一种原位合成WC及W6C型碳化物增强自保护堆焊药芯焊丝及其制备方法

摘要

本发明公开一种原位合成WC及W6C型碳化物增强自保护堆焊药芯焊丝，以低碳钢带为外皮，药芯成分按质量百分比为：6～12％的高碳锰铁，50～60％的钨粉，6～12％的电解锰粉，8～12％的石墨，1～3％的硼铁，1～3％的铝镁合金，1～3％的硅锰合金，余量为铁粉，其中，硼铁、铝镁合金及硅锰合金均以60目和200目两种粒度添加，药芯粉末占焊丝总重的50‑55％。本发明提供的焊丝，通过添加不同粒度的药芯组分，保证了良好的焊接工艺性能，并通过与其他合金粉末的恰当配比，使之在堆焊合金组织中形成先析WC碳化物和W6C及部分马氏体组成的共晶，堆焊层硬度高达62～66HRC，耐磨性好，且焊接工艺性能优良，熔敷效率高，多层焊无需清渣。

说明书

技术领域

本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体地涉及一种原位合成WC及W₆C型碳化物增强自保护堆焊药芯焊丝及其制备方法。

背景技术

堆焊作为一种绿色制造工艺，广泛应用于各类耐磨部件的修复或再制造。其中以碳化钨为主要硬质相的碳化钨堆焊合金抗磨粒磨损性能优越，在严苛磨粒磨损工况条件下的耐磨部件修复或再制造上获得广泛使用。传统碳化钨堆焊合金的制造，一般是依靠管状焊丝采用高频加热和气焊进行，而采用电弧堆焊，会使添加在药芯中的碳化钨颗粒烧损严重，对耐磨性造成不良影响。因此，开发一种能够有效避免碳化钨烧蚀的耐磨堆焊药芯焊丝，具有重要的工程应用价值。

发明内容

发明目的：为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种原位合成WC及W₆C型碳化物增强自保护堆焊药芯焊丝及其制备方法。

技术内容：为实现上述技术目的，本发明提出一种原位合成WC及W₆C型碳化物增强自保护堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，所述的药芯成分质量百分含量范围如下：6～12％的高碳锰铁，50～60％的钨粉，6～12％的电解锰粉，8～12％的石墨，1～3％的硼铁，1～3％的铝镁合金，1～3％的硅锰合金，余量为铁粉，其中，硼铁、铝镁合金及硅锰合金均以60目和200目两种粒度添加，药芯粉末占焊丝总重的50-55％。

优选地，所述的原位合成WC及W₆C型碳化物增强自保护堆焊药芯焊丝，在其堆焊合金组织中形成先析WC碳化物和W₆C及部分马氏体组成的共晶，堆焊层硬度高达62～66HRC。

优选地，所述的高碳锰铁含碳量为7.8～8.2wt％，含锰量为70～82wt％，其余为铁；所述的硼铁含硼量为19～25wt％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。

优选地，所述药芯中不同粒度的硼铁：60目的石墨和200目的石墨，并以质量比1:1组合的方式加入。

优选地，所述药芯中不同粒径的铝镁合金：60目的铝镁合金和200目的铝镁合金，并以质量比1:1组合的方式加入。

优选地，所述药芯中不同粒径的硅锰合金：60目的硅锰合金和200目的硅锰合金，并以质量比1:1组合的方式加入。

优选地，所述药芯中，所述药芯中的高碳锰铁、钨粉、电解锰粉、石墨及铁粉组分的粒径均等于80目。

优选地，所述药芯中，所述低碳钢带厚度×宽度为0.5×21mm。

优选地，所述药芯中，所述焊丝的直径为2.8mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm和4.2mm中的任意一种。

上述原位合成WC及W₆C型碳化物增强自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：

(1)利用成型轧辊将低碳钢钢带轧成U形，然后通过送粉装置将药芯粉末按焊丝总重的50-55％加入到U形槽中；

(2)将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.8～4.2mm，得到最终产品。

在上述药芯中各组分主要作用如下：

高碳锰铁：向堆焊金属中过渡合金元素锰，并提供C元素。

钨粉：向堆焊合金中过渡合金元素W，成为形成WC及W₆C硬质相的必要元素。

石墨：提供C元素，以与熔池中的W发生化学反应形成WC及W₆C硬质相。

硼铁：脱氧，改善熔池流动性。

铝镁合金：脱氧，固氮，增强自保护效果。

硅锰合金：脱氧，增强自保护效果；过渡合金元素Mn及元素Si。

由上述技术方案和药芯中各组分的作用简述可以明了，本发明由于在药芯中添加了足量的W和C并配合其他药芯组分，它们在焊接冶金熔体中发生反应，梯次析出WC及W₆C型复合硬质相，原位合成的碳化钨硬质相有效避免了外加碳化钨颗粒的烧蚀难题，并使得耐磨骨架的结构紧密且充分，堆焊合金耐磨性优异，达到了本发明的目的。

在上述技术方案中，所述堆焊合金中原位合成WC及W₆C型碳化物是依靠在无渣自保护药芯焊丝中添加高钨、高碳并配以恰当的其他药芯粉末来实现的。在熔池凝固初期，首先析出WC型碳化物，随着剩余熔池中C的减少，某个时刻达到共晶点，开始发生共晶反应，析出鱼骨状W₆C及部分马氏体组成的共晶产物，构成成分多元、形态多样，梯次抗磨的理想组织。

药芯中硼铁、铝镁合金及硅锰合金的粒度均有两种：60目和200目，以粒度差异组合的方式添加。在整个焊接过程中，既有温度极高的熔滴阶段，又有温度稍低的熔池阶段，无论哪个阶段都需要有效避免空气污染才能得到合格的焊接熔敷金属，课题组通过前期大量的工艺试验发现，通过不同粒度的上述药芯组分可以明显改善焊丝的自保护效果。这是不同粒度的粉末具有不同的氧化活性。通过成分粒度控制化学冶金反应活性的新思路，在药芯中添加极细的200目硼铁、铝镁合金及硅锰合金，利用其在焊接升温阶段进行有效的先期脱氧，同时在药芯中添加较粗的60目硼铁、铝镁合金及硅锰合金，使之保留在熔滴高温阶段及熔池阶段，也能够进行有效的脱氧造气，从而保证在整个焊丝受热、熔化、形成熔滴、熔滴过渡、形成熔池并开始凝固的焊接冶金全程均具备良好的自保护效果，从而实现了本焊丝在没有添加任何矿物粉造渣剂的情况下，仍然能够具备良好的焊接工艺性能及焊接金属表面成形。同时，多粒度脱氧剂的添加，保证在较小脱氧剂的添加条件下，取得良好自保护效果，为药芯配方中高碳锰铁、钨粉、电解锰粉、石墨等的足量添加创造了空间条件。

有益效果：本发明通过在药芯中添加了足量的钨、碳并配以恰当的其他药芯合金粉末，在堆焊合金组织中形成先析WC碳化物和W₆C及部分马氏体组成的共晶，该组织导致了堆焊合金优异的耐磨性能。此外，还通过成分粒度控制化学冶金反应活性的新思路，在药芯中分别组合添加极细的200目和较粗的60目石墨、铝镁合金及硅锰合金，有效保证在整个焊丝受热、熔化、形成熔滴、熔滴过渡、形成熔池并开始凝固的焊接冶金全程均具备良好的自保护效果，从而实现了本焊丝在没有添加任何矿物粉造渣剂的情况下，仍然能够具备良好的焊接工艺性能及焊道表面成形。本发明的药芯焊丝焊接工艺性能好，合金均匀化程度高，堆焊层表面硬度均匀，平均硬度在58～64HRC范围，耐磨性为Q235的23倍左右。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，实施例所描述的具体的药芯组分配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。其中，下列各实施例中所使用的高碳锰铁含碳量为7.8～8.2wt％，含锰量为70～82wt％，其余为铁；所述的硼铁含硼量为19～25wt％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。

实施例1

一种原位合成WC及W6C型碳化物增强自保护堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：12g的80目高碳锰铁，52g的80目钨粉，6g的80目电解锰粉，8g的60目石墨，2g的硼铁，3g的铝镁合金，2g的硅锰合金，15g的80目铁粉，其中，硼铁、铝镁合金及硅锰合金均以60目和200目两种粒度添加，且所添加的每一种粉末中60目和200目的质量分数均各占50％。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为52％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。

实施例2

一种原位合成WC及W6C型碳化物增强自保护堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：6g的80目高碳锰铁，60g的80目钨粉，10g的80目电解锰粉，12g的60目石墨，1g的硼铁，1g的铝镁合金，3g的硅锰合金，7g的80目铁粉，其中，硼铁、铝镁合金及硅锰合金均以60目和200目两种粒度添加，且所添加的每一种粉末中60目和200目的质量分数均各占50％。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为50％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。

实施例3

一种原位合成WC及W6C型碳化物增强自保护堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：8g的80目高碳锰铁，56g的80目钨粉，8g的80目电解锰粉，10g的60目石墨，2g的硼铁，2g的铝镁合金，1g的硅锰合金，13g的80目铁粉，其中，硼铁、铝镁合金及硅锰合金均以60目和200目两种粒度添加，且所添加的每一种粉末中60目和200目的质量分数均各占50％。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为53％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。

实施例4

一种原位合成WC及W6C型碳化物增强自保护堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：10g的80目高碳锰铁，50g的80目钨粉，12g的80目电解锰粉，10g的60目石墨，3g的硼铁，2g的铝镁合金，2g的硅锰合金，11g的80目铁粉，其中，硼铁、铝镁合金及硅锰合金均以60目和200目两种粒度添加，且所添加的每一种粉末中60目和200目的质量分数均各占50％。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为55％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。

表1所打硬度采用HR-150A洛氏硬度计，荷载150Kg，对每一个测试样取5点硬度，计算平均硬度值。

磨损实验采用MLS-225型湿式橡胶轮磨损试验机。

将每个实施例的堆焊层切五个尺寸为57×25×6mm磨损试样。磨损实验参数如下：橡胶轮直径：178mm，橡胶轮转速：240转/分，橡胶轮硬度：70(邵尔硬度)，载荷：10Kg，橡胶轮转数：预磨1000转，正式试验转1000转，磨料：40～70目的石英砂。堆焊金属的耐磨性能以正式磨损的失重量来衡量。在每次实验前、后将试样置入盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3～5分钟，待干后称重记录。实验用Q235钢作为对比样，对比件失重量与测量件失重量之比作为堆焊样的相对耐磨性ε。

表1各实施例堆焊金属硬度与耐磨性

本发明通过在药芯中添加了足量的钨、碳并配以恰当的其他药芯合金粉末，在堆焊合金组织中形成先析WC碳化物和W₆C及部分马氏体组成的共晶，该组织导致了堆焊合金优异的耐磨性能。此外，还通过成分粒度控制化学冶金反应活性的新思路，在药芯中分别组合添加极细的200目和较粗的60目石墨、铝镁合金及硅锰合金，有效保证在整个焊丝受热、熔化、形成熔滴、熔滴过渡、形成熔池并开始凝固的焊接冶金全程均具备良好的自保护效果，从而实现了本焊丝在没有添加任何矿物粉造渣剂的情况下，仍然能够具备良好的焊接工艺性能及焊道表面成形。本发明的药芯焊丝焊接工艺性能好，合金均匀化程度高，堆焊层表面硬度均匀，平均硬度在58～64HRC范围，耐磨性为Q235的23倍左右。