本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体地涉及一种cr12n钢自保护药芯焊丝。
背景技术：
长期以来，以铬的碳化物(cr7c3,cr23c6,cr3c等型碳化物)来强化药芯焊丝，提高熔敷金属硬度，是焊接材料研究工作者的普遍选择。近年来，研究发现，氮化物与碳化物相比，具有更高的硬度和稳定性，具有提供更佳耐磨性能的潜力。专利文献2(cn1562552a，一种氮合金化的硬面合金药芯焊丝材料)、专利文献3(cn101829861a，高抗裂耐磨埋弧堆焊药芯焊丝)和专利文献4(cn102019520a，用于耐磨部件磨损部位修复的焊丝及其制造方法)均通过直接在药芯中加入氮化铬以提高耐磨性。然而，氮化铬等氮化物价格昂贵，增加了焊丝制造成本。
考虑到电弧焊接时，n会溶解入熔滴及熔池中，首次研制一种不用外加气体保护(自保护)的药芯焊丝，该自保护药芯焊丝利用空气中的n渗入液态金属，与加入其中的al和ti发生反应，形成(ti,al)n复合氮化物，同时辅之以合适的药芯组分，得到一种避免昂贵氮化物直接添加的，而是利用空气渗n的(ti,al)n强化自保护药芯焊丝，大大节约焊丝成本。
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，本发明提供一种利用空气渗n的(ti,al)n强化自保护药芯焊丝及其制备方法。
技术内容：为实现上述技术目的，本发明提出一种利用空气渗n的(ti,al)n强化自保护药芯焊丝，以低碳钢带为外皮，药芯成分按质量百分比为：36～55％的微碳铬铁，10～25％的钛铁和铝粉的机械混合物，10～20％的金红石，2～6％的大理石，3～8％的氟化锂，1～3％的微碳锰铁，1～3％的氟硅酸钾，0.5～1％的海藻酸钠，余量为铁粉，其中，3：2≤钛铁：铝粉≤4：1。药芯粉末占焊丝总重的25-30％。
优选地，所述的微碳铬铁含碳量为0.1wt％，含铬量为63～75wt％，其余为铁；所述的微碳锰铁含碳量为0.04wt％，含锰量为80～85wt％，其余为铁；所述的钛铁含钛量为28～32wt％，其余为铁。
优选地，所述的低碳钢带h08a成分为c:0.1％,mn:0.3～0.55％,si:0.3％,s:≤0.03％,p:≤0.03％。
优选地，所述药芯中的微碳铬铁、铬粉、微碳锰铁、金红石、大理石、氟化锂、氮化铬铁、氟硅酸钾、海藻酸钠、钛铁、铝粉及铁粉组分的粒径均大于或等于100目。
优选地，所述低碳钢带厚度×宽度为0.6×14mm或0.5×12mm。
优选地，所述焊丝的直径为1.6mm和2.0mm中的任意一种。
优选地，所述的cr12n钢自保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用成型轧辊将低碳钢钢带轧成u形，然后通过送粉装置将药芯粉末按焊丝总重的25-30％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1.6或2.0mm，得到最终产品。
在上述药芯中各组分主要作用如下：
钛铁和铝粉的机械混合物：与从空气中渗入高温液态金属中的n发生反应，生成(ti,al)n强化相。一方面，钛铁和铝粉的机械混合物添加量＜10％，会产生n气孔，且硬度和耐磨性下降，当钛铁和铝粉的机械混合物添加量＞25％时，焊道成形恶化。另一方面，当钛铁：铝粉＜3：2时，焊道脱渣性不良；当钛铁：铝粉＞4：1时，铝含量过少，难以形成(ti,al)n强化相。
微碳铬铁：过渡cr元素,强化熔敷金属，且c可避免在熔滴高温下ti和al被大量氧化。
微碳锰铁：形成锰蒸汽、脱氧以增强自保护效果，有利于ti和al不被氧化。且c可避免在熔滴高温下ti和al被大量氧化。
金红石、大理石、氟化锂、氟硅酸钾及海藻酸钠：金红石、大理石、氟化锂、氟硅酸钾及海藻酸钠混合物构成熔渣的主要组成部分，调控空气中n的渗入浓度，保证有适量的n渗入高温液态金属。金红石，形成熔渣。大理石，造气，并形成熔渣。氟化锂，形成熔渣，改善熔渣覆盖性，并且li元素有稳弧作用，f元素可以有效降低熔敷金属h含量。氟硅酸钾，一方面f降低熔敷金属中的h含量，另外一方面k有稳定电弧作用。并形成熔渣，改善熔渣致密度。海藻酸钠，形成熔渣；稳弧。
铁粉：过渡fe到熔敷金属中。
由上述技术方案和药芯中各组分的作用简述可以明了，本发明提供的一种利用空气渗n的(ti,al)n强化自保护药芯焊丝，无需外加保护气体，在焊接气氛中存在一定的氮分压，利用空气中的n为原料，部分渗n入熔敷金属，与加入其中的al和ti发生反应，形成(ti,al)n复合氮化物，同时辅之以合适的药芯组分，得到一种避免昂贵氮化物直接添加的，而是利用空气渗n的(ti,al)n强化自保护药芯焊丝，大大节约焊丝成本。
有益效果：(1)实现利用空气渗入的n冶金反应生成(ti,al)n强化相，大大增加焊丝的强度和耐磨性；(2)避免了氮化铬、氮化钛、氮化铝等昂贵氮化物的额外直接添加，大大降低焊丝成本；(3)不产生氮气孔、脱渣性好、焊道成形美观。
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微碳铬铁含碳量为0.1wt％，含铬量为63～75wt％，其余为铁；所述的微碳锰铁含碳量为0.04wt％，含锰量为80～85wt％，其余为铁；所述的钛铁含钛量为28～32wt％，其余为铁。
实施例1
一种利用空气渗n的(ti,al)n强化自保护药芯焊丝，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：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。钢带h08a成分为c:0.1％,mn:0.3～0.55％,si:0.3％,s:≤0.03％,p:≤0.03％。药芯成分按以下质量进行配制：36g的微碳铬铁，25g的钛铁和铝粉的机械混合物，15g的金红石，6g的大理石，8g的氟化锂，1g的微碳锰铁，1g的氟硅酸钾，1g的海藻酸钠，7g的铁粉。其中，钛铁：铝粉＝3：2。所有粉末过100目筛。将所取各种粉末置入混粉机内，混合30分钟，然后把混合粉末加入u形的12×0.5mm的h08a碳钢钢带槽中，填充率为25％。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、2.55mm、2.4mm、2.2mm、2mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2mm的产品。焊接电流为280～340a，焊接电压为25～35v，焊接速度为0.35m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层熔敷金属气孔敏感性、脱渣性、硬度及耐磨性见表1。
实施例2
一种利用空气渗n的(ti,al)n强化自保护药芯焊丝，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：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。钢带h08a成分为c:0.1％,mn:0.3～0.55％,si:0.3％,s:≤0.03％,p:≤0.03％。药芯成分按以下质量进行配制：55g的微碳铬铁，10g的钛铁和铝粉的机械混合物，10g的金红石，2g的大理石，3g的氟化锂，3g的微碳锰铁，3g的氟硅酸钾，1g的海藻酸钠，13g的铁粉。其中，钛铁：铝粉＝4：1。所有粉末过100目筛。将所取各种粉末置入混粉机内，混合30分钟，然后把混合粉末加入u形的14×0.6mm的h08a碳钢钢带槽中，填充率为30％。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、2.55mm、2.4mm、2.2mm、2mm、1.8mm、1.6mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为1.6mm的产品。焊接电流为280～340a，焊接电压为25～35v，焊接速度为0.35m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层熔敷金属气孔敏感性、脱渣性、硬度及耐磨性见表1。
实施例3
一种利用空气渗n的(ti,al)n强化自保护药芯焊丝，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：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。钢带h08a成分为c:0.1％,mn:0.3～0.55％,si:0.3％,s:≤0.03％,p:≤0.03％。药芯成分按以下质量进行配制：40g的微碳铬铁，15g的钛铁和铝粉的机械混合物，20g的金红石，4g的大理石，5g的氟化锂，2g的微碳锰铁，2g的氟硅酸钾，0.5g的海藻酸钠，11.5g的铁粉。其中，钛铁：铝粉＝2：1。所有粉末过100目筛。将所取各种粉末置入混粉机内，混合30分钟，然后把混合粉末加入u形的14×0.6mm的h08a碳钢钢带槽中，填充率为28％。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、2.55mm、2.4mm、2.2mm、2mm、1.8mm、1.6mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为1.6mm的产品。焊接电流为280～340a，焊接电压为25～35v，焊接速度为0.35m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层熔敷金属气孔敏感性、脱渣性、硬度及耐磨性见表1。
对比例
一种利用空气渗n的(ti,al)n强化自保护药芯焊丝，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：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。钢带h08a成分为c:0.1％,mn:0.3～0.55％,si:0.3％,s:≤0.03％,p:≤0.03％。药芯成分按以下质量进行配制：45g的微碳铬铁，8g的钛铁和铝粉的机械混合物，15g的金红石，2g的大理石，4g的氟化锂，2g的微碳锰铁，2g的氟硅酸钾，1g的海藻酸钠，21g的铁粉。其中，钛铁：铝粉＝1：1。所有粉末过100目筛。将所取各种粉末置入混粉机内，混合30分钟，然后把混合粉末加入u形的14×0.6mm的h08a碳钢钢带槽中，填充率为28％。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、2.55mm、2.4mm、2.2mm、2mm、1.8mm、1.6mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为1.6mm的产品。焊接电流为280～340a，焊接电压为25～35v，焊接速度为0.35m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层熔敷金属气孔敏感性、脱渣性、硬度及耐磨性见表1。
表1中气孔敏感性试验：在200mm×80mm×20mm的试板上进行平板焊接，冷却3～5分钟后用铁锤敲掉熔渣，观察并记录焊缝表面上的气孔数目以为表面气孔。利用砂轮机对焊缝逐层打磨，观察并记录焊缝皮下气孔的数量，以为内部气孔。根据试验过程中记录到的气孔数量的多少，评价不同试样焊缝金属的气孔敏感性。
脱渣性的评定参照1989年全国焊条评定比赛中有关脱渣性的规定。使用与覆盖性相同试板。脱渣率按下式计算：
式中，d——脱渣率(％)；
l——焊道总长度(mm)；
l0——未脱渣长度(mm)；
l1——严重粘渣长度(mm)；
l2——轻微粘渣长度(mm)。
金相实验：采用在neophot21型显微镜上分析观察堆焊金属显微组织。
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各实施例堆焊金属化学成分