本發(fā)明屬于材料加工工程中的焊接領(lǐng)域，具體地涉及一種超高含量釩改性堆焊用自保護(hù)藥芯焊絲及其制備方法。
背景技術(shù)：
堆焊作為一種綠色制造工藝，廣泛應(yīng)用于各類耐磨部件的修復(fù)或再制造。由于成本低廉加之便于制備，以Cr7C3型碳化物為耐磨骨架的高鉻鑄鐵堆焊合金得到廣泛應(yīng)用。高鉻鑄鐵堆焊合金過共晶組織中粗大的Cr7C3型碳化物，一方面對(duì)于提高耐磨性多有裨益，另一方面其本身容易出現(xiàn)冶金缺陷及微裂紋，脆性很大，成為堆焊合金在服役過程中發(fā)展成為宏觀裂紋甚至開裂破壞的重要原因。因此，克服傳統(tǒng)高鉻鑄鐵型堆焊合金抗裂性差的缺陷，是近年來發(fā)展堆焊技術(shù)的一個(gè)熱點(diǎn)課題。
通常采用降低C及合金元素含量的辦法，使得高鉻鑄鐵型堆焊合金由過共晶組織向亞共晶組織轉(zhuǎn)變，以獲得足夠的韌性；然而降低C及合金元素含量會(huì)同時(shí)導(dǎo)致堆焊合金硬度明顯下降，耐磨性也無法得以保證。
V常常被加入到高鉻鑄鐵堆焊合金中，利用V與碳優(yōu)先形成耐磨性更加的碳化釩來提高堆焊合金耐磨性。如專利文獻(xiàn)1(CN101837522B，釩強(qiáng)化耐磨埋弧堆焊藥芯焊絲)，粉體藥芯包括高碳鉻鐵、脫氧劑、鐵粉和釩鐵，其中釩鐵的添加含量為8-20％；專利文獻(xiàn)2(CN105127614A，一種磨輥堆焊無渣自保護(hù)藥芯焊絲)則在Fe‐Cr‐C‐Ti‐V‐P合金系統(tǒng)中添加微量合金元素進(jìn)一步優(yōu)化藥芯焊絲的性能，其中釩鐵的添加量為4～6％，在堆焊層中形成呈顆粒狀均勻分布的V的碳化物和氮化物；專利文獻(xiàn)3(CN103182613A，一種耐沖擊細(xì)徑自保護(hù)堆焊藥芯焊絲)公開了一種添加高含量釩鐵的藥芯組分，包括：高碳鉻鐵：10～50％，鉬鐵：1～4％，高硅硅鐵：1～4％，金屬錳：8～14％，釩鐵：25～35％，硼鐵：2～6％，鈮鐵：5～8％，鋁粉：2～5％，金紅石：3～6％，碳酸鉀：2～5％，氟化鈉：1～3％，該專利中添加了造渣劑金紅石，金紅石的質(zhì)量較輕，占據(jù)了藥芯中大部分的空間，限制了鐵合金和金屬粉末的添加量，其耐磨性能的提高會(huì)受到限制。
此外，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。現(xiàn)有技術(shù)通常是在藥芯中添加脫氧劑實(shí)現(xiàn)脫氧的效果，且每個(gè)脫氧劑多選用一種粒度。由于不同粒度的粉末具有不同的氧化活性，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。目前，尚未見通過控制成分粒度改善焊絲自保護(hù)效果的技術(shù)披露。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種超高含量釩改性堆焊用自保護(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)明的超高含量釩改性堆焊用自保護(hù)藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中，藥芯包含如下質(zhì)量百分含量的組分：52～58wt％的高碳鉻鐵，28～36wt％的釩鐵，1～2wt％的石墨，1～4wt％的鋁鎂合金，3～9wt％的硅錳合金，余量為鐵粉，其中，石墨、鋁鎂合金及硅錳合金分別以至少兩種不同粒度添加，其中不同粒度中至少一種為較粗粒度，如40目、50目、60目、70目、80目等，另外還至少有一種較細(xì)粒度，如160目、170目、180目、200目、250目、300目等。
進(jìn)一步地，所述高碳鉻鐵含碳量為9～10wt％，含鉻量為60～70wt％，其余為鐵；所述的釩鐵含釩量為35～50wt％，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，所述高碳鉻鐵、釩鐵、鐵粉的粒度均為80目。
進(jìn)一步地，所述不同粒度的石墨由60目和200目的石墨按照質(zhì)量比1:1組合而成。當(dāng)質(zhì)量比小于1:1，則堆焊層易出現(xiàn)氣孔，當(dāng)質(zhì)量比大于1:1，則堆焊層易出現(xiàn)夾渣或夾雜等缺欠，但是均優(yōu)于單一粒度的效果。
進(jìn)一步地，所述不同粒度的鋁鎂合金由60目和200目的鋁鎂合金按照質(zhì)量比1:1組合而成。質(zhì)量比非1:1時(shí)效果同石墨。
進(jìn)一步地，所述不同粒度的硅錳合金由60目和200目的硅錳合金按照質(zhì)量比1:1組合而成。質(zhì)量比非1:1時(shí)效果同石墨。
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。
進(jìn)一步地，所述藥芯占焊絲總重的50-55wt％。
本發(fā)明進(jìn)一步提出上述超高含量釩改性堆焊用自保護(hù)藥芯焊絲的制備方法，包括如下步驟：
(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權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述藥芯的粉末加入到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，最后使直徑達(dá)到2.8～4.2mm，得到最終產(chǎn)品。
在上述藥芯中各組分主要作用如下：
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。
釩鐵：一方面形成碳化釩硬質(zhì)相，另一方面促使高鉻鑄鐵過共晶組織向亞共晶轉(zhuǎn)變，堆焊層韌性得以明顯改善。
石墨：提供C元素，脫氧形成CO造成熔池微沸騰，降低氣孔敏感性，并降低焊接氣氛中的氧分壓和氮分壓。
鋁鎂合金：脫氧，固氮，增強(qiáng)自保護(hù)效果。
硅錳合金：脫氧，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)明由于在藥芯中添加了大含量的釩，其在焊接冶金熔體中優(yōu)先與碳發(fā)生反應(yīng)彌散析出碳化釩，較之碳化鉻的熱穩(wěn)定性更好，硬度更高，同時(shí)由于在形成碳化釩的過程中消耗了大量的碳，使得剩余熔池中碳的含量值由共晶點(diǎn)右邊移至共晶點(diǎn)左側(cè)，意味著高鉻鑄鐵堆焊合金組織由過共晶組織(先析碳化物+共晶產(chǎn)物)向亞共晶(先析奧氏體+共晶產(chǎn)物)轉(zhuǎn)變。其中，共晶產(chǎn)物由殘余奧氏體、馬氏體及細(xì)小碳化物混合物構(gòu)成。最終，在藥芯中合金元素或碳含量不減反增(大大增加釩含量)的條件下，高鉻鑄鐵型自保護(hù)藥芯焊絲的顯微組織由碳化釩+奧氏體+共晶碳化物+馬氏體組成，該組織中碳化釩提高了高硬度和高的熱穩(wěn)定性；奧氏體是得到足量鉻元素固溶強(qiáng)化的奧氏體，強(qiáng)、韌兼具；共晶碳化物尺寸細(xì)小，分布均勻；馬氏體進(jìn)一步提高了堆焊合金的硬度。綜上所述，通過超高含量釩元素改性的高鉻鑄鐵型自保護(hù)藥芯焊絲呈現(xiàn)出理想的顯微組織和成分，因而決定了該堆焊合金具有理想的耐磨性能。
此外，藥芯中石墨、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，應(yīng)注意的是，其他不同粗細(xì)粒度的組合，只要是能夠?qū)崿F(xiàn)該技術(shù)效果的，也落入本發(fā)明的構(gòu)思。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，課題組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(xué)冶金反應(yīng)活性的新思路，在藥芯中添加極細(xì)的200目石墨、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目石墨、鋁鎂合金及硅錳合金，使之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。同時(shí)，多粒度脫氧劑的添加，保證在較小脫氧劑的添加條件下，取得良好自保護(hù)效果，為藥芯配方中高碳鉻鐵、釩鐵等的足量添加創(chuàng)造了空間條件。
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)明通過在藥芯中添加了大含量的釩，其在焊接冶金熔體中優(yōu)先與釩發(fā)生反應(yīng)彌散析出碳化釩，使得剩余熔池中碳的含量值由共晶點(diǎn)右邊移至共晶點(diǎn)左側(cè)，促使高鉻鑄鐵堆焊合金組織由過共晶組織(先析碳化物+共晶產(chǎn)物)向亞共晶(先析奧氏體+共晶產(chǎn)物)轉(zhuǎn)變，最終獲得碳化釩+奧氏體+共晶碳化物+馬氏體構(gòu)成的理想成分及組織，改善了堆焊合金的韌性和硬度，大大提高了其耐磨性。
(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目石墨、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58.5～64HRC范圍。耐磨性為Q235的30倍左右。
(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(duì)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(duì)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9～10wt％，含鉻量為60～70wt％，其余為鐵；所述的釩鐵含釩量為35～50wt％，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
一種超高含量釩改性堆焊用自保護(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：58g的80目高碳鉻鐵，28g的80目釩鐵，1g的石墨，1g的鋁鎂合金，9g的硅錳合金，3g的80目鐵粉，其中，石墨、鋁鎂合金及硅錳合金均以60目和200目兩種粒度添加，且所添加的每一種粉末中60目和200目的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均各占50％。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℃，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見表1。
實(shí)施例2
一種超高含量釩改性堆焊用自保護(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：52g的80目高碳鉻鐵，36g的80目釩鐵，1.5g的石墨，3g的鋁鎂合金，3g的硅錳合金，4.5g的80目鐵粉，其中，石墨、鋁鎂合金及硅錳合金均以60目和200目兩種粒度添加，且所添加的每一種粉末中60目和200目的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均各占50％。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℃，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見表1。
實(shí)施例3
一種超高含量釩改性堆焊用自保護(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：54g的80目高碳鉻鐵，30g的80目釩鐵，2g的石墨，4g的鋁鎂合金，5g的硅錳合金，5g的80目鐵粉，其中，石墨、鋁鎂合金及硅錳合金均以60目和200目兩種粒度添加，且所添加的每一種粉末中60目和200目的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均各占50％。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℃，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見表1。
實(shí)施例4
一種超高含量釩改性堆焊用自保護(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：56g的80目高碳鉻鐵，32g的80目釩鐵，1.5g的石墨，2g的鋁鎂合金，7g的硅錳合金，1.5g的80目鐵粉，其中，石墨、鋁鎂合金及硅錳合金均以60目和200目兩種粒度添加，且所添加的每種石墨、鋁鎂合金及硅錳合金粉末中60目和200目的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均各占50％。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55％。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℃，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(duì)每一個(gè)測試樣取5點(diǎn)硬度，計(jì)算平均硬度值。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(duì)比樣，對(duì)比件失重量與測量件失重量之比作為堆焊樣的相對(duì)耐磨性ε。
表1各實(shí)施例堆焊金屬硬度與耐磨性
以上實(shí)施例只是對(duì)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)。