CN114346521B

CN114346521B - 金属型药芯焊丝及不锈钢轴承套圈的制备方法

Info

Publication number: CN114346521B
Application number: CN202111645630.0A
Authority: CN
Inventors: 张敏; 刘智博; 郜雅彦; 李毅; 曹齐鲁
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2021-12-29
Filing date: 2021-12-29
Publication date: 2023-09-08
Anticipated expiration: 2041-12-29
Also published as: CN114346521A

Abstract

本发明公开了金属型药芯焊丝及不锈钢轴承套圈的制备方法，焊丝的药芯包括以下组分：铬粉、镍粉、钼粉、钒铁粉、铌铁粉、铝粉、钨粉、氮化铬、硼化铪、钽粉、氧化镧、氟化钠、其余为铁粉。熔滴过渡均匀，而且它还能调整焊剂的成分和比例，可以提供所要求的焊缝化学成分，并且药芯焊丝的熔敷速度快，生产效率高；能提高高碳铬型不锈轴承钢的强韧性、耐磨性、耐蚀性以及高温稳定性，使其具有更优良的工艺性能，满足实际工程问题的需求。本发明不锈钢轴承套圈的制备方法，以CMT焊为热源，金属型药芯焊丝为原材料，使用增材制造不锈钢轴承套圈，效率高，所需设备少，生产成本低。

Description

金属型药芯焊丝及不锈钢轴承套圈的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，涉及一种金属型药芯焊丝，还涉及采用上述金属型药芯焊丝制备不锈钢轴承套圈的方法。

背景技术

轴承是用以支撑机械旋转体的重要零部件，在降低回转体在运动过程中的摩擦及磨损同时，可保证其回转精度，被誉为机械的关节。零部件的质量将直接影响到产品的可靠性及使用性能。在机械行业，轴承作为一种重要的基础件产品，在我国国民经济建设的各个领域中，占据十分重要的地位和作用。随着社会的进步和科学技术的发展，各行各业对轴承品种、数量、质量的要求越来越高，这就需要大力发展新产品，不断改进生产工艺，努力提高生产能力以满足国民经济快速发展的需要。

不锈钢轴承与普通轴承相比，在工作过程中工作稳定，噪音小，有更强的防锈、防腐蚀性，选择合适的润滑剂、防尘盖等，可以在-60℃～+300℃的环境下使用。而轴承套圈为不锈钢轴承的三大零件之一，主要为环形结构，其加工质量对轴承成品的精度、性能和使用寿命都有直接的影响。现阶段此类轴承套圈大多采用铸造、锻造以及车加工制备。但铸造内部缩松、缩孔的缺陷发生率较大；锻造模具的制造成本很高，只适用大批量生产，此外轴承套圈在锻造时易发生过烧、内裂、脱碳等，进而影响其强度和韧度；以不锈钢制棒料直接车加工成轴承套圈，材料消耗率高。另外，现有的不锈轴承钢为高碳铬型，由该钢种所制得的轴承往往不能满足噪音和精度的要求，同时当轴承承受较大载荷的时候，容易在共晶碳化物的部位造成应力集中而产生疲劳裂纹源，使轴承的使用性能还有解除疲劳寿命受到很大程度的损害。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属型药芯焊丝，解决了现有技术中存在的不锈轴承钢容易产生疲劳裂纹源的问题。

本发明采用的技术方案是，金属型药芯焊丝，焊丝的药芯按照质量百分比包括以下组分：

铬粉11-13％、镍粉4.5-5.5％、钼粉1.2-1.4％、钒铁粉1.8-2.1％、铌铁粉1.8-2.2％、铝粉1.1-1.3％、钨粉2.4-2.6％、氮化铬3.6-4.5％、硼化铪0.08-0.12％、钽粉0.05-0.065％、氧化镧0.48-0.52％、氟化钠0.9-1.1％、其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％。

本发明的特点还在于：

焊丝的焊皮为不锈钢钢带。

本发明的另一目的是提供一种不锈钢轴承套圈的制备方法。

本发明采用的另一技术方案是，不锈钢轴承套圈的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、按照质量百分比分别称取原料：铬粉11-13％、镍粉4.5-5.5％、钼粉1.2-1.4％、钒铁粉1.8-2.1％、铌铁粉1.8-2.2％、铝粉1.1-1.3％、钨粉2.4-2.6％、氮化铬3.6-4.5％、硼化铪0.08-0.12％、钽粉0.05-0.065％、氧化镧0.48-0.52％、氟化钠0.9-1.1％、其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；

步骤2、将步骤1称取的原料在惰性气体氛围中加热并保温，得到药芯粉末；

步骤3、将药芯粉末填入不锈钢钢带U型槽内，经过闭合成型轧辊后制成焊丝，并对焊丝进行逐级减径得到金属型药芯焊丝；

步骤4、将金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，按照规划焊接路径、确定层高，并以CMT作为热源的电弧增材制造技术，采用螺旋上升形成管件的方式进行增材制造，由内向外逐道偏置填充，逐层增材得到不锈钢轴承套圈。

步骤2中惰性气体为氩气，加热温度为200～300℃，保温时间为2～3h。

步骤4中CMT的工艺参数为：焊接速度0.41m/min～0.43m/min，每层焊枪提升0.7mm～1mm，保护气体为80％Ar+20％CO₂。

本发明的有益效果是：

本发明的金属型药芯焊丝工艺性能好，熔滴过渡均匀，而且它还能调整焊剂的成分和比例，可以提供所要求的焊缝化学成分，并且药芯焊丝的熔敷速度快，生产效率高；能提高高碳铬型不锈轴承钢的强韧性、耐磨性、耐蚀性以及高温稳定性，使其具有更优良的工艺性能，满足实际工程问题的需求。本发明不锈钢轴承套圈的制备方法，以CMT焊为热源，金属型药芯焊丝为原材料，使用增材制造不锈钢轴承套圈，效率高，所需设备少，生产成本低；在增材制造过程中飞溅少、电弧稳定，整个成型过程良好，成型后形貌完整无缺损；节省相关材料及设备投入，减少模具成本投入，机械加工余量很少，能较大的节省资源；生产过程简单，操作容易，便于组织机械化、自动化生产；提高材料利用率，降低生产成本，缩短生产周期。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

金属型药芯焊丝，焊丝的药芯按照质量百分比包括以下组分：

铬粉11-13％、镍粉4.5-5.5％、钼粉1.2-1.4％、钒铁粉1.8-2.1％、铌铁粉1.8-2.2％、铝粉1.1-1.3％、钨粉2.4-2.6％、氮化铬3.6-4.5％、硼化铪0.08-0.12％、钽粉0.05-0.065％、氧化镧0.48-0.52％、氟化钠0.8-1％、其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％。焊丝的焊皮为不锈钢钢带。

本发明金属型焊丝的各组分作用如下：

Cr在马氏体不锈钢中的含量最高不超过18％，最低不会低于11.5％。若Cr含量过高，固溶处理之后会有一部分铁素体残留在马氏体基体中，使得钢的固溶溶质得不到充分溶入，组织不是单一的过饱和固溶体，在后续时效处理中不能充分发挥时效强化的作用，这会破坏钢的热塑性，降低钢的强韧度和耐蚀性能。

Ni是马氏体不锈钢中的重要元素，它能在钢的组织中形成稳定的奥氏体并扩大奥氏体区，以软质相改善基体的塑性、加工性和韧性等性能。普通碳钢的晶体结构呈体心立方(bcc)结构，Ni元素的加入会起到改变晶体结构的作用，从而使其转变为面心立方(fcc)结构，即奥氏体。但同时Ni的含量若过多，γ相区扩大，M_s点降低，冷却时有残余奥氏体存在，影响基体性能，强度大大降低。

Si和Mn加入的主要目的是脱氧，且两者都具有较好的脱氧效果。其中Mn还具有脱硫的作用，硫是钢中的有害元素，一方面它会降低钢的耐蚀性；另一方面它会导致产生热裂纹。当锰含量过量时，则降低堆焊层的塑性和韧性，并且还会导致晶粒长大，降低高温硬度。

当向药芯焊丝中添加一定量的Mo元素后，在熔敷金属中会形成Mo₂C，同时还会改变初生碳化物的结构，增加初生碳化物的含量。形成的碳化物可以作为非均匀形核的质点，促进非均匀形核，抑制晶粒的长大，从而细化晶粒，提高熔敷金属的硬度，并且能够改善熔敷金属硬度分布的均匀性。当Mo含量过高时，多余的Mo集聚在晶粒间隙中，会导致微裂纹的产生，影响熔敷金属的使用性能，所以钼铁的添加量应在一个合理范围内。Nb元素的存在，可以形成NbC，防止形成CrC，从而防止晶间腐烛，达到强化效果。

V是铁素体形成元素，能与C、O、N形成稳定的化合物，主要以碳化物存在，增加回火稳定性和产生二次硬化效应，细化组织、提高晶粒粗化温度、降低过热敏感性；在马氏体不锈钢中由于形成V₄C₃、VN，在高温下聚合长大速率缓慢，故可增强热强行和抗高温蠕变性能，含量一般在0.15％-0.40％：防止晶间腐烛，细化晶粒，改善回火稳定性，可二次硬化。Al元素在回火时形成细小弥散的NiAl沉淀相，产生沉淀强化效应，此外形成AlN相，细化奥氏体晶粒，产生细晶强韧化。W是铁素体和碳化物形成元素，与Mo相似增强回火稳定性、红硬性和热强行，抗稳定高温蠕变性，对抗氧化性无益(高温时加有害抗氧化性)；固溶强化，提高热强性，改善回火稳定性(产生二次硬化)。

CrN的加入是为了以氮代替一部分碳，钢中增氮会形成更多的含氮化物，阻止晶粒长大，在钢中起细化晶粒的作用。通过氮合金化改性，获得足够多数量弥散分布的氮化物、碳氮化物，并有部分的氮进行合金化，既可强化机械零件的表面，又可以有效地延长机械零件使用寿命。因此，可以通过适当的氮合金化使氮在钢中起到有益的作用。

在合金中添加HF元素，有细化组织作用，可提高其耐热性以及耐磨性。Ta及稀土元素在不锈钢中可以起到净化钢液作用、变质夹杂物作用、强化作用以及微合金化作用。此外，除在焊丝加入元素的合金粉外，配方中还加入了质量分数为1％的NaF作为稳弧剂，用于降低堆积过程中金属型药芯丝材的飞溅率。

不锈钢轴承套圈的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、按照质量百分比分别称取原料：铬粉11-13％、镍粉4.5-5.5％、钼粉1.2-1.4％、钒铁粉1.8-2.1％、铌铁粉1.8-2.2％、铝粉1.1-1.3％、钨粉2.4-2.6％、氮化铬3.6-4.5％、硼化铪0.08-0.12％、钽粉0.05-0.065％、氧化镧0.48-0.52％、氟化钠0.8-1％、其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；

步骤2、将步骤1称取的原料混匀后置于管式炉中，持续通入氩气，并在200℃～300℃下，保温2h～3h，得到药芯粉末；

步骤3、将宽度为7mm、厚度0.3mm的不锈钢钢带(成分如表1中所示)放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将不锈钢钢带轧制成U型槽，将药芯粉末填入不锈钢钢带U型槽内，药芯粉末的填充率控制在20-23wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔，直至直径为1.2mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，完成金属型药芯焊丝制备；

步骤4、将制备好的金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并规划焊接路径、确定层高并编写程序输入至焊接机器中，运行焊接机器命令，采用以CMT作为热源的电弧增材制造技术，逐层增材得到不锈钢轴承套圈，其中CMT增材的工艺参数为：焊接速度0.41m/min～0.43m/min；每层焊枪提升0.7～0.9mm；保护气体为80％Ar+20％CO₂。

通过以上方式，本发明的金属型药芯焊丝工艺性能好，熔滴过渡均匀，而且它还能调整焊剂的成分和比例，可以提供所要求的焊缝化学成分，并且药芯焊丝的熔敷速度快，生产效率高。并且本发明的金属型药芯焊丝能提高高碳铬型不锈轴承钢的强韧性、耐磨性、耐蚀性以及高温稳定性，使其具有更优良的工艺性能，满足实际工程问题的需求。本发明不锈钢轴承套圈的制备方法，以CMT焊为热源，金属型药芯焊丝为原材料，使用增材制造不锈钢轴承套圈，效率高，所需设备少，生产成本低；在增材制造过程中飞溅少、电弧稳定，整个成型过程良好，成型后形貌完整无缺损；节省相关材料及设备投入，减少模具成本投入，机械加工余量很少，能较大的节省资源；生产过程简单，操作容易，便于组织机械化、自动化生产；提高材料利用率，降低生产成本，缩短生产周期。

实施例1

步骤1、按质量百分比分别称取铬粉12％，镍粉5％，钼粉1.3％，钒铁粉2.0％，铌铁粉2％，铝粉1.2％，钨粉2.4％，氮化铬4％，硼化铪0.1％，钽粉0.05％，氧化镧0.5％，氟化钠1％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；

步骤2、将步骤1称取的所有原料混合均匀并置于管式炉中，持续通入氩气的条件下，在200℃下保温2h，得到药芯粉末；

步骤3、将宽度为7mm、厚度0.3mm的不锈钢钢带(成分如表1中所示)放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将不锈钢钢带轧制成U型槽，将药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率为22.4wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔，直至直径为1.2mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，完成金属型药芯焊丝制备；

步骤4、将制备好的金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并规划焊接路径、确定层高并编写程序输入至焊接机器中，运行焊接机器命令，采用以CMT作为热源的电弧增材制造技术，逐层增材得到不锈钢轴承套圈，其中CMT增材的工艺参数为：焊接速度0.41m/min；每层焊枪提升0.9mm；保护气体为80％Ar+20％CO₂。

本实施例制备的不锈钢轴承套圈的成型后整体外表均匀，且无明显的缺陷，薄壁轮廓成型质量高。

实施例2

步骤1、按质量百分比分别称取铬粉12％，镍粉5％，钼粉1.3％，钒铁粉1.8％，铌铁粉2％，铝粉1.2％，钨粉2.6％，氮化铬4％，硼化铪0.1％，钽粉0.065％，氧化镧0.5％，氟化钠1％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；

步骤2、将步骤1称取的所有原料混合均匀，置于管式炉中，持续通入氩气的条件下，在230℃下保温3h，得到药芯粉末；

步骤3、将宽度为7mm、厚度0.3mm的不锈钢钢带(成分如表1中所示)放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将不锈钢钢带轧制成U型槽，将药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率为21.7wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔，直至直径为1.2mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，完成金属型药芯焊丝制备。

步骤4、将制备好的金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并规划焊接路径、确定层高并编写程序输入至焊接机器中，运行焊接机器命令，采用以CMT作为热源的电弧增材制造技术，逐层增材得到不锈钢轴承套圈，其中CMT增材的工艺参数为：焊接速度为0.43m/min；每层焊枪提升0.7mm；保护气体为80％Ar+20％CO₂。

实施例3

步骤1、按质量百分比分别称取铬粉12％，镍粉5％，钼粉1.3％，钒铁粉2.1％，铌铁粉2％，铝粉1.2％，钨粉2.5％，氮化铬4％，硼化铪0.1％，钽粉0.055％，氧化镧0.5％，氟化钠1％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；

步骤2、将步骤1称取的所有原料混合均匀，置于管式炉中，持续通入氩气的条件下，在250℃下保温2.5h，得到药芯粉末；

步骤3、将宽度为7mm、厚度0.3mm的不锈钢钢带(成分如表1中所示)放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将不锈钢钢带轧制成U型槽，将药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在22.8wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔，直至直径为1.2mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，完成金属型药芯焊丝制备。

步骤4、将制备好的金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并规划焊接路径、确定层高并编写程序输入至焊接机器中，运行焊接机器命令，采用以CMT作为热源的电弧增材制造技术，逐层增材得到不锈钢轴承套圈，其中CMT增材的工艺参数为：焊接速度为0.42m/min；每层焊枪提升0.8mm；保护气体为80％Ar+20％CO₂。

本发明制备的不锈钢轴承套圈的成型后整体外表均匀，且无明显的缺陷，薄壁轮廓成型质量高。

表1实施例中1-3所使用的不锈钢钢带化学成分(质量分数％)

C	Cr	Ni	Mn	Si	S	P	Fe
								0.06	18.67	8.53	1.51	0.42	0.014	0.032	余量

本发明制备的药芯焊丝与实心焊丝相比，具有如下优势：因其电流密度高，焊丝熔化速度快，其熔敷速度更快；不存在造渣剂，其焊缝表面渣量少，不需要清渣就可以连续进行多层堆焊(3～4层)，减少了清理时间和费用，降低了劳动强度；焊缝成形好；降低焊接时的污染物与废弃物，减少了焊接烟尘。再由于金属粉芯药芯焊丝可以灵活方便地在药粉内按需加入各种合金元素，调整为不同的焊丝品种，有明显的冶金改善效果，抗裂性能好。而实芯焊丝每调整一次合金成分需要重新冶炼；并且实芯焊丝在拉拔过程中，有的钢锭拉拔性很差，不易拉拔成所需要的焊丝。

另外，本发明采用CMT作为增材制备不锈钢轴承套圈的热源，与普通电弧增材技术相比，CMT增材具有明显的优势：熔滴过渡依靠机器对短路信号作出响应，断口电路和回抽丝材实现熔滴的过渡，过渡稳定，焊渣飞溅小；CMT的熔滴过渡是一种冷过渡，依靠丝材的回抽实现丝材与熔滴分离，丝材回拉的时间点、速度、幅度等可以通过数字化控制***来监控，既能保证丝材端部的熔滴平稳落入熔池，又能为重新引弧作好准备，焊接效率高；CMT是一个间断性热输入技术，增材过程是冷热交替的，总热输入量减少。

Claims

1.金属型药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝的药芯按照质量百分比包括以下组分：

2.根据权利要求1所述的金属型药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝的焊皮为不锈钢钢带。

3.不锈钢轴承套圈的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤3、将所述药芯粉末填入不锈钢钢带U型槽内，经过闭合成型轧辊后制成焊丝，并对所述焊丝进行逐级减径得到金属型药芯焊丝；

步骤4、将所述金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，按照规划焊接路径、确定层高，并以CMT作为热源的电弧增材制造技术，采用螺旋上升形成管件的方式进行增材制造，由内向外逐道偏置填充，逐层增材得到不锈钢轴承套圈；

4.根据权利要求3所述的不锈钢轴承套圈的制备方法，其特征在于，步骤2中惰性气体为氩气，加热温度为200～300℃，保温时间为2～3h。