一種耐磨堆焊焊條藥皮及含有該藥皮的焊條的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種耐磨堆焊焊材，尤其是一種用于耐磨堆焊焊條的藥皮及含有該藥 皮的焊條，以及所述焊條的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在地鐵施工中盾構(gòu)機(jī)刀盤、磨煤機(jī)磨盤、木炭、橡塑螺旋推進(jìn)器、砼栗眼睛板、切割 環(huán)等許多零部件的黑色金屬表面，由于受竹木肩、石灰、沙石粒、鐵肩、煤塊、橡塑顆粒、石英 石顆粒物等堅硬物質(zhì)的持久而劇烈的相互擠壓、碾磨、沖刷等的作用，導(dǎo)致嚴(yán)重的磨粒磨損 和刮傷現(xiàn)象，致使這些零部件使用壽命大大縮短，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。人們采用各種方法 來預(yù)防這種情況發(fā)生，比如對這些零部件表面進(jìn)行噴涂、熱處理、鑲嵌合金塊以及采取堆焊 等各種方法，而采取高耐磨電焊條堆焊是種簡單、通用、價廉的工藝方法。這其中最關(guān)鍵的 是選取焊材問題:碳化鎢焊材耐磨卻價格高昂，高鉻合金焊材耐磨性卻有限，而一般的模具 焊材耐磨性就更差，唯有含高碳化硼的焊材既高耐磨、價格又低廉。
[0003] 目前，在考慮使用、研發(fā)高含量碳化硼(特指藥皮中含碳化硼20%)焊材時必須要 考慮碳化硼的高熔點、高脆性、高硬度與高耐磨性的特點。碳化硼是種很硬卻很脆的材料， 經(jīng)過焊接高溫、急冷后焊縫尤其多層堆焊時就非常容易脆裂、剝離，導(dǎo)致焊縫及工件報廢， 碳化硼含量越高就越易發(fā)生此類現(xiàn)象。此外，含量高的碳化硼焊材焊接時，在熔融狀態(tài)下由 于碳化硼熔點接近2500度，遠(yuǎn)高于手弧焊時的焊接熔池和焊條端頭熔滴的溫度(分別〈1500 度和2100度），多數(shù)碳化硼顆粒難以熔融，熔化系數(shù)較低，導(dǎo)致藥皮熔點高而套筒長，電弧不 穩(wěn)；而且，在熔池金屬還未凝固時上浮過程中，因凝固時間很短，那些未熔化的碳化硼顆粒 來不及上浮就被固化在焊縫中形成夾渣和氣孔，或者引起焊縫表面嚴(yán)重粘渣，導(dǎo)致焊縫凹 凸不平而成形不好。本專利所需達(dá)到的目標(biāo)就是尋找解決以上問題的有效辦法，實現(xiàn)所述 焊條藥皮熔化性好、焊縫金屬高耐磨性兼顧一定的抗剝離性、經(jīng)濟(jì)上價廉的效果。
[0004] 中國專利已公布的含少量碳化硼焊條或焊絲的發(fā)明專利有不少，比如專利號 CN103358044A、CN103990920A、CN102371442A 和 CN104942463A 涉及的都是藥皮中低硼含量 (分別為3-10份、5-7.5份、2-6份和3-9份）；而藥皮其他主要成分中，前兩者還涉及高含量 (分別為40-70份和35-57.5份）的鉻合金系以及一定量的硅酸鹽系、鎢鉬合金系、含鈦合金 組元和鉬鎳合金組元。專利號CN102284806A涉及的是藥芯焊絲配方，屬于高硼鐵基合金體 系，不含鉻元素，未涉及焊條配方(焊條與焊絲配方差異很大，不好相提并論）。這些專利都 不曾涉及高碳化硼含量20%時焊條焊接工藝性、抗剝離性、高耐磨性和實際使用時的性價 比等內(nèi)容。
[0005] 在已公布的中國專利中，涉及堆焊電焊條藥皮含超過20%高碳化硼的專利也僅有 專利號CN1086471A--藥皮中含碳化硼25-50%?？墒?，正如上面所述那樣，如此高的含量， 促使焊縫金屬出現(xiàn)高含量的高硬度、高脆性的各種硼化物大大增多，這些硼化物如B4C (HV3700)、FeB(HV1800-2000)、CrB(HV2100)等，將導(dǎo)致焊縫金屬硬度高而脆性大，極易發(fā)生 脆化裂紋，多層堆焊時就更加明顯，甚至出現(xiàn)焊縫金屬剝離現(xiàn)象，從而導(dǎo)致焊縫及工件報 廢;碳化硼含量越高就越易發(fā)生此類現(xiàn)象。同時，從焊條焊接熔焊原理一一焊接熔池溫度場 (熱循環(huán)）、熔滴過渡形式、熔池液體金屬凝固與流動方式(流體動力學(xué)狀態(tài)））看，由于碳化 硼的熔點高，如藥皮中沒有加入可以降低熔點的物質(zhì)或焊芯采用高電阻、高發(fā)熱的材質(zhì)，在 如此高的碳化硼含量時就勢必會導(dǎo)致藥皮熔點會很高，熔化速度慢，焊縫金屬容易夾渣、粘 渣、氣孔等，唯有將藥皮外徑做到很小才能克服這個問題。但因此也相應(yīng)降低了熔敷效率， 導(dǎo)致焊層變薄，焊接生產(chǎn)效率低，對于要較厚焊縫時需多層施焊才可達(dá)到?？墒嵌鄬佣押笗r 又會導(dǎo)致焊縫金屬進(jìn)一步脆裂而影響使用效果。由此可見，含過多的碳化硼時，焊接工藝不 好掌握。因此，適當(dāng)降低碳化硼含量、在藥皮中加入能增加發(fā)熱量、降低熔點物質(zhì)或采用較 高電阻焊芯增強(qiáng)發(fā)熱效果等、就有利于克服這些問題。
[0006] 在降低藥皮熔點、提高堆焊條熔敷率方面，可通過在藥皮中加入大量的鐵粉來實 現(xiàn)，如專利CN101073861A公布了加入了高達(dá)72%鐵粉，可惜此專利所述藥皮中含碳化硼僅 2-6 %。熔化快、熔敷效率很高，可是，因為在熔滴、熔池中大量鐵粉熔融狀態(tài)時會稀釋、淡化 碳化硼，致使其濃度大大下降，導(dǎo)致硬度和耐磨性有可能降低。通常只有將藥皮外徑增大， 比如以Φ 4.0mm焊芯為例，藥皮外徑要達(dá)到Φ 9.0mm，才有可能提高硬度和耐磨性。
[0007] 上述專利所涉及的焊芯材質(zhì)均為碳鋼，而采用鐵素體不銹鋼Crl7作焊芯的高碳化 硼耐磨堆焊條的專利還未見公開報道。從碳鋼和鐵素體不銹鋼的電阻率(分別為〇.17μΩπ! 和0.57μΩπ〇來看，后者比前者高近70%，因而發(fā)熱量也加大了近三分之二，增大了難熔碳 化硼的熔化速度，此時如藥皮中還含有較多鐵粉等助熔物質(zhì)，就可以共同促進(jìn)焊條電弧端 部的熔化，也改變了熔滴過渡的形式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種熔點低、熔化快的高 碳化硼含量的耐磨堆焊焊條藥皮。同時，本發(fā)明還提供了一種藥皮熔點低、熔化快、焊縫金 屬耐磨性優(yōu)良兼有一定抗剝離性、造價低廉的高含量碳化硼耐磨堆焊焊條。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:一種耐磨堆焊焊條藥皮，包含以下質(zhì) 量百分含量的組分:碳化硼20 %、霧化鐵粉19~37 %、霧化硅鐵4~6 %、鈮鐵0~20 %、石墨 粉3~5%、中碳錳鐵0~4%、釩鐵0~4%、大理石粉24~31 %、螢石粉6~10%
[0010] 本發(fā)明所述耐磨堆焊焊條藥皮，特別是針對焊芯材質(zhì)為鐵素體不銹鋼Crl7而設(shè)計 的。通過采用Crl7材質(zhì)作焊芯，一方面如前所述那樣因其電阻率高、發(fā)熱增加而大大加速藥 皮熔化;另一方面，由于焊芯含鉻組元達(dá)17 %，根據(jù)焊接熔焊原理和大量試驗得知，本發(fā)明 中采用Crl7過渡到焊縫金屬中的鉻含量可達(dá)9-11%，而如果要在以碳鋼為焊芯、通過在藥 皮中鉻系合金過渡到焊縫金屬中同樣含量時，就需加入相當(dāng)于鉻當(dāng)量20-25 %的鉻系合金 物質(zhì)，這樣，在調(diào)整藥皮配比時前者具有更大的靈活性，而后者就有所限制了。再者，經(jīng)過大 量實驗表明，對于含20%高碳化硼的藥皮而言，焊縫金屬中鉻17所過渡的鉻含量9-11%對 耐磨性、抗剝離性所產(chǎn)生的效果較為理想，如過低時，鉻所生成的CrB、（Fe，Cr)2B等硼化物 太少而影響耐磨效果;反之，如過多時焊縫會更脆裂，耐磨性就下降。能夠過渡適量、有效的 鉻合金而無需在藥皮中加入額外的鉻系合金，就可以相應(yīng)地在藥皮中添加更多的有利于造 渣、保護(hù)熔池金屬、提高提高熔渣堿度、凈化熔池熔融狀態(tài)時的液體金屬、增加合金組元的 過渡系數(shù)的物質(zhì)，如大理石粉、螢石粉等礦粉以及鐵粉、鐵合金等。像這樣由于焊芯鉻17、藥 皮含較多鐵粉等加大了發(fā)熱量，以及鐵粉還能夠提高藥皮的導(dǎo)電性，將會使藥皮熔點大大 下降，電弧穩(wěn)定性提高，增加了熔池中的熔融狀態(tài)的金屬數(shù)量，推遲了熔池金屬的凝固，提 高了渣的上浮速度，從而進(jìn)一步凈化了焊縫金屬，減少了氣孔，有利于脫渣和成形。這些措 施都有利于提高焊縫金屬硬度和耐磨性;另一方面，熔滴、熔池金屬熔融狀態(tài)時間長、數(shù)量 多，激發(fā)了熔滴階段、熔池液體時各種合金、化合物之間的更多化學(xué)反應(yīng)，與母材金屬的熔 合得以加強(qiáng)，確保了含較大量的、有效的碳化硼顆粒融入焊縫金屬中，焊縫與母材的金屬間 結(jié)合更加牢固，減少了焊縫開裂和剝離現(xiàn)象，使得可以比傳統(tǒng)的同類焊條藥皮加入更多的 碳化硼，實現(xiàn)比傳統(tǒng)的同類焊條更耐磨、抗脆性更強(qiáng)的焊縫。
[0011] 但是，如礦粉加入過多將直接導(dǎo)致電弧不穩(wěn)，熔池中熔渣數(shù)量大大增加，凝固時很 多來不及析出的化合物就形成夾渣、粘渣等現(xiàn)象，脫渣變得困難，于焊縫金屬耐磨性和抗脆 性也有不利作用；如鐵粉、鐵合金加入過多，就會稀釋了熔滴和熔池熔融狀態(tài)時的碳化硼濃 度，使焊縫金屬硬度、耐磨性下降。本申請發(fā)明人經(jīng)過大量研究證明，當(dāng)所述焊條藥皮含有 如前所述的物質(zhì)質(zhì)量百分含量時，所述焊條藥皮與鐵素體不銹鋼Crl7材質(zhì)焊芯結(jié)合制備得 到的焊條，綜合性能較好，實現(xiàn)了焊縫金屬一層硬度就可達(dá)HRC64-70、具有一定抗脆性而耐 磨性好于市售碳化鎢焊條和同類焊條的水平。
[0012] 作為本發(fā)明所述耐磨堆焊焊條藥皮的優(yōu)選實施方式，所述石墨粉為鱗狀石墨。
[0013] 作為本發(fā)明所述耐磨堆焊焊條藥皮的優(yōu)選實施方式，所述鈮鐵在所述藥皮中的質(zhì) 量百分含量為7~20%。
[0014]