本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体地涉及一种锰强韧化高铬铸铁自保护堆焊药芯焊丝及其制备方法。
背景技术：
堆焊作为一种绿色制造工艺，广泛应用于各类耐磨部件的修复或再制造。由于成本低廉加之便于制备，以M7C3型碳化物(M＝Cr,Fe)为耐磨骨架的高铬铸铁堆焊合金得到广泛应用。高铬铸铁堆焊合金过共晶组织中粗大的M7C3型碳化物，一方面对于提高耐磨性多有裨益，另一方面其本身容易出现冶金缺陷及微裂纹，脆性很大，成为堆焊合金在服役过程中发展成为宏观裂纹甚至开裂破坏的重要原因。因此，克服传统高铬铸铁型堆焊合金抗裂性差的缺陷，是近年来发展堆焊技术的一个热点课题。
通常采用降低C及合金元素含量的办法，使得高铬铸铁型堆焊合金由过共晶组织向亚共晶组织转变，以获得足够的韧性；然而降低C及合金元素含量会同时导致堆焊合金硬度明显下降，耐磨性也无法得以保证。值得注意的是，高铬铸铁型堆焊合金中的奥氏体类似于硬质合金中的“粘结相”。通过成分改性的方法，适当增加这种“粘结相”—奥氏体，将是改善高铬铸铁型堆焊合金抗裂性的全新思路。
技术实现要素：
发明目的：为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种锰强韧化高铬铸铁自保护堆焊药芯焊丝及其制备方法。
技术内容：为实现上述技术目的，本发明提出一种锰强韧化高铬铸铁自保护堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，所述的药芯成分质量百分含量范围如下：60～72％的80目高碳铬铁，12～18％的80目电解锰粉，1～2％的石墨，2～8％的硼铁，1～4％的60目铝镁合金，2～6％的硅铁，余量为80目铁粉，其中，石墨、硼铁、铝镁合金及硅铁均以60目和200目两种粒度添加，，其中，药芯粉末占焊丝总重的54-58％。
作为优选，所述的高碳铬铁含碳量为9～10wt％，含铬量为60～70wt％，其余为铁；所述的硅铁含硅量为72～80wt％，其余为铁；所述的硼铁含硼量为19～25wt％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁。
优选地，所述药芯中不同粒度的石墨：60目的石墨和200目的石墨，并以质量比1:1组合的方式加入。
优选地，所述药芯中不同粒度的硼铁：60目的石墨和200目的石墨，并以质量比1:1组合的方式加入。
优选地，所述药芯中不同粒径的铝镁合金：60目的铝镁合金和200目的铝镁合金，并以质量比1:1组合的方式加入。
优选地，所述药芯中不同粒径的硅铁：60目的硅铁和200目的硅铁，并以质量比1:1组合的方式加入。
优选地，所述药芯中，所述药芯中的高碳铬铁、硅铁及铁粉组分的粒径均等于80目。
优选地，所述药芯中，所述低碳钢带厚度×宽度为0.5×21mm。
优选地，所述药芯中，所述焊丝的直径为2.8mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm和4.2mm中的任意一种。
上述锰强韧化高铬铸铁自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：
(1)利用成型轧辊将低碳钢钢带轧成U形，然后通过送粉装置将本发明的药芯粉末按本发明焊丝总重的54-58％加入到U形槽中；
(2)将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.8～4.2mm，得到最终产品。
在上述药芯中各组分主要作用如下：
高碳铬铁：向堆焊金属中过渡合金元素Cr，并提供C元素。
锰粉：过渡合金元素Mn，固溶强化M7C3碳化物，促进“粘结相”奥氏体的形成。
硼铁：脱氧，降低熔池表面张力，改善焊道成形。
石墨：提供C元素，脱氧形成CO，并降低焊接气氛中的氧分压和氮分压。
铝镁合金：脱氧，固氮，增强自保护效果。
硅铁：脱氧，渗Si。
由上述技术方案和药芯中各组分的作用简述可以明了，本发明由于在药芯中添加了较大含量的Mn元素，其在堆焊合金组织中主要存在于M7C3之中，而较少量存在于基体中，同时Mn作为一种奥氏体形成元素，促进“粘结相”奥氏体组织的形成，有效改善了堆焊合金的韧性，从而提高其抗裂性，改善耐磨性。另一方面，由于Mn固溶于M7C3之中，进一步提高了M7C3的硬度。
此外，药芯中石墨、硼铁、铝镁合金及硅铁的粒度均有两种：60目和200目，以粒度差异组合的方式添加。在整个焊接过程中，既有温度极高的熔滴阶段，又有温度稍低的熔池阶段，无论哪个阶段都需要有效避免空气污染才能得到合格的焊接熔敷金属，课题组通过前期大量的工艺试验发现，通过不同粒度的上述药芯组分可以明显改善焊丝的自保护效果。这是不同粒度的粉末具有不同的氧化活性。通过成分粒度控制化学冶金反应活性的新思路，在药芯中添加极细的200目石墨、硼铁、铝镁合金及硅铁，利用其在焊接升温阶段进行有效的先期脱氧，同时在药芯中添加较粗的60目石墨、铝镁合金及硅铁，保留在熔滴高温阶段及熔池阶段，也能够进行有效的脱氧造气，从而保证在整个焊丝受热、熔化、形成熔滴、熔滴过渡、形成熔池并开始凝固的焊接冶金全程均具备良好的自保护效果，从而实现了本焊丝在没有添加任何矿物粉造渣剂的情况下，仍然能够具备良好的焊接工艺性能及焊接金属表面成形。同时，多粒度脱氧剂的添加，保证在较小脱氧剂的添加条件下，取得良好自保护效果，为药芯配方中高碳铬铁、锰粉等的足量添加和以大过渡系数过渡创造了空间条件和环境条件。
有益效果：本发明通过在药芯中添加了较大含量的Mn元素，其一方面有效促进“粘结相”奥氏体组织的形成，有效改善了堆焊合金的韧性，从而提高其抗裂性。另一方面，由于Mn固溶于M7C3之中，进一步提高了M7C3的硬度。两个方面的综合作用，使得高铬铸铁堆焊合金的耐磨性得以有效改善。此外，还通过成分粒度控制化学冶金反应活性的新思路，在药芯中分别组合添加极细的200目和较粗的60目石墨、硼铁、铝镁合金及硅铁，有效保证在整个焊丝受热、熔化、形成熔滴、熔滴过渡、形成熔池并开始凝固的焊接冶金全程均具备良好的自保护效果，从而实现了本焊丝在没有添加任何矿物粉造渣剂的情况下，仍然能够具备良好的焊接工艺性能及焊道表面成形。本发明的药芯焊丝焊接工艺性能好，合金组织细化明显，堆焊层表面硬度均匀，韧性较好，平均硬度在62～66HRC范围。耐磨性为Q235的30倍左右。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，实施例所描述的具体的药芯组分配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。其中，下列各实施例中所使用的高碳铬铁含碳量为9～10wt％，含铬量为60～70wt％，其余为铁；所述的硅铁含硅量为72～80wt％，其余为铁；所述的硼铁含硼量为19～25wt％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁。
实施例1
一种锰强韧化高铬铸铁自保护堆焊药芯焊丝，，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：72g的80目高碳铬铁，12g的80目电解锰粉，1g的石墨，3g的硼铁，1g的60目铝镁合金，2g的硅铁，9g的80目铁粉，其中，石墨、硼铁、铝镁合金及硅铁均以60目和200目两种粒度添加，且所添加的每一种粉末中60目和200目的质量分数均各占50％。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为54％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊金属硬度及耐磨性见表1。
实施例2
一种锰强韧化高铬铸铁自保护堆焊药芯焊丝，，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：65g的80目高碳铬铁，14g的80目电解锰粉，1.5g的石墨，2g的硼铁，4g的60目铝镁合金，6g的硅铁，7.5g的80目铁粉，其中，石墨、硼铁、铝镁合金及硅铁均以60目和200目两种粒度添加，且所添加的每一种粉末中60目和200目的质量分数均各占50％。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为55％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊金属硬度及耐磨性见表1。
实施例3
一种锰强韧化高铬铸铁自保护堆焊药芯焊丝，，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：70g的80目高碳铬铁，16g的80目电解锰粉，1.5g的石墨，5g的硼铁，2g的60目铝镁合金，4g的硅铁，4.5g的80目铁粉，其中，石墨、硼铁、铝镁合金及硅铁均以60目和200目两种粒度添加，且所添加的每一种粉末中60目和200目的质量分数均各占50％。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为57％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊金属硬度及耐磨性见表1。
实施例4
一种锰强韧化高铬铸铁自保护堆焊药芯焊丝，，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：60g的80目高碳铬铁，18g的80目电解锰粉，2g的石墨，8g的硼铁，3g的60目铝镁合金，5g的硅铁，4g的80目铁粉，其中，石墨、硼铁、铝镁合金及硅铁均以60目和200目两种粒度添加，且所添加的每一种粉末中60目和200目的质量分数均各占50％。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为58％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊金属硬度及耐磨性见表1。
表1所打硬度采用HR-150A洛氏硬度计，荷载150Kg，对每一个测试样取5点硬度，计算平均硬度值。
磨损实验采用MLS-225型湿式橡胶轮磨损试验机。
将每个实施例的堆焊层切五个尺寸为57×25×6mm磨损试样。磨损实验参数如下：橡胶轮直径：178mm，橡胶轮转速：240转/分，橡胶轮硬度：70(邵尔硬度)，载荷：10Kg，橡胶轮转数：预磨1000转，正式试验转1000转，磨料：40～70目的石英砂。堆焊金属的耐磨性能以正式磨损的失重量来衡量。在每次实验前、后将试样置入盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3～5分钟，待干后称重记录。实验用Q235钢作为对比样，对比件失重量与测量件失重量之比作为堆焊样的相对耐磨性ε。
表1各实施例堆焊金属硬度与耐磨性
本发明通过在药芯中添加了较大含量的Mn元素，其一方面有效促进“粘结相”奥氏体组织的形成，有效改善了堆焊合金的韧性，从而提高其抗裂性。另一方面，由于Mn固溶于M7C3之中，进一步提高了M7C3的硬度。两个方面的综合作用，使得高铬铸铁堆焊合金的耐磨性得以有效改善。此外，还通过成分粒度控制化学冶金反应活性的新思路，在药芯中分别组合添加极细的200目和较粗的60目石墨、硼铁、铝镁合金及硅铁，有效保证在整个焊丝受热、熔化、形成熔滴、熔滴过渡、形成熔池并开始凝固的焊接冶金全程均具备良好的自保护效果，从而实现了本焊丝在没有添加任何矿物粉造渣剂的情况下，仍然能够具备良好的焊接工艺性能及焊道表面成形。本发明的药芯焊丝焊接工艺性能好，合金组织细化明显，堆焊层表面硬度均匀，韧性较好，平均硬度在62～66HRC范围。耐磨性为Q235的30倍左右。