一種控碳增韌型自保護(hù)明弧高硼堆焊藥芯焊絲的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于耐低應(yīng)力磨粒磨損要求零部件的堆焊制造或者修復(fù)用高碳 型高硼耐磨藥芯焊絲;特別涉及一種控碳增韌型自保護(hù)明弧高硼堆焊藥芯焊絲。
【背景技術(shù)】
[0002] 堆焊合金耐磨性取決于合金所含碳化物尺寸、形態(tài)、分布、數(shù)量甚至位向等因素， 而韌性則與其基體數(shù)量、形態(tài)以及硬質(zhì)相的形態(tài)等因素相關(guān)。大尺寸初生碳化物顆?？捎?效抵抗磨粒磨損，原位析出的第二相等硬質(zhì)相顆粒因其尺寸過(guò)小，易隨磨損切肩流失而喪 失耐磨質(zhì)點(diǎn)作用。因而，制備高體積分?jǐn)?shù)耐磨主相的堆焊合金可有效提高其耐磨粒磨損性 能。
[0003] 藥芯焊絲明弧自保護(hù)焊以其高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等特點(diǎn)成為一種先進(jìn)機(jī)械零件耐磨 層制造和再制造技術(shù)，特別在耐磨堆焊件制造獲得了較多應(yīng)用。它與藥皮焊條電弧焊的氣 渣聯(lián)合保護(hù)機(jī)制、埋弧焊工藝的渣保護(hù)機(jī)制或者二氧化碳、氬氣等氣保護(hù)焊方式相比，明弧 自保護(hù)焊方法具有：（1)焊后焊縫表面基本無(wú)渣，可節(jié)約大量清渣時(shí)間、人力和物資；（2)采 用桶裝形式供貨使用的堆焊藥芯焊絲，可連續(xù)離線甚至在線堆焊作業(yè)，節(jié)約更換焊條時(shí)間， 易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和半自動(dòng)化操作，整體降低企業(yè)能耗，提高生產(chǎn)效率；（3)無(wú)需購(gòu)買(mǎi)焊劑或 惰性氣體，減少資金投入，提高經(jīng)濟(jì)效益。但是，該型藥芯焊絲研制技術(shù)與成本要求高，其 中，要獲得經(jīng)濟(jì)性和耐磨性兼具的明弧自保護(hù)藥芯焊絲更是要求較高。
[0004] 作為一種新型耐磨材料，高硼合金因其含有一定數(shù)量的熱穩(wěn)定性好、顯微硬度高 的硬質(zhì)相顆粒，如:Fe2B/硼化二鐵(1400~1500HV)，表現(xiàn)出較好的耐磨粒磨損性能。與高絡(luò) 鑄鐵合金相比，高硼合金可減少鎢、鉬、鈮和鉻等組分資源消耗，顯著降低耐磨合金材料成 本，具備經(jīng)濟(jì)適用的優(yōu)點(diǎn)。高硼合金含硼量大多位于1.5%以下或者在4%以上，顯微組織屬 于亞共晶或者過(guò)共結(jié)構(gòu)。亞共晶高硼合金凝固相變過(guò)程為:L-L+初生γ -Fe-共晶（γ -Fe+ Fe2B)+初生γ -Fe-變態(tài)共晶(a-Fe+Fe2B)+初生Fe-Cr固溶體(或稱(chēng)富鉻的鐵素體F)，其組織 的典型形態(tài)是硼原子優(yōu)先擴(kuò)散到胞狀或者樹(shù)枝狀初生Fe-Cr/鐵-鉻固溶體晶界處而形成網(wǎng) 狀或樹(shù)枝狀硼化物結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)致使硼合金脆性大，極易產(chǎn)生裂紋，胞狀初生Fe-Cr/鐵-鉻 固溶體軟，使磨粒易于鍥入，因而其耐磨粒磨損性能一般，這限制了其應(yīng)用范圍。過(guò)共晶高 硼合金由四邊形初生Fe 2B/硼化二鐵顆粒和及隨后在其周?chē)纬傻墓簿ЫM織構(gòu)成其組織結(jié) 構(gòu)，其凝固相變過(guò)程為：L-L+初生Fe2B-共晶（γ _Fe+Fe2B)+初生Fe2B-變態(tài)共晶（a-Fe+ Fe2B)+初生Fe2B，其初生和共晶Fe2B/硼化二鐵相分別呈板條狀或針狀，且性脆。隨著碳組分 加入，硼合金的共晶改變?yōu)椋╝-F e+Fe3C+Fe2B)和（a-Fe+Fe3(C，B))等變態(tài)共晶，并可出現(xiàn) FesB/硼化八鐵和Fe23(C，B)6/六碳硼化二十三鐵等過(guò)渡相，顯著特點(diǎn)有:碳含量越高，硼合 金越脆。脆性過(guò)大的主要原因該類(lèi)變態(tài)共晶保留了共晶組織的形態(tài)和剛性大等缺點(diǎn)。該變 態(tài)共晶沖擊韌性低，易開(kāi)裂，顯著增加高硼合金脆性，對(duì)耐磨粒磨損性能整體呈負(fù)面作用， 這降低了其服役使用壽命?；诖?，目前高硼合金研究和應(yīng)用對(duì)象以低碳為主，對(duì)中高碳型 涉及極少，主要因其過(guò)脆，獲得具有實(shí)用價(jià)值的高碳型高硼合金則需克服其脆性過(guò)大的缺 點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述情況，本發(fā)明的目的在于提供一種既有較高韌性和經(jīng)濟(jì)性，又具有耐磨 性能優(yōu)異的控碳增韌型自保護(hù)明弧高硼堆焊藥芯焊絲。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，一種控碳增韌型自保護(hù)明弧高硼堆焊藥芯焊絲，以低碳鋼H08A 冷乳薄鋼帶為外層包皮，該包皮內(nèi)配以合金、石墨和其它金屬粉末構(gòu)成粉芯，其堆焊合金是 于該藥芯焊絲中加入不同熔化屬性的高含量硼鐵、高碳鉻鐵和鈦鐵的合金粉末，并通過(guò)明 弧堆焊電流控制，形成合金組分未完全熔化和未混合均勻狀態(tài)的高硼堆焊熔體，且選擇與 碳親和力不同的多元合金化元素進(jìn)行梯度配置，使之在共晶轉(zhuǎn)變之上溫度范圍內(nèi)梯度析出 不同碳含量的碳化物和碳硼化物，實(shí)現(xiàn)合金元素相組織選擇性?xún)?yōu)化配置而形成，所述粉芯 各組分的重量百分含量范圍為： 硼鐵 40~5:0% 高碳鉻鐵 ：3()~40% 鈦鐵 6~12% 60目鱗片石墨 2.0~3.0%
[0007] 300目超細(xì)化石墨 0. 5~1, 0:? 中碳錳鐵 3~5% 娃鐵 2~4% 還原鐵粉 余量 所述粉芯填充率為 48~52%。
[0008] 為了進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)效果，粉芯各組分的較優(yōu)重量百分含量為： 硼鐵 40%
[0009] 高碳鉻鐵 姐％ 鈦鐵 6% 60目鱗片石墨 2.0% 300目超細(xì)化石墨 1, 01 中碳錳鐵 3%
[0010] 硅鐵 4% 還原鐵粉 余量 所述粉芯填充率為 50%。
[0011]為了進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)效果，粉芯各組分的較優(yōu)重量百分含量為： 硼鐵 邱％ 高碳鉻鐵 30?4 鈦鐵 7.5? 60目鱗片石墨 3%
[0012] 300目超細(xì)化石墨 0.5% 中碳錳鐵 5% 硅鐵 灘 還原鐵粉 余量 所述粉芯填充率為 明%。
[0013] 為了進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)效果，粉芯各組分的較優(yōu)重量百分含量為： 硼鐵 45% 高碳鉻鐵 35% 鈦鐵 Μ 60目鱗片石墨 2.5%
[0014] 300目超細(xì)化石墨 0.5% 中碳錳鐵 《 硅鐵 3% 還原鐵粉 余量 所述粉芯填充率為 51%。
[0015] 為了進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)效果，粉芯各組分的組成粉末全部過(guò)60目篩。
[0016] 為了進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)效果，60目鱗片石墨和300目超細(xì)化石墨的加入方式為:組合 加入。
[0017] 為了進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)效果，堆焊電流控制值為:300~350Α。
[0018] 為了進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)效果，堆焊藥芯焊絲拉拔成型時(shí)選擇的拉拔潤(rùn)滑劑為:300目 超細(xì)石墨。
[0019] 為了進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)效果，粉芯各組分的高碳鉻鐵含鉻量為68~72%、含碳量為 8%，鈦鐵含鈦量為25~35%，硼鐵含硼量18%，中碳錳鐵含錳量78~85%、含碳量1.5%，鱗 片石墨和超細(xì)化石墨含碳量不低于98%，硅鐵含硅量40~47%，還原鐵粉含鐵量不低于 98% 〇
[0020] 本發(fā)明一種控碳增韌型自保護(hù)明弧高硼堆焊藥芯焊絲，它主要采用在堆焊藥芯焊 絲中加入高含量的硼鐵和高碳鉻鐵、鈦鐵等合金粉末，利用熔體先期析出TiC/碳化鈦相而 固定了一部分碳原子，M 2B/硼化二金屬元素、M23(C，B)6/六碳硼化二十三金屬元素等(該分 子式所含Μ代表鐵，鉻等金屬元素，下同）相的相繼形成使得熔體所含硼、碳原子數(shù)量大幅度 下降，顯著降低了沿晶脆性共晶（a-Fe+M 3(C，B)數(shù)量，甚至完全抑制其形成，沿晶間隔斷續(xù) 分布的M3(C，B)/碳硼化三金屬元素、鐵素體F和馬氏體Μ的混合組織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了合金韌性。 該高硼合金的凝固相變過(guò)程為:L-L+TiC-L+TiC+M2B(少量)-y-Fe+TiC+(M2B(少量)+Μ 23 (C，B)6(大量））-M3(C，B)+M+F+(M2B+M 23(C，B)6)，這顯示該合金耐磨相呈梯次結(jié)晶凝固方式 進(jìn)行，如下所示：
[0021 ] (1)先期原位析出Tie/碳化鈦相而固定一部分碳，TiC/碳化鈦熔點(diǎn)3140°C;
[0022] (2)接著，以硼鐵組分熔化形成的高硼原子團(tuán)簇則聚集形成顯微硬度高達(dá)1448.7 ~1739.8HV〇.d^M2B/硼化二金屬元素相析出。根據(jù)鐵-硼二元相圖可知，F(xiàn)e2B/硼化二鐵的形 成溫度位于1149~1389°C之間，該相中鐵被鉻，錳元素置換取代后會(huì)提高其析出溫度。M2B/ 硼化二金屬元素相析出，相當(dāng)于鎖住了一部分聚集硼原子團(tuán)簇；
[0023] (3)隨后，熔體大部分形成顯微硬度965.4~1049.3狀〇.1的胞狀跑3((：，8) 6/六碳硼 化二十三金屬元素相，由鐵-碳-鉻相圖可知，M23C6/六碳化二十三金屬元素的形成溫度1180 ~1300°C，高于鐵-碳-硼三元相圖所示L-Y-Fe+M2B+Fe3C三相1097°C共晶轉(zhuǎn)變溫度和L- y-Fe+Fe3(C，B)兩相1129°C共晶轉(zhuǎn)變溫度；
[0024] (4)M23(C，B)6/六碳硼化二十三金屬元素相大面積形成，使得堆焊熔體所含大部分 硼、碳原子被固定在該相之內(nèi)，這導(dǎo)致胞狀M23(C，B)6/六碳硼化二十三金屬元素相晶界區(qū)域 的硼、碳原子含量顯著下降，可形成的碳硼化物數(shù)量急劇減少，只能斷續(xù)分布，其間奧氏體 γ-Fe因其碳含量不同而分別轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隔分布的鐵素體F和馬氏體M，這就形成了沿晶間隔 斷續(xù)分布的M3(C，B)/碳硼化三金屬元素、鐵素體F和馬氏體Μ的混合組織結(jié)構(gòu)；
[0025] (5)還有，數(shù)量較少的Μ2Β/硼化二金屬元素相被復(fù)雜面心立方結(jié)構(gòu)的M23(C，B) 6/六 碳硼化二十三金屬元素包圍形成雙相復(fù)合耐磨相；因 M23(C，B)6/六碳硼化二十三金屬元素 固溶了一部分鈦原子形成卬6，&，11，11)23((：，8)6/六碳硼化二十三鐵、