本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及25mnsinimok矿用圆环链钢焊接配套药芯焊丝。
背景技术：
矿用焊接圆环链钢广泛应用于煤矿、起重、建筑、电力机械等领域。这类钢的特点是强度高，在酸性环境下不易腐蚀，国家标准gb/t10560－2017《矿用焊接圆环链用钢》对其化学成分、力学性能进行了严格且详细的规定。随着科学技术的发展，矿用焊接圆环链用钢的品种、性能、检测等越来越引起人们的重视。但其若形成圆环，焊接是不可避免的重要工序，技术人员一般采用合金化优异的药芯焊丝进行焊接。
圆环链工作时，除受到拉应力外，遇有刮卡还会受到冲击载荷，链环与链轮接触时，链环顶部外侧受到链轮轮齿的压力及磨损，链环在潮湿的环境下，与煤粉、岩粉接触，耐蚀性也是影响其使用周期的重要因素，所以对矿用圆环链钢的焊接提出了严格的要求，焊接接头的熔敷金属要求具有高强度、高韧性、较好的耐磨性和耐腐蚀性。
本领域技术人员共知的常识是：焊接接头熔敷金属的力学性能各数值一般不小于母材各规定值的70%，才能保证形成的结构件具有实际使用价值。常用的25mnsinimok牌号钢的抗拉强度最小值为1470mpa，下屈服强度最小值为1175mpa（参见国家标准gb/t10560－2017《矿用焊接圆环链用钢》），则焊接接头熔敷金属的抗拉强度最小值应为1029mpa，下屈服强度最小值应为823mpa，而且熔敷金属的耐磨性和耐腐蚀性也要求较高，只有这样才能在使用过程中不会因焊缝的失效而造成整个圆链环的报废。在此种情况下，对焊接材料提出了极高的要求，由于其使用的特殊性，需要采用配套的专用焊接材料，目前尚未发现25mnsinimok矿用圆环链钢焊接配套药芯焊丝的相关文献报道。
因此，研制出25mnsinimok矿用圆环链钢焊接配套药芯焊丝，是本领域技术人员目前急待解决的问题。
技术实现要素：
本发明提供25mnsinimok矿用圆环链钢焊接配套药芯焊丝，解决如下技术问题：①熔敷金属具有高强度和高韧性；②熔敷金属具有较高的耐磨性；③熔敷金属具有较好的耐腐蚀性；④焊丝的焊接工艺性好。
本发明采用如下技术方案：
25mnsinimok矿用圆环链钢焊接配套药芯焊丝，包括外皮和药芯，所述药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：中空笼状碳微球0.35%-0.42%，纳米硅粉2.3%-3.5%，纳米六硼化镧粉3.2%-4.6%，锆铌中间合金粉2.8%-4.2%，铜铍中间合金粉3.2%-4.1%，铝钪中间合金粉2.6%-3.2%，氟化锰粉4.2%-5.6%，钼粉2.2%-2.5%，镍粉1.8%-2.1%，铬粉1.6%-1.8%，fmw8雾化镁粉1.3%-1.5%，余量为fht100·25还原铁粉，所述锆铌中间合金粉中锆与铌的质量比为65∶35，所述铜铍中间合金粉中铜与铍的质量比为82∶18，所述铝钪中间合金粉中铝与钪的质量比为75∶25。
进一步的，所述中空笼状碳微球的外径为310nm-350nm，内径230nm-255nm，介孔直径30nm-38nm。
进一步的，所述纳米硅粉的粒径为3.5nm-5.0nm。
进一步的，所述纳米六硼化镧粉的粒径为50nm-80nm。
进一步的，所述锆铌中间合金粉、铜铍中间合金粉、铝钪中间合金粉的60目通过率为100%。
进一步的，所述氟化锰粉、钼粉、镍粉的80目通过率为100%。
所述药芯的填充率为33%-38%。
所述外皮采用低碳冷轧钢带制备，钢带的厚度为0.3mm-1.2mm。
进一步的，所述低碳冷轧钢带的化学成分按质量百分比计为：碳0.0015%-0.003%，锰0.20%-0.32%，硅0.005%-0.01%，硫0-0.001%，磷0-0.001%，余量为铁；钢带的抗拉强度为380mpa-430mpa，断后伸长率不小于40%。
所述药芯焊丝直径为2.4mm-8.0mm，优选3.2mm-7.0mm。
一种如上所述的25mnsinimok矿用圆环链钢焊接配套药芯焊丝的制备步骤如下：
1）选料：选择上述化学成分的原料进行质量纯度控制。
2）筛粉：将氟化锰粉、钼粉、镍粉、铬粉分别用80目筛网过筛，将锆铌中间合金粉、铜铍中间合金粉、铝钪中间合金粉的60目筛网过筛，过筛后保存细粉，弃掉杂质。
3）药粉处理：将药粉放入敞口的石英容器中，然后置于干燥箱中干燥，干燥温度50℃±5℃，干燥时间2.5h-3.0h。
4）配粉和混粉：按比例称取过筛后的药粉加入到混粉机内进行搅拌混合，成混合药粉。
5）钢带轧制及药粉封装：将低碳冷轧钢带放置在药芯焊丝成型机的放带装置上，通过成型机将低碳冷轧钢带制成u型槽，然后向u型槽中添加步骤4）得到的混合药粉，再通过成型机将u型槽碾压闭合形成o型，使药粉包裹其中，经拉丝机逐道拉拔减径，将其直径拉拔至1.8mm-7.2mm，得到药芯焊丝，盘成圆盘，密封包装。
本发明具有以下有益技术效果：
1、本发明采用外径为纳米级的中空笼状碳微球作为碳源，纳米级的碳微球在金属熔体中比石墨等碳源更容易扩散，焊接时碳微球在熔池中分布均匀，硅、硼、镧、锆、铌、铍、铜、锰、钼、镍、铬、镁、铝、钪、铁等原子可以通过介孔进入空笼进而将空笼胀破，碳分布非常均匀，焊接熔池凝固时熔敷金属形成了大量细小均匀的针状铁素体与少量珠光体共存的混合组织，碳化物等第二相分布均匀，熔敷金属的强度和硬度高，断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收功符合使用要求；
2、本发明采用了锆铌中间合金粉、铜铍中间合金粉、铝钪中间合金粉作为药芯添加成分，它们具有较低的熔点，且在焊接熔池中更易分布均匀，这样会使药芯成分更易进入熔敷金属且化学成分均匀，提高了熔敷金属的强度和硬度，断后伸长率、断面收缩率和冲击吸收功等指标符合使用要求；
3、本发明中硅粉、六硼化镧粉采用粒径为纳米级的颗粒，保证了具有高密度的短程扩散路径，在焊接熔池中更容易分散均匀，避免了部分区域的元素富集或缺失造成的合金化不均匀现象；而且纳米级颗粒还可以作为非自发形核的质点，有效细化了熔敷金属的显微组织，细化了针状铁素体的类直径，减小了密排针状铁素体之间的间隙，少量珠光体均匀分布在针状铁素体间隙内，提高了熔敷金属的强度和硬度，断后伸长率、断面收缩率和冲击吸收功等指标符合使用要求；
4、本发明采用多种合金化元素组合进行微合金化的作用机制，硅、硼、镧、锆、铌、铍、铜、锰、钼、镍、铬、钪对铁素体有很好的固溶强化作用，镁、铝具有极强的脱氧脱硫的作用，氟用来脱氢；中空笼状碳微球、纳米硅粉、纳米六硼化镧粉、锆铌中间合金粉、铜铍中间合金粉、铝钪中间合金粉六种组分协同作用，相互配合，相互支撑，配以其他的必要组分（氟化锰粉、钼粉、镍粉、铬粉、fmw8雾化镁粉、fht100·25还原铁粉），有效提高了熔敷金属的抗拉强度和硬度，断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收功符合使用要求；
5、本发明熔敷金属的抗拉强度最小值为1295mpa（达到了母材的88%），下屈服强度最小值为918mpa（达到了母材的89%），显微硬度最小值为268hv10（换算成布氏硬度为263hbw，达到了母材的101%，），断后伸长率最小值为10.6%（达到了母材的106%），断面收缩率最小值为52%（达到了母材的104%），冲击吸收功最小值为48j（达到了母材的137%），这些指标远远大于行业公知常识要求的保证值的70%，熔敷金属具有高强度、高韧性、较高的耐磨性和较好的耐腐蚀性，完全满足使用要求；
6、铜、锆、铌、镍、铬、镧、钪的存在，有效提高了熔敷金属的耐腐蚀性能；
7、由于采用了较低含量的碳源，焊丝的焊接工艺性好，利于焊接接头的成形。
具体实施方式
以下结合实施例和对比例对本发明的原理和特征进行描述，所列举实施例和对比例只用于解释本发明，并非限定本发明的范围。
实施例1：
25mnsinimok矿用圆环链钢焊接配套药芯焊丝，包括外皮和药芯，药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：中空笼状碳微球0.35%，纳米硅粉2.3%，纳米六硼化镧粉3.2%，锆铌中间合金粉2.8%，铜铍中间合金粉3.2%，铝钪中间合金粉2.6%，氟化锰粉4.2%，钼粉1.8%，镍粉1.8%，铬粉1.6%，fmw8雾化镁粉1.3%，余量为fht100·25还原铁粉。
锆铌中间合金粉中锆与铌的质量比为65∶35。
铜铍中间合金粉中铜与铍的质量比为82∶18。
铝钪中间合金粉中铝与钪的质量比为75∶25。
中空笼状碳微球的外径为310nm-350nm，内径230nm-255nm，介孔直径30nm-38nm。
纳米硅粉的粒径为3.5nm-5.0nm。
纳米六硼化镧粉的粒径为50nm-80nm。
锆铌中间合金粉、铜铍中间合金粉、铝钪中间合金粉的60目通过率为100%。
氟化锰粉、钼粉、镍粉的80目通过率为100%。
药芯的填充率为33%。
外皮采用低碳冷轧钢带制备，钢带的厚度为0.3mm。
一种如上所述的25mnsinimok矿用圆环链钢焊接配套药芯焊丝的制备步骤如下：
1）选料：选择上述化学成分的原料进行质量纯度控制。
2）筛粉：将氟化锰粉、钼粉、镍粉、铬粉分别用100目筛网过筛，将锆铌中间合金粉、铜铍中间合金粉、铝钪中间合金粉的80目筛网过筛，过筛后保存细粉，弃掉杂质。
3）药粉处理：将药粉放入敞口的石英容器中，然后置于干燥箱中干燥，干燥温度50℃±5℃，干燥时间2.5h-3.0h。
4）配粉和混粉：按比例称取过筛后的药粉加入到混粉机内进行搅拌混合，成混合药粉。
5）钢带轧制及药粉封装：将低碳冷轧钢带放置在药芯焊丝成型机的放带装置上，通过成型机将低碳冷轧钢带制成u型槽，然后向u型槽中添加步骤4）得到的混合药粉，再通过成型机将u型槽碾压闭合形成o型，使药粉包裹其中，经拉丝机逐道拉拔减径，将其直径拉拔至12.4mm，得到药芯焊丝，盘成圆盘，密封包装。
实施例2：
25mnsinimok矿用圆环链钢焊接配套药芯焊丝，包括外皮和药芯，所述药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：中空笼状碳微球0.42%，纳米硅粉3.5%，纳米六硼化镧粉4.6%，锆铌中间合金粉4.2%，铜铍中间合金粉4.1%，铝钪中间合金粉4.0%，氟化锰粉5.6%，钼粉2.5%，镍粉2.1%，铬粉1.8%，fmw8雾化镁粉1.5%，余量为fht100·25还原铁粉。
锆铌中间合金粉中锆与铌的质量比为65∶35。
铜铍中间合金粉中铜与铍的质量比为82∶18。
铝钪中间合金粉中铝与钪的质量比为75∶25。
中空笼状碳微球的外径为310nm-350nm，内径230nm-255nm，介孔直径30nm-38nm。
纳米硅粉的粒径为3.5nm-5.0nm。
纳米六硼化镧粉的粒径为50nm-80nm。
锆铌中间合金粉、铜铍中间合金粉、铝钪中间合金粉的60目通过率为100%。
氟化锰粉、钼粉、镍粉的80目通过率为100%。
药芯的填充率为35%。
外皮采用低碳冷轧钢带制备，钢带的厚度为1.2mm。
如上所述的25mnsinimok矿用圆环链钢焊接配套药芯焊丝，其制备步骤如实施例1，经拉丝机逐道拉拔减径，将其直径拉拔至8.0mm。
实施例3：
25mnsinimok矿用圆环链钢焊接配套药芯焊丝，包括外皮和药芯，药芯的化学成分及用量按质量百分比计为：中空笼状碳微球0.39%，纳米硅粉2.7%，纳米六硼化镧粉3.9%，锆铌中间合金粉3.5%，铜铍中间合金粉3.7%，铝钪中间合金粉3.3%，氟化锰粉4.9%，钼粉2.1%，镍粉2.0%，铬粉1.7%，fmw8雾化镁粉1.4%，余量为fht100·25还原铁粉。
锆铌中间合金粉中锆与铌的质量比为65∶35。
铜铍中间合金粉中铜与铍的质量比为82∶18。
铝钪中间合金粉中铝与钪的质量比为75∶25。
中空笼状碳微球的外径为310nm-350nm，内径230nm-255nm，介孔直径30nm-38nm。
纳米硅粉的粒径为3.5nm-5.0nm。
纳米六硼化镧粉的粒径为50nm-80nm。
锆铌中间合金粉、铜铍中间合金粉、铝钪中间合金粉的60目通过率为100%。
氟化锰粉、钼粉、镍粉的80目通过率为100%。
药芯的填充率为38%。
外皮采用低碳冷轧钢带制备，钢带的厚度为0.7mm。
如上所述的25mnsinimok矿用圆环链钢焊接配套药芯焊丝，其制备步骤如实施例1，经拉丝机逐道拉拔减径，将其直径拉拔至5.0mm。
对比例1：
与实施例3基本相同，其区别在于将药芯化学成分中的中空笼状碳微球换成石墨。
对比例2：
与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中无纳米硅粉。
对比例3：
与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中无纳米六硼化镧。
对比例4：
与实施例3基本相同，其区别在于将药芯化学成分中纳米硅粉、纳米六硼化镧换成普通粒径的硅粉、六硼化镧。
对比例5：
与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中无锆铌中间合金粉。
对比例6：
与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中无铜铍中间合金粉。
对比例7：
与实施例3基本相同，其区别在于药芯化学成分中无铝钪中间合金粉。
将实施例1、2、3和对比例1、2、3、4、5、6制备的药芯焊丝对25mnsinimok矿用焊接圆环链用钢进行对接焊接，按gb/t2652－2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》、gb/t2650－2008《焊接接头冲击试验方法》、gb/t27552－2011《焊接接头显微硬度试验》进行力学性能测试，按gb/t10125－2012《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》进行耐腐蚀性测试，结果如表1所示。
1）从实施例1、2、3可以看出：采用本发明的技术方案制备的药芯焊丝，熔敷金属的抗拉强度、下屈服强度、断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收功、显微硬度、耐腐蚀性，焊丝的焊接工艺性符合使用要求。
2）从对比例1-7可以看出：
①药芯化学成分中碳源采用石墨；
②药芯中不填加纳米硅粉；
③药芯中不填加纳米六硼化镧；
④药芯中的纳米硅粉和纳米六硼化镧换成普通粒径的硅粉和六硼化镧；
⑤药芯中不填加锆铌中间合金粉；
⑥药芯中不填加铜铍中间合金粉；
⑦药芯中不填加铝钪中间合金粉时。
上述7种情况下，熔敷金属的下屈服强度、断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收功、显微硬度、耐腐蚀性以及焊丝的焊接工艺性整体结果不符合使用要求，充分说明本发明中六种组分（中空笼状碳微球、纳米硅粉、纳米六硼化镧粉、锆铌中间合金粉、铜铍中间合金粉、铝钪中间合金粉）协同作用，相互配合，相互支撑，配以其他的必要组分（氟化锰粉、钼粉、镍粉、铬粉、fmw8雾化镁粉、fht100·25还原铁粉），构成了一个完整的技术方案，解决了现存的技术问题，取得了有益的技术效果。
需要指出的是，本发明的创新核心在于给出了药芯的组合物成分及用量，并优化各组分用量的合理范围，并非其中一种物质的加入起到了关键作用，组合物的综合作用才是本发明的核心创造。
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。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。