一种耐磨堆焊焊条药皮及含有该药皮的焊条的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种耐磨堆焊焊材，尤其是一种用于耐磨堆焊焊条的药皮及含有该药 皮的焊条，以及所述焊条的制备方法。
【背景技术】
[0002] 在地铁施工中盾构机刀盘、磨煤机磨盘、木炭、橡塑螺旋推进器、砼栗眼睛板、切割 环等许多零部件的黑色金属表面，由于受竹木肩、石灰、沙石粒、铁肩、煤块、橡塑颗粒、石英 石颗粒物等坚硬物质的持久而剧烈的相互挤压、碾磨、冲刷等的作用，导致严重的磨粒磨损 和刮伤现象，致使这些零部件使用寿命大大缩短，造成巨大的经济损失。人们采用各种方法 来预防这种情况发生，比如对这些零部件表面进行喷涂、热处理、镶嵌合金块以及采取堆焊 等各种方法，而采取高耐磨电焊条堆焊是种简单、通用、价廉的工艺方法。这其中最关键的 是选取焊材问题:碳化钨焊材耐磨却价格高昂，高铬合金焊材耐磨性却有限，而一般的模具 焊材耐磨性就更差，唯有含高碳化硼的焊材既高耐磨、价格又低廉。
[0003] 目前，在考虑使用、研发高含量碳化硼(特指药皮中含碳化硼20%)焊材时必须要 考虑碳化硼的高熔点、高脆性、高硬度与高耐磨性的特点。碳化硼是种很硬却很脆的材料， 经过焊接高温、急冷后焊缝尤其多层堆焊时就非常容易脆裂、剥离，导致焊缝及工件报废， 碳化硼含量越高就越易发生此类现象。此外，含量高的碳化硼焊材焊接时，在熔融状态下由 于碳化硼熔点接近2500度，远高于手弧焊时的焊接熔池和焊条端头熔滴的温度(分别〈1500 度和2100度），多数碳化硼颗粒难以熔融，熔化系数较低，导致药皮熔点高而套筒长，电弧不 稳；而且，在熔池金属还未凝固时上浮过程中，因凝固时间很短，那些未熔化的碳化硼颗粒 来不及上浮就被固化在焊缝中形成夹渣和气孔，或者引起焊缝表面严重粘渣，导致焊缝凹 凸不平而成形不好。本专利所需达到的目标就是寻找解决以上问题的有效办法，实现所述 焊条药皮熔化性好、焊缝金属高耐磨性兼顾一定的抗剥离性、经济上价廉的效果。
[0004] 中国专利已公布的含少量碳化硼焊条或焊丝的发明专利有不少，比如专利号 CN103358044A、CN103990920A、CN102371442A 和 CN104942463A 涉及的都是药皮中低硼含量 (分别为3-10份、5-7.5份、2-6份和3-9份）；而药皮其他主要成分中，前两者还涉及高含量 (分别为40-70份和35-57.5份）的铬合金系以及一定量的硅酸盐系、钨钼合金系、含钛合金 组元和钼镍合金组元。专利号CN102284806A涉及的是药芯焊丝配方，属于高硼铁基合金体 系，不含铬元素，未涉及焊条配方(焊条与焊丝配方差异很大，不好相提并论）。这些专利都 不曾涉及高碳化硼含量20%时焊条焊接工艺性、抗剥离性、高耐磨性和实际使用时的性价 比等内容。
[0005] 在已公布的中国专利中，涉及堆焊电焊条药皮含超过20%高碳化硼的专利也仅有 专利号CN1086471A--药皮中含碳化硼25-50%。可是，正如上面所述那样，如此高的含量， 促使焊缝金属出现高含量的高硬度、高脆性的各种硼化物大大增多，这些硼化物如B4C (HV3700)、FeB(HV1800-2000)、CrB(HV2100)等，将导致焊缝金属硬度高而脆性大，极易发生 脆化裂纹，多层堆焊时就更加明显，甚至出现焊缝金属剥离现象，从而导致焊缝及工件报 废;碳化硼含量越高就越易发生此类现象。同时，从焊条焊接熔焊原理一一焊接熔池温度场 (热循环）、熔滴过渡形式、熔池液体金属凝固与流动方式(流体动力学状态））看，由于碳化 硼的熔点高，如药皮中没有加入可以降低熔点的物质或焊芯采用高电阻、高发热的材质，在 如此高的碳化硼含量时就势必会导致药皮熔点会很高，熔化速度慢，焊缝金属容易夹渣、粘 渣、气孔等，唯有将药皮外径做到很小才能克服这个问题。但因此也相应降低了熔敷效率， 导致焊层变薄，焊接生产效率低，对于要较厚焊缝时需多层施焊才可达到。可是多层堆焊时 又会导致焊缝金属进一步脆裂而影响使用效果。由此可见，含过多的碳化硼时，焊接工艺不 好掌握。因此，适当降低碳化硼含量、在药皮中加入能增加发热量、降低熔点物质或采用较 高电阻焊芯增强发热效果等、就有利于克服这些问题。
[0006] 在降低药皮熔点、提高堆焊条熔敷率方面，可通过在药皮中加入大量的铁粉来实 现，如专利CN101073861A公布了加入了高达72%铁粉，可惜此专利所述药皮中含碳化硼仅 2-6 %。熔化快、熔敷效率很高，可是，因为在熔滴、熔池中大量铁粉熔融状态时会稀释、淡化 碳化硼，致使其浓度大大下降，导致硬度和耐磨性有可能降低。通常只有将药皮外径增大， 比如以Φ 4.0mm焊芯为例，药皮外径要达到Φ 9.0mm，才有可能提高硬度和耐磨性。
[0007] 上述专利所涉及的焊芯材质均为碳钢，而采用铁素体不锈钢Crl7作焊芯的高碳化 硼耐磨堆焊条的专利还未见公开报道。从碳钢和铁素体不锈钢的电阻率(分别为〇.17μΩπ! 和0.57μΩπ〇来看，后者比前者高近70%，因而发热量也加大了近三分之二，增大了难熔碳 化硼的熔化速度，此时如药皮中还含有较多铁粉等助熔物质，就可以共同促进焊条电弧端 部的熔化，也改变了熔滴过渡的形式。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于针对上述现有技术的不足之处而提供一种熔点低、熔化快的高 碳化硼含量的耐磨堆焊焊条药皮。同时，本发明还提供了一种药皮熔点低、熔化快、焊缝金 属耐磨性优良兼有一定抗剥离性、造价低廉的高含量碳化硼耐磨堆焊焊条。
[0009] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:一种耐磨堆焊焊条药皮，包含以下质 量百分含量的组分:碳化硼20 %、雾化铁粉19~37 %、雾化硅铁4~6 %、铌铁0~20 %、石墨 粉3~5%、中碳锰铁0~4%、钒铁0~4%、大理石粉24~31 %、萤石粉6~10%
[0010] 本发明所述耐磨堆焊焊条药皮，特别是针对焊芯材质为铁素体不锈钢Crl7而设计 的。通过采用Crl7材质作焊芯，一方面如前所述那样因其电阻率高、发热增加而大大加速药 皮熔化;另一方面，由于焊芯含铬组元达17 %，根据焊接熔焊原理和大量试验得知，本发明 中采用Crl7过渡到焊缝金属中的铬含量可达9-11%，而如果要在以碳钢为焊芯、通过在药 皮中铬系合金过渡到焊缝金属中同样含量时，就需加入相当于铬当量20-25 %的铬系合金 物质，这样，在调整药皮配比时前者具有更大的灵活性，而后者就有所限制了。再者，经过大 量实验表明，对于含20%高碳化硼的药皮而言，焊缝金属中铬17所过渡的铬含量9-11%对 耐磨性、抗剥离性所产生的效果较为理想，如过低时，铬所生成的CrB、（Fe，Cr)2B等硼化物 太少而影响耐磨效果;反之，如过多时焊缝会更脆裂，耐磨性就下降。能够过渡适量、有效的 铬合金而无需在药皮中加入额外的铬系合金，就可以相应地在药皮中添加更多的有利于造 渣、保护熔池金属、提高提高熔渣碱度、净化熔池熔融状态时的液体金属、增加合金组元的 过渡系数的物质，如大理石粉、萤石粉等矿粉以及铁粉、铁合金等。像这样由于焊芯铬17、药 皮含较多铁粉等加大了发热量，以及铁粉还能够提高药皮的导电性，将会使药皮熔点大大 下降，电弧稳定性提高，增加了熔池中的熔融状态的金属数量，推迟了熔池金属的凝固，提 高了渣的上浮速度，从而进一步净化了焊缝金属，减少了气孔，有利于脱渣和成形。这些措 施都有利于提高焊缝金属硬度和耐磨性;另一方面，熔滴、熔池金属熔融状态时间长、数量 多，激发了熔滴阶段、熔池液体时各种合金、化合物之间的更多化学反应，与母材金属的熔 合得以加强，确保了含较大量的、有效的碳化硼颗粒融入焊缝金属中，焊缝与母材的金属间 结合更加牢固，减少了焊缝开裂和剥离现象，使得可以比传统的同类焊条药皮加入更多的 碳化硼，实现比传统的同类焊条更耐磨、抗脆性更强的焊缝。
[0011] 但是，如矿粉加入过多将直接导致电弧不稳，熔池中熔渣数量大大增加，凝固时很 多来不及析出的化合物就形成夹渣、粘渣等现象，脱渣变得困难，于焊缝金属耐磨性和抗脆 性也有不利作用；如铁粉、铁合金加入过多，就会稀释了熔滴和熔池熔融状态时的碳化硼浓 度，使焊缝金属硬度、耐磨性下降。本申请发明人经过大量研究证明，当所述焊条药皮含有 如前所述的物质质量百分含量时，所述焊条药皮与铁素体不锈钢Crl7材质焊芯结合制备得 到的焊条，综合性能较好，实现了焊缝金属一层硬度就可达HRC64-70、具有一定抗脆性而耐 磨性好于市售碳化钨焊条和同类焊条的水平。
[0012] 作为本发明所述耐磨堆焊焊条药皮的优选实施方式，所述石墨粉为鳞状石墨。
[0013] 作为本发明所述耐磨堆焊焊条药皮的优选实施方式，所述铌铁在所述药皮中的质 量百分含量为7~20%。
[0014]