一種多元氮化物及硼化物協同增強自保護堆焊藥芯焊絲的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種多元氮化物及硼化物協同增強自保護堆焊藥芯焊絲，以低碳鋼帶為外皮，藥芯成分按質量百分比為：6～45％的高碳鉻鐵，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目纖維素粉末、0.5～1％的200目纖維素粉末，1～3％的60目鋁鎂合金、1～3％的200目鋁鎂合金，2～5％的60目硅錳合金、2～5％的200目硅錳合金，余量為鐵粉，藥芯粉末占焊絲總重的50?54％。本發明提供的焊絲，通過添加不同粒度的藥芯組分，保證了良好的焊接工藝性能，并通過與其他合金粉末的合理配比，使之在焊接過程中彌散析出多元氮化物及硼化物，具有硬度高且均勻，耐磨性佳等特點，且焊道表面基本無渣，多層焊無需清渣。
【專利說明】
一種多元氮化物及硼化物協同増強自保護堆焊藥芯焊絲
技術領域
[0001] 本發明屬于材料加工工程中的焊接領域，具體地涉及一種多元氮化物及硼化物協 同增強自保護藥芯焊絲。
【背景技術】
[0002] 目前堆焊修復的耐磨堆焊用藥芯焊絲，一般依靠以M7C3為主的碳化鉻類型碳化物 提供其硬度，M 7C3顯微硬度為1200-1700HV。研究者們往往通過添加強碳化物形成元素Nb、Ti 等進一步提高其硬度。總體來說，依靠碳化物在堆焊合金組織中發揮抗磨骨架作用，以提高 堆焊合金的耐磨性是當前焊接材料制造商的普遍選擇。
[0003] 與碳化物相比較，硼化物和氮化物往往具有更高的硬度，從而理論上能夠提供更 優異的耐磨性能，例如B4C、BN是當前已知自然界最堅硬的三種材料之二，其顯微硬度達到 3500HV左右。然而，在傳統的焊接過程中，添加B容易導致堆焊金屬的脆性增大，主要是因為 在高溫熔體凝固過程中，B與其他元素反應生成網枝狀硼化物，該類硼化物韌性差，極易產 生裂紋，大大限制其耐磨性;此外，N的加入則容易引起氮氣孔。
【發明內容】
[0004] 發明目的：為解決現有技術中存在的技術問題，本發明提供一種多元氮化物及硼 化物協同增強自保護藥芯焊絲及其制備方法。
[0005] 技術內容:為實現上述技術目的，本發明提出一種多元氮化物及硼化物協同增強 自保護藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中，所述的藥芯成分質量百分含量 范圍如下：6~45%的高碳鉻鐵，3~10%的!1叭3~10%的813~10%的84(：、3~10%的 TiB2、3~10%的ZrB2，l~3%的石墨，0.5~1%的60目纖維素粉末、0.5~1%的200目纖維素 粉末，1~3 %的60目鋁鎂合金、1~3 %的200目鋁鎂合金，2~5 %的60目硅錳合金、2~5 %的 200目硅錳合金，余量為鐵粉，藥芯粉末占焊絲總重的50-54 %。
[0006] 優選地，所述藥芯中不同粒徑的纖維素:60目的纖維素和200目的纖維素粉末，以 質量比為0.5~1:0.5~1組合的方式加入。
[0007] 所述藥芯中不同粒徑的鋁鎂合金:60目的鋁鎂合金和200目的鋁鎂合金，以質量比 為1~3:1~3組合的方式加入。
[0008] 所述藥芯中不同粒徑的硅錳合金:60目的硅錳合金和200目的硅錳合金，以質量比 為2~5:2~5組合的方式加入。
[0009] 優選地，所述藥芯中的高碳鉻鐵、!^18184(：、1182、2池2、石墨及鐵粉組分的粒徑 均大于或等于80目。
[0010]優先地，所述的高碳鉻鐵含碳量為9.0~9.5wt%，含鉻量為62~72wt%，其余為 鐵；所述的鋁鎂合金含鋁量為47~53wt %，其余為鎂；所述的硅錳合金含硅量為47~ 53wt%，其余為錳。
[0011]優先地，所述低碳鋼帶厚度X寬度為0.5 X 21mm。
[0012] 所述焊絲的直徑為2.8mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm和4.2mm中的任意一種。
[0013] 上述多元氮化物及硼化物協同增強自保護藥芯焊絲的制備方法，包括如下步驟：
[0014] (1)利用成型乳輥將低碳鋼鋼帶乳成U形，然后通過送粉裝置將藥芯粉末按焊絲總 重的50-54 %加入到U形槽中；
[0015] (2)將U形槽合口，使藥芯包裹其中，通過拉絲模，逐道拉拔、減徑，最后使其直徑達 到 2.8~4.2mm，得到最終產品。
[0016] 在上述藥芯中各組分主要作用如下：
[0017]高碳鉻鐵:形成Cr7C3，Cr23C 6，Cr3C等鉻的碳化物;并向基體組織中過渡C。
[0018] ^8184(：、1182及2沾2:彌散分布于堆焊合金組織中，提供理想的耐磨物相；同時 細化堆焊合金組織。
[0019 ]石墨:提供C元素，脫氧，造氣(C0 )，降低氣孔敏感性。
[0020] 纖維素:脫氧，造氣，增強自保護效果。
[0021] 鋁鎂合金:脫氧，固氮(從空氣中侵入焊接金屬中的N)，增強自保護效果。
[0022]硅錳合金:脫氧，增強自保護效果;過渡合金元素Mn及元素Si。
[0023] 由上述技術方案和藥芯中各組分的作用簡述可以明了，本發明由于同時在藥芯中 添加多元高硬度氮化物及硼化物TiN、BN、B4C、TiB 2及ZrB2，在焊接物理冶金熔體中先期析 出，且彌散分布。從而使組織得以細化，并避免了傳統網枝狀硼化物的形成，這都會增加堆 焊金屬強韌性。并且，由于先析1^8184(：、118 2及2池2具有比之(0^6)7(：3碳化物更高的硬 度和熱穩定性，大大提高堆焊金屬的硬度和耐磨性。也未添加鈮、釩等貴重合金元素，大大 節約了焊絲制造成本，實現了少量多元強化的初衷，達到了本發明的目的。
[0024] 在上述技術方案中，所述氮化物及硼化物的添加方式均是多元組合的。這是因為， 一方面，TiN、BN、B4C、TiB2及ZrB 2的高硬度、高熱穩定性能是近似趨同的，這都極大貢獻于堆 焊合金耐磨性；另一方面，1^、8184(：、1^ 2及2池2的熔點、形態等物化性能又有所差異，這 既有利于硬質質點在焊接凝固初期較寬的高溫溫度區間遞次析出以構成梯度多元強化細 化效果，又有利于豐富硬質相的成分以有效抵御特別是復雜工況條件下的磨削，提供了更 穩定的優良耐磨性。
[0025]藥芯中纖維素、鋁鎂合金及硅錳合金的粒度均有兩種：60目和200目，以粒度差異 組合的方式添加。在整個焊接過程中，既有溫度極高的熔滴階段，又有溫度稍低的熔池階 段，無論哪個階段都需要有效避免空氣污染才能得到合格的焊接熔敷金屬，課題組通過前 期大量的工藝試驗發現，通過不同粒度的上述藥芯組分可以明顯改善焊絲的自保護效果。 這是不同粒度的粉末具有不同的氧化活性。通過成分粒度控制化學冶金反應活性的新思 路，在藥芯中添加極細的200目纖維素、鋁鎂合金及硅錳合金，利用其在焊接升溫階段進行 有效的先期脫氧，同時在藥芯中添加較粗的60目纖維素、鋁鎂合金及硅錳合金，使之保留在 熔滴高溫階段及熔池階段，也能夠進行有效的脫氧造氣，從而保證在整個焊絲受熱、熔化、 形成熔滴、熔滴過渡、形成熔池并開始凝固的焊接冶金全程均具備良好的自保護效果，從而 實現了本焊絲在沒有添加任何礦物粉造渣劑的情況下，仍然能夠具備良好的焊接工藝性能 及焊接金屬表面成形。
[0026] 有益效果:本發明通過同時在藥芯中添加多元氮化物及硼化物TiN、BN、B4C、TiB2& ZrB2,在焊接冶金過程中先期析出大量彌散析出，提供高硬度、高熱穩定性并細化組織，并 通過避免單一的多元組分添加方式有效利用TiN、BN、B4C、TiB2及ZrB2的熔點、形態等在物化 性能上的差異，獲得高溫溫度區間遞次析出以構成梯度多元強化細化效果，也有利于豐富 硬質相的成分以有效抵御特別是復雜工況條件下的磨削，提供了更穩定的優良耐磨性。并 且，通過成分粒度控制化學冶金反應活性的新思路，在藥芯中分別組合添加極細的200目和 較粗的60目纖維素、鋁鎂合金及硅錳合金，有效保證在整個焊絲受熱、熔化、形成熔滴、熔滴 過渡、形成熔池并開始凝固的焊接冶金全程均具備良好的自保護效果，從而實現了本焊絲 在沒有添加任何礦物粉造渣劑的情況下，仍然能夠具備良好的焊接工藝性能及焊道表面成 形。本發明的藥芯焊絲焊接工藝性能好，合金均勻化程度高，堆焊層表面硬度均勻，平均硬 度在60~66HRC范圍。耐磨性為Q235的25~36倍。
【具體實施方式】
[0027]根據下述實施例，可以更好地理解本發明。然而，實施例所描述的具體的藥芯組分 配比、工藝條件及其結果僅用于說明本發明，而不應當也不會限制權利要求書中所詳細描 述的本發明。其中，下列各實施例中所使用的高碳鉻鐵含碳量為9.0~9.5wt%，含鉻量為62 ~72wt%，其余為鐵;所述的鋁鎂合金含鋁量為47~53wt%，其余為鎂;所述的硅錳合金含 硅量為47~53wt%，其余為錳。
[0028] 實施例1
[0029] -種釩鈮復合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯 填充于鋼帶中，藥芯成分按以下質量進行配制：包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中， 藥芯成分按以下質量進行配制:45g的80目高碳鉻鐵，8g的80目TiN、10g的80目BN，3g的80目 B4C、5g的80目TiB 2、6g的80目ZrB2，lg的80目石墨，0.5g的60目纖維素粉末、0.5g的200目纖 維素粉末，lg的60目鋁鎂合金、3g的200目鋁鎂合金，2g的60目硅錳合金、3g的200目硅錳合 金，12g的80目鐵粉。將所取各種粉末置入混粉機內，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U形 的21X0.5mm的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為54%。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接著 使其分別通過直徑為4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉絲模中的一種或多種，逐道拉 拔、減徑，最后獲得直徑為2.8~4.2mm的產品。焊接電流為280~420A，焊接電壓為30~42V， 焊接速度為〇.4m/min，層間溫度控制在150~250°C，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見表 1〇
[0030] 實施例2
[0031 ] -種釩鈮復合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯 填充于鋼帶中，藥芯成分按以下質量進行配制：包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中， 藥芯成分按以下質量進行配制:40g的80目高碳鉻鐵，3g的80目TiN、5g的80目BN，10g的80目 B 4C、4g的80目TiB2、3g的80目ZrB2，2g的80目石墨，lg的60目纖維素粉末、lg的200目纖維素 粉末，2g的60目鋁鎂合金、2g的200目鋁鎂合金，5g的60目硅錳合金、2g的200目硅錳合金， 20g的80目鐵粉。將所取各種粉末置入混粉機內，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U形的21 X 0.5mm的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為50 %。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接著使其 分別通過直徑為4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉絲模中的一種或多種，逐道拉拔、減 徑，最后獲得直徑為2.8~4.2mm的產品。焊接電流為280~420A，焊接電壓為30~42V，焊接 速度為〇.4m/min，層間溫度控制在150~250°C，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見表1。
[0032] 實施例3
[0033] -種釩鈮復合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯 填充于鋼帶中，藥芯成分按以下質量進行配制：包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中， 藥芯成分按以下質量進行配制:36g的80目高碳鉻鐵，10g的80目TiN、7g的80目BN，5g的80目 B4C、3g的80目TiB 2、10g的80目ZrB2，3g的80目石墨，0.6g的60目纖維素粉末、0.6g的200目纖 維素粉末，2g的60目鋁鎂合金、lg的200目鋁鎂合金，3g的60目硅錳合金、5g的200目硅錳合 金，13.8g的80目鐵粉。將所取各種粉末置入混粉機內，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U 形的21 X 0.5mm的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為53%。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接 著使其分別通過直徑為4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉絲模中的一種或多種，逐道 拉拔、減徑，最后獲得直徑為2.8~4.2mm的產品。焊接電流為280~420A，焊接電壓為30~ 42V，焊接速度為0.4m/min，層間溫度控制在150~250°C，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性 見表1。
[0034] 實施例4
[0035] -種釩鈮復合強化耐磨堆焊用無渣自保護藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯 填充于鋼帶中，藥芯成分按以下質量進行配制：包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中， 藥芯成分按以下質量進行配制：38g的80目高碳鉻鐵，5g的80目TiN、3g的80目BN，8g的80目 B4C、10g的80目TiB 2、5g的80目ZrB2，2g的80目石墨，lg的60目纖維素粉末、lg的200目纖維素 粉末，3g的60目鋁鎂合金、lg的200目鋁鎂合金，4g的60目硅錳合金、4g的200目硅錳合金， 15g的80目鐵粉。將所取各種粉末置入混粉機內，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U形的21 X 0.5mm的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為52 %。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接著使其 分別通過直徑為4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉絲模中的一種或多種，逐道拉拔、減 徑，最后獲得直徑為2.8~4.2mm的產品。焊接電流為280~420A，焊接電壓為30~42V，焊接 速度為〇.4m/min，層間溫度控制在150~250°C，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見表1。 [0036]表1所打硬度采用HR-150A洛氏硬度計，荷載150Kg，對每一個測試樣取5點硬度，計 算平均硬度值。
[0037]磨損實驗采用MLS-225型濕式橡膠輪磨損試驗機。
[0038]將每個實施例的堆焊層切五個尺寸為57 X 25 X 6mm磨損試樣。磨損實驗參數如下： 橡膠輪直徑：178mm，橡膠輪轉速:240轉/分，橡膠輪硬度:70 (邵爾硬度），載荷：10Kg，橡膠輪 轉數:預磨1000轉，正式試驗轉1000轉，磨料:40~70目的石英砂。堆焊金屬的耐磨性能以正 式磨損的失重量來衡量。在每次實驗前、后將試樣置入盛有丙酮溶液的燒杯中，在超聲波清 洗儀中清洗3~5分鐘，待干后稱重記錄。實驗用Q235鋼作為對比樣，對比件失重量與測量件 失重量之比作為堆焊樣的相對耐磨性e。
[0039]表1各實施例堆焊金屬硬度與耐磨性 「00401
[0041]綜上所述，本發明提供的焊絲，通過添加不同粒度的藥芯組分，保證了良好的焊接 工藝性能，并通過與其他合金粉末的合理配比，使之在焊接過程中彌散析出多元氮化物及 硼化物，具有硬度高且均勻，耐磨性佳等特點，且焊道表面基本無渣，多層焊無需清渣。
【主權項】
1. 一種多元氮化物及硼化物協同增強自保護堆焊藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥 芯填充于鋼帶中，其特征在于，所述的藥芯成分按質量百分比為:6~45%的高碳鉻鐵，3~ 10%的1^13~10%的813~10%的84(：、3~10%的1^82、3~10%的2池2，1~3%的石墨， 0.5~1 %的60目纖維素粉末、0.5~1 %的200目纖維素粉末，1~3 %的60目鋁鎂合金、1~ 3 %的200目鋁鎂合金，2~5 %的60目硅錳合金、2~5 %的200目硅錳合金，余量為鐵粉，藥芯 粉末占焊絲總重的50-54 %。2. 根據權利要求1所述的多元氮化物及硼化物協同增強自保護藥芯焊絲，其特征在于 不同粒徑的纖維素:60目的纖維素和200目的纖維素粉末，以質量比為0.5~1:0.5~1組合 的方式加入。3. 根據權利要求1所述的多元氮化物及硼化物協同增強自保護藥芯焊絲，其特征在于 不同粒徑的鋁鎂合金:60目的鋁鎂合金和200目的鋁鎂合金，以質量比為1~3:1~3組合的 方式加入。4. 根據權利要求1所述的多元氮化物及硼化物協同增強自保護藥芯焊絲，其特征在于 不同粒徑的硅錳合金:60目的硅錳合金和200目的硅錳合金，以質量比為2~5:2~5組合的 方式加入。5. 根據權利要求1所述的多元氮化物及硼化物協同增強自保護藥芯焊絲，其特征在于， 所述藥芯中的高碳鉻鐵、!^18184(：、1^8 2、2池2、石墨及鐵粉組分的粒徑均大于或等于80 目。6. 根據權利要求1所述的多元氮化物及硼化物協同增強自保護藥芯焊絲，其特征在于， 所述的高碳鉻鐵含碳量為9.0~9.5wt%，含鉻量為62~72wt %，其余為鐵;所述的鋁鎂合金 含鋁量為47~53wt %，其余為鎂;所述的硅錳合金含硅量為47~53wt %，其余為錳。7. 根據權利要求1所述的多元氮化物及硼化物協同增強自保護藥芯焊絲，其特征在于， 所述低碳鋼帶厚度X寬度為〇. 5 X 21mm。8. 根據權利要求1所述的多元氮化物及硼化物協同增強自保護藥芯焊絲，其特征在于， 所述焊絲的直徑為2.8mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm和4.2mm中的任意一種。9. 權利要求1所述的多元氮化物及硼化物協同增強自保護藥芯焊絲的制備方法，其特 征在于，包括如下步驟： (1) 利用成型乳輥將低碳鋼鋼帶乳成U形，然后通過送粉裝置將藥芯粉末按焊絲總重的 50-54 %加入到U形槽中； (2) 將U形槽合口，使藥芯包裹其中，通過拉絲模，逐道拉拔、減徑，最后使其直徑達到 2.8~4.2mm，得到最終產品。
【文檔編號】B23K35/368GK106001995SQ201610609701
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月28日
【發明人】劉大雙, 吳銘方, 魏萍
【申請人】江蘇科技大學