本發(fā)明涉及一種鉻-鈦強(qiáng)化高碳高合金鋼耐磨堆焊藥芯焊絲及其制備方法，屬于焊接材料及加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

磨輥是電力行業(yè)、水泥行業(yè)的重要備件，其使用效果直接影響了磨機(jī)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。磨輥在服役過(guò)程中受到物料的反復(fù)切削，要求其具有良好的耐磨粒磨損性能。目前多采用堆焊方法復(fù)合制造磨輥，即在輥身表面明弧堆焊高鉻高合金鑄鐵藥芯焊絲，以獲得高硬度高耐磨性的堆焊層，提高磨輥使用壽命。高鉻高合金鑄鐵藥芯焊絲為Cr25C5合金體系，其顯微組織為萊氏體基體上分布大量柱狀或塊狀的碳化鉻，堆焊層硬度為HRC58～62，耐磨性好，廣泛應(yīng)用于磨輥的堆焊修復(fù)和復(fù)合制造。

高鉻高合金鑄鐵焊絲堆焊制造的磨輥輥面含碳量高(約5％)，組織脆性大，堆焊層分布有大量細(xì)小裂紋。在服役過(guò)程中，磨輥一旦受到?jīng)_擊載荷，裂紋易擴(kuò)展并連成網(wǎng)狀，致使堆焊層剝落失效。掉塊剝落是此類磨輥?zhàn)钪饕氖问?，將?dǎo)致磨機(jī)停產(chǎn)維修，嚴(yán)重影響了其生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，開發(fā)一種熔敷金屬硬度高、耐磨性好，且具有良好抗沖擊性的堆焊材料對(duì)提高磨機(jī)的生產(chǎn)效率具有顯著的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種鉻-鈦強(qiáng)化高碳高合金鋼耐磨堆焊藥芯焊絲，該藥芯焊絲使用98％Ar+2％O₂氣體保護(hù)焊接，其焊接工藝性能優(yōu)良，堆焊層的硬度高(HRC59以上)，耐磨性好，適用于磨輥、磨盤的堆焊復(fù)合制造及在線修復(fù)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述藥芯焊絲的制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種鉻-鈦強(qiáng)化高碳高合金鋼耐磨堆焊藥芯焊絲，由外用碳鋼帶和其包裹的藥粉組成，其中，藥粉占焊絲總重量的38.0％-42.0％，該藥粉中各組分的配比為：高碳鉻鐵20.0％-25.0％、鈦鐵38.0％-45.0％、金屬錳粉1.2％-1.6％、金屬鉬粉2.0％-2.2％、石墨3.5％-4.0％、硅鈣合金2.5％-5.0％、鋯英砂2.0％-3.0％、螢石8.0％-10.0％、碳化硼0.1％-0.2％，其余為鐵粉。

本發(fā)明的藥芯焊絲采用98％Ar+2％O₂氣保護(hù)焊接，其熔敷金屬的成分范圍為： Cr 5.0％-6.0％、Ti 4.0％-5.0％、Mo 0.6％-1.0％、Mn 0.5％-1.2％、C1.2％-1.6％、Si 0.3％-0.8％、B 0.02％-0.1％、Fe余量。

本發(fā)明的鉻-鈦強(qiáng)化高碳高合金鋼耐磨堆焊藥芯焊絲，其含碳量低于高碳高合金鑄鐵，屬高碳鋼范疇，降低了堆焊層的淬硬傾向，避免堆焊層形成微裂紋；同時(shí)添加鈦元素形成顆粒狀碳化鈦，與塊狀碳化鉻復(fù)合強(qiáng)化堆焊層。盡管堆焊層的碳含量較低，但顆粒狀碳化鈦的存在提高了堆焊層的硬度，并降低其剝落傾向，在不提高堆焊層含碳量的前提下，確保堆焊層的硬度達(dá)到HRC59以上，且堆焊層無(wú)裂紋，提高了其抗剝落能力，可延長(zhǎng)磨輥的使用壽命。

本發(fā)明的鉻-鈦強(qiáng)化高碳高合金鋼耐磨堆焊藥芯焊絲通過(guò)堆焊熔敷金屬中碳化鈦、碳化鉻等強(qiáng)化相提高熔敷金屬的硬度和耐磨性。由于鈦為活潑元素，在焊接過(guò)程中極易氧化，導(dǎo)致藥粉中的鈦元素難以過(guò)渡到堆焊熔敷金屬，因此需要通過(guò)配方技術(shù)解決該技術(shù)難題，以保證熔敷金屬中鈦含量。本發(fā)明通過(guò)向焊絲藥粉中加入硅鈣合金，焊接過(guò)程中燒損更活潑的鈣元素，以減少鈦元素的氧化燒損，提高鈦的過(guò)渡系數(shù)；而且鈦元素的氧化產(chǎn)物(氧化鈦)還可與硅元素的氧化產(chǎn)物(氧化硅)聯(lián)合造渣，提高焊縫成形質(zhì)量。此外，本發(fā)明的藥芯焊絲采用中性保護(hù)氣體(98％Ar+2％O₂)焊接，鈦元素的氧化燒損量較使用氧化性氣體(100％CO₂)顯著降低；在氬氣中添加2％的O₂，是為增加電弧穩(wěn)定性，并改善焊縫的成形質(zhì)量。

對(duì)鉻-鈦強(qiáng)化高碳高合金鋼耐磨堆焊藥芯焊絲的生產(chǎn)工藝而言，其外用鋼帶為低碳鋼帶，為了保證焊絲的生產(chǎn)工藝，需要嚴(yán)格控制外用鋼帶的技術(shù)參數(shù)。鋼帶的抗拉強(qiáng)度過(guò)低，將導(dǎo)致焊絲拉拔過(guò)程的挺度不夠，生產(chǎn)中易堆絲，且焊絲易扭轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致焊接過(guò)程中電弧隨焊絲的扭轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，降低電弧穩(wěn)定性，惡化焊縫成形質(zhì)量。鋼帶的抗拉強(qiáng)度過(guò)高，延伸率過(guò)小，將導(dǎo)致焊絲拉拔困難，拉拔過(guò)程中易發(fā)生斷絲，生產(chǎn)過(guò)程不連續(xù)，成品率低。本發(fā)明采用的外用碳鋼帶的抗拉強(qiáng)度不小于270MPa，延伸率不小于40％，以實(shí)現(xiàn)鉻-鈦強(qiáng)化高碳高合金鋼耐磨堆焊藥芯焊絲的高效連續(xù)生產(chǎn)。

本發(fā)明的藥芯焊絲的制備方法為：將厚度0.3mm、寬度16mm的外用鋼帶制成U形，向U形槽內(nèi)加入藥粉，U形槽合口后，依次進(jìn)行φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次連續(xù)拉拔減徑，得到規(guī)格為φ2.0mm的藥芯焊絲。

本發(fā)明的藥芯焊絲，兼顧堆焊熔敷效率及氣保護(hù)焊接的優(yōu)勢(shì)，即焊絲具有煙塵少，飛濺小，操作靈活等氣保護(hù)焊接的特點(diǎn)，且焊絲直徑規(guī)格較大(φ2.0mm)，其堆焊熔敷效率顯著高于常用規(guī)格的氣保護(hù)焊絲(φ1.2mm)。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明的藥芯焊絲焊接工藝性能優(yōu)良，電弧穩(wěn)定、焊接飛濺小、焊縫成形質(zhì)量好，無(wú)裂紋、氣孔、夾渣等冶金缺陷。

本發(fā)明的藥芯焊絲適用于磨輥、磨盤的堆焊復(fù)合制造及在線修復(fù)，操作方便，堆焊層的硬度達(dá)到HRC59以上，具有較高的耐磨性和抗沖擊能力，能夠顯著提高磨輥、磨盤的使用壽命。

具體實(shí)施方式

在本發(fā)明的藥芯焊絲中，藥粉中各組分的含量及功能如下：

高碳鉻鐵：向堆焊熔敷金屬中過(guò)渡鉻、碳元素，其含量為20.0％-25.0％(質(zhì)量百分含量，以下同)。

鈦鐵：向堆焊熔敷金屬中過(guò)渡鈦元素，鈦元素與碳元素反應(yīng)合成碳化鈦，彌散分布在熔敷金屬馬氏體基體上，提高熔敷金屬的硬度和耐磨性，其含量為38.0％-45.0％。

石墨：向堆焊熔敷金屬中過(guò)渡碳元素，碳元素固溶在馬氏體基體中，強(qiáng)化基體組織，并與鈦結(jié)合形成碳化鈦，提高熔敷金屬的硬度和耐磨性，其含量為3.5％-4.0％。

金屬錳粉：向堆焊熔敷金屬中過(guò)渡錳元素，脫氧、脫硫，其含量為1.2％-1.6％。

金屬鉬粉：向堆焊熔敷金屬中過(guò)渡鉬元素，其含量為2.0％-2.2％。

硅鈣合金：提高鈦元素的過(guò)渡系數(shù)，并向熔敷金屬過(guò)渡硅元素，氧化生產(chǎn)的氧化硅參與造渣，其含量為2.5％-5.0％。

鋯英砂：造渣，調(diào)整熔渣的物化性能，并具有穩(wěn)弧作用，其含量為2.0％-3.0％。

螢石：去氫，降低焊縫金屬氣孔傾向，調(diào)整渣的粘度，其含量為8.0％-10.0％。

碳化硼：向堆焊熔敷金屬中過(guò)渡碳、硼元素，其含量為0.1％-0.2％。

其余為鐵粉。

上述藥粉的粒度范圍為80～200目，即75～180μm。

強(qiáng)度不低于290MPa，延伸率不低于40％的外用鋼帶經(jīng)軋制成U形，向其中加入藥粉并合口后，依次進(jìn)行φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次連續(xù)拉拔減徑，最終得到規(guī)格為φ2.0mm的藥芯焊絲。

本發(fā)明的焊絲適用于98％Ar+2％O₂氣體保護(hù)焊，推薦焊接工藝參數(shù)為：焊接電流：180A～240A，焊接電壓：28V～32V，焊接速度：8cm/min～20cm/min(具體焊接速度要視成形質(zhì)量而定)。

以下通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

將220g高碳鉻鐵、410g鈦鐵、15g金屬錳粉、21g金屬鉬粉、37g石墨、38g 硅鈣合金、25g鋯英砂、90g螢石、1g碳化硼、143g鐵粉，共1000g藥粉，選用厚度為0.3mm、寬度為16mm的碳鋼鋼帶，抗拉強(qiáng)度為315MPa，延伸率為41％，將其軋成U型，藥粉混和均勻后加入U(xiǎn)型槽中，藥粉填充系數(shù)為40％，鋼帶合口后經(jīng)過(guò)φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔減徑，最終得到直徑為2.0mm的成品焊絲。

實(shí)施例2

將230g高碳鉻鐵、400g鈦鐵、15g金屬錳粉、20g金屬鉬粉、38g石墨、40g硅鈣合金、27g鋯英砂、95g螢石、2g碳化硼、133g鐵粉，共1000g藥粉，選用厚度為0.3mm、寬度為16mm的碳鋼鋼帶，抗拉強(qiáng)度為320MPa，延伸率為42％，將其軋成U型，藥粉混和均勻后加入U(xiǎn)型槽中，藥粉填充系數(shù)為41％，鋼帶合口經(jīng)過(guò)φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔減徑，最終得到直徑為2.0mm的成品焊絲。

實(shí)施例3

將200g高碳鉻鐵、380g鈦鐵、12g金屬錳粉、20g金屬鉬粉、35g石墨、25g硅鈣合金、20g鋯英砂、80g螢石、1g碳化硼、227g鐵粉，共1000g藥粉，選用厚度為0.3mm、寬度為16mm的碳鋼鋼帶，抗拉強(qiáng)度為330MPa，延伸率為45％，將其軋成U型，藥粉混和均勻后加入U(xiǎn)型槽中，藥粉填充系數(shù)為38％，鋼帶合口后經(jīng)過(guò)φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔減徑，最終得到直徑為2.0mm的成品焊絲。

實(shí)施例4

將250g高碳鉻鐵、450g鈦鐵、16g金屬錳粉、22g金屬鉬粉、40g石墨、50g硅鈣合金、30g鋯英砂、100g螢石、2g碳化硼、40g鐵粉，共1000g藥粉，選用厚度為0.3mm、寬度為16mm的碳鋼鋼帶，抗拉強(qiáng)度為320MPa，延伸率為40％，將其軋成U型，藥粉混和均勻后加入U(xiǎn)型槽中，藥粉填充系數(shù)為42％，鋼帶合口后經(jīng)過(guò)φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔減徑，最終得到直徑為2.0mm的成品焊絲。

對(duì)比例1

將230g高碳鉻鐵、400g鈦鐵、15g金屬錳粉、20g金屬鉬粉、30g石墨、40g硅鈣合金、27g鋯英砂、95g螢石、2g碳化硼、141g鐵粉，共1000g藥粉，選用厚度為0.3mm、寬度為16mm的碳鋼鋼帶，抗拉強(qiáng)度為320MPa，延伸率為42％，將 其軋成U型，藥粉混和均勻后加入U(xiǎn)型槽中，藥粉填充系數(shù)為41％，鋼帶合口后經(jīng)過(guò)φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔減徑，最終得到直徑為2.0mm的成品焊絲。

對(duì)比例2

將200g高碳鉻鐵、330g鈦鐵、12g金屬錳粉、20g金屬鉬粉、35g石墨、25g硅鈣合金、20g鋯英砂、80g螢石、1g碳化硼、277g鐵粉，共1000g藥粉，選用厚度為0.3mm、寬度為16mm的碳鋼鋼帶，抗拉強(qiáng)度為330MPa，延伸率為45％，將其軋成U型，藥粉混和均勻后加入U(xiǎn)型槽中，藥粉填充系數(shù)為38％，鋼帶合口后經(jīng)過(guò)φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔減徑，最終得到直徑為2.0mm的成品焊絲。

對(duì)比例3

將230g高碳鉻鐵、400g鈦鐵、15g金屬錳粉、20g金屬鉬粉、38g石墨、40g硅鈣合金、27g鋯英砂、60g螢石、2g碳化硼、168g鐵粉，共1000g藥粉，選用厚度為0.3mm、寬度為16mm的碳鋼鋼帶，抗拉強(qiáng)度為305MPa，延伸率為43％，將其軋成U型，藥粉混和均勻后加入U(xiǎn)型槽中，藥粉填充系數(shù)為41％，鋼帶合口后經(jīng)過(guò)φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔減徑，最終得到直徑為2.0mm的成品焊絲。

對(duì)比例4

將230g高碳鉻鐵、400g鈦鐵、15g金屬錳粉、20g金屬鉬粉、38g石墨、40g硅鈣合金、27g鋯英砂、120g螢石、2g碳化硼、108g鐵粉，共1000g藥粉，選用厚度為0.3mm、寬度為16mm的碳鋼鋼帶，抗拉強(qiáng)度為325MPa，延伸率為41％，將其軋成U型，藥粉混和均勻后加入U(xiǎn)型槽中，藥粉填充系數(shù)為41％，鋼帶合口后經(jīng)過(guò)φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔減徑，最終得到直徑為2.0mm的成品焊絲。

對(duì)比例5

將250g高碳鉻鐵、450g鈦鐵、16g金屬錳粉、22g金屬鉬粉、40g石墨、50g硅鈣合金、30g鋯英砂、100g螢石、2g碳化硼、40g鐵粉，共1000g藥粉，選用厚度為0.3mm、寬度為16mm的碳鋼鋼帶，抗拉強(qiáng)度為370MPa，延伸率為32％，將其軋成U型，藥粉混和均勻后加入U(xiǎn)型槽中，藥粉填充系數(shù)為42％，鋼帶合口后經(jīng)過(guò)φ4.32mm、φ3.51mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm五道次拉拔減徑，最終得 到直徑為2.0mm的成品焊絲。

對(duì)比例6

將250g高碳鉻鐵、450g鈦鐵、16g金屬錳粉、22g金屬鉬粉、40g石墨、50g硅鈣合金、30g鋯英砂、100g螢石、2g碳化硼、40g鐵粉，共1000g藥粉，選用厚度為0.3mm、寬度為16mm的碳鋼鋼帶，抗拉強(qiáng)度為320MPa，延伸率為40％，將其軋成U型，藥粉混和均勻后加入U(xiǎn)型槽中，藥粉填充系數(shù)為42％，鋼帶合口后經(jīng)過(guò)φ4.32mm、φ2.87mm、φ2.34mm、φ1.97mm四道次拉拔減徑，最終得到直徑為2.0mm的成品焊絲。

對(duì)實(shí)施例和對(duì)比例涉及的鉻-鈦強(qiáng)化高碳高合金鋼耐磨堆焊藥芯焊絲的焊接工藝性能和堆焊層硬度進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。采用GB/T25776-2010《焊接材料焊接工藝性能評(píng)定方法》對(duì)焊絲的焊接工藝性能(電弧穩(wěn)定性、焊縫脫渣率、焊接飛濺率、焊縫氣孔傾向等)進(jìn)行評(píng)價(jià)。所采用的焊接工藝參數(shù)為：焊接電流200A，焊接電壓30V，焊接速度：15cm/min，保護(hù)氣體98％Ar+2％O₂，氣體流量：15L/min。

各實(shí)施例及對(duì)比例的效果對(duì)比如表1所示：

表1各實(shí)施例及對(duì)比例的焊絲評(píng)價(jià)

如表1所示，石墨含量低于3.5％的對(duì)比例1，堆焊層的硬度明顯低于實(shí)施例；鈦鐵含量低于38.0％的對(duì)比例2，由于堆焊層中碳化物形成元素鈦含量低，導(dǎo)致堆焊層的硬度低于實(shí)施例；螢石含量低于8.0％的對(duì)比例3，焊縫的氣孔傾向高于實(shí)施例；螢石含量高于10.0％的對(duì)比例4，焊接飛濺率高于實(shí)施例，且焊縫脫渣率低于實(shí)施例；外用鋼帶延伸率低于40％的對(duì)比例5，焊絲扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重，導(dǎo)致焊接電弧穩(wěn)定性差，焊接飛濺率高于實(shí)施例；采用四道次連續(xù)拉拔的對(duì)比例6，焊絲加工硬化程度高，斷絲嚴(yán)重，成品率低，其焊接飛濺率也顯著高于實(shí)施例。

實(shí)施例1～4所制的藥芯焊絲，其焊接工藝性好，電弧穩(wěn)定，脫渣率高，焊接飛 濺率低，焊縫氣孔傾向低，堆焊層的硬度達(dá)到HRC59以上，其綜合性能顯著優(yōu)于對(duì)比例1～6。