本發明屬于材料加工工程中的焊接領域，具體地涉及一種錳強韌化高鉻鑄鐵自保護堆焊藥芯焊絲及其制備方法。
背景技術：
堆焊作為一種綠色制造工藝，廣泛應用于各類耐磨部件的修復或再制造。由于成本低廉加之便于制備，以M7C3型碳化物(M＝Cr,Fe)為耐磨骨架的高鉻鑄鐵堆焊合金得到廣泛應用。高鉻鑄鐵堆焊合金過共晶組織中粗大的M7C3型碳化物，一方面對于提高耐磨性多有裨益，另一方面其本身容易出現冶金缺陷及微裂紋，脆性很大，成為堆焊合金在服役過程中發展成為宏觀裂紋甚至開裂破壞的重要原因。因此，克服傳統高鉻鑄鐵型堆焊合金抗裂性差的缺陷，是近年來發展堆焊技術的一個熱點課題。
通常采用降低C及合金元素含量的辦法，使得高鉻鑄鐵型堆焊合金由過共晶組織向亞共晶組織轉變，以獲得足夠的韌性；然而降低C及合金元素含量會同時導致堆焊合金硬度明顯下降，耐磨性也無法得以保證。值得注意的是，高鉻鑄鐵型堆焊合金中的奧氏體類似于硬質合金中的“粘結相”。通過成分改性的方法，適當增加這種“粘結相”—奧氏體，將是改善高鉻鑄鐵型堆焊合金抗裂性的全新思路。
技術實現要素：
發明目的：為解決現有技術中存在的技術問題，本發明提供一種錳強韌化高鉻鑄鐵自保護堆焊藥芯焊絲及其制備方法。
技術內容：為實現上述技術目的，本發明提出一種錳強韌化高鉻鑄鐵自保護堆焊藥芯焊絲，包括低碳鋼帶和藥芯，藥芯填充于鋼帶中，所述的藥芯成分質量百分含量范圍如下：60～72％的80目高碳鉻鐵，12～18％的80目電解錳粉，1～2％的石墨，2～8％的硼鐵，1～4％的60目鋁鎂合金，2～6％的硅鐵，余量為80目鐵粉，其中，石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵均以60目和200目兩種粒度添加，，其中，藥芯粉末占焊絲總重的54-58％。
作為優選，所述的高碳鉻鐵含碳量為9～10wt％，含鉻量為60～70wt％，其余為鐵；所述的硅鐵含硅量為72～80wt％，其余為鐵；所述的硼鐵含硼量為19～25wt％，其余為鐵；所述的鋁鎂合金含鋁量為47～53wt％，其余為鎂。
優選地，所述藥芯中不同粒度的石墨：60目的石墨和200目的石墨，并以質量比1:1組合的方式加入。
優選地，所述藥芯中不同粒度的硼鐵：60目的石墨和200目的石墨，并以質量比1:1組合的方式加入。
優選地，所述藥芯中不同粒徑的鋁鎂合金：60目的鋁鎂合金和200目的鋁鎂合金，并以質量比1:1組合的方式加入。
優選地，所述藥芯中不同粒徑的硅鐵：60目的硅鐵和200目的硅鐵，并以質量比1:1組合的方式加入。
優選地，所述藥芯中，所述藥芯中的高碳鉻鐵、硅鐵及鐵粉組分的粒徑均等于80目。
優選地，所述藥芯中，所述低碳鋼帶厚度×寬度為0.5×21mm。
優選地，所述藥芯中，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。
上述錳強韌化高鉻鑄鐵自保護堆焊藥芯焊絲的制備方法，包括如下步驟：
(1)利用成型軋輥將低碳鋼鋼帶軋成U形，然后通過送粉裝置將本發明的藥芯粉末按本發明焊絲總重的54-58％加入到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。
在上述藥芯中各組分主要作用如下：
高碳鉻鐵：向堆焊金屬中過渡合金元素Cr，并提供C元素。
錳粉：過渡合金元素Mn，固溶強化M7C3碳化物，促進“粘結相”奧氏體的形成。
硼鐵：脫氧，降低熔池表面張力，改善焊道成形。
石墨：提供C元素，脫氧形成CO，并降低焊接氣氛中的氧分壓和氮分壓。
鋁鎂合金：脫氧，固氮，增強自保護效果。
硅鐵：脫氧，滲Si。
由上述技術方案和藥芯中各組分的作用簡述可以明了，本發明由于在藥芯中添加了較大含量的Mn元素，其在堆焊合金組織中主要存在于M7C3之中，而較少量存在于基體中，同時Mn作為一種奧氏體形成元素，促進“粘結相”奧氏體組織的形成，有效改善了堆焊合金的韌性，從而提高其抗裂性，改善耐磨性。另一方面，由于Mn固溶于M7C3之中，進一步提高了M7C3的硬度。
此外，藥芯中石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵的粒度均有兩種：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，課題組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。這是不同粒度的粉末具有不同的氧化活性。通過成分粒度控制化學冶金反應活性的新思路，在藥芯中添加極細的200目石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵，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目石墨、鋁鎂合金及硅鐵，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。同時，多粒度脫氧劑的添加，保證在較小脫氧劑的添加條件下，取得良好自保護效果，為藥芯配方中高碳鉻鐵、錳粉等的足量添加和以大過渡系數過渡創造了空間條件和環境條件。
有益效果：本發明通過在藥芯中添加了較大含量的Mn元素，其一方面有效促進“粘結相”奧氏體組織的形成，有效改善了堆焊合金的韌性，從而提高其抗裂性。另一方面，由于Mn固溶于M7C3之中，進一步提高了M7C3的硬度。兩個方面的綜合作用，使得高鉻鑄鐵堆焊合金的耐磨性得以有效改善。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目石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵，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，合金組織細化明顯，堆焊層表面硬度均勻，韌性較好，平均硬度在62～66HRC范圍。耐磨性為Q235的30倍左右。
具體實施方式
根據下述實施例，可以更好地理解本發明。然而，實施例所描述的具體的藥芯組分配比、工藝條件及其結果僅用于說明本發明，而不應當也不會限制權利要求書中所詳細描述的本發明。其中，下列各實施例中所使用的高碳鉻鐵含碳量為9～10wt％，含鉻量為60～70wt％，其余為鐵；所述的硅鐵含硅量為72～80wt％，其余為鐵；所述的硼鐵含硼量為19～25wt％，其余為鐵；所述的鋁鎂合金含鋁量為47～53wt％，其余為鎂。
實施例1
一種錳強韌化高鉻鑄鐵自保護堆焊藥芯焊絲，，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：72g的80目高碳鉻鐵，12g的80目電解錳粉，1g的石墨，3g的硼鐵，1g的60目鋁鎂合金，2g的硅鐵，9g的80目鐵粉，其中，石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵均以60目和200目兩種粒度添加，且所添加的每一種粉末中60目和200目的質量分數均各占50％。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280～420A，焊接電壓為30～42V，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
一種錳強韌化高鉻鑄鐵自保護堆焊藥芯焊絲，，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：65g的80目高碳鉻鐵，14g的80目電解錳粉，1.5g的石墨，2g的硼鐵，4g的60目鋁鎂合金，6g的硅鐵，7.5g的80目鐵粉，其中，石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵均以60目和200目兩種粒度添加，且所添加的每一種粉末中60目和200目的質量分數均各占50％。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55％。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280～420A，焊接電壓為30～42V，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
一種錳強韌化高鉻鑄鐵自保護堆焊藥芯焊絲，，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：70g的80目高碳鉻鐵，16g的80目電解錳粉，1.5g的石墨，5g的硼鐵，2g的60目鋁鎂合金，4g的硅鐵，4.5g的80目鐵粉，其中，石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵均以60目和200目兩種粒度添加，且所添加的每一種粉末中60目和200目的質量分數均各占50％。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57％。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280～420A，焊接電壓為30～42V，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4
一種錳強韌化高鉻鑄鐵自保護堆焊藥芯焊絲，，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：60g的80目高碳鉻鐵，18g的80目電解錳粉，2g的石墨，8g的硼鐵，3g的60目鋁鎂合金，5g的硅鐵，4g的80目鐵粉，其中，石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵均以60目和200目兩種粒度添加，且所添加的每一種粉末中60目和200目的質量分數均各占50％。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58％。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280～420A，焊接電壓為30～42V，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所打硬度采用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較大含量的Mn元素，其一方面有效促進“粘結相”奧氏體組織的形成，有效改善了堆焊合金的韌性，從而提高其抗裂性。另一方面，由于Mn固溶于M7C3之中，進一步提高了M7C3的硬度。兩個方面的綜合作用，使得高鉻鑄鐵堆焊合金的耐磨性得以有效改善。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目石墨、硼鐵、鋁鎂合金及硅鐵，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，合金組織細化明顯，堆焊層表面硬度均勻，韌性較好，平均硬度在62～66HRC范圍。耐磨性為Q235的30倍左右。