一種原位合成WC及W₆C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，以低碳鋼帶為外皮，藥芯成分按質(zhì)量百分比為：6～12％的高碳錳鐵，50～60％的鎢粉，6～12％的電解錳粉，8～12％的石墨，1～3％的硼鐵，1～3％的鋁鎂合金，1～3％的硅錳合金，余量為鐵粉，其中，硼鐵、鋁鎂合金及硅錳合金均以60目和200目兩種粒度添加，藥芯粉末占焊絲總重的50?55％。本發(fā)明提供的焊絲，通過添加不同粒度的藥芯組分，保證了良好的焊接工藝性能，并通過與其他合金粉末的恰當(dāng)配比，使之在堆焊合金組織中形成先析WC碳化物和W6C及部分馬氏體組成的共晶，堆焊層硬度高達(dá)62～66HRC，耐磨性好，且焊接工藝性能優(yōu)良，熔敷效率高，多層焊無需清渣。
【專利說明】
一種原位合成WC及W6C型碳化物増強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲及其 制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于材料加工工程中的焊接領(lǐng)域，具體地涉及一種原位合成WC及W6C型碳 化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 堆焊作為一種綠色制造工藝，廣泛應(yīng)用于各類耐磨部件的修復(fù)或再制造。其中以 碳化鎢為主要硬質(zhì)相的碳化鎢堆焊合金抗磨粒磨損性能優(yōu)越，在嚴(yán)苛磨粒磨損工況條件下 的耐磨部件修復(fù)或再制造上獲得廣泛使用。傳統(tǒng)碳化鎢堆焊合金的制造，一般是依靠管狀 焊絲采用高頻加熱和氣焊進(jìn)行，而采用電弧堆焊，會(huì)使添加在藥芯中的碳化鎢顆粒燒損嚴(yán) 重，對耐磨性造成不良影響。因此，開發(fā)一種能夠有效避免碳化鎢燒蝕的耐磨堆焊藥芯焊 絲，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 發(fā)明目的：為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種原位合成WC及W6C 型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲及其制備方法。
[0004] 技術(shù)內(nèi)容：為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提出一種原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng) 自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中，所述的藥芯成分質(zhì)量百分 含量范圍如下：6~12%的高碳錳鐵，50~60%的鎢粉，6~12%的電解錳粉，8~12%的石 墨，1~3%的硼鐵，1~3%的鋁鎂合金，1~3%的硅錳合金，余量為鐵粉，其中，硼鐵、鋁鎂合 金及硅錳合金均以60目和200目兩種粒度添加，藥芯粉末占焊絲總重的50-55 %。
[0005] 優(yōu)選地，所述的原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，在其堆焊合 金組織中形成先析WC碳化物和W 6C及部分馬氏體組成的共晶，堆焊層硬度高達(dá)62~66HRC。
[0006] 優(yōu)選地，所述的高碳錳鐵含碳量為7 · 8~8 · 2wt %，含錳量為70~82wt %，其余為 鐵;所述的硼鐵含硼量為19~25wt%，其余為鐵;所述的鋁鎂合金含鋁量為47~53wt%，其 余為鎂;所述的娃猛合金含娃量為47~53wt %，其余為猛。
[0007] 優(yōu)選地，所述藥芯中不同粒度的硼鐵:60目的石墨和200目的石墨，并以質(zhì)量比1:1 組合的方式加入。
[0008] 優(yōu)選地，所述藥芯中不同粒徑的鋁鎂合金:60目的鋁鎂合金和200目的鋁鎂合金， 并以質(zhì)量比1:1組合的方式加入。
[0009] 優(yōu)選地，所述藥芯中不同粒徑的硅錳合金:60目的硅錳合金和200目的硅錳合金， 并以質(zhì)量比1:1組合的方式加入。
[0010] 優(yōu)選地，所述藥芯中，所述藥芯中的高碳錳鐵、鎢粉、電解錳粉、石墨及鐵粉組分的 粒徑均等于80目。
[0011] 優(yōu)選地，所述藥芯中，所述低碳鋼帶厚度X寬度為0.5 X 21_。
[0012] 優(yōu)選地，所述藥芯中，所述焊絲的直徑為2.8mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm和4.2mm中的 任意一種。
[0013] 上述原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲的制備方法，包括如下 步驟：
[0014] (1)利用成型乳輥將低碳鋼鋼帶乳成U形，然后通過送粉裝置將藥芯粉末按焊絲總 重的50-55 %加入到U形槽中；
[0015] (2)將U形槽合口，使藥芯包裹其中，通過拉絲模，逐道拉拔、減徑，最后使其直徑達(dá) 至Ij 2.8~4.2mm，得到最終產(chǎn)品。
[0016] 在上述藥芯中各組分主要作用如下：
[0017] 高碳錳鐵：向堆焊金屬中過渡合金元素錳，并提供C元素。
[0018] 鎢粉：向堆焊合金中過渡合金元素 W，成為形成WC及W6C硬質(zhì)相的必要元素。
[0019] 石墨:提供C元素，以與熔池中的W發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成WC及W6C硬質(zhì)相。
[0020] 硼鐵:脫氧，改善熔池流動(dòng)性。
[0021 ]鋁鎂合金:脫氧，固氮，增強(qiáng)自保護(hù)效果。
[0022] 硅錳合金:脫氧，增強(qiáng)自保護(hù)效果;過渡合金元素 Mn及元素 Si。
[0023] 由上述技術(shù)方案和藥芯中各組分的作用簡述可以明了，本發(fā)明由于在藥芯中添加 了足量的W和C并配合其他藥芯組分，它們在焊接冶金熔體中發(fā)生反應(yīng)，梯次析出WC及W 6C型 復(fù)合硬質(zhì)相，原位合成的碳化鎢硬質(zhì)相有效避免了外加碳化鎢顆粒的燒蝕難題，并使得耐 磨骨架的結(jié)構(gòu)緊密且充分，堆焊合金耐磨性優(yōu)異，達(dá)到了本發(fā)明的目的。
[0024] 在上述技術(shù)方案中，所述堆焊合金中原位合成WC及WsC型碳化物是依靠在無渣自 保護(hù)藥芯焊絲中添加高鎢、高碳并配以恰當(dāng)?shù)钠渌幮痉勰﹣韺?shí)現(xiàn)的。在熔池凝固初期，首 先析出WC型碳化物，隨著剩余熔池中C的減少，某個(gè)時(shí)刻達(dá)到共晶點(diǎn)，開始發(fā)生共晶反應(yīng)，析 出魚骨狀W 6C及部分馬氏體組成的共晶產(chǎn)物，構(gòu)成成分多元、形態(tài)多樣，梯次抗磨的理想組 織。
[0025]藥芯中硼鐵、鋁鎂合金及硅錳合金的粒度均有兩種：60目和200目，以粒度差異組 合的方式添加。在整個(gè)焊接過程中，既有溫度極高的熔滴階段，又有溫度稍低的熔池階段， 無論哪個(gè)階段都需要有效避免空氣污染才能得到合格的焊接熔敷金屬，課題組通過前期大 量的工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過不同粒度的上述藥芯組分可以明顯改善焊絲的自保護(hù)效果。這是 不同粒度的粉末具有不同的氧化活性。通過成分粒度控制化學(xué)冶金反應(yīng)活性的新思路，在 藥芯中添加極細(xì)的200目硼鐵、鋁鎂合金及硅錳合金，利用其在焊接升溫階段進(jìn)行有效的先 期脫氧，同時(shí)在藥芯中添加較粗的60目硼鐵、鋁鎂合金及硅錳合金，使之保留在熔滴高溫階 段及熔池階段，也能夠進(jìn)行有效的脫氧造氣，從而保證在整個(gè)焊絲受熱、熔化、形成熔滴、熔 滴過渡、形成熔池并開始凝固的焊接冶金全程均具備良好的自保護(hù)效果，從而實(shí)現(xiàn)了本焊 絲在沒有添加任何礦物粉造渣劑的情況下，仍然能夠具備良好的焊接工藝性能及焊接金屬 表面成形。同時(shí)，多粒度脫氧劑的添加，保證在較小脫氧劑的添加條件下，取得良好自保護(hù) 效果，為藥芯配方中高碳錳鐵、鎢粉、電解錳粉、石墨等的足量添加創(chuàng)造了空間條件。
[0026]有益效果:本發(fā)明通過在藥芯中添加了足量的鎢、碳并配以恰當(dāng)?shù)钠渌幮竞辖?粉末，在堆焊合金組織中形成先析WC碳化物和W6C及部分馬氏體組成的共晶，該組織導(dǎo)致了 堆焊合金優(yōu)異的耐磨性能。此外，還通過成分粒度控制化學(xué)冶金反應(yīng)活性的新思路，在藥芯 中分別組合添加極細(xì)的200目和較粗的60目石墨、鋁鎂合金及硅錳合金，有效保證在整個(gè)焊 絲受熱、熔化、形成熔滴、熔滴過渡、形成熔池并開始凝固的焊接冶金全程均具備良好的自 保護(hù)效果，從而實(shí)現(xiàn)了本焊絲在沒有添加任何礦物粉造渣劑的情況下，仍然能夠具備良好 的焊接工藝性能及焊道表面成形。本發(fā)明的藥芯焊絲焊接工藝性能好，合金均勻化程度高， 堆焊層表面硬度均勻，平均硬度在58~64HRC范圍，耐磨性為Q235的23倍左右。
【具體實(shí)施方式】
[0027]根據(jù)下述實(shí)施例，可以更好地理解本發(fā)明。然而，實(shí)施例所描述的具體的藥芯組分 配比、工藝條件及其結(jié)果僅用于說明本發(fā)明，而不應(yīng)當(dāng)也不會(huì)限制權(quán)利要求書中所詳細(xì)描 述的本發(fā)明。其中，下列各實(shí)施例中所使用的高碳錳鐵含碳量為7.8~8.2wt%，含錳量為70 ~82wt%，其余為鐵;所述的硼鐵含硼量為19~25wt%，其余為鐵;所述的鋁鎂合金含鋁量 為47~53wt %，其余為鎂;所述的硅錳合金含硅量為47~53wt %，其余為錳。
[0028] 實(shí)施例1
[0029] 一種原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯， 藥芯填充于鋼帶中，藥芯成分按以下質(zhì)量進(jìn)行配制:包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶 中，藥芯成分按以下質(zhì)量進(jìn)行配制：包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中，藥芯成分按 以下質(zhì)量進(jìn)行配制：12g的80目高碳錳鐵，52g的80目鎢粉，6g的80目電解錳粉，Sg的60目石 墨，2g的硼鐵，3g的鋁鎂合金，2g的硅錳合金，15g的80目鐵粉，其中，硼鐵、鋁鎂合金及硅錳 合金均以60目和200目兩種粒度添加，且所添加的每一種粉末中60目和200目的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均 各占50%。將所取各種粉末置入混粉機(jī)內(nèi)，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U(xiǎn)形的21 X 0.5mm的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為52%。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接著使其分 別通過直徑為4 · 2mm、3 · 8mm、3 · 5mm、3 · 2mm、2 · 8mm的拉絲模中的一種或多種，逐道拉拔、減 徑，最后獲得直徑為2.8~4.2mm的產(chǎn)品。焊接電流為280~420A，焊接電壓為30~42V，焊接 速度為〇.4m/min，層間溫度控制在150~250°C，堆焊3層。堆焊層成形、硬度及耐磨性見表1。 [0030] 實(shí)施例2
[0031] 一種原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯， 藥芯填充于鋼帶中，藥芯成分按以下質(zhì)量進(jìn)行配制:包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶 中，藥芯成分按以下質(zhì)量進(jìn)行配制：包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中，藥芯成分按 以下質(zhì)量進(jìn)行配制:6g的80目高碳錳鐵，60g的80目鎢粉，IOg的80目電解錳粉，12g的60目石 墨，Ig的硼鐵，Ig的鋁鎂合金，3g的硅錳合金，7g的80目鐵粉，其中，硼鐵、錯(cuò)鎂合金及硅錳合 金均以60目和200目兩種粒度添加，且所添加的每一種粉末中60目和200目的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均各 占50%。將所取各種粉末置入混粉機(jī)內(nèi)，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U(xiǎn)形的21 X0.5mm 的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為50%。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接著使其分別通過 直徑為4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉絲模中的一種或多種，逐道拉拔、減徑，最后 獲得直徑為2.8~4.2mm的產(chǎn)品。焊接電流為280~420A，焊接電壓為30~42V，焊接速度為 0.4m/min，層間溫度控制在150~250°C，堆焊3層。堆焊層成形、硬度及耐磨性見表1。
[0032] 實(shí)施例3
[0033] 一種原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯， 藥芯填充于鋼帶中，藥芯成分按以下質(zhì)量進(jìn)行配制:包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶 中，藥芯成分按以下質(zhì)量進(jìn)行配制：包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中，藥芯成分按 以下質(zhì)量進(jìn)行配制：8g的80目高碳錳鐵，56g的80目鎢粉，Sg的80目電解錳粉，IOg的60目石 墨，2g的硼鐵，2g的鋁鎂合金，Ig的硅錳合金，13g的80目鐵粉，其中，硼鐵、鋁鎂合金及硅錳 合金均以60目和200目兩種粒度添加，且所添加的每一種粉末中60目和200目的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均 各占50%。將所取各種粉末置入混粉機(jī)內(nèi)，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U(xiǎn)形的21 X 0.5mm的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為53%。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接著使其分 別通過直徑為4 · 2mm、3 · 8mm、3 · 5mm、3 · 2mm、2 · 8mm的拉絲模中的一種或多種，逐道拉拔、減 徑，最后獲得直徑為2.8~4.2mm的產(chǎn)品。焊接電流為280~420A，焊接電壓為30~42V，焊接 速度為〇.4m/min，層間溫度控制在150~250°C，堆焊3層。堆焊層成形、硬度及耐磨性見表1。
[0034] 實(shí)施例4
[0035] 一種原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯， 藥芯填充于鋼帶中，藥芯成分按以下質(zhì)量進(jìn)行配制:包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶 中，藥芯成分按以下質(zhì)量進(jìn)行配制：包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中，藥芯成分按 以下質(zhì)量進(jìn)行配制：IOg的80目高碳錳鐵，50g的80目鎢粉，12g的80目電解錳粉，IOg的60目 石墨，3g的硼鐵，2g的鋁鎂合金，2g的硅錳合金，Ilg的80目鐵粉，其中，硼鐵、鋁鎂合金及硅 錳合金均以60目和200目兩種粒度添加，且所添加的每一種粉末中60目和200目的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 均各占50%。將所取各種粉末置入混粉機(jī)內(nèi)，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U(xiǎn)形的21 X 0.5mm的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為55%。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接著使其分 別通過直徑為4 · 2mm、3 · 8mm、3 · 5mm、3 · 2mm、2 · 8mm的拉絲模中的一種或多種，逐道拉拔、減 徑，最后獲得直徑為2.8~4.2mm的產(chǎn)品。焊接電流為280~420A，焊接電壓為30~42V，焊接 速度為〇.4m/min，層間溫度控制在150~250°C，堆焊3層。堆焊層成形、硬度及耐磨性見表1。 [0036]表1所打硬度采用HR-150A洛氏硬度計(jì)，荷載150Kg，對每一個(gè)測試樣取5點(diǎn)硬度，計(jì) 算平均硬度值。
[0037]磨損實(shí)驗(yàn)采用MLS-225型濕式橡膠輪磨損試驗(yàn)機(jī)。
[0038]將每個(gè)實(shí)施例的堆焊層切五個(gè)尺寸為57 X 25 X 6mm磨損試樣。磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下： 橡膠輪直徑：178mm，橡膠輪轉(zhuǎn)速:240轉(zhuǎn)/分，橡膠輪硬度:70 (邵爾硬度），載荷：IOKg，橡膠輪 轉(zhuǎn)數(shù):預(yù)磨1000轉(zhuǎn)，正式試驗(yàn)轉(zhuǎn)1000轉(zhuǎn)，磨料:40~70目的石英砂。堆焊金屬的耐磨性能以正 式磨損的失重量來衡量。在每次實(shí)驗(yàn)前、后將試樣置入盛有丙酮溶液的燒杯中，在超聲波清 洗儀中清洗3~5分鐘，待干后稱重記錄。實(shí)驗(yàn)用Q235鋼作為對比樣，對比件失重量與測量件 失重量之比作為堆焊樣的相對耐磨性ε。
[0039]表1各實(shí)施例堆焊金屬硬度與耐磨性
[0041]本發(fā)明通過在藥芯中添加了足量的鎢、碳并配以恰當(dāng)?shù)钠渌幮竞辖鸱勰?，在?焊合金組織中形成先析WC碳化物和W6C及部分馬氏體組成的共晶，該組織導(dǎo)致了堆焊合金 優(yōu)異的耐磨性能。此外，還通過成分粒度控制化學(xué)冶金反應(yīng)活性的新思路，在藥芯中分別組 合添加極細(xì)的200目和較粗的60目石墨、鋁鎂合金及硅錳合金，有效保證在整個(gè)焊絲受熱、 熔化、形成熔滴、熔滴過渡、形成熔池并開始凝固的焊接冶金全程均具備良好的自保護(hù)效 果，從而實(shí)現(xiàn)了本焊絲在沒有添加任何礦物粉造渣劑的情況下，仍然能夠具備良好的焊接 工藝性能及焊道表面成形。本發(fā)明的藥芯焊絲焊接工藝性能好，合金均勻化程度高，堆焊層 表面硬度均勻，平均硬度在58~64HRC范圍，耐磨性為Q235的23倍左右。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥 芯填充于鋼帶中，其特征在于，所述的藥芯成分質(zhì)量百分含量范圍如下:6~12%的高碳錳 鐵，50~60%的鎢粉，6~12%的電解錳粉，8~12%的石墨，1~3%的硼鐵，1~3%的鋁鎂合 金，1~3 %的硅錳合金，余量為鐵粉，其中，硼鐵、鋁鎂合金及硅錳合金均以60目和200目兩 種粒度添加，藥芯粉末占焊絲總重的50-55 %。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，其特征 在于，在其堆焊合金組織中形成先析WC碳化物和W 6C及部分馬氏體組成的共晶，堆焊層硬度 高達(dá)62~66HRC。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，其特征 在于，所述的高碳錳鐵含碳量為7.8~8.2wt %，含錳量為70~82wt %，其余為鐵;所述的硼 鐵含硼量為19~25wt%，其余為鐵;所述的鋁鎂合金含鋁量為47~53wt%，其余為鎂;所述 的硅錳合金含硅量為47~53wt %，其余為錳。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，其 特征在于不同粒度的硼鐵:60目的硼鐵和200目的硼鐵，以質(zhì)量比1:1組合的方式加入。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，其 特征在于不同粒徑的鋁鎂合金:60目的鋁鎂合金和200目的鋁鎂合金，以質(zhì)量比1:1組合的 方式加入。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，其 特征在于不同粒徑的硅錳合金:60目的硅錳合金和200目的硅錳合金，以質(zhì)量比1:1組合的 方式加入。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，其 特征在于，所述藥芯中的高碳錳鐵、鎢粉、電解錳粉、石墨及鐵粉組分的粒徑均等于80目。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，其 特征在于，所述低碳鋼帶厚度X寬度為0.5 X 21mm。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲，其 特征在于，所述焊絲的直徑為2.8mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm和4.2mm中的任意一種。10. 權(quán)利要求1所述的含有原位合成WC及W6C型碳化物增強(qiáng)自保護(hù)堆焊藥芯焊絲的制備 方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 利用成型乳輥將低碳鋼鋼帶乳成U形，然后通過送粉裝置將藥芯粉末按焊絲總重的 50-55 %加入到U形槽中； (2) 將U形槽合口，使藥芯包裹其中，通過拉絲模，逐道拉拔、減徑，最后使其直徑達(dá)到 2.8~4.2mm，得到最終產(chǎn)品。
【文檔編號】B23K35/40GK106041358SQ201610609693
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月28日
【發(fā)明人】劉大雙, 吳銘方, 祁凱
【申請人】江蘇科技大學(xué)