CN108620763B - 一种自保护明弧高硼堆焊药芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自保护明弧高硼堆焊药芯焊丝。该药芯焊丝采用H08A冷轧薄钢带为外层***，并于***内配以高碳铬铁、碳化硼、钛铁、硅铁、鳞片石墨和超细化铝粉以及还原铁粉构成粉芯，自保护明弧堆焊形成以初生(Fe,Cr)23(C,B)6为主耐磨相、较高数量沿胞状晶界分布的铁素体和少量孤立分散的(Fe,Cr)3(C,B)相等组成的组织结构。该药芯焊丝采用包括超细化铝粉的先期脱氧、钛铁的中期脱氧以及硅铁的后期脱氧的组合脱氧方式，促进该堆焊合金内作为主耐磨相的胞状(Fe,Cr)23(C,B)6的形成，并使其体积分数达到90%以上。在一定冲击载荷的耐磨粒磨损工况下，该高硼药芯焊丝可用于零部件自保护明弧堆焊耐磨层。
Description
技术领域
本发明属于堆焊药芯焊丝技术领域，具体涉及一种以胞状M23(C,B)6相为主耐磨相的组织结构的自保护明弧高硼堆焊药芯焊丝。
背景技术
硼合金作为一种经济性耐磨材料，主要因为该合金易于析出一定数量的Fe2B(1100～1500HV)等显微硬度高的硼化物而使之具有较好的耐磨粒磨损性能，减少W、Mo和Nb等贵重组元消耗，近年来得到研究重视，并获得应用。
硼合金制备方法有：铸造、堆焊和热扩渗等。但是，铸造硼合金因热力影响大而使之硼含量受限，热扩渗硼合金层较薄。相较而言，堆焊合金所受拘束度小，层厚，尤其硼含量可大幅度提升至3.8％(质量百分数)以上。因而，硼堆焊合金的组织和性能有大幅度提升空间，其中以药芯焊丝自保护明弧焊方法成分组织调整最为方便，可获得硼合金的成分、组织和性能更为宽广。
然而，自保护堆焊高硼药芯焊丝因工艺性能要求，往往需要加入适量石墨组分，以增加自生保护气体量，且药芯焊丝的拉拔性能需满足生产要求。这使硼堆焊合金中存在一个突出问题：因其主耐磨相(Fe,Cr)2B几乎不能溶入碳原子，促使熔体中碳原子被排挤到该相周围，形成大量***脆性共晶α-Fe+Fe3(C,B)而导致合金过脆。此外，在高铬类硼合金中，其主耐磨相为六方点阵结构的(Fe,Cr)7C3相，溶入硼原子后形成复合碳硼化物相(Fe,Cr)7(C,B)3，因B原子半径比C原子半径大得多，仅极少量B可溶入该相，且因该相晶格畸变导致相内应力增大，在外加载荷冲击作用易于碎裂剥落，而熔体中其余大量B原子只能参与形成Fe3(C,B)共晶相。不仅如此，堆焊合金的耐磨性与主耐磨相的体积分数有关，主耐磨相的体积分数越高，合金才有更高耐磨性的可能性。但是，主耐磨相相韧性偏低，其碎裂剥落又降低合金耐磨性。
Fe23(C,B)6属于复杂面心立方点阵结构，可协调C和B原子的填充空间，且该类晶体点阵结构滑移系多，可通过塑性变形方式松弛相内应力。因而，研发一种以Fe23(C,B)6为主耐磨相的自保护明弧高硼堆焊药芯焊丝，可满足其堆焊合金在有冲击载荷磨粒磨损工况下仍具有良好耐磨性的需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有药芯焊丝硼堆焊合金存在的上述缺陷，提供一种既使其堆焊合金的主耐磨相具有较高韧性，又使之拥有较高耐磨性的高硼药芯焊丝。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：该自保护明弧高硼堆焊药芯焊丝，它以H08A冷轧薄钢带为外层***，并于该***内配以各种粉末组分构成粉芯，经自保护明弧堆焊，形成以六碳硼化二十三铁铬/(Fe,Cr)23(C,B)6为主耐磨相的组织结构的堆焊合金；
所述高硼药芯焊丝粉芯各组成粉末组分的重量百分含量分别为：28～32％的含铬量为68～72％、含碳量为8％的高碳铬铁/FeCr70C8.0；14～16％的碳化硼/B4C；5～10％的含钛量为25～35％的钛铁/FeTi30A；4～6％的含硅量为40～47％的硅铁/FeSi45；3.5～4％的含碳量不低于98％的鳞片石墨/C；2.5～3％的含铝量不低于99％的超细化铝粉/Al；余量为含铁量不低于98％的还原铁粉/Fe；所述药芯焊丝粉芯的填充率为45～48％。
为了进一步优化技术效果，所述药芯焊丝粉芯中：高碳铬铁、碳化硼、钛铁、硅铁、鳞片石墨、还原铁粉的细度为60目；超细化铝粉的细度为300目。
本发明一种自保护明弧高硼堆焊药芯焊丝，采用包括超细化铝粉先期脱氧、钛铁中期脱氧以及硅铁后期脱氧的组合脱氧方式，促进该药芯焊丝堆焊合金作为主耐磨相的胞状六碳硼化二十三铁铬/(Fe,Cr)23(C,B)6相的形成。
为了进一步优化技术效果，超细化铝粉在50～70℃烘干两小时，以充分去除所含水分而获得良好的可燃性；进而利用其良好的可燃性充分去除药芯中的含氧量，使该药芯焊丝末端的熔滴形成阶段内部熔体形成强烈的还原性气氛。
为了进一步优化技术效果，利用钛铁在熔滴过渡阶段和熔池前期阶段进行中期脱氧，这使在熔滴过渡和熔池前期阶段该药芯焊丝堆焊熔体形成还原性强的气氛。
为了进一步优化技术效果，利用硅铁在熔池后期阶段进行沉淀脱氧，这使该药芯焊丝堆焊熔体在熔池后期阶段形成还原性强的气氛。
为了进一步优化技术效果，该高硼药芯焊丝自保护明弧堆焊时，电流控制值为390～410A，焊接速度14～16mm/min。
本发明一种自保护明弧高硼堆焊药芯焊丝，其自保护明弧堆焊合金所形成的主要耐磨相为胞状(Fe,Cr)23(C,B)6相，该相兼溶C与B原子，有效抑制了合金因碳与硼相互排斥对立所导致的过脆效应，可应用于有冲击载荷的磨粒磨损工况零部件堆焊耐磨层，如S形混凝土输送管内壁耐磨层。与现有技术相比，本发明具有如下创新点和有益效果：
(1)主耐磨相及其形态不同：采用(Fe,Cr)23(C,B)6作为主耐磨相，呈胞状，相韧性好；同时，该胞状晶内或者晶界析出少量碳化钛/TiC作为辅助耐磨相。这与高铬合金中呈六边形的初生三碳化七金属元素/M7C3和高硼合金中呈四边形的初生硼化二金属元素/M2B的主耐磨相种类及其形态明显不同。
(2)主耐磨相的显微硬度明显不同：胞状(Fe,Cr)23(C,B)6的显微硬度值范围为850～944HV0.1，明显低于M2B的1100～1500HV0.1和M7C3的1200～1600HV0.1显微硬度范围，因而具备良好的相韧性，可使合金主耐磨相承受较高的外加载荷冲击而不发生碎裂剥落。
(3)主耐磨相的体积分数不同：作为主耐磨相的初生(Fe,Cr)23(C,B)6的体积分数高达90％以上，远高于一般高铬或者高硼合金作为主耐磨相的M7C3或M2B的20～60％左右的体积分数。
(4)胞状相沿晶组织不同：本发明的高硼药芯焊丝，其堆焊合金胞状相的沿晶组织并非碳化物，而由较高数量的铁素体和少量孤立分散的碳硼化三铁铬/(Fe,Cr)3(C,B)型碳硼化物组成。
(5)堆焊合金宏观硬度波动范围不同：本堆焊药芯焊丝堆焊合金的宏观硬度为58.0～60HRC，硬度值均衡,一种该类合金硬度值波动范围仅1～2HRC，远低于一种高铬或高硼合金57～65HRC宏观硬度值的波动范围3～6HRC，且其耐磨性优于市售高铬药芯焊丝。
(6)获取高体积分数主耐磨相的材料成本不同：本堆焊药芯焊丝仅采用高碳铬铁、硅铁、钛铁等廉价铁合金与碳化硼颗粒等组分配合使用，就获得了体积分数高达90％以上且可作为主耐磨相的初生(Fe,Cr)23(C,B)6，材料成本低且耐磨性良好，这使该高硼药芯焊丝性价比极为优良。
附图说明
图1为本发明高硼药芯焊丝明弧堆焊合金的组织形态图。
图2为图1所示高硼药芯焊丝明弧堆焊合金的相组成图。
图3为对比例2中钛含量高的高硼药芯焊丝明弧堆焊合金的组织形态图。
图4为图3所示钛含量高的高硼药芯焊丝明弧堆焊合金的相组成图。
图5为图1所示高硼药芯焊丝明弧堆焊合金的磨损形貌图。
图6为图3所示钛含量高的高硼药芯焊丝明弧堆焊合金的磨损形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
本发明的自保护明弧高硼堆焊药芯焊丝直径为Φ3.2mm，由药芯和外表部分两部分构成，其中，外表部分选用H08A冷轧薄钢带；药芯则由以下类型粉末材料组成：28～32％的含铬量为68～72％、含碳量为8％的高碳铬铁/FeCr70C8.0；14～16％的碳化硼/B4C；5～10％的含钛量为25～35％的钛铁/FeTi30A；4～6％的含硅量为40～47％的硅铁/FeSi45；3.5～4％的含碳量不低于98％的鳞片石墨/C；2.5～3％的含铝量不低于99％的超细化铝粉/Al；余量为含铁量不低于98％的还原铁粉/Fe；药芯焊丝粉芯的填充率为45～48％。
在药芯焊丝成型之前，先将超细化铝粉过300目筛，其余粉末组分过60目筛，然后将所有粉末组分混合均匀。接着将该混合粉末倒入不锈钢托盘内，摊开并使粉末堆积高度不超过15mm，将之放入烘干炉内升温至50～70℃并保温2小时。药粉出炉，随即与H08A冷轧薄钢带在药芯焊丝成型机上轧制成型为Φ4.6mm的粗丝，以每次减径0.2mm，通过拉丝模逐步拉拔至Φ3.2mm备用。
将Φ3.2mm的药芯焊丝用MZ-1000焊机在Q235A钢板上自保护明弧焊，形成第一层焊缝。待焊缝空冷至100～150℃以下，该药芯焊丝明弧自保护堆焊第二层，焊后空冷。
药芯焊丝内加入超细化铝粉的主要作用在于利用其强烈的可燃性，使熔滴先期充分脱氧，接着利用钛铁在熔滴过渡阶段和熔池前期阶段进行中期脱氧，再利用适量硅铁在熔池后期阶段进行沉淀脱氧，这使该药芯焊丝堆焊熔体在熔滴形成、熔滴过渡和熔池阶段均形成还原性强的气氛，抑制因碳化硼/B4C颗粒的过早分解而导致熔体中碳、硼原子高度离散、分类聚集现象的出现，促进作为主耐磨相的胞状六碳硼化二十三铁铬/(Fe,Cr)23(C,B)6相的形成。超细化铝粉氧化形成的微细三氧化二铝/Al2O3颗粒在电弧吹力作用下被驱散成烟尘排除。
基于此，该高硼药芯焊丝堆焊合金获得可作为主耐磨相且体积分数90％以上的初生(Fe,Cr)23(C,B)6的设计原理可概括为：优化配置药芯焊丝组分，即加入适量碳化硼/B4C组分并配合加入组合脱氧剂，包括先期脱氧作用的超细化铝粉、中期脱氧作用的钛铁以及后期脱氧作用的硅铁，使堆焊熔体在熔滴形成、熔滴过渡和熔池阶段均形成强烈的还原性气氛，抑制因碳化硼的过早分解所导致C和B原子高度离散、分类聚集现象的出现，而促使胞状(Fe,Cr)23(C,B)6相的形成；利用少量碳化钛/TiC析出调控熔体多余碳原子；加入适量铬铁组分使高碳硼原子团簇固溶适量Cr而提升其稳定性，控制可扩散到晶界的碳或硼原子数量，促使固溶铬的高碳硼原子团簇形成胞状初生相(Fe,Cr)23(C,B)6，并于该胞状相晶界形成了较高数量的铁素体和少量孤立分散的(Fe,Cr)3(C,B)相组成的沿晶组织结构。
实施例1
制作时按上述药芯焊丝的粉芯组成配比要求称取高碳铬铁、碳化硼、钛铁、硅铁、鳞片石墨、超细化铝粉和还原铁粉等，其中，超细化铝粉先过300目筛，然后药芯其他粉末组分过60目筛。接着将药芯所有粉末组分均匀混合，再把混合粉末倒入不锈钢容器内，摊开并使粉末堆积高度不超过15mm，将之放入烘干炉内升温到50～70℃并保温2小时。
混合药粉出炉，随即将之在YHZ-1药芯焊丝成型机压制成型。该药芯焊丝外层***为H08A冷轧钢带(宽度16mm×厚度0.36mm，以下同)，于***内配以铁合金、碳化硼、鳞片石墨、超细化铝粉和还原铁粉等构成粉芯。其粉芯组成(重量百分比)为：高碳铬铁28％、碳化硼15％、钛铁7％、硅铁5％、鳞片石墨4％、超细化铝粉3％、还原铁粉38％，所述粉芯填充率为46％。粉芯的各组分混合搅拌均匀后轧制为Φ4.6mm药芯焊丝，以每次减径0.2mm，再依次拉拔减径为Φ3.2mm焊丝。
在120mm×80mm×16mm的试板(Q235A钢)将药芯焊丝用焊机MZ-1000自保护明弧焊，形成第一层焊缝；待焊缝冷却到100～150℃以下，将该药芯焊丝堆焊熔敷形成第二层焊缝。
药芯焊丝自保护明弧堆焊工艺参数如表1所示，焊后焊缝无裂纹和气孔等缺陷，仅有微量残渣。将堆焊试样线切割加工制备为57mm×25.5mm×6mm耐磨性试样，并用HR-150洛氏硬度计测试其表面宏观硬度。
表1药芯焊丝自保护明弧堆焊工艺参数
耐磨性试验采用MLS-225型湿砂橡胶轮式磨损试验机，试验条件如下：橡胶轮直径178mm、硬度为60邵尔，所加砝码重2.5千克，橡胶轮转速240转/分钟，砂浆比例为40～60目1500克石英砂配1000克自来水。试样先预磨1000转，冲洗干净，吹干，称初重M0，然后正式试验1000转后清洗吹干，称重M1，试样磨损绝对失重量ΔM＝M0-M1。
以下面对比例1所述市售高铬铸铁药芯焊丝的1#堆焊试样作为标准试样，相对磨损系数ε＝标准试样绝对失重量/试样绝对失重量，试验结果见表2。
本实施例的药芯焊丝合金表层的组织形态图和相组成图分别如附图1和图2所示，药芯焊丝的磨损形貌图如图5所示。
实施例2
作时按上述药芯焊丝的粉芯组成配比要求称取高碳铬铁、碳化硼、钛铁、硅铁、鳞片石墨、超细化铝粉和还原铁粉等，其中，超细化铝粉需过300目筛，然后药芯其他粉末过60目筛。将药芯所有粉末组分均匀混合，再把混合粉末倒入不锈钢容器内，摊开并使粉末堆积高度不超过15mm，将之放入烘干炉内升温到50～70℃并保温2小时。
混合药粉出炉，随即将之在YHZ-1药芯焊丝成型机压制成型。该药芯焊丝外层***为H08A冷轧钢带，于***内配以铁合金、碳化硼、鳞片石墨、超细化铝粉和还原铁粉等构成粉芯。其粉芯组成(重量百分比)为：高碳铬铁30％、碳化硼16％、钛铁10％、硅铁4％、鳞片石墨3.5％、超细化铝粉2.5％、还原铁粉34％，所述粉芯填充率为47％。粉芯的各组分混合搅拌均匀后轧制为Φ4.6mm药芯焊丝，以每次减径0.2mm，再依次拉拔减径为Φ3.2mm焊丝。
耐磨性试验内容同实施例1。
实施例3
作时按上述药芯焊丝的粉芯组成配比要求称取高碳铬铁、碳化硼、硅铁、钛铁、鳞片石墨、超细化铝粉和还原铁粉等，其中，超细化铝粉需过300目筛，然后药芯其他粉末过60目筛。将药芯所有粉末组分均匀混合，再把混合粉末倒入不锈钢容器内，摊开并使粉末堆积高度不超过15mm，将之放入烘干炉内升温到50～70℃并保温2小时。
混合药粉出炉，随即将之在YHZ-1药芯焊丝成型机压制成型。该药芯焊丝外层***为H08A冷轧钢带，于***内配以铁合金、碳化硼、鳞片石墨、超细化铝粉和还原铁粉等构成粉芯。其粉芯组成(重量百分比)为：高碳铬铁32％、碳化硼14％、钛铁5％、硅铁6％、鳞片石墨4％、超细化铝粉3％、还原铁粉36％，所述粉芯填充率为48％。粉芯的各组分混合搅拌均匀后轧制为Φ4.6mm药芯焊丝，以每次减径0.2mm，再依次拉拔减径为Φ3.2mm焊丝。
耐磨性试验内容同实施例1。
对比例1
采用市售的高铬铸铁药芯焊丝(Φ3.2mm)在120mm×80mm×16mm的试板(Q235A钢)上，用焊机MZ-1000自保护明弧堆焊二层，工艺参数同表1。堆焊后表面残留有少量熔渣，并出现10～18mm间隔的横向裂纹。
耐磨性试验内容同实施例1。
对比例2
采用药芯焊丝，其药芯组成为：高碳铬铁30％、碳化硼15％、钛铁35％、硅铁6％、鳞片石墨4％、超细化铝粉3％、还原铁粉7％，所述粉芯填充率为48％。其他内容同实施例1。
该药芯焊丝在120mm×80mm×16mm的试板(Q235A钢)上，用焊机MZ-1000自保护明弧堆焊两层，堆焊工艺参数同表1。堆焊后表面残留有熔渣，数量比实施例1-3均大，无气孔等缺陷，但有少量微裂纹。
耐磨性试验内容同实施例1。
对比例2的药芯焊丝明弧堆焊合金的组织形态图和相组成图分别如图3和图4所示，药芯焊丝自保护明弧堆焊合金的磨损形貌图如图6所示。
从表2可以看出，本发明的高硼系药芯焊丝堆焊合金的相对磨损系数ε是市售高铬铸铁药芯焊丝堆焊合金的2.70～3.00倍，并是自制钛含量高的高硼药芯焊丝堆焊合金的1.03～1.15倍，这说明该高硼药芯焊丝具有良好的耐磨性。
通过图1和图2可知，本发明高硼药芯焊丝自保护明弧堆焊合金的组织主要由胞状(Fe,Cr)23(C,B)6、极少量TiC相、较高数量沿胞状晶界的网状或者树枝状分布的铁素体和少量孤立分散的(Fe,Cr)3(C,B)组成。
对比例2除了钛铁含量远高于本发明高硼药芯焊丝，其他药芯组分基本相同。通过图3和图4可知，钛含量高的高硼堆焊合金组织所含黑色的TiC相颗粒数量较多，主要耐磨相由块状(Fe,Cr)2B和胞状(Fe,Cr)23(C,B)6组成。对比图3和图1可知，对比例2的药芯焊丝堆焊合金组织所含(Fe,Cr)3(C,B)共晶硬质相的数量明显多于本发明高硼药芯焊丝堆焊合金所含该相。
与图3所示的组织形态图对比，再结合对图1所示胞状组织的显微硬度测试以及图2所示图1的相组成表征结果，可确定本发明高硼药芯焊丝堆焊合金的白色胞状相为(Fe,Cr)23(C,B)6，且作为主耐磨相。
对比图5和图6所示堆焊合金的磨损形貌可知，在相同磨损试验条件下，本发明的高硼系药芯焊丝磨损表面划痕均匀，其磨损机制主要为磨粒的微观切削，而对比例2的钛含量高的高硼系药芯焊丝磨损表面剥落坑较多，显微剥落和磨粒的微观切削两种磨损机制并存。以上结果表明本发明的自保护明弧堆焊高硼堆焊药芯焊丝拥有良好的耐磨性和较高韧性，可用于有冲击载荷磨粒磨损工况下零部件自保护明弧堆焊耐磨层。
表2实施例堆焊合金的耐磨粒磨损性能
Claims (5)
1.一种自保护明弧高硼堆焊药芯焊丝，其特征在于：它以H08A冷轧薄钢带为外层***，并于该***内配以各种粉末组分构成粉芯，经自保护明弧堆焊，形成以胞状六碳硼化二十三铁铬相为主耐磨相的组织结构的堆焊合金；
所述粉芯各粉末组分的重量百分含量分别为：28～32%的含铬量为68～72%、含碳量为8%的高碳铬铁；14～16%的碳化硼；5～10%的含钛量为25～35%的钛铁；4～6%的含硅量为40～47%的硅铁；3.5～4%的含碳量不低于98%的鳞片石墨；2.5～3%的含铝量不低于99%的300目超细化铝粉；余量为含铁量不低于98%的还原铁粉；所述药芯焊丝粉芯的填充率为45～48%。
2.根据权利要求1所述的自保护明弧高硼堆焊药芯焊丝，其特征在于：该药芯焊丝粉芯中，所述高碳铬铁、碳化硼、钛铁、硅铁、鳞片石墨、还原铁粉的细度为60目。
3.根据权利要求1所述的自保护明弧高硼堆焊药芯焊丝，其特征在于：所述药芯焊丝粉芯的各粉末组分是在50～70℃烘干两小时后获得。
4.根据权利要求1所述的自保护明弧高硼堆焊药芯焊丝，其特征在于：采用包括超细化铝粉先期脱氧、钛铁中期脱氧以及硅铁后期脱氧的组合脱氧方式。
5.根据权利要求1所述的自保护明弧高硼堆焊药芯焊丝，其特征在于：堆焊时，电流控制值为390～410A，焊接速度14～16mm/min。
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