一种熔敷金属晶粒细化、组织均匀的药芯焊丝的制备方法

摘要

本发明提供一种熔敷金属晶粒细化、组织均匀的药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：(1)对组成药芯焊丝的合金原料进行分类，控制熔点高于1800℃的合金原料的粒度大于熔点低于1800℃的合金原料的粒度；(2)按比例称取合金原料并混合均匀；(3)将混合均匀的合金原料装入钢带中，制成堆焊用药芯焊丝。优选地，熔点高于1800℃的合金原料的粒度为120～200目，熔点低于1800℃的合金原料的粒度为60～120目。本发明通过改变药芯焊丝中合金原料的粒度分布，制成的药芯焊丝能有效的降低焊缝金属的晶粒大小，有利于进一步改善焊缝金属的组织均匀性，从而有利于焊缝金属力学性能的提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种药芯焊丝的制备方法，采用该方法制备的药芯焊丝进行堆焊时 能够促使晶粒细化及组织更加均匀，属于焊接技术领域。

背景技术

焊接在现代制造业和工程建设中发挥了重要的作用，随着焊接生产的发展，由 于药芯焊丝具有易渗、电流密度集中、熔深大、熔敷效率高、易制造、综合成本低 等优点成为一种极有发展前途的焊接材料及高技术产品，在焊接材料中所占的比例 越来越大。

药芯焊丝的药芯成分可方便、任意地调节，表现出其对金属材料极强的适应性， 能够设计各种熔敷金属成分，尤其对于某些高碳、高合金的硬面堆焊焊接材料，更 有其利用价值，因此硬面堆焊领域就成了药芯焊丝的一个主要拓展空间。药芯焊丝 通过改变芯部药粉的种类、比例，可以很容易地改变堆焊层的性能，作为一种连续 填充的材料，使堆焊生产效率大大提高。

在采用药芯焊丝进行焊接时，在母材上由熔化的焊丝金属和局部熔化的母材组 成只有一定几何形状的液态金属叫做熔池。熔池在凝固过程中，易形成晶粒粗大的 非平衡铸态树枝晶，导致焊接接头性能恶化。晶粒细化是焊接金属最主要的强化方 式之一，也是改善熔敷金属韧性的重要途径，同时晶粒细化也有利于改善焊缝金属 的抗热裂纹性能。目前，为了使焊缝金属晶粒进一步细化，在熔池凝固过程中一般 采用外加激励、变质处理及热处理等方法，例如采用微合金化促使异相形核，提高 过冷度，物理干扰技术如电磁搅拌及脉冲电流等。

在焊接材料的设计中，合金元素对力学性能的影响不仅取决碳与合金元素形成 碳化物的类型、尺寸、形状、数量以及分布状态，而且取决于晶粒的大小及合金元 素的分布均匀度。焊缝中为获取碳，在药芯焊丝中往往加入一定量的碳化物，从而 满足焊缝熔敷金属的硬度及力学性能，但是此时的焊缝中晶粒比较粗大且组织分布 不均匀，这是困扰焊接界的一个重要问题。

传统药芯焊丝的制备一般将各种合金粒度控制在一定目数范围内，最常见的为 60～120目，制成药芯焊丝。

发明内容

本发明的目的在于提供一种熔敷金属晶粒细化、组织均匀的药芯焊丝的制备方 法，该方法制备的药芯焊丝用于堆焊时，焊缝金属晶粒细化效果更明显，组织均匀 性更好。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种熔敷金属晶粒细化、组织均匀的药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：

(1)对组成药芯焊丝的合金原料进行分类，控制熔点高于1800℃的合金原料 的粒度大于熔点低于1800℃的合金原料的粒度；

(2)按比例称取合金原料并混合均匀；

(3)将混合均匀的合金原料装入钢带中，制成堆焊用药芯焊丝。

优选地，熔点高于1800℃的合金原料的粒度为120～200目，熔点低于1800℃ 的合金原料的粒度为60～120目。

所述合金原料与钢带的质量比为3∶7。

制成堆焊用药芯焊丝的直径为3.2mm。

本发明在保持焊缝金属合金成分不变的情况下，改变药芯焊丝中合金的颗粒大 小，达到焊缝金属晶粒细化的目的。药芯焊丝中熔点高的合金颗粒体积越小，在相 同重量下，合金颗粒数量多，在高温阶段不易完全熔化及扩散，易成为结晶核心； 合金颗粒数量越多，结晶核心越多，促使晶粒细化程度越高，同时焊缝中合金颗粒 分布越均匀，焊缝中合金成分与均匀，促使组织越均匀。

本发明的优点在于：

本发明通过改变药芯焊丝中合金原料的粒度分布，制成的药芯焊丝能有效的降 低焊缝金属的晶粒大小，有利于进一步改善焊缝金属的组织均匀性，从而有利于焊 缝金属力学性能的提高。

附图说明

图1为在金相显微镜下观察的试样的晶粒尺寸，其中图1a为11#试样的晶粒尺 寸图，图1b为22#试样的晶粒尺寸图。

图2为11#、33#试样的回火组织图，其中图2a为11#试样的回火组织图，图 2b为33#试样的回火组织图，金相组织均在Neophot 21显微镜上观察，腐蚀液：硝 酸水溶液。

具体实施方式

以碳化铬、铬粉、石墨、金属钼、碳化钒、金属锰、硅铁、金属镍、铁为原料， 其中碳化铬、铬粉、石墨、金属钼、碳化钒的熔点大于1800℃，金属锰、硅铁、金 属镍、铁的熔点小于1800℃。在熔敷金属保持合金含量不变的前提下，改变合金原 料的粒度，按照表1所示的堆焊熔敷金属的化学成分含量称取原料，并混合均匀； 将混匀后的原料装入钢带中，钢带可采用市场常见普钢0.6mm×14mm或其它类型钢 带，合金原料与钢带的质量比为3∶7，制成Φ3.2mm的堆焊药芯焊丝。

对比例

合金原料中碳化铬、铬粉、石墨、金属钼、碳化钒、金属锰、硅铁、金属镍、 铁的粒度均控制在60～120目，制成Φ3.2mm的堆焊药芯焊丝。

实施例1

将合金原料中一半含量的碳化铬、铬粉、石墨、金属钼和碳化钒的粒度控制在 120～200目，另一半含量的粒度控制在60～120目之间；而金属锰、硅铁、金属镍、 铁的粒度控制在60～120目，制成Φ3.2mm的堆焊药芯焊丝。

实施例2

将合金原料中碳化铬、铬粉、石墨、金属钼、碳化钒的粒度控制在120～200 目，而金属锰、硅铁、金属镍、铁的粒度控制在60～120目，制成Φ3.2mm的堆焊 药芯焊丝。

表1堆焊熔敷金属的化学成分(wt％)

  C   Cr   V   Mn   Mo   Ni   Si   Fe  设计   0.32   4.50   0.50   1.25   2.45   2.86   0.44   余量  对比例   0.32   4.51   0.50   1.26   2.42   2.88   0.42   余量  实施例1   0.32   4.48   0.47   1.26   2.43   2.80   0.44   余量  实施例2   0.32   4.58   0.49   1.22   2.46   2.82   0.46   余量

将对比例及实施例1-2制得的药芯焊丝，采用MZ-1-1000焊机在普通碳钢 (Q235)钢板上堆焊来制备试样，堆焊材料选用研制药芯焊丝+烧结焊剂ZY-SF60 (埋弧堆焊)；试板堆焊工艺参数详见表2。

表2堆焊工艺参数(直流反接)

在250mm×150mm×25mm的试板上进行多道多层堆焊，堆焊宽度为70mm，厚 度为22mm的堆焊试样。试板堆焊缓冷后，再经焊后热处理。在试板上堆焊金属表 面制取样时，取样深度不得低于第3层堆焊金属。取盖面进行金相组织观察晶粒大 小并比较组织的均匀性能，试样编号分别为11#、22#、33#。

取盖面进行金相组织观察，晶粒大小如图1所示，在金相显微镜下多处观察11# 试样的晶粒尺寸要大于22#试样的晶粒尺寸，22#试样的晶粒尺寸要大于33#试样的 晶粒尺寸，可以看出，提高熔点高的合金粒度，有利于堆焊熔敷金属晶粒的细化。

通过比较堆焊药芯焊丝的回火组织来比较组织的均匀性。如图2所示，为11# 试样和33#试样的回火组织，图中黑色马氏体上分布着数量众多的条状的残余奥氏 体，11#试样残余奥氏体比33#试样稍多。

对马氏体和残余奥氏体进行显微硬度分析，硬度差如表3所示，焊态时11#试 样中白色残余奥氏体组织的硬度与黑色马氏体硬度的差值要远远高于33#试样，说 明33#试样的回火组织更加均匀，组织均匀性更好。

表3焊态微观组织硬度变化

  HV_残奥(均值±标准差)   HV_马(均值±标准差)  ΔHV＝HV_残奥-HV_马  11#试样   407±32.2HV_0.02  335±23.2HV_0.02 72   33#试样   330±42.5HV_0.02  312±27.2HV_0.02 12

综上所述，本发明通过改变药芯焊丝中合金原料的粒度分布，制成的药芯焊丝 能有效的降低焊缝金属的晶粒大小，有利于进一步改善焊缝金属的组织均匀性，从 而有利于焊缝金属力学性能的提高。