一种B掺杂的Fe-Cr-C系刮板用堆焊焊丝及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种B掺杂的Fe-Cr-C系刮板用堆焊焊丝、堆焊焊丝的制备方法以及堆焊焊丝的应用。

背景技术

随着科技进步，对矿产资源的需求不断提高，矿用机械的研发与创新也在大力推进。在矿用机械设备中，刮板输送机、转载机、刨煤机等作为重要矿用运输设备已经向重载荷、长距离和长服役寿命的方向发展。但是，矿用机械其使用环境较为恶劣，在服役过程中经常会因为摩擦磨损、颗粒撞击、介质腐蚀等原因导致结构的失效，若不进行再制造修复而是选择直接弃用，会造成资源的极大浪费。

矿山机械再制造的重要特征表现在再制造产品的质量和性能能够达到甚至超越新产品，而成本仅仅只是新产品的50％左右，节能效果达到60％左右，节约材料在70％以上，社会、经济效益显著。矿用刮板结构的磨损是不可避免的，并且其待修复的数量巨大。堆焊是再制造行业中一个重要的制造手段，由于其堆焊层与基体结合强度高，可显著提高工件的使用寿命。而堆焊层的质量主要由堆焊用的焊丝决定。因此，开发与刮板母材匹配的堆焊用焊丝，形成牢固结合的堆焊层，并通过多元合金强化堆焊层金属，满足其继续服役需求，具有重要的工程实际意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种B掺杂的Fe-Cr-C系刮板用堆焊焊丝，专门用于矿用刮板的电弧堆焊修复再制造，可以满足继续服役要求，从而降低生产成本。

本发明的另一个目的是提供一种B掺杂的Fe-Cr-C系刮板用堆焊焊丝的制备方法。

本发明还有一个目的是提供一种B掺杂的Fe-Cr-C系刮板用堆焊层的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实施的：

一种B掺杂的Fe-Cr-C系刮板用堆焊焊丝，包括药芯和焊皮，其特征在于：药芯按质量百分比包括如下成分：C粉0.8～1.0％，Si粉1.2～1.5％，Mn粉3.2～3.8％，Cr粉60～65％，B粉5～8％，ZiC粉2.5～3％，氮化钒铁粉2～5％，其余为Fe粉，以上组分质量百分比之和为100％。

进一步的，粉末的粒径为75～150μm，粉末的纯度均为≥99.90％。

进一步的，焊皮的材质为低碳钢带。

进一步的，焊皮的厚度为0.3mm，宽度为7mm。

进一步的，药芯焊丝的药粉填充率控制在30～35％。

一种B掺杂的Fe-Cr-C系刮板用堆焊焊丝的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：按权利要求1的质量百分比分别称取药粉C粉、Si粉、Mn粉、Cr粉、B粉、ZiC粉、氮化钒铁粉、其余为Fe粉，以上组分质量百分比之和为100％；

步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为150～180℃，保温时间为2～3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2～3h；

步骤3：采用酒精去除焊皮带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在焊皮带内形成粗焊丝；

步骤4：将步骤3制备的粗焊丝，经多次拉拔最终拉拔至预设直径范围；

步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。

进一步的，在步骤4中，第一道拉拔模具孔径为2.6mm，第一道工序拉拔完毕后，将第二道至第N道模具孔径依次减少，N≥2，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝。

进一步的，一种B掺杂的Fe-Cr-C系刮板堆焊层制备方法，具体步骤如下：

(1)用角磨机打磨失败刮板表面的待修复区域，使其露出金属光泽，用酒精去除表面的油渍；

(2)用氧乙炔火焰预热刮板至280～300℃；

(3)采用的刮板用堆焊焊丝进行刮板表面的堆焊；

(4)刮板堆焊结束后用保温棉包裹。

进一步的，一种B掺杂的Fe-Cr-C系刮板堆焊层制备方法，焊接电流180～200A，焊接电压为20～25V，焊接速度为40cm/min，堆焊层搭接率为20％，保护气体为混合气80％Ar+20％CO

进一步的，堆焊时层间温度控制在250～270℃。

本发明针对刮板用堆焊焊丝、刮板用堆焊焊丝的制备方法与刮板用堆焊层的制备方法，矿用刮板结构的磨损是不可避免的，并且其待修复的数量巨大；本发明开发与刮板母材匹配的堆焊用焊丝，形成牢固结合的堆焊层，并通过多元合金强化堆焊层金属，满足其继续服役需求，具有重要的工程实际意义，本发明的有益效果是：

(1)本发明在Fe-Cr-C合金系中添加B元素，实现了B对(Cr,Fe)

(2)本发明添加ZrC硬质粉，该粉末的添加通过在熔覆金属中形成弥散分布的硬质相，从而提高堆焊层的耐磨性能。

(3)本发明添加了氮化钒铁粉，该粉末中含有V、N、C和Fe元素，是一种新型的合金添加剂。V的添加有利于形成VC，强化堆焊合金。N通过部分取代C元素，减少钢中的C，细化组织，提高屈服强度和抗拉强度；此外，N还可以通过析出碳氮化物，提高堆焊层磨粒磨损性能。

(4)本发明方法在进行刮板表面堆焊时，焊前预热，焊后缓冷，并选择较低的热输入，从而抑制堆焊层的开裂。

附图说明

图1为本发明方法中实施案例2制备的刮板表面堆焊层宏观形貌图。

图2为本发明方法中实施案例2制备的刮板堆焊层金相组织图。

图3为本发明实施案例2制备的刮板表面堆焊层的摩擦磨损形貌图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种B掺杂的Fe-Cr-C系刮板用堆焊焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：C粉0.8～1.0％，Si粉1.2～1.5％，Mn粉3.2～3.8％，Cr粉60～65％，B粉5～8％，ZiC粉2.5～3％，氮化钒铁粉2～5％，其余为Fe粉，以上组分质量百分比之和为100％。

上述一种B掺杂的Fe-Cr-C系刮板用堆焊焊丝的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：按质量百分比分别称取药粉：C粉0.8～1.0％，Si粉1.2～1.5％，Mn粉3.2～3.8％，Cr粉60～65％，B粉5～8％，ZiC粉2.5～3％，氮化钒铁粉2～5％，其余为Fe粉，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为150～180℃，保温时间为2～3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间均为2～3h；

步骤3：采用低碳钢带为焊皮，采用酒精去除低碳钢带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在低碳钢带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；

步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝；

步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。

步骤1中，称取的粉末的粒度均为200-300目，粉末的纯度均为≥99.90％；

步骤1中，氮化钒铁粉中，V元素含量为45％，N元素含量为10％，C元素含量为0.4％，其余为Fe元素；

步骤3中，焊皮为低碳钢带，厚度0.3mm，宽度7mm。

步骤3中，药芯焊丝的填充量控制在33～35wt％。

该药芯焊丝中各合金组分的作用和功能如下：

(1)C元素：C可以有效提高堆焊层的强度和硬度，是一种经济实惠的添加元素。

(2)Cr元素：Cr的添加有助于提高堆焊层的强度。Cr是稳定α相区组织元素，本发明中采用高Cr含量，可以充分保证堆焊层的马氏体组织特征。马氏体组织具有高强度特点，符合堆焊层的应用要求。Cr还可以形成(Cr,Fe)

(3)B元素：B通过固溶到(Cr,Fe)

(4)ZiC粉：ZiC作为硬质相添加，属于弥散强化原理。ZiC的熔点较高，尺寸细小的ZiC可以作为堆焊合金的形核质点，细化堆焊层组织，细化马氏体板条束及间距，从而提高堆焊层性能。

(5)N元素：N通过氮化钒铁粉的方式添加。N可以取代一部分的C，细化马氏体板条束，提高其强度；此外，N与C形成的化合物，该化合物在堆焊金属中析出，可以有效提高堆焊层的抵抗磨粒磨损性能。

(6)V元素：V通过氮化钒铁粉的方式添加。V一方面可以固溶进入α-Fe中，通过固溶强化提高堆焊层的力学性能；另一方面，V与C形成VC，在堆焊层中析出，进一步提高其耐磨性能。

(7)Si、Mn元素：这两个元素的添加，一方面可以起到提高堆焊层强度和韧性的作用，另一方面可以起到脱氧作用。但是在C含量较高的焊缝中，应限制这两个元素的含量，因此本发明对其含量进行了限定。

本发明还提供了一种B掺杂的Fe-Cr-C系刮板堆焊层制备方法，具体步骤如下：

(1)用角磨机打磨失效刮板表面的待修复区域，使其露出金属光泽；用酒精去除表面的油渍。

(2)用氧乙炔火焰预热刮板至280～300℃；

(3)采用本发明的焊丝进行刮板表面的堆焊，焊接电流180～200A，焊接电压为20～25V，焊接速度为40cm/min，堆焊层搭接率为20％，保护气体为混合气80％Ar+20％CO

(4)刮板堆焊结束后用保温棉包裹。

实施例1

步骤1：按质量百分比分别称取药粉：C粉0.8％，Si粉1.2％，Mn粉3.2％，Cr粉60％，B粉5％，ZiC粉2.5％，氮化钒铁粉2％，其余为Fe粉，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为150℃，保温时间为2h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间均为2h；

步骤3：采用低碳钢带为焊皮，采用酒精去除低碳钢带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在低碳钢带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；

步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝；

步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。

采用实施案例1制备的焊丝进行矿用刮板堆焊层制备，具体步骤如下：

(1)用角磨机打磨失效刮板表面的待修复区域，使其露出金属光泽；用酒精去除表面的油渍。

(2)用氧乙炔火焰预热刮板至280℃；

(3)采用本发明的焊丝进行刮板表面的堆焊，焊接电流180～200A，焊接电压为20～25V，焊接速度为40cm/min，堆焊层搭接率为20％，保护气体为混合气80％Ar+20％CO

(4)刮板堆焊结束后用保温棉包裹。

经测试，刮板表面堆焊层的硬度为56HRC；堆焊层抗弯强度为214MPa；堆焊层的结合强度为285MPa；堆焊层的摩擦磨损机制为粘着磨损。

实施例2

步骤1：按质量百分比分别称取药粉：C粉1.0％，Si粉1.5％，Mn粉3.8％，Cr粉65％，B粉8％，ZiC粉3％，氮化钒铁粉5％，其余为Fe粉，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为180℃，保温时间为3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间均为3h；

步骤3：采用低碳钢带为焊皮，采用酒精去除低碳钢带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在低碳钢带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；

步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝；

步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。

采用实施案例2制备的焊丝进行矿用刮板堆焊层制备，具体步骤如下：

(1)用角磨机打磨失效刮板表面的待修复区域，使其露出金属光泽；用酒精去除表面的油渍。

(2)用氧乙炔火焰预热刮板至300℃；

(3)采用本发明的焊丝进行刮板表面的堆焊，焊接电流180～200A，焊接电压为20～25V，焊接速度为40cm/min，堆焊层搭接率为20％，保护气体为混合气80％Ar+20％CO

(4)刮板堆焊结束后用保温棉包裹。

经测试，刮板表面堆焊层的硬度为55HRC；堆焊层抗弯强度为223MPa；堆焊层的结合强度为280MPa；堆焊层的摩擦磨损机制为粘着磨损。

图1为本发明方法中实施案例2制备的刮板表面堆焊层宏观形貌图。从图中可以看出，堆焊层成型美观，飞溅较少，未见裂纹缺陷。

图2为本发明方法中实施案例2制备的刮板堆焊层金相组织图。从图中可以看出，堆焊层主要以马氏体组织为主，板条束清晰可见，板条束较细小，板条束间距也较小。

图3为本发明实施案例2制备的刮板表面堆焊层的摩擦磨损形貌图。从图中可以看出，堆焊层表面耐磨性能优异，磨损量较少。

实施例3

步骤1：按质量百分比分别称取药粉：C粉0.9％，Si粉1.4％，Mn粉3.5％，Cr粉63％，B粉7％，ZiC粉2.8％，氮化钒铁粉3.5％，其余为Fe粉，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为160℃，保温时间为2.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间均为2.5h；

步骤3：采用低碳钢带为焊皮，采用酒精去除低碳钢带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在低碳钢带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；

步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝；

步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。

采用实施案例3制备的焊丝进行矿用刮板堆焊层制备，具体步骤如下：

(1)用角磨机打磨失效刮板表面的待修复区域，使其露出金属光泽；用酒精去除表面的油渍。

(2)用氧乙炔火焰预热刮板至290℃；

(3)采用本发明的焊丝进行刮板表面的堆焊，焊接电流180～200A，焊接电压为20～25V，焊接速度为40cm/min，堆焊层搭接率为20％，保护气体为混合气80％Ar+20％CO

(4)刮板堆焊结束后用保温棉包裹。

经测试，刮板表面堆焊层的硬度为54HRC；堆焊层抗弯强度为250MPa；堆焊层的结合强度为290MPa；堆焊层的摩擦磨损机制为粘着磨损。

实施例4

步骤1：按质量百分比分别称取药粉：C粉0.88％，Si粉1.3％，Mn粉3.4％，Cr粉62％，B粉6％，ZiC粉2.7％，氮化钒铁粉3％，其余为Fe粉，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为155℃，保温时间为2.3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间均为2.3h；

步骤3：采用低碳钢带为焊皮，采用酒精去除低碳钢带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在低碳钢带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；

步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝；

步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。

采用实施案例4制备的焊丝进行矿用刮板堆焊层制备，具体步骤如下：

(1)用角磨机打磨失效刮板表面的待修复区域，使其露出金属光泽；用酒精去除表面的油渍。

(2)用氧乙炔火焰预热刮板至285℃；

(3)采用本发明的焊丝进行刮板表面的堆焊，焊接电流180～200A，焊接电压为20～25V，焊接速度为40cm/min，堆焊层搭接率为20％，保护气体为混合气80％Ar+20％CO

(4)刮板堆焊结束后用保温棉包裹。

经测试，刮板表面堆焊层的硬度为51HRC；堆焊层抗弯强度为240MPa；堆焊层的结合强度为270MPa；堆焊层的摩擦磨损机制为粘着磨损。

实施例5

步骤1：按质量百分比分别称取药粉：C粉0.81％，Si粉1.3％，Mn粉3.3％，Cr粉61％，B粉7.5％，ZiC粉2.9％，氮化钒铁粉4.5％，其余为Fe粉，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为175℃，保温时间为2.1h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间均为2.1h；

步骤3：采用低碳钢带为焊皮，采用酒精去除低碳钢带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在低碳钢带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；

步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝；

步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。

采用实施案例5制备的焊丝进行矿用刮板堆焊层制备，具体步骤如下：

(1)用角磨机打磨失效刮板表面的待修复区域，使其露出金属光泽；用酒精去除表面的油渍。

(2)用氧乙炔火焰预热刮板至295℃；

(3)采用本发明的焊丝进行刮板表面的堆焊，焊接电流180～200A，焊接电压为20～25V，焊接速度为40cm/min，堆焊层搭接率为20％，保护气体为混合气80％Ar+20％CO

(4)刮板堆焊结束后用保温棉包裹。

经测试，刮板表面堆焊层的硬度为52HRC；堆焊层抗弯强度为233MPa；堆焊层的结合强度为274MPa；堆焊层的摩擦磨损机制为粘着磨损。