CN112872655A

CN112872655A - 一种自保护堆焊药芯焊丝及制备方法

Info

Publication number: CN112872655A
Application number: CN202011574612.3A
Authority: CN
Inventors: 潘秋俊; 潘伟
Original assignee: Jiangsu Dongnan Welding Materials Co ltd
Current assignee: Jiangsu Dongnan Welding Materials Co ltd
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2040-12-28
Also published as: CN112872655B

Abstract

本申请公开了一种自保护堆焊药芯焊丝及制备方法，属于焊接材料领域。所述药芯焊丝包括焊丝皮材和焊剂，焊剂填充于焊丝皮材内，所述焊剂包括以下重量百分比的组分：碳化铬30‑40%、锰铁15‑25%、钽铁7.5‑9.5%、碳化钨3‑8%、六硼化钙1‑5%、石墨6‑8%、氧化铈0.5‑1%、稀土镁硅铁合金10‑15%、氟石3‑5%、硅石4‑7%、Li₂CO₃1‑2%、大理石2‑3%；所述焊剂在焊丝皮材中的填充率为30‑45％。本申请通过选定焊剂中的各组分并优化各组分的添加量可以显著提高堆焊金属的硬度和耐磨性，从而能够延长修复材料使用寿命，满足特殊领域对堆焊金属力学性能的要求。

Description

一种自保护堆焊药芯焊丝及制备方法

技术领域

本申请涉及焊接材料领域，特别涉及一种自保护堆焊药芯焊丝及制备方法。

背景技术

磨损、腐蚀和断裂是材料和能源消耗的三个主要形式。其中，在金属材料应用领域，磨损作为主要的失效形式不容忽视，由其导致的材料和能源消耗十分巨大。磨损失效不仅会造成资源的巨大浪费，而且还可能直接或间接的酿成灾难性事故。工业领域的机械设备中许多部件的磨损失效形式均为金属和金属间的磨损，该失效形式会导致机械部件的使用寿命降低，目前采用再制造的方法来减少备件的消耗。再制造最简单和有效的方法为焊接修复，即根据部件承受的载荷不同，选用不同硬度的堆焊金属来进行修复磨损部位。

目前，国内主要采用气保护药芯焊丝、埋弧堆焊药芯焊丝和自保护药芯焊丝进行焊接修复。但采用气保护堆焊需要有保护气体，在野外堆焊修复会发生气孔；而采用埋弧堆焊修复需添加焊剂，增加堆焊修复成本，而且埋弧堆焊只能采用自动焊接，应用范围有限。自保护药芯焊丝是一种不需要外加气体或焊剂保护，是目前使用范围最广的高效、省料、低成本的药芯焊丝。

然而，自保护药芯焊丝的堆焊材料在室温环境下使用时，堆焊金属的硬度范围在HRC30-59之间，很难达到HRC60以上；在高温环境下使用时，由于材料容易发生高温蠕变，会导致硬度进一步降低，更无法难达到较高的硬度值。所以，现有的自保护药芯焊丝由于硬度较低，无法有效延长机械的使用寿命，更无法应用于某些具有高强度焊接要求的领域，例如，船舶、航天领域，限制了其使用领域。

发明内容

针对现有技术中自保护药芯焊丝强度较低的问题，本申请提供一种自保护堆焊药芯焊丝及制备方法。

第一方面，本申请提供了一种自保护堆焊药芯焊丝，通过以下技术方案得以实现的：

一种自保护堆焊药芯焊丝，包括焊丝皮材和焊剂，焊剂填充于焊丝皮材内，所述焊剂包括以下重量百分比的组分：

碳化铬 30-40%；

锰铁 15-25%；

钽铁 7.5-9.5%；

碳化钨 3-8%；

六硼化钙 1-5%；

石墨 6-8%；

氧化铈 0.5-1%；

稀土镁硅铁合金 10-15%；

氟石3-5%；

硅石4-7%；

Li₂CO₃1-2%；

大理石2-3%；

所述焊剂在焊丝皮材中的填充率为30-45％。

通过采用上述技术方案，本申请的药芯焊丝可以通过焊接的方式在金属表面熔敷金属合金，从而达到修复材料失效部位、强化材料或零件表面的目的。

本申请的药芯焊丝包括焊丝皮材和焊剂，并且严格限定了焊剂在焊丝皮材中的填充率，这因为过低的填充率不仅会影响焊接工艺性能，还会造成保护不足，最终影响堆焊金属的力学性能；而过高的填充率会影响生产工艺、效率和成本。所以本申请结合生产工艺和性能的综合要求将填充率确定为30-45%。

本申请的焊剂包括熔敷金属合金组分和焊渣组分（药粉）。其中，熔敷金属合金包括碳化铬、石墨、钽铁、碳化钨、六硼化钙、锰铁、氧化铈、稀土镁硅铁合金，本申请在碳化铬和石墨等基础成分中掺杂钽、钨、硼、铈等元素并严格限定各种组分的配比，形成了比现有的碳化物堆焊金属硬度更高的碳化物，显著提升了堆焊金属的强度，并且耐磨损性也得到了大幅度的提升，全面提升了堆焊金属的力学性能，进而延长了修复材料的使用寿命，满足了特殊领域对堆焊金属硬度和耐磨性的要求。

本申请的焊渣包括氟石、硅石、Li₂CO₃、大理石，焊渣组分主要起到保护焊接过程的作用。本申请采用渣保护和气保护联合的方式达到了较好的保护效果，其中，氟石是一种造渣剂和造气剂，氟石中含有95%左右的CaF₂，CaF₂可以阻止氢溶解到溶池中,从而降低焊缝金属中扩散氢的含量，同时CaF₂气化后可以形成一层动态气罩笼罩在焊丝端部，随着电弧的移动而移动，起到隔绝空气的作用，防止熔融金属发生剧烈反应形成气孔。硅石中主要成分为SiO₂，其有利于焊渣的覆盖，并且可以提高焊缝成形美观度；Li₂CO₃在焊接时可以产生CO₂，可以起到隔绝空气的作用，而且Li的沸点较低，不会残留在最终的堆焊金属中，从而不会影响堆焊金属的力学性能。大理石的主要成分是CaCO₃，当焊丝融化形成熔滴时，其能迅速覆盖熔滴，同时和熔滴进行冶金反应，不仅起到隔绝空气的作用，还对熔滴进行脱氧和固氮，随后和熔滴一起进入熔池，均匀的覆盖熔池并进行冶金反应。综上，本申请采用渣保护和气保护联合的方式，有效防止空气中的氧和氮进入熔池与熔融金属发生剧烈的相互作用，从而减少气孔的产生，保证了焊缝的成形、提高了堆焊金属的强度。

综上所述，本申请从优化熔敷金属合金组分和焊渣组分两个方面来提高堆焊金属的强度和耐磨性，将本申请药芯焊丝堆焊在修复材料表面，可以有效的修复材料的失效部位，延长材料的使用寿命，降低修复材料的成本。

可选的，所述焊剂包括以下重量百分比的组分：

碳化铬 31-31.4%；

锰铁 16-20%；

钽铁 7.6-8%；

碳化钨 3.1-3.6%；

六硼化钙 1.1-2%；

石墨 6.2-6.5%；

氧化铈 0.6-0.7%；

稀土镁硅铁合金 12.6-13%；

氟石3.1-4%；

硅石5-6%；

Li₂CO₃1.1-1.2%；

大理石2.2-2.5%。

通过采用上述技术方案，本申请进一步对焊剂中各组分含量进行优化，优化后的药芯焊丝形成的堆焊金属具有更好的硬度和耐磨性，力学性能突出。

可选的，所述焊剂在焊丝皮材中的填充率为35-42％。

通过采用上述技术方案，本申请进一步限定药芯焊丝中焊剂的填充率，从而进一步优化最终获得的堆焊金属的力学性能和生产工艺，使二者达到平衡。

可选的，所述焊丝皮材选用冷轧钢带。

第二方面，本申请提供了一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，是通过以下技术方案得以实现：

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：

a.混粉：将规定量的碳化铬、石墨、钽铁、碳化钨、六硼化钙、锰铁、氧化铈、稀土镁硅铁合金、氟石、硅石、Li₂CO₃、大理石进行混合；

b.填充：将焊丝皮材滚卷成U型断面，再将步骤a混合后的粉末按照30-45％填充率填充于U型金属槽中，然后密封滚卷；

c.拉拔和成型：将步骤b密封后的管状焊丝进行拉拔，拉拔成型后进行填充率检测，即得自保护堆焊药芯焊丝。

通过采用上述技术方案，本申请首先将熔敷金属合金和焊渣中的各组分进行混合，然后将混合粉末填充于具有U型断面的焊丝皮材内，进行封口并拉拔成型，最终得到药芯焊丝。整个药芯焊丝的制备方法非常简单，生产过程中使用的生产设备也易于购买，适合工业化大规模生产。

可选的，在步骤a之前，还进行药粉预处理工艺，所述预处理方法为：将氟石、硅石、大理石分别烘干至恒重并过筛。

通过采用上述技术方案，由于药粉易吸湿，而吸潮后的药粉会导致药芯焊丝的焊接工艺变差，产生气孔和裂纹，所以本申请将氟石、硅石、大理石在与金属粉混合之前进行烘干预处理，从生产工艺的角度提升堆焊金属的机械强度。本申请将烘干的粉末再进行过筛，提高了药粉的均一度，从而使混合后的焊剂具有很好的流动性，保持焊剂的填充稳定性，使药芯焊丝具有较好的成型效果，减少拉丝减径过程中因受力不均而产生断丝现象的发生。

可选的，所述氟石的烘干条件为190-210℃烘干50-70min；硅石的烘干条件为180-250℃烘干90-110min；大理石的烘干条件为200-220℃烘干90-150min；将干燥后的氟石、硅石、大理石粉末过80-100目筛。

通过采用上述技术方案，本申请针对不同的矿石采用不同的烘干条件，一方面保证了烘干的效果，另一方面保证了矿石内的有效成分不会在不适宜的高温下分解，同时也节约了能源。将干燥后的药粉过80-100目筛，可以保证药粉的均匀度，从而提高药粉的流动性。

可选的，所述预处理方法还包括将过筛后的氟石、硅石、大理石混合，并进行烧结、球磨。

通过采用上述技术方案，本申请对烘干后的药粉还可进行烧结、球磨处理，烧结处理能够去除药粉中的结晶水，但烧结后药粉会烧结成块状，不能满足焊剂的流动性和均匀度，所以还需要对其进行球磨处理，球磨处理后的药粉确保了焊剂的流动性，使最终生产出的药芯焊丝具有稳定的质量。

可选的，烧结温度为680-700℃，烧结时间为1.5-2.5h；球磨时间为20-40min，颗粒度为80-100目。

通过采用上述技术方案，本申请严格控制烧结温度和时间，烧结温度过低会导致粒密度过小，而烧结温度过高将导致药粉成分失效。所以，本申请通过控制烧结温度、时间以及球磨时间，得到的药粉粉末粒度合适且流动性好。

可选的，步骤a中，将混合后的粉末在200-300rpm/min条件下搅拌20-30min。

通过采用上述技术方案，本申请将焊渣组分与熔敷金属合金组分混合后在规定的时间和转速内进行搅拌，防止混合时间过短造成焊剂中各组分分散不均，也防止了混合时间过长使焊剂中的组分变性，从而提高了药芯焊丝的质量。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、本申请通过选定焊剂中的各组分并优化各组分的添加量可以显著提高堆焊金属的硬度和耐磨性，从而能够延长修复材料的使用寿命，满足特殊领域对堆焊金属力学性能的要求；

2、本申请通过对药粉进行预处理，可以减少气孔和裂缝的产生，同时提高了焊剂的均匀度和流动性，使药芯焊丝具有较好的成型效果，提高了制备得到的药芯焊丝的质量。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

本申请的稀土镁硅铁购自安阳金晟冶金材料有限公司。

实施例1

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：

a.混粉：将规定量的3kg碳化铬、2kg锰铁、0.8kg钽铁、0.8kg碳化钨、0.2kg六硼化钙、0.62kg石墨、0.1kg氧化铈、1.26kg稀土镁硅铁合金、0.4kg氟石、0.5kg硅石、0.1kgLi₂CO₃、0.22kg大理石进行混合；

b.填充：将冷轧钢带滚卷成U型断面，再将步骤a混合后的10kg粉末按照30％填充率填充于U型金属槽中，然后密封滚卷；

实施例2

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：

a.混粉：将规定量的4kg碳化铬、1.5kg锰铁、0.75kg钽铁、0.3kg碳化钨、0.1kg六硼化钙、0.65kg石墨、0.05kg氧化铈、1.3kg稀土镁硅铁合金、0.3kg氟石、0.6kg硅石、0.2kgLi₂CO₃、0.25kg大理石进行混合；

b.填充：将冷轧钢带滚卷成U型断面，再将步骤a混合后的10kg粉末按照45％填充率填充于U型金属槽中，然后密封滚卷；

实施例3

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：

a.混粉：将规定量的3.1kg碳化铬、1.6kg锰铁、0.76kg钽铁、0.36kg碳化钨、0.5kg六硼化钙、0.8kg石墨、0.06kg氧化铈、1.5kg稀土镁硅铁合金、0.5kg氟石、0.4kg硅石、0.12kgLi₂CO₃、0.3kg大理石进行混合；

b.填充：将冷轧钢带滚卷成U型断面，再将步骤a混合后的10kg粉末按照35％填充率填充于U型金属槽中，然后密封滚卷；

实施例4

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：

a.混粉：将规定量的3.14kg碳化铬、2.5kg锰铁、0.95kg钽铁、0.31kg碳化钨、0.11kg六硼化钙、0.6kg石墨、0.07kg氧化铈、1kg稀土镁硅铁合金、0.31kg氟石、0.7kg硅石、0.11kgLi₂CO₃、0.2kg大理石进行混合；

b.填充：将冷轧钢带滚卷成U型断面，再将步骤a混合后的10kg粉末按照42％填充率填充于U型金属槽中，然后密封滚卷；

实施例5

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤a中，在粉末混合后，将混合后的粉末在300rpm/min条件下搅拌20min。

实施例6

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤a中，在粉末混合后，将混合后的粉末在200rpm/min条件下搅拌30min。

实施例7

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，与实施例2的不同之处在于：在步骤a之前，还进行药粉预处理工艺，所述预处理方法为：将氟石、硅石、大理石分别烘干至恒重并过80目筛；所述氟石的烘干条件为190℃烘干70min；硅石的烘干条件为250℃烘干90min；大理石的烘干条件为200℃烘干150min。

实施例8

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，与实施例2的不同之处在于：在步骤a之前，还进行药粉预处理工艺，所述预处理方法为：将氟石、硅石、大理石分别烘干至恒重并过100目筛；所述氟石的烘干条件为210℃烘干50min；硅石的烘干条件为180℃烘干110min；大理石的烘干条件为220℃烘干90min。

实施例9

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，与实施例3的不同之处在于：在步骤a之前，还进行药粉预处理工艺，所述预处理方法为：将氟石、硅石、大理石分别烘干至恒重并过90目筛，将过筛后的三种粉末混合，在680℃烧结2.5h，球磨40min，颗粒度为100目；所述氟石的烘干条件为195℃烘干65min；硅石的烘干条件为200℃烘干100min；大理石的烘干条件为210℃烘干120min。

实施例10

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，与实施例3的不同之处在于：在步骤a之前，还进行药粉预处理工艺，所述预处理方法为：将氟石、硅石、大理石分别烘干至恒重并过90目筛，将过筛后的三种粉末混合，在700℃烧结1.5h，球磨20min，颗粒度为80目；所述氟石的烘干条件为210℃烘干55min；硅石的烘干条件为220℃烘干95min；大理石的烘干条件为215℃烘干95min。

对比例1

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，与实施例4的不同之处在于：步骤a中，用与Li₂CO₃重量相等的氟石替代Li₂CO₃，其他组分不变。

对比例2

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，与实施例4的不同之处在于：步骤a中，用与大理石重量相等的氟石替代大理石，其他组分不变。

对比例3

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，与实施例4的不同之处在于：步骤a中，用与钽铁重量相等的碳化铬替代钽铁，其他组分不变。

对比例4

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，与实施例4的不同之处在于：步骤a中，用与碳化钨重量相等的碳化铬替代碳化钨，其他组分不变。

对比例5

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，与实施例4的不同之处在于：步骤a中，用与六硼化钙重量相等的碳化铬替代六硼化钙，其他组分不变。

对比例6

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，与实施例4的不同之处在于：步骤a中，用与氧化铈重量相等的碳化铬替代氧化铈，其他组分不变。

对比例7

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，与实施例4的不同之处在于：步骤a中，用与稀土镁硅铁合金重量相等的碳化铬替代稀土镁硅铁合金，其他组分不变。

对比例8

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，与实施例4的不同之处在于：步骤b中，所述焊剂在焊丝皮材中的填充率为20％。

对比例9

一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，与实施例4的不同之处在于：步骤b中，所述焊剂在焊丝皮材中的填充率为60％。

性能测试

硬度测试：采用HR-150A 型洛氏硬度计测试堆焊层表层的宏观硬度。试验所用载荷为 150Kg，加载时间为 10-15s；

磨损测试：利用MLS-225型磨粒磨损试验机测定堆焊层抗磨粒磨损的能力。试验条件为：试件尺寸55mm×25mm×6mm，磨料为粒径0.06mm的粗石英砂，每次的加入量为300g，摩擦轮转速为240r/min，每种试样的磨损行程为1000m。材料的耐磨性能用磨损的失重量来衡量，试验时用Mn13 高锰钢作为对比，对比件失重量与测量件失重量之比作为相对耐磨性。测试结果参见表1。

从表1可以看出，采用本申请实施例1-4方法制备得到的药芯焊丝堆焊后得到的堆焊金属硬度达到65.2HRC以上，相对耐磨性达到9.84，与现有堆焊金属的硬度和耐磨性相比，其力学性能得到了提升。本申请实施例5-6与实施例1的不同之处在于在焊剂各组分混合后在一定转速下搅拌一段时间，从表1可以看出，采用实施例5-6制备得到的药芯焊丝堆焊后形成的堆焊金属的硬度和耐磨性有了小幅度的提升，实验结果表明，搅拌后得到的焊剂中各组分分散性好，流动性好，从而提高了堆焊金属整体性能。本申请实施例7-8与实施例2的不同之处在于对药粉进行烘干和筛粉，从表1可以看出，采用实施例7-8制备得到的药芯焊丝堆焊后形成的堆焊金属的硬度和耐磨性大幅度提升，实验结果表明，去除药粉中的水分，可以减少气孔的产生，从而提高堆焊金属的机械强度。本申请实施例9-10与实施例3的不同之处在于对药粉进行烘干、筛粉、烧结和球磨处理，从表1可以看出，采用实施例9-10制备得到的药芯焊丝堆焊后形成的堆焊金属的硬度和耐磨性相对于实施例7-8进一步提升，实验结果表明，去除药粉中的结晶水，可以进一步提升堆焊金属的力学性能。

对比例1-2与实施例4的不同之处在于药粉中少一种组分，从表1中可以看出，采用对比例1-2制备得到的药芯焊丝堆焊后形成的堆焊金属的硬度和耐磨性有所下降，实验结果表明，本申请药粉中选定的组分通过合理的配比可以有效防止空气与熔融金属发生反应，降低了气孔的生成率，从而提高了堆焊金属的力学性能。

对比例3-7与实施例4的不同之处在于金属粉中少一种组分，从表1中可以看出，采用对比例3-7制备得到的药芯焊丝堆焊后形成的堆焊金属的硬度和耐磨性大幅度下降，实验结果表明，本申请熔敷金属合金中选定的组分通过合理的配比可以有效的提高堆焊金属的硬度和耐磨性。

对比例8-9与实施例4的不同之处在于焊剂的填充率不同，从表1中可以看出，采用对比例8-9制备得到的药芯焊丝堆焊后形成的堆焊金属的硬度和耐磨性下降，实验结果表明，过低的填充率会造成保护不足，而过高的填充率会影响焊剂的流动性，最终均会影响堆焊金属的整体性能。

本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种自保护堆焊药芯焊丝，包括焊丝皮材和焊剂，焊剂填充于焊丝皮材内，其特征在于：所述焊剂包括以下重量百分比的组分：

碳化铬 30-40%；

锰铁 15-25%；

钽铁 7.5-9.5%；

碳化钨 3-8%；

六硼化钙 1-5%；

石墨 6-8%；

氧化铈 0.5-1%；

稀土镁硅铁合金 10-15%；

氟石 3-5%；

硅石 4-7%；

Li₂CO₃1-2%；

大理石2-3%；

所述焊剂在焊丝皮材中的填充率为30-45％。

2.根据权利要求1所述的一种自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于：所述焊剂包括以下重量百分比的组分：

碳化铬 31-31.4%；

锰铁 16-20%；

钽铁 7.6-8%；

碳化钨 3.1-3.6%；

六硼化钙 1.1-2%；

石墨 6.2-6.5%；

氧化铈 0.6-0.7%；

稀土镁硅铁合金 12.6-13%；

氟石 3.1-4%；

硅石 5-6%；

Li₂CO₃1.1-1.2%；

大理石2.2-2.5%。

3.根据权利要求1所述的一种自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于：所述焊剂在焊丝皮材中的填充率为35-42％。

4.根据权利要求1所述的一种自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于：所述焊丝皮材选用冷轧钢带。

5.一种权利要求1-4任一所述的自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，其特征在于：在步骤a之前，还进行药粉预处理工艺，所述预处理方法为：将氟石、硅石、大理石分别烘干至恒重并过筛。

7.根据权利要求6所述的一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，其特征在于：所述氟石的烘干条件为190-210℃烘干50-70min；硅石的烘干条件为180-250℃烘干90-110min；大理石的烘干条件为200-220℃烘干90-150min；将干燥后的氟石、硅石、大理石粉末过80-100目筛。

8.根据权利要求6所述的一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，其特征在于：所述预处理方法还包括将过筛后的氟石、硅石、大理石混合，并进行烧结、球磨。

9.根据权利要求8所述的一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，其特征在于：烧结温度为680-700℃，烧结时间为1.5-2.5h；球磨时间为20-40min，颗粒度为80-100目。

10.根据权利要求5所述的一种自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，其特征在于：步骤a中，将混合后的粉末在200-300rpm/min条件下搅拌20-30min。