專利名稱：軸齒類零部件免預(yù)熱免熱處理堆焊修復(fù)及再制造用特種藥芯焊絲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料科學(xué)與工程領(lǐng)域，特別是涉及一種用于軸齒類零部件免預(yù)熱免 熱處理堆焊修復(fù)及再制造用特種藥芯焊絲。
背景技術(shù)：
軸、齒類零部件是工業(yè)生產(chǎn)的常用部件，不僅其消耗量大，費用昂貴，而且其 材質(zhì)的好壞直接影響著機器、設(shè)備的生產(chǎn)效率。軸、齒類零部件的工作條件較為復(fù)雜。工作時承受著機械載荷和磨擦載荷，因 機械疲勞和過渡磨損而失效。雖然人們在尋求各種各樣的方式(如熱處理、微合金化、 表面滲碳、滲氮、碳氮共滲等)來提高軸、齒類零部件的使用壽命，但是，由于其表面 疲勞破壞和過渡磨損，這些零部件最終還是要報廢的。再制造技術(shù)是利用原有零部件，采用高新的表面工程技術(shù)及其它加工技術(shù)使零 部件恢復(fù)尺寸、形狀和性能，形成再制造毛坯，經(jīng)加工過程形成再制造的產(chǎn)品。特別是 綠色再制造是以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為主要目標(biāo)，統(tǒng)籌考慮零部件整個壽命 周期內(nèi)的再制造策略，從而使報廢(退役)產(chǎn)品在對環(huán)境污染最小，資源利用率最高的情 況下重新達到最佳的性能。軸、齒類零部件一般由普通碳鋼或含有貴重合金元素的Cr、Ni、Mn和Mo鋼 制造，如 20、20Cr、20CrMnTi、35CrMo、40Cr、42CrMo、45 等。整體制造軸、齒類零
部件不僅費用昂貴，而且由于工作層僅在表面，內(nèi)部貴重合金元素的優(yōu)勢不能完全發(fā)揮 出來。若采用堆焊再制造技術(shù)制造雙金屬復(fù)合零部件，即零部件的基體采用普通碳鋼制 造，而表層可根據(jù)零部件性能需要采用含不同合金元素的藥芯焊絲堆焊，不僅可發(fā)揮零 部件的綜合技術(shù)性能和材料的工作潛力，還能節(jié)約大量的貴重合金。近幾年來，國內(nèi)外許多企業(yè)試圖通過堆焊的方式來修復(fù)廢舊的軸、齒類零部件 或再制造這些零部件，但由于其具有一定的碳當(dāng)量，采用傳統(tǒng)的堆焊材料，必須將焊件 在焊前預(yù)熱、焊后熱處理，否則焊后開裂。因此，研制焊前免預(yù)熱、焊后免熱處理、具有較高抗開裂性能的堆焊用藥芯焊 絲，應(yīng)用于堆焊修復(fù)廢舊軸、齒類零部件，或基體采用普通碳鋼在其上堆焊一層高抗開 裂的熔敷金屬制造雙金屬復(fù)合零部件，與焊前預(yù)熱、焊后熱處理傳統(tǒng)堆焊工藝相比較， 使堆焊工藝簡化，降低了工人的勞動強度，提高了勞動效率，不僅產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效 益，而且還會產(chǎn)生巨大的社會效益。

發(fā)明內(nèi)容
為了能夠?qū)崿F(xiàn)對軸、齒類零部件進行堆焊修復(fù)及綠色再制造，發(fā)明了用于堆焊 修復(fù)及綠色再制造復(fù)合雙金屬軸、齒類零部件堆焊用特種藥芯焊絲。該焊絲的特點是對 軸、齒類零部件在焊前不需進行預(yù)熱，焊后不用進行熱處理的情況下進行堆焊修復(fù)或再制造，能保證焊后不開裂，并能達到甚至優(yōu)于原零部件的性能?，F(xiàn)場使用非常方便，硬 度范圍為HRC20-45。修復(fù)后的零部件使用壽命長于原零部件3倍左右。這類用于堆焊修復(fù)及綠色再制造雙金屬軸、齒類零部件堆焊用藥芯焊絲其特征 在于其化學(xué)成分為(wt%)螢石5-10，高碳鉻鐵20-40，高碳錳鐵5-10，硅鐵5_10， 鉬鐵5-10，稀土氧化物10-15，金屬鎳15-20，釩鐵2_5，鈮鐵2_5，鈦鐵2_5，石墨 0.1-0.5，鐵粉5-15，氮化物0.5-2，鋁鎂合金1_3。外皮采用低碳鋼鋼帶。對于硅鐵、 高碳鉻鐵和高碳錳鐵使用前需要進行鈍化處理，鈍化工藝硅鐵粉末為720-750°C，高碳鉻 鐵粉末為550-600°C，高碳錳鐵粉末為300-350°C，以上金屬粉末均保溫1小時。堆焊藥芯焊絲設(shè)計的原則是根據(jù)軸、齒類零部件在使用過程中，不僅要求堆焊 修復(fù)及再制造后的零部件在其工作時要具有較高的耐磨性和抗熱疲勞性能，而且還要求 堆焊后具有較高的抗開裂性能。從提高堆焊金屬的抗疲勞性能和耐磨性角度考慮，堆 焊金屬要具有一定的含碳量，并有適量的鉻、錳、硅等合金元素；從提高堆焊金屬的抗 開裂性能角度考慮，含碳量高會提高堆焊金屬的淬硬性，增加片狀馬氏體的數(shù)量，從而 增加堆焊金屬的開裂傾向；而添加鉬、釩、鈮、鈦元素可以析出細小的碳化物，并可以 細化晶粒；添加鎳可以提高奧氏體穩(wěn)定性，減緩奧氏體向片狀馬氏體的轉(zhuǎn)變，增加殘余 奧氏體量，提高堆焊金屬的塑、韌性；特別是添加稀土氧化物可以脫氧、脫硫，凈化堆 焊熔池，而且細化結(jié)晶晶粒，變質(zhì)夾雜物，均可以提高堆焊金屬的抗開裂性能；由于氮 能與鉻、釩等在高溫下形成極穩(wěn)定的氮化物，并以彌散狀細小質(zhì)點均勻分布于堆焊層之 中，因而有利于細化晶粒、提高強度和改善韌性。另外，從本課題組過去對堆焊殘余應(yīng) 力場的數(shù)值模擬研究工作可知，降低堆焊金屬的馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms點可以降低堆焊 金屬及熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力，從而使軸、齒類零部件在免預(yù)熱、免熱處理的條件下堆焊 也不開裂。因此，在堆焊金屬中添加氮化物和金屬Ni都可以降低Ms點，降低堆焊金屬 的殘余應(yīng)力。特別是對于母材熱影響區(qū)，由于其成分不可改變，因此，降低其應(yīng)力分布 顯得尤為重要。所以，軸、齒類零部件堆焊及再制造用藥芯焊絲的設(shè)計原則為1)、控 制適當(dāng)?shù)暮剂?，保證適當(dāng)堆焊金屬堆焊的硬度；2)、加入適量的鉻、錳、鉬等合金元 素，保證堆焊金屬具有較高的強硬性和耐磨性；3)、加入適量稀土氧化物，以改善焊后 一次結(jié)晶組織和二次結(jié)晶組織，變質(zhì)夾雜物；4)、加入適量的金屬鎳粉，以改善堆焊組 織，降低馬氏體相變溫度Ms點，改善應(yīng)力分布；5)、加入氮在高溫下形成極穩(wěn)定的氮化 物，并以彌散狀細小質(zhì)點均勻分布于堆焊層之中，細化晶粒、提高強度和改善韌性，同 時也降低馬氏體相變溫度Ms點，改善應(yīng)力分布；6)、加入釩鐵、鈮鐵、鈦鐵細化堆焊組 織，以減少裂紋源，從而提高堆焊金屬的抗開裂性能。通過成分調(diào)整和優(yōu)化，使系列堆 焊金屬的硬度在HRC20-45之間范圍。
具體實施例方式堆焊及再制造齒輪軸(40Cr鋼)藥芯焊絲，其化學(xué)成分為(wt% )螢石5，高 碳鉻鐵30，高碳錳鐵10，硅鐵5，鉬鐵5，稀土氧化物10，金屬鎳15，釩鐵2，鈮鐵2， 鈦鐵3，石墨0.2，鐵粉10，氮化物0.8，鋁鎂合金2。外皮采用低碳鋼鋼帶。采用上述 制造的堆焊藥芯焊絲對報廢的40Q 鋼齒輪軸進行堆焊修復(fù)，使用直流焊機，焊接電流為 150-200A,焊接電壓為70-80V。經(jīng)焊前免預(yù)熱、焊后免熱處理，堆焊修復(fù)的齒輪軸表面
4的硬度為HRC25-30，經(jīng)切削加工后可以代替經(jīng)整體生產(chǎn)的齒輪軸。本課題組曾發(fā)明“用于大型中高碳鋼零部件堆焊修復(fù)及再制造用系列藥芯焊 絲”(專利號ZL 200610102356.1)，用于熱軋輥、熱模具等中高碳鋼零部件的堆焊修復(fù) 與再制造，具有較高的抗熱疲勞和抗開裂性能，硬度為HRC35-55。本發(fā)明與上述發(fā)明相比較，堆焊軸、齒類零部件藥芯焊絲中降低了石墨加入 量，即降低了堆焊金屬中碳當(dāng)量，從而降低開裂傾向；增加了金屬鎳的加入量，而鎳是 擴大奧氏體元素，可以增加殘余奧氏體的含量，從而增加了堆焊金屬的韌性，并降低熱 影響區(qū)的殘余拉應(yīng)力；增加了稀土氧化物的加入量，可以進一步脫氧、脫硫，變質(zhì)夾雜 物，細化晶粒；同時，加入了鈮鐵、鈦鐵，可以進一步細化晶粒，提高韌性。在上述合 金元素共同作用下，可以保證軸、齒類零部件堆焊后不開裂，從而實現(xiàn)免預(yù)熱、免熱處 理堆焊。采用本發(fā)明的特種堆焊藥芯焊絲對軸、齒類零部件進行免預(yù)熱、免熱處理堆焊 修復(fù)及綠色再制造，簡化了制造方法，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、免熱處理堆焊使廢舊的軸、齒類零部件恢復(fù)了原來的形狀和尺寸，并 且提高了其使用壽命，真正實現(xiàn)了綠色再制造，對解決我國冶金機械、礦山機械、農(nóng)業(yè) 機械、石油化工機械等各行各業(yè)所普遍存在的軸、齒類零部件進行堆焊修復(fù)及綠色再制 造這一難題具有重要的工程意義。
權(quán)利要求
1. 一種軸齒類零部件免預(yù)熱免熱處理堆焊修復(fù)及再制造用特種藥芯焊絲，其化學(xué)成 分為(wt%)螢石5-10，高碳鉻鐵20-40，高碳錳鐵5-10，硅鐵5_10，鉬鐵5_10，稀土 氧化物10-15，金屬鎳15-20，釩鐵2-5，鈮鐵2-5，鈦鐵2-5，石墨0.1-0.5，鐵粉5-15， 氮化物0.5-2，鋁鎂合金1-3。外皮采用低碳鋼鋼帶。
全文摘要
本發(fā)明屬于材料科學(xué)與工程領(lǐng)域，本發(fā)明涉及一種軸齒類零部件免預(yù)熱免熱處理堆焊修復(fù)及再制造用特種藥芯焊絲，其化學(xué)成分為(wt％)螢石5-10，高碳鉻鐵20-40，高碳錳鐵5-10，硅鐵5-10，鉬鐵5-10，稀土氧化物10-15，金屬鎳15-20，釩鐵2-5，鈮鐵2-5，鈦鐵2-5，石墨0.1-0.5，鐵粉5-15，氮化物0.5-2，鋁鎂合金1-3。外皮采用低碳鋼鋼帶?？蛇m用于明弧焊或埋弧焊。采用本堆焊用系列藥芯焊絲，可以在焊前免預(yù)熱、焊后免熱處理條件下對軸、齒類零部件進行堆焊修復(fù)及再制造，堆焊金屬具有較高的抗開裂性能，并能達到甚至優(yōu)于原零部件的性能?，F(xiàn)場使用非常方便。硬度范圍為HRC20-45。修復(fù)后零部件使用壽命長于原零部件3倍左右。
文檔編號B23K35/30GK102019520SQ20101058433
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者楊慶祥, 楊育林, 齊效文 申請人:燕山大學(xué)