專利名稱：鑄鋼齒輪斷齒修復(fù)堆焊用特種焊條的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料科學(xué)與工程領(lǐng)域，特別是涉及一種鑄鋼齒輪斷齒修復(fù)堆焊用焊
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背景技術(shù)：
齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)比恒定、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，齒輪被廣泛的應(yīng)用到機(jī)械傳 動(dòng)中。對于一些直徑較大、形狀復(fù)雜的大齒輪毛坯，當(dāng)用鍛造方法難于成型時(shí)，可采用鑄鋼 制作，其強(qiáng)度比鍛鋼齒輪低10%左右。鑄造齒輪的精度較低，常用于礦山機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械。 近十幾年來，隨著鑄造技術(shù)的發(fā)展，鑄造精度有了很大的提高，某些鑄造齒輪已經(jīng)可以直接 用于具有一定傳動(dòng)精度要求的機(jī)械中。為了提高鑄鋼齒輪的精度，應(yīng)增加機(jī)械加工工序，在 機(jī)械加工前應(yīng)進(jìn)行正火，消除鑄造應(yīng)力和硬度不均，改善切削加工性能；機(jī)械加工后，一般 進(jìn)行表面淬火，提高硬度、耐磨性及抗疲勞強(qiáng)度。而對于性能要求不高、轉(zhuǎn)速較低的鑄鋼齒 輪通常不需淬火。常用的鑄鋼有ZG270-500、ZG310-570等。其工藝路線一般為鑄造-正 火_機(jī)械粗加工、半精加工_表面淬火+低溫回火_機(jī)械精加工。鑄鋼齒輪傳動(dòng)常見的失效形式是齒輪輪齒斷裂(斷齒)和齒面磨損。而斷齒一般 為突發(fā)事件，在沒有備用齒輪的情況下，斷齒會嚴(yán)重的影響正常的生產(chǎn)，給企業(yè)帶來巨大的 經(jīng)濟(jì)損失。實(shí)際使用中最常見的斷齒有過載斷齒和疲勞斷齒兩種形式。過載斷齒是當(dāng)實(shí)際載荷大大超過設(shè)計(jì)載荷，或因輪齒接觸不良造成載荷嚴(yán)重集 中，使得輪齒的應(yīng)力超過其極限應(yīng)力，在短期內(nèi)產(chǎn)生輪齒整個(gè)或局部斷裂的現(xiàn)象。疲勞斷齒是輪齒在長期受到過高的交變應(yīng)力重復(fù)作用下，在輪齒的根部彎曲應(yīng)力 較大且應(yīng)力相對集中的部位產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著作用次數(shù)增多，原始的疲勞裂紋不斷擴(kuò)展， 當(dāng)齒根剩余截面上的應(yīng)力超過其極限應(yīng)力時(shí)，輪齒就會因過載造成斷齒。此外，較為常見的還有隨機(jī)斷齒。隨機(jī)斷齒是指意外情況引起的斷齒，如異物進(jìn) 入、潤滑不良、材料缺陷、磨刮裂紋、熱處理殘余應(yīng)力過高等原因引起的輪齒折斷現(xiàn)象。鑄鋼齒輪價(jià)格便宜，因此，其用量較大。但是對鑄鋼齒輪而言，其制造過程復(fù)雜，特 別是突發(fā)斷齒時(shí)，在沒有備用齒輪的情況下，會嚴(yán)重的影響正常的生產(chǎn)，給企業(yè)帶來巨大的 經(jīng)濟(jì)損失。采用堆焊技術(shù)可以對鑄鋼齒輪斷齒進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)其形狀和尺寸，并能獲得更好 的力學(xué)性能，既符合“綠色制造”的要求，又可以直接為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。然而，對于尺寸較大的鑄鋼齒輪，如果采用普通的堆焊焊條，必須在焊前對齒輪預(yù) 熱至450°C左右，而且焊后必須進(jìn)行熱處理，否則會焊裂。同時(shí)，也很難制造出尺寸較大的熱 處理加熱爐，即使能夠制造出如此大的加熱爐，由于浪費(fèi)大量的能源，也會給企業(yè)造成巨大 的經(jīng)濟(jì)效益。

發(fā)明內(nèi)容
為了能夠?qū)崿F(xiàn)對鑄鋼齒輪斷齒進(jìn)行堆焊修復(fù)，發(fā)明了一種用堆焊用焊條。該焊條 的特點(diǎn)是焊前不用對鑄鐵齒輪進(jìn)行預(yù)熱，焊后不用進(jìn)行熱處理，現(xiàn)場使用非常方便，硬度范圍為HB160-260，堆焊后宜于加工。這種用于大型鑄鋼齒輪斷齒修復(fù)堆焊用焊條其特征在于大理石45-55，白土子 4-7，螢石20-30，石英1-3，金紅石2-4，鈦鐵6_10，高碳錳鐵3_5，硅鐵1_2，氧化釔2_4，金屬 鎳1-3。焊芯為H08A鋼焊絲。采用的粘結(jié)劑水玻璃的模數(shù)為2. 7-3.0，濃度(波美度)為 48-50。對于硅鐵和高碳錳鐵使用前需要進(jìn)行鈍化處理，鈍化工藝硅鐵粉末為720-750°C，高 碳錳鐵粉末為300-350°C，以上金屬粉末均保溫1小時(shí)。這種堆焊焊條設(shè)計(jì)的原則是根據(jù)大型鑄鋼齒輪的工作條件，在保證堆焊后齒輪不 開裂的條件下，齒輪的齒面在其工作時(shí)要具有一定的硬度、耐磨性，同時(shí)還應(yīng)該具有一定的 可加工性。本課題組前期研制大型鑄鋼齒輪堆焊焊條的研究結(jié)果表明，從提高堆焊金屬的 抗開裂性能角度考慮，堆焊金屬和熱影響區(qū)組織均為粗大的鐵素體或鐵素體+珠光體組 織，同時(shí)，在堆焊金屬和熱影響區(qū)存在較大的殘余拉應(yīng)力，從而增加了大型鑄鋼齒輪堆焊后 的開裂傾向。添加鎳可以提高奧氏體穩(wěn)定性，增加殘余奧氏體量，利用奧氏體良好的塑性可 以松弛堆焊金屬和熱影響區(qū)的殘余拉應(yīng)力，但由于鑄鋼含碳量較低，其塑、韌性較好，其開 裂傾向不是十分嚴(yán)重，所以加入少量的鎳就可以保證焊后不開裂，還可以降低成本；添加稀 土氧化物可以脫氧、脫硫，凈化堆焊熔池，而且細(xì)化結(jié)晶晶粒，變質(zhì)夾雜物，也可以提高堆焊 金屬的抗開裂性能，特別是氧化釔比其它稀土氧化物效果更好。所以，新型鑄鋼堆焊焊條的 設(shè)計(jì)原則為1)、加入少量的金屬鎳粉，以改善堆焊組織，改善殘余應(yīng)力分布狀態(tài)；2)、加入 適量稀土氧化物，以細(xì)化焊后結(jié)晶組織，變質(zhì)夾雜物，從而提高堆焊金屬的抗開裂性能；3)、 加入適量的鈦鐵、錳鐵和硅鐵，進(jìn)行脫氧，并起到合金化作用；4)、加入金紅石、大理石、瑩 石、白土子等起到造渣、脫氣作用。通過成分調(diào)整和優(yōu)化，使堆焊金屬的硬度在HRC160-260 左右，保證了堆焊后的大型鑄鋼齒輪具有一定的可加工性。與本課題組研制的堆焊熱軋輥、熱剪刃和冷剪刃焊條(已申報(bào)專利)相比較，鑄 鋼齒輪硬度較低，所以焊條藥皮中不用加入石墨(碳)、高碳鉻鐵(鉻)、鎢鐵(鎢)、鉬鐵 (鉬)等，而鑄鋼堆焊后具有一定的開裂傾向，所以，本發(fā)明中加入了少量的鎳(l_3wt%)， 就可以保證焊后不開裂。與本課題組研制的堆焊大型齒輪焊條(已申報(bào)專利)相比較，大 型齒輪硬度略高(HRC21-30)，所以在其焊條藥皮中加入少量的高碳鉻鐵(鉻)，而鑄鋼堆焊 后要求其力學(xué)性能指標(biāo)不是很高，硬度也較低，所以在堆焊鑄鋼的焊條藥皮中加入的金屬 鎳(l-3wt% )比堆焊大型齒輪焊條的金屬鎳(3-5wt% )也少，而鎳的價(jià)格昂貴，這樣在保 證不開裂的條件下，降低了成本；同時(shí)，加入變質(zhì)效果更好的氧化釔，而不是鈰混合氧化物。 至于加入適量的鈦鐵、錳鐵、硅鐵、金紅石、大理石、瑩石、白土子等作用在本課題組研制的 系列堆焊焊條配方中相同，所以這些原料的加入量在各種堆焊焊條中相近。
具體實(shí)施例方式下面公開是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例，要求大理石47. 2，白土子4. 5，螢石24. 7，石英 1. 7，金紅石2. 8，鈦鐵8. 8，高碳錳鐵3. 3，硅鐵1. 6，氧化釔3. 3，金屬鎳2. 1。焊芯采用H08A 鋼焊絲。采用的粘結(jié)劑水玻璃的模數(shù)為2. 7-3.0，濃度(波美度)為48-50。對于硅鐵和高 碳錳鐵使用前需要進(jìn)行鈍化處理，鈍化工藝硅鐵粉末為730°C，高碳錳鐵粉末為320°C，以 上金屬粉末均保溫1小時(shí)。將上述配方中的相關(guān)粉末采用混料機(jī)進(jìn)行混合，然后加入水玻 璃攪拌均勻，用焊條涂敷機(jī)擠壓出焊條，在250-300°C對焊條進(jìn)行烘干，然后進(jìn)行磨頭磨尾。
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采用上述制造的堆焊焊條對華北油田使用的ZG270-500大型鑄鋼齒輪斷齒進(jìn)行 堆焊修復(fù)，焊前對焊條在200-300°C烘干1小時(shí)，去除藥皮中的結(jié)晶水，使用直流焊機(jī)，進(jìn)行 反接，焊接電流為150-200A，焊接電壓為70-80V。經(jīng)焊前不用對鑄鐵齒輪進(jìn)行預(yù)熱、焊后 不用進(jìn)行熱處理，通過堆焊修復(fù)的鑄鐵齒輪齒面的硬度為HB200-230，經(jīng)加工后可以代替經(jīng) 整體鑄造生產(chǎn)的鑄鋼齒輪，不僅減少了制造工序，節(jié)省了原料和能源，同時(shí)也提高了使用壽 命。采用本發(fā)明的堆焊焊條對鑄鋼齒輪斷齒進(jìn)行堆焊修復(fù)，減少了能源消耗，避免了 制造過程對環(huán)境的污染；通過免預(yù)熱、免熱處理堆焊使報(bào)廢的鑄鋼齒輪恢復(fù)了原來的形狀 和尺寸，并且提高了其使用壽命，對解決我國礦山機(jī)械、石油機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等行業(yè)所普遍 存在的鑄鋼齒輪斷齒堆焊修復(fù)這一難題具有重要的工程意義。
權(quán)利要求
一種用于鑄鋼齒輪斷齒修復(fù)堆焊用焊條，其化學(xué)成分為(wt％)大理石45 55，白土子4 7，螢石20 30，石英1 3，金紅石2 4，鈦鐵6 10，高碳錳鐵3 5，硅鐵1 2，氧化釔2 4，金屬鎳1 3。焊芯為H08A鋼焊絲。采用的粘結(jié)劑水玻璃的模數(shù)為2.7 3.0，濃度(波美度)為48 50。
2.加入的稀土氧化物為氧化釔。
全文摘要
本發(fā)明屬于材料科學(xué)與工程領(lǐng)域，本發(fā)明涉及一種用于鑄鋼齒輪斷齒修復(fù)堆焊用焊條，其化學(xué)成分為(wt％)大理石45-55，白土子4-7，螢石20-30，石英1-3，金紅石2-4，鈦鐵6-10，高碳錳鐵3-5，硅鐵1-2，氧化釔2-4，金屬鎳1-3。焊芯為H08A鋼焊絲。采用的粘結(jié)劑水玻璃的模數(shù)為2.7-3.0，濃度(波美度)為48-50。采用本堆焊焊條可以不用焊前預(yù)熱、焊后熱處理對鑄鋼齒輪斷齒進(jìn)行堆焊修復(fù)，堆焊金屬具有較高的抗開裂性能；堆焊金屬具有一定的硬度(HB160-260)和耐磨性；同時(shí)，具有一定的可加工性。
文檔編號B23K35/365GK101920414SQ201010236859
公開日2010年12月22日 申請日期2010年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者劉文昌, 楊慶祥, 苑輝 申請人:燕山大學(xué)