本發(fā)明屬于材料加工工程中的焊接領(lǐng)域，具體地涉及一種多元硼化物摻雜改性耐磨堆焊自保護(hù)藥芯焊絲及其制備方法。

背景技術(shù)：

目前堆焊修復(fù)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，M₇C₃顯微硬度為1200-1700HV。研究者們往往通過添加強(qiáng)碳化物形成元素Nb、Ti等進(jìn)一步提高其硬度?？傮w來說，依靠碳化物在堆焊合金組織中發(fā)揮抗磨骨架作用，以提高堆焊合金的耐磨性是當(dāng)前焊接材料制造商的普遍選擇。

與碳化物相比較，硼化物往往具有更高的硬度，從而理論上能夠提供更優(yōu)異的耐磨性能，例如B₄C是當(dāng)前已知自然界最堅(jiān)硬的三種材料之一，其顯微硬度達(dá)到3500HV左右，TiB₂顯微硬度為2800-3400HV，ZrB₂顯微硬度與TiB₂相近。然而，在傳統(tǒng)的焊接過程中，添加B容易導(dǎo)致堆焊金屬的脆性增大，主要是因?yàn)樵诟邷厝垠w凝固過程中，B與其他元素反應(yīng)生成網(wǎng)枝狀硼化物，該類硼化物韌性差，極易產(chǎn)生裂紋，大大限制其耐磨性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中硼化物摻雜的藥芯焊絲存在的缺陷，本發(fā)明提供一種多元硼化物摻雜改性耐磨堆焊自保護(hù)藥芯焊絲，本發(fā)明的另一目的是提供該藥芯焊絲的制備方法。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明的多元硼化物摻雜改性耐磨堆焊自保護(hù)藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，所述藥芯填充于鋼帶中，所述藥芯包含如下質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的組分：45～55wt％的高碳鉻鐵，6～16wt％的B₄C、3～9wt％的TiB₂、3～9wt％的ZrB₂，1～3wt％的石墨，0.5～1wt％的60目纖維素粉末、0.5～1wt％的200目纖維素粉末，1～3wt％的60目鋁鎂合金、0.5～2wt％的200目鋁鎂合金，2～7wt％的60目硅錳合金、1～4wt％的200目硅錳合金，余量為鐵粉，所述藥芯占焊絲總重的50-54wt％。

進(jìn)一步地，所述高碳鉻鐵、B₄C、TiB₂、ZrB₂、石墨和鐵粉的粒徑的目數(shù)均大于或等于80目，即高碳鉻鐵、B₄C、TiB₂、ZrB₂、石墨和鐵粉的粒徑小于或等于0.18mm。

進(jìn)一步地，所述高碳鉻鐵中含碳量為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。

進(jìn)一步地，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(zhì)量比1:1組合的方式加入。

進(jìn)一步地，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(zhì)量比1:0.7～2:1組合的方式加入。

進(jìn)一步地，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(zhì)量比7:4～2:1組合的方式加入。

進(jìn)一步地，所述低碳鋼帶厚度×寬度為0.5×21mm。

進(jìn)一步地，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。

本發(fā)明進(jìn)一步提出了上述藥芯焊絲的制備方法，包括以下步驟：

(1)利用成型軋輥將低碳鋼帶軋成U形，然后通過送粉裝置將藥芯粉末按焊絲總重的50-54wt％加入到所述低碳鋼帶的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(dá)到2.8～4.2mm，得到最終產(chǎn)品。

上述藥芯中各組分的作用為：

高碳鉻鐵：形成Cr₇C₃，Cr₂₃C₆，Cr₃C等鉻的碳化物；并向基體組織中過渡合金元素Cr，并提供C元素。

B₄C、TiB₂及ZrB₂：彌散分布于堆焊合金組織中，提供理想的耐磨物相；同時(shí)細(xì)化堆焊合金組織。

石墨：提供C元素，脫氧，造氣(CO，C與氧反應(yīng)部分氧化成CO造成熔池微沸騰)，降低氣孔敏感性。

纖維素：脫氧，造氣，增強(qiáng)自保護(hù)效果。

鋁鎂合金：用于脫氧，固氮，增強(qiáng)自保護(hù)效果。

硅錳合金：用于脫氧，其中Si和Mn聯(lián)合脫氧，脫氧效果更佳，增強(qiáng)自保護(hù)效果；同時(shí)提供過渡合金元素Mn及元素Si。

由上述技術(shù)方案和藥芯中各組分的作用簡述可以明了，本發(fā)明由于同時(shí)在藥芯中添加多元高硬度硼化物B₄C、TiB₂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(xì)化，并避免了傳統(tǒng)網(wǎng)枝狀硼化物的形成，這都會增加堆焊金屬強(qiáng)韌性。并且，由于先析出的B₄C、TiB₂及ZrB₂比(Cr、Fe)₇C₃碳化物具有更高的硬度和熱穩(wěn)定性，大大提高堆焊金屬的硬度和耐磨性。本發(fā)明的藥芯中未添加鈮、釩等貴重合金元素，大大節(jié)約了焊絲制造成本，實(shí)現(xiàn)了少量多元強(qiáng)化的初衷，達(dá)到了本發(fā)明的目的。

在上述技術(shù)方案中，所述硼化物的添加方式是多元組合的。這是因?yàn)?，一方面，B₄C、TiB₂及ZrB₂的高硬度、高熱穩(wěn)定性能是近似趨同的，這都極大貢獻(xiàn)于堆焊合金耐磨性；另一方面，B₄C、TiB₂及ZrB₂的熔點(diǎn)、形態(tài)等物化性能又有所差異，這既有利于硬質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在焊接凝固初期較寬的高溫溫度區(qū)間遞次析出以構(gòu)成梯度多元強(qiáng)化細(xì)化效果，又有利于豐富硬質(zhì)相的成分以有效抵御特別是復(fù)雜工況條件下的磨削，提供了更穩(wěn)定的優(yōu)良耐磨性。

本發(fā)明藥芯中的纖維素、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(gè)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(gè)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，通過前期大量的工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(hù)效果，這是因?yàn)椴煌６鹊姆勰┚哂胁煌难趸钚浴１景l(fā)明通過成分粒度控制化學(xué)冶金反應(yīng)活性的創(chuàng)造性構(gòu)思，在藥芯中添加極細(xì)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(jìn)行有效的先期脫氧，同時(shí)在藥芯中添加較粗的60目纖維素、鋁鎂合金及硅錳合金，利用其保留在熔滴高溫階段及熔池階段，也能夠進(jìn)行有效的脫氧造氣，從而保證在整個(gè)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(hù)效果，從而實(shí)現(xiàn)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。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明通過同時(shí)在藥芯中添加多元硼化物B₄C、TiB₂及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(wěn)定性并細(xì)化組織，并通過避免單一的多元組分添加方式有效利用B₄C、TiB₂及ZrB₂的熔點(diǎn)、形態(tài)等在物化性能上的差異，獲得高溫溫度區(qū)間遞次析出以構(gòu)成梯度多元強(qiáng)化細(xì)化效果，也有利于豐富硬質(zhì)相的成分以有效抵御特別是復(fù)雜工況條件下的磨削，提供了更穩(wěn)定的優(yōu)良耐磨性。

(2)本發(fā)明通過成分粒度控制化學(xué)冶金反應(yīng)活性的新思路，在藥芯中分別組合添加極細(xì)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(gè)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(hù)效果，從而實(shí)現(xiàn)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。

(3)本發(fā)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62～66HRC范圍。耐磨性為Q235的32～36倍。

(4)本發(fā)明藥芯焊絲的制備方法簡單可靠，易于批量生產(chǎn)，所制備的焊絲焊接工藝性能良好，熔敷效率高，多層焊無需清渣。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步解釋說明。因理解的是，下述實(shí)施例所描述的具體藥芯組分的配比、工藝條件及其結(jié)果是為了更好的解釋本發(fā)明，而不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。其中，下列各實(shí)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。

實(shí)施例1

一種多元硼化物摻雜改性耐磨堆焊自保護(hù)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(zhì)量進(jìn)行配制：55g的80目高碳鉻鐵，6g的80目B₄C、3g的80目TiB₂、9g的80目ZrB₂，1g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，1g的60目鋁鎂合金、0.5g的200目鋁鎂合金，2g的60目硅錳合金、1g的200目硅錳合金，20.5g的80目鐵粉。將所取各種粉末置入混粉機(jī)內(nèi)，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U(xiǎn)形的21×0.5mm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(chǎn)品。焊接電流為260～400A，焊接電壓為30～40V，焊接速度為0.4m/min，層間溫度控制在150～250℃，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見表1。

實(shí)施例2

一種多元硼化物摻雜改性耐磨堆焊自保護(hù)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(zhì)量進(jìn)行配制：45g的80目高碳鉻鐵，16g的80目B₄C、9g的80目TiB₂、3g的80目ZrB₂，3g的80目石墨，1g的60目纖維素粉末、1g的200目纖維素粉末，3g的60目鋁鎂合金、2g的200目鋁鎂合金，7g的60目硅錳合金、4g的200目硅錳合金，6g的80目鐵粉。將所取各種粉末置入混粉機(jī)內(nèi)，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U(xiǎn)形的21×0.5mm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(chǎn)品。焊接電流為260～400A，焊接電壓為30～40V，焊接速度為0.4m/min，層間溫度控制在150～250℃，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見表1。

實(shí)施例3

一種多元硼化物摻雜改性耐磨堆焊自保護(hù)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(zhì)量進(jìn)行配制：50g的80目高碳鉻鐵，10g的80目B₄C、6g的80目TiB₂、5g的80目ZrB₂，2g的80目石墨，0.8g的60目纖維素粉末、0.8g的200目纖維素粉末，2g的60目鋁鎂合金、1.4g的200目鋁鎂合金，4g的60目硅錳合金、2g的200目硅錳合金，16g的80目鐵粉。將所取各種粉末置入混粉機(jī)內(nèi)，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U(xiǎn)形的21×0.5mm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(chǎn)品。焊接電流為260～400A，焊接電壓為30～40V，焊接速度為0.4m/min，層間溫度控制在150～250℃，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見表1。

表1中硬度測試采用HR-150A洛氏硬度計(jì)，荷載150Kg，對每一個(gè)測試樣取5點(diǎn)硬度，計(jì)算其平均硬度值，磨損實(shí)驗(yàn)采用MLS-225型濕式橡膠輪磨損試驗(yàn)機(jī)。

將每個(gè)實(shí)施例的堆焊層切五個(gè)尺寸為57×25×6mm磨損試樣。磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：橡膠輪直徑：178mm，橡膠輪轉(zhuǎn)速：240轉(zhuǎn)/分，橡膠輪硬度：70(邵爾硬度)，載荷：10Kg，橡膠輪轉(zhuǎn)數(shù)：預(yù)磨1000轉(zhuǎn)，正式試驗(yàn)轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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ε。

表1各實(shí)施例堆焊金屬硬度與耐磨性

本發(fā)明通過在藥芯中添加了多元硼化物B₄C、TiB₂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(xì)化，并避免了傳統(tǒng)網(wǎng)枝狀硼化物的形成，大大提高堆焊金屬的硬度和耐磨性，增加堆焊金屬強(qiáng)韌性。此外，還通過成分粒度控制化學(xué)冶金反應(yīng)活性的新思路，在藥芯中分別組合添加極細(xì)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(gè)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(hù)效果，從而實(shí)現(xiàn)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(fā)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62～66HRC范圍。耐磨性為Q235的32～36倍。

以上實(shí)施例只是對本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思起到說明示例作用，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍內(nèi)，進(jìn)行修改和等同替換，均應(yīng)落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。