專利名稱：免預(yù)熱高抗裂堆焊電焊條的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于堆焊電焊條，特別是免預(yù)熱高抗裂堆焊電焊條藥皮配方的發(fā)明。該堆焊電焊條主要適用于模具鋼、軋輥鋼、工程機(jī)械等金屬間磨損和磨料磨損等高中碳合金鋼部件的表層修復(fù)堆焊。
目前，國內(nèi)外一般中高碳合金鋼如模具鋼，軋輥鋼，工程機(jī)械、建筑機(jī)械、礦山機(jī)械等高強(qiáng)度，高硬度，耐沖擊，耐磨損部件的失效，主要是磨損報(bào)廢，浪費(fèi)十分嚴(yán)重，為了能使這些部件能夠重新使用，國內(nèi)外采用堆焊的形式來修復(fù)使用，一般采用“D132”、“D172”、“D397”、“D717”等來得到堆焊層的高硬度，高耐磨性，但因?yàn)槎押附M織主要是馬氏體和殘余奧氏體，裂紋傾向大，一般應(yīng)預(yù)熱到250℃-400℃并且焊后需熱處理(見《焊接冶金與金屬焊接性》機(jī)械工業(yè)出版社1988年11月第二版第452-457頁)焊接工藝復(fù)雜，勞動條件差，勞動強(qiáng)度大，并且設(shè)備復(fù)雜，一般大工件工作現(xiàn)場不滿足施焊條件而無法修復(fù)，導(dǎo)致大量的浪費(fèi)。
在中國專利申請?zhí)?6101108.6中公開了一種高硬度耐磨不預(yù)熱堆焊電焊條，其藥皮配比為
該發(fā)明焊條稱為不預(yù)熱堆焊電焊條，但從其藥皮配方組成成份分析，堆焊層熔敷金屬內(nèi)部組織仍為較粗大的柱狀馬氏體組織，熔敷金屬內(nèi)部未加充分脫硫去氫，沒有進(jìn)一步加入細(xì)化組織的形核劑，所以該種電焊條在多道多層堆焊大型高合金工件時(shí)，堆焊層仍開裂傾向較大，如堆焊時(shí)，仍需工件預(yù)熱，與現(xiàn)有的“D327”、“D337”相比，抗裂性提高不大。
在另一項(xiàng)中國專利中請?zhí)枮?2114676.0中也公開了一種“稀土型免預(yù)熱高抗裂堆焊電焊條”其藥皮配比為
并在從附權(quán)項(xiàng)中指出加入的稀土氧化物是Ce2O3或La2O3或二者混合物。
從該項(xiàng)發(fā)明的堆焊焊條藥皮配方看，主要存在如下問題1、Ce2O3并不是最終的反應(yīng)生成物，Ce的最終氧化物是CeO2，高純度大批量的Ce2O3是不存在的，Ce2O3只是Ce在氧化過程中的中間氧化物，只存在不充分氧化過程中。如果做為原材料加入，應(yīng)加入CeO2，而決不是Ce2O3。
2、加入稀土氧化物到藥皮中，在焊接的過程中稀土氧化物只能起到堆焊金屬的非自發(fā)形核核心，而不能在繼續(xù)參加焊接過程的氧化還原反應(yīng)，并且大量的稀土氧化物又會在堆焊金屬結(jié)晶過程中形成非金屬夾雜，造成裂紋源，同時(shí)，高純度稀土氧化物價(jià)錢昂貴。
3、藥皮中加入白土子，使堆焊金屬增氫增硅，不利于堆焊層的抗裂性。
4、該類電焊條只適用堆焊金屬間磨損的工件表層，不能應(yīng)用到耐磨料磨損的工件表層修復(fù)，所以，適用范圍不太大。
5、該類電焊條熔敷金屬組織也為馬氏體組織，仍有較大的開裂傾向。
綜上所述，無論是現(xiàn)有技術(shù)還是申請專利86101106.6或申請專利92114676.0等，都沒有從根本上解決堆焊層開裂的問題，沒有最大限度地提高堆焊金屬的抗裂性，都不能完全實(shí)現(xiàn)免預(yù)熱堆焊。并且，這些技術(shù)都是針對金屬間的磨損，即粘著磨損，但對于占磨損失效較大比重的磨料磨損的工件表層堆焊，現(xiàn)有技術(shù)仍是沒有提出有效的免預(yù)熱堆焊及耐磨層設(shè)計(jì)，使得磨料磨損失效件的修復(fù)仍是預(yù)熱修復(fù)或報(bào)廢，現(xiàn)有技術(shù)仍是不能滿足目前較大范圍內(nèi)的免預(yù)熱堆焊修復(fù)，應(yīng)用范圍較小，實(shí)用性較小。都沒有對磨料磨損工件免預(yù)熱修復(fù)做出改進(jìn)，都有開裂傾向。
本發(fā)明的目的是針對如上現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，采用藥皮中多元合金組合脫氧，堆焊熔敷金屬內(nèi)多元合金化原則提高堆焊層的強(qiáng)度和硬度，加入變質(zhì)劑細(xì)化堆焊熔敷金屬的組織，并且通過調(diào)整中溫貝氏體與馬氏體的混合組織，大大提高了堆焊層的韌性，并且不降低硬度，使堆焊層的抗裂性提高；加入稀土合金參于焊接時(shí)的氧化還原反應(yīng)，使之能夠細(xì)化晶粒，脫硫磷脫氫，球化夾雜物，凈化鋼液，減少裂紋源，提高堆焊層的抗裂性，使得堆焊層金屬在具有較高的強(qiáng)度和硬度的同時(shí)，具有較高的韌性和塑性，進(jìn)而能夠滿足焊前工件不預(yù)熱，焊后免緩冷及熱處理，并且對于磨料磨損形式的工件表層堆焊時(shí)，加入碳化鎢的硬質(zhì)點(diǎn)，以達(dá)到耐磨料磨損的目的，本發(fā)明堆焊電焊條，能夠適應(yīng)各種工件各種磨損方式的多層多道堆焊要求，同時(shí)，所需原材料容易獲得，生產(chǎn)成本低，加工工藝性能好，并且可以全位置焊接。
本發(fā)明的內(nèi)容是焊條焊芯采用H08A鋼，直徑為∮3.2mm∮4.0mm、∮5.0mm，成份見GB1300-77，焊條藥皮材料按重量百分比為
本發(fā)明藥皮配方除滿足如上條件外，其特征還在于在配方中加入的C，Cr，Mn，Si，Ni之間的關(guān)系應(yīng)滿足下式0.8≤〔C+Cr+Mn+Si〕/〔Ni〕≤1.5
式中各合金元素以純含量計(jì)量，并且其最佳點(diǎn)應(yīng)為〔C+Cr+Mn+Si〕〔/Ni〕＝1.1該堆焊電焊條藥皮材料所有組成物的硫磷含量應(yīng)滿足S≤0.04％，P≤0.05％，稀土合金中稀土元素的總含量不小于35％，并且100％過120目，過200目的不大于30％。
該堆焊電焊條藥皮配方其抗裂性機(jī)理簡述如下該堆焊電焊條堆焊熔敷金屬的高抗裂性，不是由加入某一種元素的單獨(dú)作用而是藥皮中各組成份共同作用的結(jié)果。
分析堆焊層熔敷金屬開裂的主要原因認(rèn)為堆焊層熔敷金屬焊后冷卻過程中，受到自身和基體因溫度變化而產(chǎn)生的改縮拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力的值大于熔敷金屬抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，熔敷金屬被“拉斷”，產(chǎn)生開裂。
所以，要想提高堆焊層熔敷金屬的抗裂性，使之不被拉應(yīng)力拉斷，一方面應(yīng)減少或緩解拉應(yīng)力；另一方面就是要增加熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度。緩解拉應(yīng)力的途徑就是提高熔敷金屬的塑性，使之能在拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生部分塑性變形，緩解拉應(yīng)力；而增加熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度主要是通過基體強(qiáng)度提高和減小減少熔敷金屬內(nèi)部缺陷，降低裂紋源及增大裂紋擴(kuò)展阻力兩方面來達(dá)到。
首先，在本發(fā)明中選用CaCO3-CaF2-SiO2的低氫堿性渣系以便降低熔敷金屬的含量，同時(shí)采用碳、硅、鈦、錳、稀土合金等元素復(fù)合脫氧，并加入鉬、釩、鎢、鎳、鉻等元素進(jìn)行多元合金化。
稀土合金部分被氧化成稀土氧化物進(jìn)入熔敷金屬中起非自發(fā)形核作用，細(xì)化晶粒，提高其塑性和韌性；同時(shí)，一部分稀土合金元素進(jìn)入熔敷金屬中，起微合金化作用。進(jìn)入熔敷金屬中的稀土元素，對組織轉(zhuǎn)變有較大影響。它可以消除魏氏組織，使針狀鐵素體變?yōu)榱?，使片狀馬氏體減少，極條狀馬氏體增多，并且能夠推遲馬氏體分解，阻止碳化物的聚集和粗化。同時(shí)稀土合金可以固溶到基體中，也可存于晶界處。稀土元素可以與低熔點(diǎn)的硫化物反應(yīng)，形成高熔點(diǎn)硫化物，呈彌散分布于基體中，不聚集長大，減少裂紋源。稀土合金有去氫作用，并且能降低氫的擴(kuò)散系數(shù)，延緩氫在裂紋尖端塑性區(qū)的富集，減少氫致開裂。稀土元素還有脫磷的作用。稀土元素富集晶體缺陷區(qū)，與其它有害雜質(zhì)競相吸附，可以降低有害雜質(zhì)的效應(yīng)?？傊?，稀土元素的加入，有利于熔敷金屬的塑性和韌性，可以脫硫脫氫，減少裂紋源。但如果稀土元素加入量過大，大量的稀土氧化物進(jìn)入熔敷金屬中，又會增加夾雜物的數(shù)量，并且不利于其它夾雜物的上浮，所以，將稀土合金含量限制到1％-2％。
在增加塑性和韌性的同時(shí)，又通過多元合金化強(qiáng)化基體。在藥皮中加入石墨、鉬鐵、鎳粉、釩鐵、鎢鐵、鉻鐵、中錳等。石墨主要是增加熔敷金屬的含碳量，以便增加強(qiáng)度和硬度，鉻鐵、錳鐵主要是固溶強(qiáng)化基體，并增加淬透性，提高硬度和強(qiáng)度，鉬鐵、釩鐵、鎢鐵等碳化物形成元素能夠形成高熔點(diǎn)、高硬度的碳化物硬質(zhì)點(diǎn)，分布在基體上，一方面阻礙晶粒長大，細(xì)化晶粒，另一方面又提高了耐磨性，特別是提高了熔敷金屬的抗回火能力，使堆焊層在600℃以上能夠保持有足夠的硬度和耐磨性。
鎳的加入，一方面提高淬透性，固熔強(qiáng)化提高強(qiáng)度和硬度，另一方面又可以提高熔敷金屬的塑性和韌性。
但鎳和碳、鉻、錳、硅元素含量應(yīng)有一定的比例關(guān)系，鎳的加入量過少，碳、鉻、錳、硅加入量過多時(shí)，熔敷金屬硬度、強(qiáng)度較高，但塑性較差，容易開裂。而當(dāng)鎳含量過多，碳、鉻錳、硅加入量較少時(shí)，熔敷金屬耐磨性較差，硬度、強(qiáng)度較差，同樣抗裂性也較差。所以，在本發(fā)明中又限制它們在藥皮中的純含量之間應(yīng)滿足下式0.8≤〔C+Cr+Mn+Si〕/〔Ni〕≤1.5通過試驗(yàn)證明，其最佳值為1.1左右。
為了降低熔敷金屬中的含硫、磷量，除加入稀土合金脫硫磷外，對藥皮配方中的各種組成材料的硫磷含量有所限制S≤0.04％；P≤0.05％，否則，熔敷金屬中低熔點(diǎn)的硫化物增多，形成裂紋源而導(dǎo)致開裂。
在配方藥皮中加入部分硼鐵，使得熔敷金屬中有部分硼過渡。微量的硼固溶到高溫奧氏體中，可以提高中溫轉(zhuǎn)變貝氏體淬透性，可以獲得部分貝氏體轉(zhuǎn)變，同時(shí)，釩、鎢、鉬等對貝氏體轉(zhuǎn)變也較有利。貝氏體組織與馬氏體組織同時(shí)存在，較全部馬氏體組織有較高的韌性，較好的抗裂性，并且抗磨性不降低。
本發(fā)明中規(guī)定稀土合金品位及粒度為能較大限度地發(fā)揮稀土合金中稀土元素的作用。當(dāng)稀土合金品位較低時(shí)(＜35％)熔敷金屬中不能得到足夠的稀土元素過渡，并且其它雜質(zhì)較多，對抗裂性不利。粒度過粗時(shí)，過渡不均勻，而粒度過細(xì)時(shí)，又會容易被電弧吹力吹走造成損失，所以，要求粒度100％過120目，過200目不大于30％。
另外，在本發(fā)明中，為了保證多層多道堆焊時(shí)每道之間良好的熔合，就要求每一焊道表面質(zhì)量完好，這就要每道焊道渣保護(hù)完好，熔渣能很好地敷蓋在焊道上，如果渣保護(hù)不好，焊道表面被氧化，在多道焊時(shí)，氧化物夾雜形成裂紋源。為了保護(hù)焊道，要求熔渣有較好的流動性，并有一定的粘度，所以，在本發(fā)明藥皮配方中要求大理石與螢石之比為1.8-2.5之間。比值過大，渣粘；比值過小，渣太稀。太粘太稀都不能完全敷蓋到焊道上，造成焊道表層氧化，易在下層堆焊時(shí)形成氧化鐵夾雜，導(dǎo)致層間開裂。
為了適應(yīng)磨料磨損的需要，堆焊層熔敷金屬要求在有高硬度、高塑韌性的基體上有硬質(zhì)點(diǎn)分布。所以在藥皮配方中加入碳化鎢，使之在熔敷金屬基體上以硬質(zhì)點(diǎn)分布，增加抗磨料磨損的能力。
實(shí)施例1，修復(fù)金屬與金屬之間的磨損焊芯H08A，規(guī)格∮4.0×400mm藥皮配方按重量百分比為
水玻璃為K，Na水玻璃，K∶Na＝3∶1，波美度47Be，其它各種配料符合權(quán)利要求書諸項(xiàng)特征。
將上述配方中所有原料混合均勻，加入水玻璃，制成濕狀藥粉，用100噸油壓機(jī)按生產(chǎn)普通結(jié)構(gòu)鋼電焊條生產(chǎn)工藝，制成焊條，380℃烘干2小時(shí)。
1、堆焊工藝參數(shù)焊前焊條350℃烘干2小時(shí)，采用交流焊機(jī)，電流170±5A，工作表層打磨干凈，不予熱，焊后不采取緩冷措施。
2、堆焊工件工件熱軋開坯支承輥，尺寸直徑1500mm，長大于1500mm；材質(zhì)70CrMnMo，缺陷在其工作表面有400mm×300mm，平均深50mm的表層剝離掉塊。
3、堆焊工藝先將剝離層打磨干凈，無原始裂紋，工件不予熱。使用如上制出的電焊條按第1條工藝參數(shù)堆焊，堆滿后不采用緩冷措施，用手砂輪打磨掉余高，用磁粉及超聲波探傷，無裂紋，精加工后上機(jī)使用，軋鋼38萬噸后再次輥型加工，堆焊層無開裂，無剝離。
4、堆焊層表面硬度及化學(xué)成份平均硬度HS＝60堆焊層化學(xué)成份
實(shí)施例2修復(fù)磨料磨損工件焊芯H08A，規(guī)格∮4.0×400mm藥皮配方按重量百分比為
按實(shí)施例1制成焊條，堆焊工藝參數(shù)與實(shí)施例第1條相同1、堆焊工件制磚機(jī)螺旋軸葉片，材質(zhì)基體為低碳鋼，以前用D608或D618堆焊，采用氧炔焰預(yù)熱，石棉灰保溫等工藝堆焊易變形，在使用過程中堆焊層容易成塊剝離，其使用壽命為15-20天。
2、堆焊工藝將原來剝離，龜裂層打磨干凈，到母材，而后按實(shí)施例1工藝參數(shù)施焊，焊前不預(yù)熱，工件在焊接過程中不保溫，焊后不緩冷，將軸葉雙面全部堆焊兩層，堆焊工藝較以前大為簡化。
3、使用情況堆焊層表層無龜裂，使用35天后觀察，堆焊層整體磨損，磨損面成河流樣粗糙，有明顯硬質(zhì)點(diǎn)，部分已近母材，需再次堆焊。使用壽命提高近一倍。
4、堆焊層硬度及化學(xué)成份堆焊層平均硬度為HS＝52堆焊層化學(xué)成份
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)i、可廣泛適用各種磨損型式工件的多道多層堆焊修復(fù)，并且焊前不預(yù)熱，焊后不熱處理，抗裂性高，應(yīng)用范圍廣，操作方便，勞動強(qiáng)度低。
2、特別對于高碳高合金大型工件修復(fù)后性能穩(wěn)定，耐用，可為國家和企業(yè)節(jié)約巨額資金。
3、可以全位置焊接。因此有些工件可以在不拆卸或不停機(jī)情況下堆焊修復(fù)。
4、原材料來源廣泛，易得，加工簡便，成品率高，成本低。
權(quán)利要求
1.一種免預(yù)熱高抗裂堆焊電焊條，它包括H08A焊芯及焊條藥皮材料，按重量百分比為大理石20-40，螢石10-20，石英4-7，鈦白粉4-6，中碳錳鐵1-3，45硅鐵3-7，純堿0.5-1.0，高碳鉻鐵4-8，石墨0.5-3，鉬鐵4-6，鈦鐵5-11，鎳粉5-9，釩鐵1-5，鎢鐵1-5和水玻璃20-30(外加)，其特征是在藥皮中加入稀土合金1-2，碳化鎢0-10，硼鐵0.1-2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堆焊電焊條，其特征在于加入到藥皮中的合金元素含量之間應(yīng)滿足下式關(guān)系0.8≤〔C+Cr+Mn+Si〕/〔Ni〕≤1.5上式中各合金元素以純含量計(jì)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堆焊電焊條，其特征在于藥皮材料配方中的各組成物中S，P含量為S≤0.04％；P≤0.05％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堆焊電焊條，其特征在于加入的稀土合金中稀土元素單質(zhì)總含量不小于35％，并且100過120目，過200目不大于30％。
全文摘要
免預(yù)熱高抗裂堆焊電焊條，其藥皮包括大理石、螢石、石英、鈦白粉、中碳錳鐵、45硅鐵、純堿、高碳鉻鐵、石墨、鉬鐵、鈦鐵、鎳粉、釩鐵、鎢鐵、碳化鎢、硼鐵、稀土合金等。本堆焊電焊條可以廣泛適用各種磨損形式的各種工件表層堆焊修復(fù)并且焊前不預(yù)熱，焊后不熱處理，堆焊層有很好的耐磨性及抗回火性，有很高的抗裂性，可以全位置堆焊，工藝簡便，原料來源廣泛易得，生產(chǎn)成本低，主要用于模具鋼，軋輥鋼，工程機(jī)械等金屬間磨損和磨料磨損工件表面堆焊修復(fù)。
文檔編號B23K35/36GK1148529SQ9511707
公開日1997年4月30日 申請日期1995年10月24日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月24日
發(fā)明者李向榮 申請人:李向榮