[发明专利]一种多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体地涉及一种多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝及其制备方法。

背景技术

目前堆焊修复的耐磨堆焊用药芯焊丝，一般依靠以M₇C₃为主的碳化铬类型碳化物提供其硬度，M₇C₃显微硬度为1200-1700HV。研究者们往往通过添加强碳化物形成元素Nb、Ti等进一步提高其硬度。总体来说，依靠碳化物在堆焊合金组织中发挥抗磨骨架作用，以提高堆焊合金的耐磨性是当前焊接材料制造商的普遍选择。

与碳化物相比较，氮化物往往具有更高的硬度，从而理论上能够提供更优异的耐磨性能，例如BN是当前已知自然界最坚硬的三种材料之一，其显微硬度超过3000HV。然而，在传统的焊接过程中，N的加入则容易引起氮气孔，对堆焊金属耐磨性造成不良影响。专利文献1(CN100999041B，用于大型中高碳钢零部件堆焊修复及再制造用系列药芯焊丝)公开了在药芯中加入氮与铬、镍、钒等在高温下形成的极稳定氮化物，利用其弥散状细小质点均匀分布于堆焊层之中，细化晶粒、提高强度和改善韧性，并产生二次硬化作用，同时也降低马氏体相变温度Ms点，改善应力分布，从而提高堆焊金属的抗开裂性能。专利文献2(CN1562552A，一种氮合金化的硬面合金药芯焊丝材料)、专利文献3(CN101829861A，高抗裂耐磨埋弧堆焊药芯焊丝)和专利文献4(CN102019520A，用于耐磨部件磨损部位修复的焊丝及其制造方法)均在药芯中加入氮化铬，通过氮化铬高温下向系统提供过渡N元素，形成高硬度的BN来改善耐磨性。

相比碳化物，硼化物具有更高的硬度，从而理论上能够提供更优异的耐磨性能，例如B₄C是当前已知自然界最坚硬的三种材料之一，其显微硬度达到3500HV左右，TiB₂显微硬度为2800-3400HV，ZrB₂显微硬度与TiB₂相近。尚未见报道将氮化物和硼化物同时添加至高碳铬铁基合金中。

此外，在整个焊接过程中，既有温度极高的熔滴阶段，又有温度稍低的熔池阶段，无论哪个阶段都需要有效避免空气污染才能得到合格的焊接熔敷金属。现有技术通常是在药芯中添加脱氧剂实现脱氧的效果，且每个脱氧剂多选用一种粒度。由于不同粒度的粉末具有不同的氧化活性，通过不同粒度的上述药芯组分可以明显改善焊丝的自保护效果。目前，尚未见通过控制成分粒度改善焊丝自保护效果的技术披露。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝，本发明的另一目的是提供该药芯焊丝的制备方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于低碳钢带中，所述药芯包含如下质量百分数的组分：52～62wt％的高碳铬铁，5～10wt％的TiN，5～15wt％的BN，1～3wt％的石墨，1～2.5wt％的60目纤维素粉末，0.5～1wt％的200目纤维素粉末，1～3wt％的60目铝镁合金，1～3wt％的200目铝镁合金，2～5wt％的60目硅锰合金，2～5wt％的200目硅锰合金，余量为铁粉，所述药芯占焊丝总重的51-55wt％。

进一步地，所述药芯中的高碳铬铁、TiN、BN、石墨及铁粉组分的粒度目数均大于或等于80目。

进一步地，所述高碳铬铁含碳量为9.0～9.5wt％，含铬量为62～72wt％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。

进一步地，不同粒径的纤维素：60目的纤维素和200目的纤维素粉末，以质量比1:1～4:1组合的方式加入。

进一步地，不同粒径的铝镁合金：60目的铝镁合金和200目的铝镁合金，以质量比1:2～3:1组合的方式加入。

进一步地，不同粒径的硅锰合金：60目的硅锰合金和200目的硅锰合金，以质量比2:5～2:1组合的方式加入至药芯中。

进一步地，所述低碳钢带厚度×宽度为0.5×21mm。

进一步地，所述焊丝的直径为2.8mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm和4.2mm中的任意一种。

本发明进一步提出上述多元氮化物强韧化自保护堆焊药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：