本发明属于焊接材料领域，涉及一种不锈钢焊丝材料，具体涉及一种高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝及其应用。
背景技术
在焊接生产作业中，常要求对一些表面耐磨性差、表面磨损或者局部区域破损的零部件表面进行堆焊制造或者修复。以渣、气或者渣气联合保护方式，在机械零件表面堆焊一层高强度耐磨、耐热或者耐腐蚀等金属层，赋予表面以特殊的性能，这项工艺已经为不少企业采用。所用的焊接材料有药皮焊条、实心焊丝和药芯焊丝，其中药皮焊条堆焊具有操作简单、灵活方便等优点，缺点是效率低；实心焊丝刚性强、工艺性能好，但过渡的合金元素量有限；药芯焊丝成分调节极为方便，根据需要可获得所需成分的堆焊合金，且以埋弧或气保护方式焊接具有熔敷效率高，更适合于企业生产。
药芯焊丝作为新一代焊接材料，其焊接效率高、容易操作和焊丝品种多，使其应用越来越广泛，在药芯焊丝的应用中硬面堆焊领域是药芯焊丝的一个主要拓展方向。堆焊耐磨药芯焊丝分为铁基堆焊耐磨焊丝和非铁基堆焊耐磨焊丝两大类。目前市场上已有一种高铬铸铁耐磨药芯焊丝和一种含铬量为28％的铁素体不锈钢焊条。如国内钢铁企业修复轧辊所用的实芯焊丝h25cr3mo2mnv仍存在耐磨性不足的问题，而国内外所研制的药芯焊丝合金系统多以cr-mo、cr-mo-v、cr-mo-w-v、cr-ni-mo-v、cr-mo-w-v-nb为主。耐磨性和耐腐蚀性均较好的高铬铸铁，如以药芯焊丝形式供货，由于埋弧堆焊时焊缝热输入量大，所形成的碳化物过于粗大，堆焊合金韧性差，即使采用预热和焊后热处理等减小应力方式，埋弧堆焊时仍易开裂，这使得企业的生产效率较低，能源消耗大。多数小型企业采用其焊条手工堆焊操作，生产效率低，制造和修复成本高。堆焊合金的耐磨性主要与其显微组织中的硬质相，如碳化物的形状和数量相关，但是碳化物合金与钢的结合存在着不可逾越的密度和膨胀系数的障碍，导致其可焊性差、母材和熔覆层间结合强度低，易产生裂纹、剥落等各种缺陷，材料成本高，很大程度上限制了这类堆焊耐磨焊丝的广泛应用。广大的生产企业迫切需要一种具有良好的耐磨性、强度高和抗裂性的堆焊药芯焊丝，以满足零部件的堆焊制造或者修复需要。
技术实现要素：
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝及其应用，该堆焊药芯焊丝中加入适量的粒径可控的硬质相和多种协同合金粉末，改变现有铁素体不锈钢堆焊合金的基体组织，使得不锈钢堆焊合金具有强度高，耐磨性好的优点，同时堆焊时无需预热和焊后处理，无裂纹产生。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝，包括外皮和药芯，所述的药芯成分及质量百分比为：金属铬粉：25-30％；镍粉：3-5％；铌粉：1-2％；钒粉：1-3％；锰粉：8-10％；多元合金5-8％；稀土化合物2-6％；石英：5-8％；镁砂：3-5％；氟化物：3-5％；添加剂：5-7％；金红石5-8％；余量为铁粉。
进一步，上述所述的外皮为铬含量为16.0-18.0％的430铁素体不锈钢带。
进一步，上述所述的多元合金由质量百分比的如下组份组成：镁的含量为45-50％、铝的含量35-40、硼的含量为10-20％。
进一步，上述所述的稀土化合物由氧化铈、氧化镧和氧化钇按质量比1:1-2:1-3组成。
进一步，上述所述的氟化物由氟化钠、氟铝酸钠和氟化钙按质量比1-2:1:1组成。
进一步，上述所述的添加剂由质量百分比的如下组份组成：石墨烯的含量30％、氮化硅20％、碳化钨和碳化铬的含量各25％。
进一步，上述所述的焊丝的直径为1.8-2mm，药芯的填充量为35-40％。
进一步，上述所述的药芯中矿物干粉原料全部通过90-100目筛，金属粉原料过40-50目筛。
进一步，一种高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝在盾构机刀片或制砖机螺旋绞刀堆焊修补时的应用。
进一步，上述所述药芯焊丝堆焊时的条件为：电流200-220a，电压26-28v，焊接速度450-550mm/min，采用80％氩气和20％二氧化碳气体保护。
本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明的一种高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝，组分中添加剂由二维的石墨烯，高耐磨的氮化硅、碳化钨和碳化铬组成，石墨烯较小的纳米粒径效益和二维多层结构，改善熔覆合金的晶相组成，使得高耐磨的氮化硅、碳化钨和碳化铬在合金组织中分散均匀，协同增效，大大提高不锈钢焊丝熔覆的耐磨性和强度。
(2)本发明的一种高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝，稀土元素铈起到净化晶界、细化晶粒的作用，有益于消除结晶裂纹、提高焊缝金属的力学强度和韧性。
(3)本发明的一种高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝，多元合金粉可参与钢的合金化过程，起固溶强化作用，提高焊接接头的强度和韧性，与组分中的cr和ni具有较好的协同作用，在合金组织中，是强碳化物形成元素，能形成细小弥散的碳化物，提高钢的强度。
(4)本发明的一种高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝，药芯中的各成份用量配比合理，各组分间协同作用效果佳；没有普通不锈钢药芯焊丝所需添加的大量造渣物，提高了熔敷效率，熔敷速度快且烟尘较小，飞溅小，焊缝成型好,焊接稳定性较高的优点，具有良好的焊接工艺适应性。
(5)本发明适用于耐磨、强度和抗裂性要求高的零部件和设备的堆焊制造与修复，特别适用于盾构机刀片或制砖机螺旋绞刀堆焊修补时的应用。
具体实施方式
现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
一种高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝，包括铬含量为16.0％的430铁素体不锈钢带外皮和填充量为38％的药芯，所述的药芯成分及质量百分比为：金属铬粉：28％；镍粉：4％；铌粉：1％；钒粉：2％；锰粉：10％；多元合金6％；氧化铈、氧化镧和氧化钇按质量比1:1:3组成的稀土化合物6％；石英：5％；镁砂：3％；氟化钠、氟铝酸钠和氟化钙按质量比1:1:1组成的氟化物：4％；添加剂：5％；金红石5％；余量为铁粉。
所述的多元合金由质量百分比的如下组份组成：镁的含量为45％、铝的含量40、硼的含量为15％；所述的添加剂由质量百分比的如下组份组成：石墨烯的含量30％、氮化硅20％、碳化钨和碳化铬的含量各25％。
一种高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将药芯中矿物干粉原料全部通过95目筛，金属粉原料过45目筛，然后称取各组份混合均匀，置于烘干炉中150℃下干燥5h，得到药芯粉末，药芯粉末中水含量＜400ppm；
(2)通过药芯焊丝制丝机把步骤(2)得到的药芯粉末包裹在u型不锈钢带内，并采用成型机将不锈钢带闭合，得到焊丝半成品，再进行减径拉拔；
(3)焊丝半成品经步骤(2)拉拔完毕后，用蘸有丙酮的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经消除残余应力的拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到直径为2mm的高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝。
实施例2
一种高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝，包括铬含量为17.0％的430铁素体不锈钢带外皮和填充量为35％的药芯，所述的药芯成分及质量百分比为：金属铬粉：25％；镍粉：5％；铌粉：2％；钒粉：3％；锰粉：10％；多元合金5％；氧化铈、氧化镧和氧化钇按质量比1:2:3组成的稀土化合物4％；石英：4％；镁砂：5％；氟化钠、氟铝酸钠和氟化钙按质量比2:1:1组成的氟化物：3％；添加剂：6％；金红石6％；余量为铁粉。
所述的多元合金由质量百分比的如下组份组成：镁的含量为50％、铝的含量40、硼的含量为10％；所述的添加剂由质量百分比的如下组份组成：石墨烯的含量30％、氮化硅20％、碳化钨和碳化铬的含量各25％。
一种高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将药芯中矿物干粉原料全部通过90目筛，金属粉原料过40目筛，然后称取各组份混合均匀，置于烘干炉中160℃下干燥5h，得到药芯粉末，药芯粉末中水含量＜400ppm；
(2)通过药芯焊丝制丝机把步骤(2)得到的药芯粉末包裹在u型不锈钢带内，并采用成型机将不锈钢带闭合，得到焊丝半成品，再进行减径拉拔；
(3)焊丝半成品经步骤(2)拉拔完毕后，用蘸有丙酮的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经消除残余应力的拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到直径为1.9mm的高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝。
实施例3
一种高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝，包括铬含量为18.0％的430铁素体不锈钢带外皮和填充量为40％的药芯，所述的药芯成分及质量百分比为：金属铬粉：30％；镍粉：5％；铌粉：1％；钒粉：1％；锰粉：9％；多元合金7％；氧化铈、氧化镧和氧化钇按质量比1:2:2组成的稀土化合物2％；石英：8％；镁砂：5％；氟化钠、氟铝酸钠和氟化钙按质量比1.5:1:1组成的氟化物：5％；添加剂：7％；金红石8％；余量为铁粉。
所述的多元合金由质量百分比的如下组份组成：镁的含量为50％、铝的含量35、硼的含量为15％；所述的添加剂由质量百分比的如下组份组成：石墨烯的含量30％、氮化硅20％、碳化钨和碳化铬的含量各25％。
一种高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将药芯中矿物干粉原料全部通过100目筛，金属粉原料过50目筛，然后称取各组份混合均匀，置于烘干炉中180℃下干燥3h，得到药芯粉末，药芯粉末中水含量＜400ppm；
(2)通过药芯焊丝制丝机把步骤(2)得到的药芯粉末包裹在u型不锈钢带内，并采用成型机将不锈钢带闭合，得到焊丝半成品，再进行减径拉拔；
(3)焊丝半成品经步骤(2)拉拔完毕后，用蘸有丙酮的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经消除残余应力的拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到直径为1.8mm的高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝。
实施例4
一种高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝，包括铬含量为18.0％的430铁素体不锈钢带外皮和填充量为35％的药芯，所述的药芯成分及质量百分比为：金属铬粉：30％；镍粉：5％；铌粉：2％；钒粉：1％；锰粉：9％；多元合金6％；氧化铈、氧化镧和氧化钇按质量比1:2:1组成的稀土化合物5％；石英：6％；镁砂：4％；氟化钠、氟铝酸钠和氟化钙按质量比2:1:1组成的氟化物：4％；添加剂：7％；金红石8％；余量为铁粉。
所述的多元合金由质量百分比的如下组份组成：镁的含量为45％、铝的含量35％、硼的含量为20％；所述的添加剂由质量百分比的如下组份组成：石墨烯的含量30％、氮化硅20％、碳化钨和碳化铬的含量各25％。
一种高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将药芯中矿物干粉原料全部通过95目筛，金属粉原料过50目筛，然后称取各组份混合均匀，置于烘干炉中180℃下干燥3h，得到药芯粉末，药芯粉末中水含量＜400ppm；
(2)通过药芯焊丝制丝机把步骤(2)得到的药芯粉末包裹在u型不锈钢带内，并采用成型机将不锈钢带闭合，得到焊丝半成品，再进行减径拉拔；
(3)焊丝半成品经步骤(2)拉拔完毕后，用蘸有丙酮的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经消除残余应力的拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到直径为1.9mm的高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝。
实施例1-4的高强度高耐磨不锈钢堆焊药芯焊丝在盾构机刀片或制砖机螺旋绞刀堆焊修补时的应用；堆焊时的条件为：电流200-220a，电压26-28v，焊接速度450-550mm/min，采用80％氩气和20％二氧化碳气体保护。
对比例1与实施例1比较，无添加剂，其他同实施例1.
对比例2与实施例1比较，无稀土化合物，其他同实施例1.
对比例3与实施例1比较，无多元合金，其他同实施例1.
性能测试
使用实施例1-4和对比例1-3获得的焊丝，进行焊接操作，具体来说，保护气体使用80％氩气-20％二氧化碳，电流200-220a，电压26-28v，焊接速度450-550mm/min进行焊接，评价焊接操作性。
焊接金属的抗拉强度依据awsb4.0的试验来评价；
各项性能指标汇总如表1
表1
通过表1各项指标测试得到：本发明实施例1-4所制的本发明药芯焊丝，其晶间腐蚀倾向小，抗拉强度高，电弧稳定性好，脱渣率高，焊接飞溅率低，其性能显著优于对比例1-3。
实施例1-4与对比例1-3堆焊合金的耐磨粒磨损性能如表2
表2
通过表2可以看出实施例1-4具有较高的相对磨损系数，均超过30，而对比例1由于无耐磨添加剂，耐磨性直线下降，对比例2和3由于不同组分的缺失，耐磨性均出现不同程度的下降。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。