本发明属于焊接技术领域的焊接材料，是一种兼有高硬度和耐酸蚀性强的气保焊不锈钢焊丝及其制备方法和应用。
背景技术：
煤机制造业每年要产出大量的液压支架新品下井服役，同时又有大批的废旧液压支架需要修复翻新，其中，液压支架的千斤顶部分是整套装备系统最重要的核心部分。液压支架千斤顶部分由立柱（活柱）、中缸、外缸、密封环组合、导向套等组成。根据制造、翻新和服役的要求，立柱及中缸的外表面必须进行改性处理，以满足高硬度和耐酸蚀性强的综合要求。
现有的国产煤机液压支架千斤顶立柱和缸体的基体材质有27simn、30crmnsi、40cr等种类，其中，采用27simn最为广泛。根据制造、翻新和服役的要求，立柱及中缸的外表面必须进行改性处理，以满足高硬度和耐酸蚀性强的综合要求。传统的立柱及中缸的外表面处理采用电镀铬技术，因污染严重，工作环境恶劣，绝大多数相关电镀工厂停业；在应用机理上，因电镀层很薄（0.05～0.1mm），电镀层与基体金属间的结合是电化学移植过程，界面强度低，镀铬层自身也存在有孔隙率的问题，当受硬质物的冲击易出现裂隙和脱落，局部维修复原很困难。
现阶段，国内一些煤机制造企业采用激光粉末熔敷技术，用于液压支架的立柱和中缸外表面的熔敷加工。激光熔敷设备投资大，易损件、耗材及设备维护工作成本高；熔敷粉末不能充分利用、激光器的光电转换率和激光的吸收率一直是供货商和应用单位要改进提高的难题；激光熔敷过程的温度梯度很高，急热急冷的速度高达105℃∕s以上，会造成熔敷金属层的成分出现偏析和气孔；熔敷层与母材的结合区有很大的内应力，也是造成熔敷层内部产生裂纹的促动因素。
采用热丝钨极氩弧焊熔敷技术，设备投资少，设备操作维护简单，氩气保护的钨极焊接电弧是扩散型的自由电弧，电弧柔和安静，热循环过程和缓，通过对焊丝输送量的调节，可以实现对母材热输入量的调节与控制，焊接质量优良；该生产设备可以配置多组焊接机头系统性联动，生产效率高，经济效益好。但是一些相关的煤机修造企业采用er308、er309、er316l等标准型奥氏体不锈钢焊丝配套，耐酸腐蚀性能可以得到保证，但熔敷层的硬度值偏低（hrc<35），熔敷层表面容易出现划伤砸伤等破坏，不能满足修造过程和服役性能的要求。
药芯焊丝，因填充率不均匀，药粉成分有偏析，熔敷层金属会出现质量和成分的偏差；同时药芯焊丝的刚性差，送丝性不良，焊丝的指向性和随动性差，处于电弧区的焊丝前端部分极易爆裂飞溅；药芯焊丝吸潮性强，易出现药芯成分变质和气孔现象，药芯焊丝不能稳定地应用于热丝钨极氩弧焊工艺。
所以现阶段发明一种兼有高硬度和耐酸腐蚀性能强的实芯不锈钢焊丝是亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种兼有高硬度和耐酸蚀性强的气保焊不锈钢焊丝及其制备方法和应用，以解决现阶段采用标准型奥氏体不锈钢焊丝硬度偏低的技术问题。本发明的焊丝具有硬度高、耐酸蚀性强和金属间结合能力强的几重优点。
本发明的焊丝要具有高硬度和耐酸蚀性强的双重特性，与气体保护焊工艺技术配套，还要具有良好的焊接工艺性，使得该焊丝特别适用于煤机液压支架立柱及中缸外表面的熔敷熔修，使得煤机液压支架立柱及中缸外表面的气体保护焊熔敷修造技术形成完整的体系。
本发明的技术构思：把焊接电弧的加热特征和焊接热循环的边界效应纳入熔敷层金属的化学冶金和物理冶金的全过程，通过焊接熔敷工艺技术使母材对熔敷层的稀释率调控在8～10%，针对熔化的母材部分对熔敷层输送的c、mn、si、s、p含量，制定焊丝填充金属的合金系、各主要组分的比例范围和有害杂质元素的控限量，进而确定冶炼焊丝所用钢坯的原材料标准，使熔敷层金属具有奥氏体、铁素体、马氏体三元组合的组织构造，熔敷层金属洁净化，且伴有固溶强化、位错强化、沉淀强化、细晶粒强化的相关机制，使得此种焊丝既能达到高的硬度值，又能满足耐酸蚀性强的要求。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种兼有高硬度和耐酸蚀性强的气保焊不锈钢焊丝，包括如下质量百分比的元素：包括如下质量百分比的元素：c≤0.03%、mn0.6～1.5%、si0.5～1.2%、cr14.0～19.0%、ni4.0～8.0%、mo2.0～3.0%、cu2.0～5.0%、b0.5～2.5%、nb0.2～0.7%、v0.2～0.5%、s≤0.03%、p≤0.03%、余量为fe。
优选的，包括如下质量百分比的元素：c0.01～0.02%、mn0.8～1.2%、si0.6～0.9%、cr16.5～18.5%、ni5.0～6.0%、mo2.5～2.5%、cu3.0～4.0%、b1.0～2.0%、nb0.3～0.6%、v0.3～0.4%、s≤0.02%、p≤0.025%、余量为fe。
优选的，制备所述焊丝的原料包括主料和辅料；其中主料包括如下重量份的原料：纯铁45～55份、微碳铬铁24～28份、纯镍5～6份、纯铜2～5份、钼铁3～5份、硼铁5～9份、金属锰0.9～1.5份、硅铁0.8～1.2份、铌铁0.4～1.0份、钒铁0.3～0.6份。
优选的，辅料包括如下重量份的原料：特级冶金石灰1.5～2.0份、萤石0.4～0.8份。
优选的，所述焊丝是直径0.6～2.0mm的实芯焊丝。
一种兼有高硬度和耐酸蚀性强的气保焊不锈钢焊丝盘圆的制作方法，包括如下步骤：
1）按照上述焊丝的元素组成配备原料；
2）先在炉内加入辅料，之后分批次加入主料，在真空熔化时保持炉内真空度2～3pa,温度1560～1620℃，持续时间120～130min；
3）在惰性气体保护氛围下加入锰，全部熔化、均质化；
4）浇铸、冷却后成钢坯；钢坯900～1000℃均热后轧制成直径5.5mm的线材，收卷成盘圆。
一种兼有高硬度和耐酸蚀性强的气保焊不锈钢焊丝的制作方法，包括如下步骤：将上述制作的盘圆依次经过酸洗、涂层、粗拉组、去涂层、电解清洗、光亮热处理、涂层、中拉组、去涂层、电解清洗、光亮热处理、涂层、细拉组、精整、收卷、成品包装。
一种上述焊丝的应用，所述焊丝与气体保护焊工艺方法匹配，用于机械制造和再制造的熔敷熔修工艺。
优选的，所述焊丝应用于液压支架立柱及中缸外表面的熔敷熔修。
本发明的组分设计原理如下：
cr：铬是铁素体（f）形成元素，是单质金属中硬度最高的金属，铬的钝化作用可以使熔敷层金属免受空气的侵蚀，研究发现，铁铬固溶体中的铬含量超出12%时，金属具有了不锈的性能。铬的碳化、氧化、母材稀释率、三元组织组合的系统性因素均会影响本发明焊丝的性能；
c：碳是强稳定奥氏体（a）化元素，一定数量的高温奥氏体也是产生位错马氏体(m）硬化的基础条件；另一方面，碳与铬的亲和力很大，可以形成多种形式的碳化铬，有沉淀硬化效应，同时又使游离态的铬含量降低，造成金属的耐腐蚀性下降。因为局部熔化的母材会对熔敷层金属输送约0.03%左右的含碳量，设计上要采取固定碳的方式，比如添加比铬对碳亲和力更强的元素形成碳化物；在成分和组织的预期设计上，焊接热循环过程形成的残留奥氏体可以固溶更多的单质碳，有益于提高和保证熔敷层金属的耐腐蚀性；
ni：镍是奥氏体形成元素，是优良的耐腐蚀性材料。本发明主要是以镍为主加元素的镍当量组合（辅加锰、铜等），促使焊接热循环过程中由部分奥氏体转变为硬相马氏体；
mo：钼是铁素体形成元素，在焊接熔敷冶金过程中，能通过细化晶粒和组织、扩大淬火温度、沉淀硬化来提高熔敷层金属的强度和耐磨性；本发明发现钼元素的含量在2%以上时，可以明显改善抗酸腐蚀性，尤其是对点腐蚀和应力腐蚀有很好的抑制作用；
cu：铜是奥氏体形成元素，对在硫酸介质中的耐腐蚀性有提高作用，铜还能降低熔敷金属的熔点，有利于熔融金属的流动和铺展；铜还能改善熔敷层金属后续的冷作加工性；
b：熔敷金属中的硼和硼化物可以降低熔敷金属的熔点，有利于熔融金属的流动和铺展，使熔敷层金属的堆敷平整；硼及硼化物的加入，能通过细化晶粒、提高淬透性、沉淀硬化，提高熔敷金属的强度和耐磨性；
mn：锰是奥氏体形成元素，尤其是对奥氏体的稳定性有促进作用，作为镍元素的辅助性材料，通过获得奥氏体，继而由部分奥氏体转变为硬相马氏体，提高熔敷层的硬度；
si：硅是铁素体形成元素，通过钝化作用提高熔敷金属的抗氧化性，硅能促进熔融金属的流动性，能通过固溶强化提高熔敷金属的强度；
nb：铌是碳的稳定化元素，以焊接冶金过程产生的的总含碳量的十倍或稍高的比例关系设计，通过固定碳，提高熔敷金属的抗晶间腐蚀性能；铌的碳化物具有沉淀硬化效应；
v：钒对碳、氮、氧都有很高的亲和力，是碳的稳定化元素，能通过细化晶粒和组织、提高晶粒粗化温度，提高淬透性，沉淀硬化，提高熔敷金属的韧性、强度和耐磨性。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
1.本发明的焊丝形成的熔敷层金属具有奥氏体、铁素体、马氏体三元组合的组织构造，既能达到较高的硬度值，又能满足耐酸蚀性强的要求；与气体保护焊（hw-tig、mig）技术配套，既有良好的工艺性，又能同时满足焊态熔敷金属实现高硬度和耐酸蚀性强的双重要求，为推广普及气体保护焊工艺在液压支架立柱及中缸外表面的熔敷熔修工程中的应用，提供了强有力的技术保证；
2.本发明制得的焊丝是实芯焊丝，具有成分均匀、洁净，焊丝在堆焊熔敷过程的输送性好等特点，与焊接电弧的指向性和随动性好，焊丝的熔敷率达100%，焊丝不吸潮，仓储物流性好。
3.本发明公开的焊丝的钢坯是经过精炼而成，所制备的焊丝洁净度高，焊接熔敷过程中无烟雾粉尘、无飞溅、熔敷率100%；焊接堆敷形成的熔敷金属层平展度好，峰谷差<0.3mm，熔敷层金属利用率高；
4.本发明的焊丝在焊接熔敷时的成本低，与激光熔敷配套的合金粉末比较，本发明的焊丝是激光合金粉末成本的2/3，按同期市场售价比较，本发明的焊丝（50元/kg）不及激光合金粉末（80/kg）的2/3，且合金粉末有无效损耗；
5.本发明的焊丝用于气体保护焊工艺，同用途的气体保护焊设备的造价仅是激光熔敷设备的1/5，气保焊的工作成本是激光熔敷工艺的1/4，单个焊接机头的气保焊熔敷工艺的生产效率略高于激光熔敷工艺，采用本发明焊丝与热丝钨极氩弧焊（hw-tig）或熔化极惰性气体保护焊（mig）配套，具有大幅减少设备的投入、降低生产成本和提高生产效率的优势。
6.本发明的焊丝与热丝钨极氩弧焊（hw-tig）工艺方法相匹配，在机械制造和再制造的熔敷熔修工程应用上，品质性能优良；与熔化极惰性气体保护焊（mig）方法匹配时，控制母材稀释率≤25%，所述焊丝仍然表现优良。
具体实施方式
下面实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的工业原料如无特别说明，均为市售常规工业原料；所涉及的加工制作方法，如无特别说明，均为常规方法。
实施例1：一种兼有高硬度和耐酸蚀性强的气保焊不锈钢焊丝
包括如下质量百分比的元素：c0.01%、mn1.2%、si0.7%、cr16.8%、ni5.8%、mo2.8%、cu3.5%、b1.5%、nb0.4%、v0.3%、s0.01%、p0.015%、余量为fe。
制备所述焊丝实施例的主料和辅料见表1；制备所述焊丝实施例的原料配备方略（包括主料和辅料）见表2；测试件编号为1号，测试结果见表3。
本实施例的制造过程为：选择合适的合金元素及铁合金与纯铁，按设计配比在真空或惰性气体保护的氛围下，进行冶炼。冶炼过程中，加入锰时需采用惰性气体保护，在各种物料全部熔化并经一定时间均质化后，浇铸成钢坯，钢坯轧制成圆形钢锭，圆形钢锭轧制成盘圆，盘圆酸洗后经拔丝等加工工序，制成成品焊丝，焊丝直径1.2mm。
本实施例焊丝熔敷金属试件为27simn钢，尺寸ø180mm×1200mm，焊接方法为热丝钨极氩弧焊（hw-tig）焊，焊接电流260a，电弧电压14～16v，热丝电流60a，焊接速度450mm/min，螺旋线行走轨迹，保护气体（ar）流量15～20l/min；电弧过后3～5个螺距（约8cm区域）内的熔敷金属表面温度<150℃；熔敷层毛尺寸厚度控制在1.0～1.2mm，整体试件熔敷完成并冷却至室温后，经粗车、精车、磨削或抛光处理，熔敷层成品尺寸厚度0.6mm，表面粗糙度≤0.35μm，之后进行金相组织分析、洛氏硬度测试和铜加速乙酸盐雾试验（cass）。
实施例2：与实施例1的不同之处在于：
包括如下质量百分比的元素：c0.015%、mn1.1%、si0.75%、cr17.2%、ni5.5%、mo2.7%、cu3.8%、b1.3%、nb0.45%、v0.3%、s0.011%、p0.016%、余量为fe。
制备所述焊丝实施例的主料和辅料见表1；制备所述焊丝实施例的原料配备方略（包括主料和辅料）见表2；测试件编号为2号，测试结果见表3。
实施例3：与实施例1的不同之处在于：
包括如下质量百分比的元素：c0.02%、mn1.0%、si0.8%、cr17.5%、ni5.5%、mo2.8%、cu3.5%、b1.2%、nb0.45%、v0.3%、s0.012%、p0.016%、余量为fe。
制备所述焊丝实施例的主料和辅料见表1；制备所述焊丝实施例的原料配备方略（包括主料和辅料）见表2；测试件编号为3号，测试结果见表3。
表1.制备所述焊丝实施例的主料和辅料：
表2制备所述焊丝实施的原料配备方略（包括主料和辅料）
一种兼有高硬度和耐酸蚀性强的气保焊不锈钢焊丝，其制作过程包括如下步骤：
1）洗炉后，先将预处理好的辅料加入真空感应炉（zg-1500)的炉底，再将除锰以外的原料分批置入炉内；抽真空并辅以充氩，上电加热，进入熔化期，真空度2～3pa,温度1560～1620℃，持续时间120～130min，全熔后，测温、取样、分析、调整成分；
2）停止抽真空，充氩至3～3.5kpa,加入锰料，进入精炼期，持续时间50～～60min,之后再经8～10min的电磁搅拌均质化，温度维持在1600℃以上，准备出钢；
3）1600℃温度出钢浇铸，自然冷却后成钢坯；
4）钢坯900～1000℃均热后轧制成直径5.5mm的线材，收卷成盘圆；
5）将所述盘圆经过系列的拉拔生产程序，制成成品焊丝，其生产程序如示：
盘圆→酸洗→涂层→粗拉组→去涂层→电解清洗→光亮热处理→涂层→中拉组→去涂层→电解清洗→光亮热处理→涂层→细拉组→精整→收卷→成品包装。
效果例：
根据实施例1～3制备出3种成分含量不同的的焊丝，并对制备的三种焊丝进行了熔点、组织、硬度和耐酸蚀性能的测试，汇总于表3.
表3实施例焊丝熔敷金属的综合性能测试
实施例1～3制得焊丝的熔敷金属性能如表3所示，本发明焊丝的熔敷层金属具有较高的硬度值和很强的耐酸腐蚀性能，为气体保护焊工艺应用于液压支架立柱及中缸外表面熔敷熔修提供了强有力的技术支撑。
本发明焊丝的各个合金组分及含量范围（c≤0.03%；mn：0.6～1.5%；si：0.5～1.2%；cr：14.0～19.0%；ni：4.0～8.0%；mo：2.0～3.0%；cu：2.0～5.0%；b：0.5～2.5%；nb：0.2～0.7%；v：0.2～0.5%；）、设计发明的思路和采取的措施方法均属于本发明的保护范畴。
上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。