂及ZrB₂：弥散分布于堆焊合金组织中，提供理想的耐磨物相；同时细化堆焊合金组织。

石墨：提供C元素，脱氧，造气(CO)，降低气孔敏感性。

纤维素：脱氧，造气，增强自保护效果。

铝镁合金：脱氧，固氮(从空气中侵入焊接金属中的N)，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，本发明由于同时在药芯中添加多元高硬度氮化物及硼化物TiN、BN、B₄C、TiB₂及ZrB₂，在焊接物理冶金熔体中先期析出，且弥散分布。从而使组织得以细化，并避免了传统网枝状硼化物的形成，这都会增加堆焊金属强韧性。并且，由于先析TiN、BN、B₄C、TiB₂及ZrB₂具有比之(Cr、Fe)₇C₃碳化物更高的硬度和热稳定性，大大提高堆焊金属的硬度和耐磨性。也未添加铌、钒等贵重合金元素，大大节约了焊丝制造成本，实现了少量多元强化的初衷，达到了本发明的目的。

在上述技术方案中，所述氮化物及硼化物的添加方式均是多元组合的。这是因为，一方面，TiN、BN、B₄C、TiB₂及ZrB₂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，TiN、BN、B₄C、TiB₂及ZrB₂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磨削，提供了更稳定的优良耐磨性。

药芯中纤维素、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目纤维素、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：本发明通过同时在药芯中添加多元氮化物及硼化物TiN、BN、B₄C、TiB₂及ZrB₂，在焊接冶金过程中先期析出大量弥散析出，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TiN、BN、B₄C、TiB₂及ZrB₂的熔点、形态等在物化性能上的差异，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，提供了更稳定的优良耐磨性。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目纤维素、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。本发明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60～66 HRC范围。耐磨性为Q235的25～36倍。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。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发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。其中，下列各实施例中所使用的高碳铬铁含碳量为9.0～9.5wt％，含铬量为62～72wt％，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

一种多元氮化物及硼化物协同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：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：45 g的80目高碳铬铁，8 g的80目TiN、10 g的80目BN，3g的80目B₄C、5 g的80目TiB₂、6 g的80目ZrB₂，1 g的80目石墨，0.5 g的60目纤维素粉末、0.5g的200目纤维素粉末，1 g的60目铝镁合金、3 g的200目铝镁合金，2 g的60目硅锰合金、3 g的200目硅锰合金，12 g的80目铁粉。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5 mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为54％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2 mm、3.8 mm、3.5 mm、3.2 mm、2.8 mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2 mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42 V，焊接速度为0.4 m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊金属硬度及耐磨性见表1。

实施例2

一种多元氮化物及硼化物协同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：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：40 g的80目高碳铬铁，3 g的80目TiN、5 g的80目BN，10g的80目B₄C、4 g的80目TiB₂、3 g的80目ZrB₂，2 g的80目石墨，1g的60目纤维素粉末、1 g的200目纤维素粉末，2 g的60目铝镁合金、2 g的200目铝镁合金，5 g的60目硅锰合金、2 g的200目硅锰合金，20 g的80目铁粉。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5 mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为50％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2 mm、3.8 mm、3.5 mm、3.2 mm、2.8 mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2 mm的产品。焊接电流为280～420 A，焊接电压为30～42 V，焊接速度为0.4 m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊金属硬度及耐磨性见表1。

实施例3

一种多元氮化物及硼化物协同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：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：36 g的80目高碳铬铁，10 g的80目TiN、7 g的80目BN，5g的80目B₄C、3 g的80目TiB₂、10 g的80目ZrB₂，3 g的80目石墨，0.6 g的60目纤维素粉末、0.6 g的200目纤维素粉末，2 g的60目铝镁合金、1 g的200目铝镁合金，3 g的60目硅锰合金、5 g的200目硅锰合金，13.8 g的80目铁粉。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5 mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为53％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2 mm、3.8 mm、3.5 mm、3.2 mm、2.8 mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2 mm的产品。焊接电流为280～420 A，焊接电压为30～42 V，焊接速度为0.4 m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊金属硬度及耐磨性见表1。

实施例4

一种多元氮化物及硼化物协同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：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：38 g的80目高碳铬铁，5 g的80目TiN、3 g的80目BN，8 g的80目B₄C、10 g的80目TiB₂、5 g的80目ZrB₂，2 g的80目石墨，1g的60目纤维素粉末、1 g的200目纤维素粉末，3 g的60目铝镁合金、1 g的200目铝镁合金，4 g的60目硅锰合金、4 g的200目硅锰合金，15 g的80目铁粉。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5 mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为52％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2 mm、3.8 mm、3.5 mm、3.2 mm、2.8 mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2 mm的产品。焊接电流为280～420 A，焊接电压为30～42 V，焊接速度为0.4 m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊金属硬度及耐磨性见表1。

表1所打硬度采用HR-150A洛氏硬度计，荷载150 Kg，对每一个测试样取5点硬度，计算平均硬度值。

磨损实验采用MLS-225型湿式橡胶轮磨损试验机。

将每个实施例的堆焊层切五个尺寸为57×25×6 mm磨损试样。磨损实验参数如下：橡胶轮直径：178 mm，橡胶轮转速：240转/分，橡胶轮硬度：70(邵尔硬度)，载荷：10 Kg，橡胶轮转数：预磨1000转，正式试验转1000转，磨料：40～70目的石英砂。堆焊金属的耐磨性能以正式磨损的失重量来衡量。在每次实验前、后将试样置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，待干后称重记录。实验用Q235钢作为对比样，对比件失重量与测量件失重量之比作为堆焊样的相对耐磨性ε。

表1各实施例堆焊金属硬度与耐磨性

综上所述，本发明提供的焊丝，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，并通过与其他合金粉末的合理配比，使之在焊接过程中弥散析出多元氮化物及硼化物，具有硬度高且均匀，耐磨性佳等特点，且焊道表面基本无渣，多层焊无需清渣。

Claims

1.一种多元氮化物及硼化物协同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，所述的药芯成分按质量百分比为：6～45%的高碳铬铁，3～10%的TiN、3～10%的BN，3～10%的B₄C、3～10%的TiB₂、3～10%的ZrB₂，1～3%的石墨，0.5～1%的60目纤维素粉末、0.5～1%的200目纤维素粉末，1～3%的60目铝镁合金、1～3%的200目铝镁合金，2～5%的60目硅锰合金、2～5%的200目硅锰合金，余量为铁粉，药芯粉末占焊丝总重的50-54%。

2.根据权利要求1所述的多元氮化物及硼化物协同增强自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于不同粒径的纤维素：60目的纤维素和200目的纤维素粉末，以质量比为0.5~1：0.5~1组合的方式加入。

3.根据权利要求1所述的多元氮化物及硼化物协同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：60目的铝镁合金和200目的铝镁合金，以质量比为1~3：1~3组合的方式加入。

4.根据权利要求1所述的多元氮化物及硼化物协同增强自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于不同粒径的硅锰合金：60目的硅锰合金和200目的硅锰合金，以质量比为2~5：2~5组合的方式加入。

5.根据权利要求1所述的多元氮化物及硼化物协同增强自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述药芯中的高碳铬铁、TiN、BN、B₄C、TiB₂、ZrB₂、石墨及铁粉组分的粒径均大于或等于80目。

6.根据权利要求1所述的多元氮化物及硼化物协同增强自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述的高碳铬铁含碳量为9.0～9.5wt%，含铬量为62～72wt%，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。

7.根据权利要求1所述的多元氮化物及硼化物协同增强自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述低碳钢带厚度×宽度为0.5×21 mm。

8.根据权利要求1所述的多元氮化物及硼化物协同增强自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝的直径为2.8 mm、3.2 mm、 3.5 mm、3.8 mm和4.2mm中的任意一种。

9.权利要求1所述的多元氮化物及硼化物协同增强自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，其特征在于，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药芯粉末按焊丝总重的50-54%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2.8～4.2 mm，得到最终产品。