一种自熔性合金粉末掺杂改性自保护堆焊药芯焊丝及其制备方法
【专利摘要】本发明公开一种自熔性合金粉末掺杂改性自保护堆焊药芯焊丝，以低碳钢带为外皮，药芯成分按质量百分比为：50～60％的高碳铬铁，30～38％的自熔性合金粉末，1～3％的60目石墨，1～5％的200目石墨，1～2％的60目铝镁合金，1～2％的200目铝镁合金，1～2％的60目锰粉，1～3％的200目锰粉，余量为铁粉，其中自熔性合金粉末为硼铁和硅铁的混合物，其质量比：硼铁：硅铁＝1～2，药芯粉末占焊丝总重的50?55％。本发明提供的焊丝，通过添加不同粒度的药芯组分，保证了良好的焊接工艺性能，并通过在药芯中同时加入B、Si等自熔性合金元素，有效降低堆焊焊道表面张力，有效改善堆焊焊道成形，有效提高堆焊效率，有效扩大焊接工艺窗口。
【专利说明】
一种自熔性合金粉末掺杂改性自保护堆焊药芯焊丝及其制备 方法
技术领域
[0001 ]本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体地涉及一种自熔性合金粉末掺杂改 性自保护堆焊药芯焊丝及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 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。堆焊合 金的耐磨性能在很大程度上取决于合金粉末的添加量，即合金粉末在药芯中所占的比例。 为了增大药芯焊丝中合金粉末的装填量，近年来课题组发展了一系列的无渣自保护堆焊药 芯焊丝，该类新型焊丝的药芯中几乎没有添加任何矿物粉，使得合金的装填量得到最大程 度的增加，并以此增加了药芯焊丝的填充系数，有效地增加了堆焊合金中的碳化物数量和 硬度，成为堆焊领域最有潜力和前景的材料之一。
[0003] 然而，由于药芯中合金量过多，常常导致堆焊合金表面张力过大，流动性较差，焊 道高窄，影响了堆焊合金的焊接工艺性能，限制了无渣自保护堆焊药芯焊丝的应用广度。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种自熔性合金粉末 掺杂改性自保护堆焊药芯焊丝及其制备方法。
[0005] 技术内容:为实现上述技术目的，本发明提出一种自熔性合金粉末掺杂改性自保 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：50~60%的高碳铬铁，30~38%的自熔性合金粉末，1~3%的60目石墨，1~5% 的200目石墨，1~2%的60目铝镁合金，1~2%的200目铝镁合金，1~2%的60目锰粉，1~ 3 %的200目锰粉，余量为铁粉，其中自熔性合金粉末为硼铁和硅铁的混合物，其质量比：硼 铁:硅铁=1~2,药芯粉末占焊丝总重的50-55%。
[0006] 最为优选，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。
[0007] 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~ 3:1~5组合的方式加入。
[0008] 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1~2:1~2组合的方式加入。
[0009] 优选地，所述药芯中不同粒径的锰粉:60目的锰粉和200目的锰粉，并以质量比1~ 2:1~3组合的方式加入。
[0010] 优选地，所述药芯中，所述药芯中的高碳铬铁、硅铁、硼铁及铁粉组分的粒径均等 于80目。
[0011] 优选地，所述药芯中，所述低碳钢带厚度X宽度为0.5 X 21_。
[0012] 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。
[0013] 上述自熔性合金粉末掺杂改性自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：
[0014] (1)利用成型乳辊将低碳钢钢带乳成U形，然后通过送粉装置将药芯粉末按焊丝总 重的50-55 %加入到U形槽中；
[0015] (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。
[0016] 在上述药芯中各组分主要作用如下：
[0017] 高碳铬铁:向堆焊金属中过渡合金元素Cr，并提供C元素。
[0018] 硼铁和硅铁:作为自熔性合金元素，有效降低焊丝熔点，降低熔池表面张力，改善 熔池流动性，优化焊道成形。
[0019] 石墨:提供C元素，脱氧形成C0,并降低焊接气氛中的氧分压和氮分压。
[0020] 铝镁合金:脱氧，固氮，增强自保护效果。
[0021 ]锰粉:脱氧，增强自保护效果;过渡合金元素Mn。
[0022]由上述技术方案和药芯中各组分的作用简述可以明了，本发明由于通过在药芯中 同时加入B、Si等自熔性合金元素，不但增强了焊丝的自保护效果，而且有效降低堆焊焊道 表面张力，有效改善堆焊焊道成形，有效提高堆焊效率，有效扩大焊接工艺窗口。试验研究 表明，本药芯焊丝药芯组分体系中，添加30~38%的80目自熔性合金粉末(硼铁和硅铁的混 合物），且其质量比：硼铁:硅铁=1~2时，堆焊综合效果较好。如果自熔性合金元素添加量 过少，无法有效降低焊丝熔点，改善焊道成形质量，如果自熔性合金元素添加量过多，则堆 焊合金的开裂倾向增大。如果混合物中质量比硼铁:硅铁>2,则堆焊层抗裂性不足，质量比 硼铁:硅铁〈1，则堆焊合金表面粗糙，无光泽。
[0023]此外，药芯中石墨、铝镁合金及锰粉的粒度均有两种: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、铝镁合金及锰粉，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、铝镁合金及锰粉，利用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、自熔性合金粉末的足量添加创造了空间条件。
[0024]有益效果:本发明通过在药芯中同时加入B、Si等自熔性合金元素，不但增强了焊 丝的自保护效果，而且有效降低堆焊焊道表面张力，有效改善堆焊焊道成形，有效提高堆焊 熔敷效率，有效扩大焊接工艺窗口。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、铝镁合金及锰粉，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。本发明的药芯焊丝焊接工艺性能好，焊接工艺参数窗口宽、堆焊效 率高、焊道成形美观、堆焊层表面硬度均匀，耐磨性好。
【具体实施方式】
[0025] 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。
[0026] 实施例1
[0027] -种自熔性合金粉末掺杂改性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：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: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，32g的80目自熔性合金粉末，lg的60目石墨，2g的200目 石墨，lg的60目铝镁合金，lg的200目铝镁合金，lg的60目锰粉，lg的200目锰粉，lg的80目铁 粉，其中自熔性合金粉末为硼铁和硅铁的混合物，其质量比：硼铁:硅铁=1。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 X 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~ 4.2臟的产品。焊接电流为280~42(^，焊接电压为30~42￥，焊接速度为0.4111/1^11，层间温度 控制在150~250°C，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。
[0028] 实施例2
[0029] -种自熔性合金粉末掺杂改性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：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: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:50g的80目高碳铬铁，38g的80目自熔性合金粉末，3g的60目石墨，lg的200目 石墨，2g的60目铝镁合金，2g的200目铝镁合金，2g的60目锰粉，2g的200目锰粉，其中自熔性 合金粉末为硼铁和硅铁的混合物，其质量比：硼铁:硅铁=2。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 X 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°C，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。
[0030] 实施例3
[0031 ] -种自熔性合金粉末掺杂改性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：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: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，34g的80目自熔性合金粉末，2g的60目石墨，5g的200目 石墨，1.5g的60目铝镁合金，1.5g的200目铝镁合金，1.5g的60目锰粉，2g的200目锰粉，0.5g 的80目铁粉，其中自熔性合金粉末为硼铁和硅铁的混合物，其质量比：硼铁:硅铁=1.5。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 X0.5mm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°C，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。
[0032] 实施例4
[0033] -种自熔性合金粉末掺杂改性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：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: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:55g的80目高碳铬铁，30g的80目自熔性合金粉末，lg的60目石墨，3g的200目 石墨，lg的60目铝镁合金，1.5g的200目铝镁合金，1.5g的60目锰粉，3g的200目锰粉，4g的80 目铁粉，其中自熔性合金粉末为硼铁和硅铁的混合物，其质量比：硼铁:硅铁=1.5。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 X 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°C，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。
[0034]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。
[0035]磨损实验采用MLS-225型湿式橡胶轮磨损试验机。
[0036]将每个实施例的堆焊层切五个尺寸为57 X 25 X 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e。
[0037]表1各实施例堆焊金属硬度与耐磨性
[0039]本发明通过在药芯中同时加入B、Si等自熔性合金元素，不但增强了焊丝的自保护 效果，而且有效降低堆焊焊道表面张力，有效改善堆焊焊道成形，有效提高堆焊熔敷效率， 有效扩大焊接工艺窗口。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、铝镁合金及锰粉，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。本发明的药芯焊丝焊接工艺性能好，焊接工艺参数窗口宽、堆焊效率高、焊道 成形美观、堆焊层表面硬度均匀，耐磨性好。
【主权项】
1. 一种自熔性合金粉末掺杂改性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，其特征在于，所述的药芯成分质量百分含量范围如下：50~60%的高碳铬铁， 30~38%的自熔性合金粉末，1~3%的60目石墨，1~5%的200目石墨，1~2%的60目铝镁 合金，1~2%的200目铝镁合金，1~2%的60目锰粉，1~3%的200目锰粉，余量为铁粉，其中 自熔性合金粉末为硼铁和硅铁的混合物，其质量比：硼铁:硅铁=1~2,药芯粉末占焊丝总 重的 50-55 %。2. 根据权利要求1所述的自熔性合金粉末掺杂改性自保护堆焊药芯焊丝，其特征在于， 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。3. 根据权利要求1所述的含有自熔性合金粉末掺杂改性自保护堆焊药芯焊丝，其特征 在于不同粒度的石墨:60目的石墨和200目的石墨，并以质量比（1~3):(1~5)组合的方式 加入。4. 根据权利要求1所述的含有自熔性合金粉末掺杂改性自保护堆焊药芯焊丝，其特征 在于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1~2:1~2组 合的方式加入。5. 根据权利要求1所述的含有自熔性合金粉末掺杂改性自保护堆焊药芯焊丝，其特征 在于不同粒径的锰粉:60目的锰粉和200目的锰粉，并以质量比1~2:1~3组合的方式加入。6. 根据权利要求1所述的含有自熔性合金粉末掺杂改性自保护堆焊药芯焊丝，其特征 在于，所述药芯中的高碳铬铁、硼铁、硅铁及铁粉组分的粒径均等于80目。7. 根据权利要求1所述的含有自熔性合金粉末掺杂改性自保护堆焊药芯焊丝，其特征 在于，所述低碳钢带厚度X宽度为〇. 5 X 21_。8. 根据权利要求1所述的含有自熔性合金粉末掺杂改性自保护堆焊药芯焊丝，其特征 在于，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。9. 权利要求1所述的含有自熔性合金粉末掺杂改性自保护堆焊药芯焊丝的制备方法， 其特征在于，包括如下步骤： (1) 利用成型乳辊将低碳钢钢带乳成U形，然后通过送粉装置将药芯粉末按焊丝总重的 50-55 %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。
【文档编号】B23K35/368GK106001993SQ201610606654
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月28日
【发明人】刘大双, 魏萍
【申请人】江苏科技大学