本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体地涉及一种超高含量钒改性堆焊用自保护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Cr7C3型碳化物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Cr7C3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。
V常常被加入到高铬铸铁堆焊合金中，利用V与碳优先形成耐磨性更加的碳化钒来提高堆焊合金耐磨性。如专利文献1(CN101837522B，钒强化耐磨埋弧堆焊药芯焊丝)，粉体药芯包括高碳铬铁、脱氧剂、铁粉和钒铁，其中钒铁的添加含量为8-20％；专利文献2(CN105127614A，一种磨辊堆焊无渣自保护药芯焊丝)则在Fe‐Cr‐C‐Ti‐V‐P合金系统中添加微量合金元素进一步优化药芯焊丝的性能，其中钒铁的添加量为4～6％，在堆焊层中形成呈颗粒状均匀分布的V的碳化物和氮化物；专利文献3(CN103182613A，一种耐冲击细径自保护堆焊药芯焊丝)公开了一种添加高含量钒铁的药芯组分，包括：高碳铬铁：10～50％，钼铁：1～4％，高硅硅铁：1～4％，金属锰：8～14％，钒铁：25～35％，硼铁：2～6％，铌铁：5～8％，铝粉：2～5％，金红石：3～6％，碳酸钾：2～5％，氟化钠：1～3％，该专利中添加了造渣剂金红石，金红石的质量较轻，占据了药芯中大部分的空间，限制了铁合金和金属粉末的添加量，其耐磨性能的提高会受到限制。
此外，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。现有技术通常是在药芯中添加脱氧剂实现脱氧的效果，且每个脱氧剂多选用一种粒度。由于不同粒度的粉末具有不同的氧化活性，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。目前，尚未见通过控制成分粒度改善焊丝自保护效果的技术披露。
技术实现要素：
发明目的：针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种超高含量钒改性堆焊用自保护药芯焊丝，本发明的另一目的是提供该药芯焊丝的制备方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的超高含量钒改性堆焊用自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯包含如下质量百分含量的组分：52～58wt％的高碳铬铁，28～36wt％的钒铁，1～2wt％的石墨，1～4wt％的铝镁合金，3～9wt％的硅锰合金，余量为铁粉，其中，石墨、铝镁合金及硅锰合金分别以至少两种不同粒度添加，其中不同粒度中至少一种为较粗粒度，如40目、50目、60目、70目、80目等，另外还至少有一种较细粒度，如160目、170目、180目、200目、250目、300目等。
进一步地，所述高碳铬铁含碳量为9～10wt％，含铬量为60～70wt％，其余为铁；所述的钒铁含钒量为35～50wt％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。
进一步地，所述高碳铬铁、钒铁、铁粉的粒度均为80目。
进一步地，所述不同粒度的石墨由60目和200目的石墨按照质量比1:1组合而成。当质量比小于1:1，则堆焊层易出现气孔，当质量比大于1:1，则堆焊层易出现夹渣或夹杂等缺欠，但是均优于单一粒度的效果。
进一步地，所述不同粒度的铝镁合金由60目和200目的铝镁合金按照质量比1:1组合而成。质量比非1:1时效果同石墨。
进一步地，所述不同粒度的硅锰合金由60目和200目的硅锰合金按照质量比1:1组合而成。质量比非1:1时效果同石墨。
进一步地，所述低碳钢带厚度×宽度为0.5×21mm。
进一步地，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。
进一步地，所述药芯占焊丝总重的50-55wt％。
本发明进一步提出上述超高含量钒改性堆焊用自保护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带轧成U形，然后通过送粉装置将权利要求1-9任一项所述药芯的粉末加入到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：形成Cr7C3，Cr23C6，Cr3C等铬的碳化物；并向基体组织中过渡合金元素Cr，并提供C元素。
钒铁：一方面形成碳化钒硬质相，另一方面促使高铬铸铁过共晶组织向亚共晶转变，堆焊层韧性得以明显改善。
石墨：提供C元素，脱氧形成CO造成熔池微沸腾，降低气孔敏感性，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。
硅锰合金：脱氧，增强自保护效果；同时提供过渡合金元素Mn及元素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大含量的钒，其在焊接冶金熔体中优先与碳发生反应弥散析出碳化钒，较之碳化铬的热稳定性更好，硬度更高，同时由于在形成碳化钒的过程中消耗了大量的碳，使得剩余熔池中碳的含量值由共晶点右边移至共晶点左侧，意味着高铬铸铁堆焊合金组织由过共晶组织(先析碳化物+共晶产物)向亚共晶(先析奥氏体+共晶产物)转变。其中，共晶产物由残余奥氏体、马氏体及细小碳化物混合物构成。最终，在药芯中合金元素或碳含量不减反增(大大增加钒含量)的条件下，高铬铸铁型自保护药芯焊丝的显微组织由碳化钒+奥氏体+共晶碳化物+马氏体组成，该组织中碳化钒提高了高硬度和高的热稳定性；奥氏体是得到足量铬元素固溶强化的奥氏体，强、韧兼具；共晶碳化物尺寸细小，分布均匀；马氏体进一步提高了堆焊合金的硬度。综上所述，通过超高含量钒元素改性的高铬铸铁型自保护药芯焊丝呈现出理想的显微组织和成分，因而决定了该堆焊合金具有理想的耐磨性能。
此外，药芯中石墨、铝镁合金及硅锰合金的粒度均有两种：60目和200目，以粒度差异组合的方式添加，应注意的是，其他不同粗细粒度的组合，只要是能够实现该技术效果的，也落入本发明的构思。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、铝镁合金及硅锰合金，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、铝镁合金及硅锰合金，使之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、钒铁等的足量添加创造了空间条件。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过在药芯中添加了大含量的钒，其在焊接冶金熔体中优先与钒发生反应弥散析出碳化钒，使得剩余熔池中碳的含量值由共晶点右边移至共晶点左侧，促使高铬铸铁堆焊合金组织由过共晶组织(先析碳化物+共晶产物)向亚共晶(先析奥氏体+共晶产物)转变，最终获得碳化钒+奥氏体+共晶碳化物+马氏体构成的理想成分及组织，改善了堆焊合金的韧性和硬度，大大提高了其耐磨性。
(2)本发明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、铝镁合金及硅锰合金，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。
(3)本发明的药芯焊丝焊接工艺性能好，合金均匀化程度高，堆焊层表面硬度均匀，平均硬度在58.5～64HRC范围。耐磨性为Q235的30倍左右。
(4)本发明药芯焊丝的制备方法简单可靠，易于批量生产，所制备的焊丝焊接工艺性能良好，熔敷效率高，多层焊无需清渣。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步解释说明。因理解的是，下述实施例所描述的具体药芯组分的配比、工艺条件及其结果是为了更好的解释本发明，而不构成对本发明保护范围的限定。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；所述的钒铁含钒量为35～50wt％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。
实施例1
一种超高含量钒改性堆焊用自保护药芯焊丝，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：58g的80目高碳铬铁，28g的80目钒铁，1g的石墨，1g的铝镁合金，9g的硅锰合金，3g的80目铁粉，其中，石墨、铝镁合金及硅锰合金均以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50％。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
一种超高含量钒改性堆焊用自保护药芯焊丝，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：52g的80目高碳铬铁，36g的80目钒铁，1.5g的石墨，3g的铝镁合金，3g的硅锰合金，4.5g的80目铁粉，其中，石墨、铝镁合金及硅锰合金均以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3
一种超高含量钒改性堆焊用自保护药芯焊丝，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：54g的80目高碳铬铁，30g的80目钒铁，2g的石墨，4g的铝镁合金，5g的硅锰合金，5g的80目铁粉，其中，石墨、铝镁合金及硅锰合金均以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52％。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
一种超高含量钒改性堆焊用自保护药芯焊丝，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：56g的80目高碳铬铁，32g的80目钒铁，1.5g的石墨，2g的铝镁合金，7g的硅锰合金，1.5g的80目铁粉，其中，石墨、铝镁合金及硅锰合金均以60目和200目两种粒度添加，且所添加的每种石墨、铝镁合金及硅锰合金粉末中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。
表1中硬度测试采用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
以上实施例只是对本发明的技术构思起到说明示例作用，并不能以此限制本发明的保护范围，本领域技术人员在不脱离本发明技术方案的精神和范围内，进行修改和等同替换，均应落在本发明的保护范围之内。