本發明屬于材料加工工程中的焊接領域，具體地涉及一種多元硼化物摻雜改性耐磨堆焊自保護藥芯焊絲及其制備方法。
背景技術：
目前堆焊修復的耐磨堆焊用藥芯焊絲，一般依靠以M7C3為主的碳化鉻類型碳化物提供其硬度，M7C3顯微硬度為1200-1700HV。研究者們往往通過添加強碳化物形成元素Nb、Ti等進一步提高其硬度?？傮w來說，依靠碳化物在堆焊合金組織中發揮抗磨骨架作用，以提高堆焊合金的耐磨性是當前焊接材料制造商的普遍選擇。
與碳化物相比較，硼化物往往具有更高的硬度，從而理論上能夠提供更優異的耐磨性能，例如B4C是當前已知自然界最堅硬的三種材料之一，其顯微硬度達到3500HV左右，TiB2顯微硬度為2800-3400HV，ZrB2顯微硬度與TiB2相近。然而，在傳統的焊接過程中，添加B容易導致堆焊金屬的脆性增大，主要是因為在高溫熔體凝固過程中，B與其他元素反應生成網枝狀硼化物，該類硼化物韌性差，極易產生裂紋，大大限制其耐磨性。
技術實現要素：
發明目的：針對現有技術中硼化物摻雜的藥芯焊絲存在的缺陷，本發明提供一種多元硼化物摻雜改性耐磨堆焊自保護藥芯焊絲，本發明的另一目的是提供該藥芯焊絲的制備方法。
技術方案：為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
本發明的多元硼化物摻雜改性耐磨堆焊自保護藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，所述藥芯填充于鋼帶中，所述藥芯包含如下質量百分數的組分：45～55wt％的高碳鉻鐵，6～16wt％的B4C、3～9wt％的TiB2、3～9wt％的ZrB2，1～3wt％的石墨，0.5～1wt％的60目纖維素粉末、0.5～1wt％的200目纖維素粉末，1～3wt％的60目鋁鎂合金、0.5～2wt％的200目鋁鎂合金，2～7wt％的60目硅錳合金、1～4wt％的200目硅錳合金，余量為鐵粉，所述藥芯占焊絲總重的50-54wt％。
進一步地，所述高碳鉻鐵、B4C、TiB2、ZrB2、石墨和鐵粉的粒徑的目數均大于或等于80目，即高碳鉻鐵、B4C、TiB2、ZrB2、石墨和鐵粉的粒徑小于或等于0.18mm。
進一步地，所述高碳鉻鐵中含碳量為9.0～9.5wt％，含鉻量為62～72wt％，其余為鐵；所述的鋁鎂合金含鋁量為47～53wt％，其余為鎂；所述的硅錳合金含硅量為47～53wt％，其余為錳。
進一步地，不同粒徑的纖維素：60目的纖維素和200目的纖維素粉末，以質量比1:1組合的方式加入。
進一步地，不同粒徑的鋁鎂合金：60目的鋁鎂合金和200目的鋁鎂合金，以質量比1:0.7～2:1組合的方式加入。
進一步地，不同粒徑的硅錳合金：60目的硅錳合金和200目的硅錳合金，以質量比7:4～2:1組合的方式加入。
進一步地，所述低碳鋼帶厚度×寬度為0.5×21mm。
進一步地，所述焊絲的直徑為2.8mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm和4.2mm中的任意一種。
本發明進一步提出了上述藥芯焊絲的制備方法，包括以下步驟：
(1)利用成型軋輥將低碳鋼帶軋成U形，然后通過送粉裝置將藥芯粉末按焊絲總重的50-54wt％加入到所述低碳鋼帶的U形槽中；
(2)將U形槽合口，使藥芯包裹其中，通過拉絲模，逐道拉拔、減徑，最后使其直徑達到2.8～4.2mm，得到最終產品。
上述藥芯中各組分的作用為：
高碳鉻鐵：形成Cr7C3，Cr23C6，Cr3C等鉻的碳化物；并向基體組織中過渡合金元素Cr，并提供C元素。
B4C、TiB2及ZrB2：彌散分布于堆焊合金組織中，提供理想的耐磨物相；同時細化堆焊合金組織。
石墨：提供C元素，脫氧，造氣(CO，C與氧反應部分氧化成CO造成熔池微沸騰)，降低氣孔敏感性。
纖維素：脫氧，造氣，增強自保護效果。
鋁鎂合金：用于脫氧，固氮，增強自保護效果。
硅錳合金：用于脫氧，其中Si和Mn聯合脫氧，脫氧效果更佳，增強自保護效果；同時提供過渡合金元素Mn及元素Si。
由上述技術方案和藥芯中各組分的作用簡述可以明了，本發明由于同時在藥芯中添加多元高硬度硼化物B4C、TiB2及ZrB2，在焊接物理冶金熔體中先期析出，且彌散分布。從而使組織得以細化，并避免了傳統網枝狀硼化物的形成，這都會增加堆焊金屬強韌性。并且，由于先析出的B4C、TiB2及ZrB2比(Cr、Fe)7C3碳化物具有更高的硬度和熱穩定性，大大提高堆焊金屬的硬度和耐磨性。本發明的藥芯中未添加鈮、釩等貴重合金元素，大大節約了焊絲制造成本，實現了少量多元強化的初衷，達到了本發明的目的。
在上述技術方案中，所述硼化物的添加方式是多元組合的。這是因為，一方面，B4C、TiB2及ZrB2的高硬度、高熱穩定性能是近似趨同的，這都極大貢獻于堆焊合金耐磨性；另一方面，B4C、TiB2及ZrB2的熔點、形態等物化性能又有所差異，這既有利于硬質質點在焊接凝固初期較寬的高溫溫度區間遞次析出以構成梯度多元強化細化效果，又有利于豐富硬質相的成分以有效抵御特別是復雜工況條件下的磨削，提供了更穩定的優良耐磨性。
本發明藥芯中的纖維素、鋁鎂合金及硅錳合金的粒度均有兩種：60目和200目，以粒度差異組合的方式添加。在整個焊接過程中，既有溫度極高的熔滴階段，又有溫度稍低的熔池階段，無論哪個階段都需要有效避免空氣污染才能得到合格的焊接熔敷金屬，通過前期大量的工藝試驗發現，通過不同粒度的上述藥芯組分可以明顯改善焊絲的自保護效果，這是因為不同粒度的粉末具有不同的氧化活性。本發明通過成分粒度控制化學冶金反應活性的創造性構思，在藥芯中添加極細的200目纖維素、鋁鎂合金及硅錳合金，利用其在焊接升溫階段進行有效的先期脫氧，同時在藥芯中添加較粗的60目纖維素、鋁鎂合金及硅錳合金，利用其保留在熔滴高溫階段及熔池階段，也能夠進行有效的脫氧造氣，從而保證在整個焊絲受熱、熔化、形成熔滴、熔滴過渡、形成熔池并開始凝固的焊接冶金全程均具備良好的自保護效果，從而實現了本焊絲在沒有添加任何礦物粉造渣劑的情況下，仍然能夠具備良好的焊接工藝性能及焊接金屬表面成形。
有益效果：與現有技術相比，本發明具有以下優點：
(1)本發明通過同時在藥芯中添加多元硼化物B4C、TiB2及ZrB2，在焊接冶金過程中先期析出大量彌散析出，提供高硬度、高熱穩定性并細化組織，并通過避免單一的多元組分添加方式有效利用B4C、TiB2及ZrB2的熔點、形態等在物化性能上的差異，獲得高溫溫度區間遞次析出以構成梯度多元強化細化效果，也有利于豐富硬質相的成分以有效抵御特別是復雜工況條件下的磨削，提供了更穩定的優良耐磨性。
(2)本發明通過成分粒度控制化學冶金反應活性的新思路，在藥芯中分別組合添加極細的200目和較粗的60目纖維素、鋁鎂合金及硅錳合金，有效保證在整個焊絲受熱、熔化、形成熔滴、熔滴過渡、形成熔池并開始凝固的焊接冶金全程均具備良好的自保護效果，從而實現了本焊絲在沒有添加任何礦物粉造渣劑的情況下，仍然能夠具備良好的焊接工藝性能及焊道表面成形。
(3)本發明的藥芯焊絲焊接工藝性能好，合金均勻化程度高，堆焊層表面硬度均勻，平均硬度在62～66HRC范圍。耐磨性為Q235的32～36倍。
(4)本發明藥芯焊絲的制備方法簡單可靠，易于批量生產，所制備的焊絲焊接工藝性能良好，熔敷效率高，多層焊無需清渣。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明進一步解釋說明。因理解的是，下述實施例所描述的具體藥芯組分的配比、工藝條件及其結果是為了更好的解釋本發明，而不構成對本發明保護范圍的限定。其中，下列各實施例中所使用的高碳鉻鐵含碳量為9.0～9.5wt％，含鉻量為62～72wt％，其余為鐵；所述的鋁鎂合金含鋁量為47～53wt％，其余為鎂；所述的硅錳合金含硅量為47～53wt％，其余為錳。
實施例1
一種多元硼化物摻雜改性耐磨堆焊自保護藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中，藥芯成分按以下質量進行配制：55g的80目高碳鉻鐵，6g的80目B4C、3g的80目TiB2、9g的80目ZrB2，1g的80目石墨，0.5g的60目纖維素粉末、0.5g的200目纖維素粉末，1g的60目鋁鎂合金、0.5g的200目鋁鎂合金，2g的60目硅錳合金、1g的200目硅錳合金，20.5g的80目鐵粉。將所取各種粉末置入混粉機內，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為50％。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接著使其分別通過直徑為4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉絲模中的一種或多種，逐道拉拔、減徑，最后獲得直徑為2.8～4.2mm的產品。焊接電流為260～400A，焊接電壓為30～40V，焊接速度為0.4m/min，層間溫度控制在150～250℃，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見表1。
實施例2
一種多元硼化物摻雜改性耐磨堆焊自保護藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中，藥芯成分按以下質量進行配制：45g的80目高碳鉻鐵，16g的80目B4C、9g的80目TiB2、3g的80目ZrB2，3g的80目石墨，1g的60目纖維素粉末、1g的200目纖維素粉末，3g的60目鋁鎂合金、2g的200目鋁鎂合金，7g的60目硅錳合金、4g的200目硅錳合金，6g的80目鐵粉。將所取各種粉末置入混粉機內，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為52％。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接著使其分別通過直徑為4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉絲模中的一種或多種，逐道拉拔、減徑，最后獲得直徑為2.8～4.2mm的產品。焊接電流為260～400A，焊接電壓為30～40V，焊接速度為0.4m/min，層間溫度控制在150～250℃，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見表1。
實施例3
一種多元硼化物摻雜改性耐磨堆焊自保護藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中，藥芯成分按以下質量進行配制：50g的80目高碳鉻鐵，10g的80目B4C、6g的80目TiB2、5g的80目ZrB2，2g的80目石墨，0.8g的60目纖維素粉末、0.8g的200目纖維素粉末，2g的60目鋁鎂合金、1.4g的200目鋁鎂合金，4g的60目硅錳合金、2g的200目硅錳合金，16g的80目鐵粉。將所取各種粉末置入混粉機內，混合40分鐘，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳鋼鋼帶槽中，填充率為54％。再將U形槽合口，使藥粉包裹其中。接著使其分別通過直徑為4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉絲模中的一種或多種，逐道拉拔、減徑，最后獲得直徑為2.8～4.2mm的產品。焊接電流為260～400A，焊接電壓為30～40V，焊接速度為0.4m/min，層間溫度控制在150～250℃，堆焊3層。堆焊金屬硬度及耐磨性見表1。
表1中硬度測試采用HR-150A洛氏硬度計，荷載150Kg，對每一個測試樣取5點硬度，計算其平均硬度值，磨損實驗采用MLS-225型濕式橡膠輪磨損試驗機。
將每個實施例的堆焊層切五個尺寸為57×25×6mm磨損試樣。磨損實驗參數如下：橡膠輪直徑：178mm，橡膠輪轉速：240轉/分，橡膠輪硬度：70(邵爾硬度)，載荷：10Kg，橡膠輪轉數：預磨1000轉，正式試驗轉1000轉，磨料：40～70目的石英砂。堆焊金屬的耐磨性能以正式磨損的失重量來衡量。在每次實驗前、后將試樣置入盛有丙酮溶液的燒杯中，在超聲波清洗儀中清洗3～5分鐘，待干后稱重記錄。實驗用Q235鋼作為對比樣，對比件失重量與測量件失重量之比作為堆焊樣的相對耐磨性ε。
表1各實施例堆焊金屬硬度與耐磨性
本發明通過在藥芯中添加了多元硼化物B4C、TiB2及ZrB2，在焊接物理冶金熔體中先期析出，且彌散分布，從而使組織得以細化，并避免了傳統網枝狀硼化物的形成，大大提高堆焊金屬的硬度和耐磨性，增加堆焊金屬強韌性。此外，還通過成分粒度控制化學冶金反應活性的新思路，在藥芯中分別組合添加極細的200目和較粗的60目纖維素、鋁鎂合金及硅錳合金，有效保證在整個焊絲受熱、熔化、形成熔滴、熔滴過渡、形成熔池并開始凝固的焊接冶金全程均具備良好的自保護效果，從而實現了本焊絲在沒有添加任何礦物粉造渣劑的情況下，仍然能夠具備良好的焊接工藝性能及焊道表面成形。本發明的藥芯焊絲焊接工藝性能好，合金均勻化程度高，堆焊層表面硬度均勻，平均硬度在62～66HRC范圍。耐磨性為Q235的32～36倍。
以上實施例只是對本發明的技術構思起到說明示例作用，并不能以此限制本發明的保護范圍，本領域技術人員在不脫離本發明技術方案的精神和范圍內，進行修改和等同替換，均應落在本發明的保護范圍之內。