本发明涉及一种铬-钛强化高碳高合金钢耐磨堆焊药芯焊丝及其制备方法，属于焊接材料及加工技术领域。
背景技术：
磨辊是电力行业、水泥行业的重要备件，其使用效果直接影响了磨机的生产效率和产品质量。磨辊在服役过程中受到物料的反复切削，要求其具有良好的耐磨粒磨损性能。目前多采用堆焊方法复合制造磨辊，即在辊身表面明弧堆焊高铬高合金铸铁药芯焊丝，以获得高硬度高耐磨性的堆焊层，提高磨辊使用寿命。高铬高合金铸铁药芯焊丝为Cr25C5合金体系，其显微组织为莱氏体基体上分布大量柱状或块状的碳化铬，堆焊层硬度为HRC58～62，耐磨性好，广泛应用于磨辊的堆焊修复和复合制造。
高铬高合金铸铁焊丝堆焊制造的磨辊辊面含碳量高(约5％)，组织脆性大，堆焊层分布有大量细小裂纹。在服役过程中，磨辊一旦受到冲击载荷，裂纹易扩展并连成网状，致使堆焊层剥落失效。掉块剥落是此类磨辊最主要的失效形式，将导致磨机停产维修，严重影响了其生产效率和产品质量。因此，开发一种熔敷金属硬度高、耐磨性好，且具有良好抗冲击性的堆焊材料对提高磨机的生产效率具有显著的意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种铬-钛强化高碳高合金钢耐磨堆焊药芯焊丝，该药芯焊丝使用98％Ar+2％O2气体保护焊接，其焊接工艺性能优良，堆焊层的硬度高(HRC59以上)，耐磨性好，适用于磨辊、磨盘的堆焊复合制造及在线修复。
本发明的另一目的在于提供一种所述药芯焊丝的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种铬-钛强化高碳高合金钢耐磨堆焊药芯焊丝，由外用碳钢带和其包裹的药粉组成，其中，药粉占焊丝总重量的38.0％-42.0％，该药粉中各组分的配比为：高碳铬铁20.0％-25.0％、钛铁38.0％-45.0％、金属锰粉1.2％-1.6％、金属钼粉2.0％-2.2％、石墨3.5％-4.0％、硅钙合金2.5％-5.0％、锆英砂2.0％-3.0％、萤石8.0％-10.0％、碳化硼0.1％-0.2％，其余为铁粉。
本发明的药芯焊丝采用98％Ar+2％O2气保护焊接，其熔敷金属的成分范围为： Cr 5.0％-6.0％、Ti 4.0％-5.0％、Mo 0.6％-1.0％、Mn 0.5％-1.2％、C1.2％-1.6％、Si 0.3％-0.8％、B 0.02％-0.1％、Fe余量。
本发明的铬-钛强化高碳高合金钢耐磨堆焊药芯焊丝，其含碳量低于高碳高合金铸铁，属高碳钢范畴，降低了堆焊层的淬硬倾向，避免堆焊层形成微裂纹；同时添加钛元素形成颗粒状碳化钛，与块状碳化铬复合强化堆焊层。尽管堆焊层的碳含量较低，但颗粒状碳化钛的存在提高了堆焊层的硬度，并降低其剥落倾向，在不提高堆焊层含碳量的前提下，确保堆焊层的硬度达到HRC59以上，且堆焊层无裂纹，提高了其抗剥落能力，可延长磨辊的使用寿命。
本发明的铬-钛强化高碳高合金钢耐磨堆焊药芯焊丝通过堆焊熔敷金属中碳化钛、碳化铬等强化相提高熔敷金属的硬度和耐磨性。由于钛为活泼元素，在焊接过程中极易氧化，导致药粉中的钛元素难以过渡到堆焊熔敷金属，因此需要通过配方技术解决该技术难题，以保证熔敷金属中钛含量。本发明通过向焊丝药粉中加入硅钙合金，焊接过程中烧损更活泼的钙元素，以减少钛元素的氧化烧损，提高钛的过渡系数；而且钛元素的氧化产物(氧化钛)还可与硅元素的氧化产物(氧化硅)联合造渣，提高焊缝成形质量。此外，本发明的药芯焊丝采用中性保护气体(98％Ar+2％O2)焊接，钛元素的氧化烧损量较使用氧化性气体(100％CO2)显著降低；在氩气中添加2％的O2，是为增加电弧稳定性，并改善焊缝的成形质量。
对铬-钛强化高碳高合金钢耐磨堆焊药芯焊丝的生产工艺而言，其外用钢带为低碳钢带，为了保证焊丝的生产工艺，需要严格控制外用钢带的技术参数。钢带的抗拉强度过低，将导致焊丝拉拔过程的挺度不够，生产中易堆丝，且焊丝易扭转，将导致焊接过程中电弧随焊丝的扭转而旋转，降低电弧稳定性，恶化焊缝成形质量。钢带的抗拉强度过高，延伸率过小，将导致焊丝拉拔困难，拉拔过程中易发生断丝，生产过程不连续，成品率低。本发明采用的外用碳钢带的抗拉强度不小于270MPa，延伸率不小于40％，以实现铬-钛强化高碳高合金钢耐磨堆焊药芯焊丝的高效连续生产。
本发明的药芯焊丝的制备方法为：将厚度0.3mm、宽度16mm的外用钢带制成U形，向U形槽内加入药粉，U形槽合口后，依次进行φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次连续拉拔减径，得到规格为φ2.0mm的药芯焊丝。
本发明的药芯焊丝，兼顾堆焊熔敷效率及气保护焊接的优势，即焊丝具有烟尘少，飞溅小，操作灵活等气保护焊接的特点，且焊丝直径规格较大(φ2.0mm)，其堆焊熔敷效率显著高于常用规格的气保护焊丝(φ1.2mm)。
本发明的有益效果为：
本发明的药芯焊丝焊接工艺性能优良，电弧稳定、焊接飞溅小、焊缝成形质量好，无裂纹、气孔、夹渣等冶金缺陷。
本发明的药芯焊丝适用于磨辊、磨盘的堆焊复合制造及在线修复，操作方便，堆焊层的硬度达到HRC59以上，具有较高的耐磨性和抗冲击能力，能够显著提高磨辊、磨盘的使用寿命。
具体实施方式
在本发明的药芯焊丝中，药粉中各组分的含量及功能如下：
高碳铬铁：向堆焊熔敷金属中过渡铬、碳元素，其含量为20.0％-25.0％(质量百分含量，以下同)。
钛铁：向堆焊熔敷金属中过渡钛元素，钛元素与碳元素反应合成碳化钛，弥散分布在熔敷金属马氏体基体上，提高熔敷金属的硬度和耐磨性，其含量为38.0％-45.0％。
石墨：向堆焊熔敷金属中过渡碳元素，碳元素固溶在马氏体基体中，强化基体组织，并与钛结合形成碳化钛，提高熔敷金属的硬度和耐磨性，其含量为3.5％-4.0％。
金属锰粉：向堆焊熔敷金属中过渡锰元素，脱氧、脱硫，其含量为1.2％-1.6％。
金属钼粉：向堆焊熔敷金属中过渡钼元素，其含量为2.0％-2.2％。
硅钙合金：提高钛元素的过渡系数，并向熔敷金属过渡硅元素，氧化生产的氧化硅参与造渣，其含量为2.5％-5.0％。
锆英砂：造渣，调整熔渣的物化性能，并具有稳弧作用，其含量为2.0％-3.0％。
萤石：去氢，降低焊缝金属气孔倾向，调整渣的粘度，其含量为8.0％-10.0％。
碳化硼：向堆焊熔敷金属中过渡碳、硼元素，其含量为0.1％-0.2％。
其余为铁粉。
上述药粉的粒度范围为80～200目，即75～180μm。
强度不低于290MPa，延伸率不低于40％的外用钢带经轧制成U形，向其中加入药粉并合口后，依次进行φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次连续拉拔减径，最终得到规格为φ2.0mm的药芯焊丝。
本发明的焊丝适用于98％Ar+2％O2气体保护焊，推荐焊接工艺参数为：焊接电流：180A～240A，焊接电压：28V～32V，焊接速度：8cm/min～20cm/min(具体焊接速度要视成形质量而定)。
以下通过具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
将220g高碳铬铁、410g钛铁、15g金属锰粉、21g金属钼粉、37g石墨、38g 硅钙合金、25g锆英砂、90g萤石、1g碳化硼、143g铁粉，共1000g药粉，选用厚度为0.3mm、宽度为16mm的碳钢钢带，抗拉强度为315MPa，延伸率为41％，将其轧成U型，药粉混和均匀后加入U型槽中，药粉填充系数为40％，钢带合口后经过φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔减径，最终得到直径为2.0mm的成品焊丝。
实施例2
将230g高碳铬铁、400g钛铁、15g金属锰粉、20g金属钼粉、38g石墨、40g硅钙合金、27g锆英砂、95g萤石、2g碳化硼、133g铁粉，共1000g药粉，选用厚度为0.3mm、宽度为16mm的碳钢钢带，抗拉强度为320MPa，延伸率为42％，将其轧成U型，药粉混和均匀后加入U型槽中，药粉填充系数为41％，钢带合口经过φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔减径，最终得到直径为2.0mm的成品焊丝。
实施例3
将200g高碳铬铁、380g钛铁、12g金属锰粉、20g金属钼粉、35g石墨、25g硅钙合金、20g锆英砂、80g萤石、1g碳化硼、227g铁粉，共1000g药粉，选用厚度为0.3mm、宽度为16mm的碳钢钢带，抗拉强度为330MPa，延伸率为45％，将其轧成U型，药粉混和均匀后加入U型槽中，药粉填充系数为38％，钢带合口后经过φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔减径，最终得到直径为2.0mm的成品焊丝。
实施例4
将250g高碳铬铁、450g钛铁、16g金属锰粉、22g金属钼粉、40g石墨、50g硅钙合金、30g锆英砂、100g萤石、2g碳化硼、40g铁粉，共1000g药粉，选用厚度为0.3mm、宽度为16mm的碳钢钢带，抗拉强度为320MPa，延伸率为40％，将其轧成U型，药粉混和均匀后加入U型槽中，药粉填充系数为42％，钢带合口后经过φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔减径，最终得到直径为2.0mm的成品焊丝。
对比例1
将230g高碳铬铁、400g钛铁、15g金属锰粉、20g金属钼粉、30g石墨、40g硅钙合金、27g锆英砂、95g萤石、2g碳化硼、141g铁粉，共1000g药粉，选用厚度为0.3mm、宽度为16mm的碳钢钢带，抗拉强度为320MPa，延伸率为42％，将 其轧成U型，药粉混和均匀后加入U型槽中，药粉填充系数为41％，钢带合口后经过φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔减径，最终得到直径为2.0mm的成品焊丝。
对比例2
将200g高碳铬铁、330g钛铁、12g金属锰粉、20g金属钼粉、35g石墨、25g硅钙合金、20g锆英砂、80g萤石、1g碳化硼、277g铁粉，共1000g药粉，选用厚度为0.3mm、宽度为16mm的碳钢钢带，抗拉强度为330MPa，延伸率为45％，将其轧成U型，药粉混和均匀后加入U型槽中，药粉填充系数为38％，钢带合口后经过φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔减径，最终得到直径为2.0mm的成品焊丝。
对比例3
将230g高碳铬铁、400g钛铁、15g金属锰粉、20g金属钼粉、38g石墨、40g硅钙合金、27g锆英砂、60g萤石、2g碳化硼、168g铁粉，共1000g药粉，选用厚度为0.3mm、宽度为16mm的碳钢钢带，抗拉强度为305MPa，延伸率为43％，将其轧成U型，药粉混和均匀后加入U型槽中，药粉填充系数为41％，钢带合口后经过φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔减径，最终得到直径为2.0mm的成品焊丝。
对比例4
将230g高碳铬铁、400g钛铁、15g金属锰粉、20g金属钼粉、38g石墨、40g硅钙合金、27g锆英砂、120g萤石、2g碳化硼、108g铁粉，共1000g药粉，选用厚度为0.3mm、宽度为16mm的碳钢钢带，抗拉强度为325MPa，延伸率为41％，将其轧成U型，药粉混和均匀后加入U型槽中，药粉填充系数为41％，钢带合口后经过φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔减径，最终得到直径为2.0mm的成品焊丝。
对比例5
将250g高碳铬铁、450g钛铁、16g金属锰粉、22g金属钼粉、40g石墨、50g硅钙合金、30g锆英砂、100g萤石、2g碳化硼、40g铁粉，共1000g药粉，选用厚度为0.3mm、宽度为16mm的碳钢钢带，抗拉强度为370MPa，延伸率为32％，将其轧成U型，药粉混和均匀后加入U型槽中，药粉填充系数为42％，钢带合口后经过φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔减径，最终得 到直径为2.0mm的成品焊丝。
对比例6
将250g高碳铬铁、450g钛铁、16g金属锰粉、22g金属钼粉、40g石墨、50g硅钙合金、30g锆英砂、100g萤石、2g碳化硼、40g铁粉，共1000g药粉，选用厚度为0.3mm、宽度为16mm的碳钢钢带，抗拉强度为320MPa，延伸率为40％，将其轧成U型，药粉混和均匀后加入U型槽中，药粉填充系数为42％，钢带合口后经过φ4.32mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm四道次拉拔减径，最终得到直径为2.0mm的成品焊丝。
对实施例和对比例涉及的铬-钛强化高碳高合金钢耐磨堆焊药芯焊丝的焊接工艺性能和堆焊层硬度进行性能评价。采用GB/T25776-2010《焊接材料焊接工艺性能评定方法》对焊丝的焊接工艺性能(电弧稳定性、焊缝脱渣率、焊接飞溅率、焊缝气孔倾向等)进行评价。所采用的焊接工艺参数为：焊接电流200A，焊接电压30V，焊接速度：15cm/min，保护气体98％Ar+2％O2，气体流量：15L/min。
各实施例及对比例的效果对比如表1所示：
表1各实施例及对比例的焊丝评价
如表1所示，石墨含量低于3.5％的对比例1，堆焊层的硬度明显低于实施例；钛铁含量低于38.0％的对比例2，由于堆焊层中碳化物形成元素钛含量低，导致堆焊层的硬度低于实施例；萤石含量低于8.0％的对比例3，焊缝的气孔倾向高于实施例；萤石含量高于10.0％的对比例4，焊接飞溅率高于实施例，且焊缝脱渣率低于实施例；外用钢带延伸率低于40％的对比例5，焊丝扭转严重，导致焊接电弧稳定性差，焊接飞溅率高于实施例；采用四道次连续拉拔的对比例6，焊丝加工硬化程度高，断丝严重，成品率低，其焊接飞溅率也显著高于实施例。
实施例1～4所制的药芯焊丝，其焊接工艺性好，电弧稳定，脱渣率高，焊接飞 溅率低，焊缝气孔倾向低，堆焊层的硬度达到HRC59以上，其综合性能显著优于对比例1～6。