CN101920404B - 铸铁齿轮断齿修复堆焊用特种焊条 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料科学与工程领域，本发明涉及一种用于铸铁齿轮断齿修复堆焊用特种焊条，其化学成分为wt％：大理石35-50，白土子3-6，萤石20-30，石英1-3，金红石2-4，钛铁4-7，钼铁2-5，高碳锰铁1-3，硅铁1-3，氧化钇4-7，金属镍10-14；焊芯为H08A钢焊丝；采用的粘结剂水玻璃的模数为2.7-3.0，波美度为48-50。采用本堆焊焊条可以焊前不用预热、焊后不用热处理对铸铁齿轮断齿进行堆焊修复，堆焊金属具有较高的抗开裂性能；通过合金化作用，堆焊金属具有适当的硬度(HB120-220)和耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及材料科学与工程领域，特别是涉及一种铸铁齿轮断齿修复堆焊用焊条。
背景技术
齿轮是机械传动中应用最广泛的零件之一，对于一些轻载、低速、不受冲击、精度和结构紧凑要求不高的不重要齿轮，常用灰铸铁制造。灰铸铁齿轮一般在铸造后进行去应力退火、正火，机械加工后表面淬火，目的是提高耐磨性。灰铸铁齿轮多用于开式齿轮传动。近年来在闭式传动中，采用球墨铸铁代替铸钢制造齿轮的趋势越来越大。然而，铸铁齿轮韧性较低，在冲击载荷作用下很容易产生失效。
齿轮传动的失效形式及影响因素较多，其中齿轮轮齿断裂(断齿)是较为常见的齿轮损伤形式，也是造成齿轮失效的重要原因。实际使用中最常见的是过载断齿和疲劳断齿两种形式。
过载断齿是当实际载荷大大超过设计载荷，或因轮齿接触不良造成载荷严重集中，使得轮齿的应力超过其极限应力，在短期内产生轮齿整个或局部断裂的现象。
疲劳断齿是轮齿在长期受到过高的交变应力重复作用下，在轮齿的根部弯曲应力较大且应力相对集中的部位产生疲劳裂纹，随着作用次数增多，原始的疲劳裂纹不断扩展，当齿根剩余截面上的应力超过其极限应力时，轮齿就会因过载造成断齿。
此外，较为常见的还有随机断齿。随机断齿是指意外情况引起的断齿，如异物进入、润滑不良、材料缺陷、磨刮裂纹、热处理残余应力过高等原因引起的轮齿折断现象。
虽然铸铁齿轮价格便宜，但是其使用量较大，特别是断齿一般为突发事件，在没有备用齿轮的情况下，断齿会严重的影响正常生产，给企业带来巨大的经济损失。因此，在技术条件允许的情况下，对齿轮断齿进行堆 焊修复，既符合“绿色制造”要求，又可以直接为企业创造经济效益。
然而，在铸铁齿轮断齿堆焊修复过程中，容易产生组织白口化及出现裂纹等问题。采用传统的堆焊焊条，即使在焊前对铸铁齿轮预热(400℃左右)，而且焊后进行热处理的条件下，堆焊金属及热影响区开裂倾向仍然很大。同时，焊前预热、焊后热处理将会浪费大量的能源，使焊接工艺复杂化，并增加工人的劳动强度，给企业造成相当大的经济损失。
发明内容
为了能够实现对铸铁齿轮断齿进行堆焊修复，发明了一种堆焊用焊条。该焊条的特点是焊前不用对铸铁齿轮进行预热，焊后不用进行热处理，现场使用非常方便，硬度范围为HB120-220，铸铁齿轮堆焊后宜于加工。
这种用于修复断齿铸铁齿轮堆焊用焊条其特征在于：其化学成分为(wt％)：大理石35-50，白土子3-6，萤石20-30，石英1-3，金红石2-4，钛铁4-7，钼铁2-5，高碳锰铁1-3，硅铁1-3，氧化钇4-7，金属镍10-14。焊芯为H08A钢焊丝。采用的粘结剂水玻璃的模数为2.7-3.0，浓度(波美度)为48-50。对于硅铁和高碳锰铁使用前需要进行钝化处理，硅铁粉末钝化工艺为720-750℃，高碳锰铁粉末为300-350℃，以上金属粉末均保温1小时。
这种堆焊焊条设计的原则是根据铸铁齿轮的服役条件，虽然齿轮工作条件为轻载、低速、不受冲击，其精度和结构紧凑要求不高，但是，堆焊过程中要求具有较高的抗开裂性能，同时焊后还应该具有一定的可加工性。根据本课题组前期研制铸铁齿轮堆焊焊条的研究结果表明，从提高堆焊金属的抗开裂性能角度考虑，堆焊会使铸铁齿轮的热影响区组织白口化，碳的存在形式由韧性的石墨变成为脆性的碳化物，使热影响区存在较大的残余拉应力，从而增加了堆焊金属的开裂倾向；而添加镍可以提高堆焊金属中奥氏体稳定性，增加残余奥氏体量，可以松弛热影响区的残余拉应力，同时，提高堆焊金属的塑、韧性；添加稀土氧化物可以脱氧、脱硫，净化堆焊熔池，而且细化结晶晶粒，变质夹杂物，可以提高堆焊金属的抗开裂性能；研究表明，稀土氧化物中氧化钇的作用最明显。所以，新型铸铁堆 焊焊条的设计原则为：1)、加入较多量的金属镍粉，以改善堆焊组织，改善残余应力分布状态；2)、加入适量稀土氧化物，以改善焊后结晶组织，变质夹杂物，从而提高堆焊金属的抗开裂性能；3)、加入适量的钼铁，保证堆焊金属具有一定的强硬性；4)、加入适量的钛铁、锰铁和硅铁，进行脱氧，并起到合金化作用；5)、加入金红石、大理石、莹石、白土子等起到造渣、脱气作用。通过成分调整和优化，使堆焊金属的硬度在HB120-220左右，保证了堆焊后的铸铁齿轮具有一定的可加工性。
与本课题组研制的堆焊热轧辊、热剪刃和冷剪刃焊条(已申报专利)相比较，铸铁齿轮硬度较低，所以焊条药皮中不用加入石墨(碳)、高碳铬铁(铬)、钨铁(钨)等，而铸铁堆焊后易产生白口，抗开裂性能较差，所以，本发明中加入了较多的镍(10-14wt％)。与本课题组研制的堆焊大型齿轮焊条(已申报专利)相比较，大型齿轮硬度略高(HRC21-30)，所以在其焊条药皮中加入少量的高碳铬铁(铬)，而铸铁堆焊其抗开裂性能较差，所以加入的金属镍(10-14wt％)比堆焊大型齿轮焊条的金属镍(3-5wt％)要多；同时，加入变质效果更好的氧化钇，而不是铈混合氧化物。至于加入适量的钛铁、锰铁、硅铁、金红石、大理石、莹石、白土子等作用在本课题组研制的系列堆焊焊条配方中相同，所以这些原料的加入量在各种堆焊焊条中相近。
实施例：
下面公开是本发明的一个实例，要求：大理石37.4，白土子3.5，萤石22.7，石英1.7，金红石3.8，钛铁5.8，钼铁2.6，高碳锰铁2.5，硅铁1.6，氧化钇5.3，金属镍13.1。焊芯采用H08A钢焊丝。采用的粘结剂水玻璃的模数为2.7-3.0，浓度(波美度)为48-50。对于硅铁和高碳锰铁使用前需要进行钝化处理，钝化工艺硅铁粉末为730℃，高碳锰铁粉末为320℃，以上金属粉末均保温1小时。将上述配方中的相关粉末采用混料机进行混合，然后加入水玻璃搅拌均匀，用焊条涂敷机挤压出焊条，在250-300℃对焊条进行烘干，然后进行磨头磨尾。
采用上述制造的堆焊焊条对华北油田使用的HT200铸铁齿轮断齿进行 堆焊修复，焊前对焊条在200-300℃烘干1小时，去除药皮中的结晶水，使用直流焊机，进行反接，焊接电流为150-200A，焊接电压为70-80V。经焊前不用对铸铁齿轮进行预热、焊后不用进行热处理，通过堆焊修复的铸铁齿轮齿面的硬度为HB170-200，经加工后可以代替经整体铸造生产的铸铁齿轮，不仅减少了制造工序，节省了原料和能源，同时也提高了使用寿命。
采用本发明的堆焊焊条对铸铁齿轮断齿进行堆焊修复，减少了能源消耗，避免了制造过程对环境的污染。通过免预热、免热处理堆焊使报废的铸铁齿轮恢复了其原来的形状和尺寸，并且提高了其使用寿命，对解决我国冶金机械、矿山机械、农业机械、石油化工机械等各行各业所普遍存在的铸铁齿轮断齿堆焊修复这一难题具有重要的工程意义，其市场空间十分广阔。
Claims (1)
1.一种用于铸铁齿轮断齿修复堆焊用焊条，其化学成分为wt％：大理石35-50，白土子3-6，萤石20-30，石英1-3，金红石2-4，钛铁4-7，钼铁2-5，高碳锰铁1-3，硅铁1-3，氧化钇4-7，金属镍10-14；焊芯为H08A钢焊丝；采用的粘结剂水玻璃的模数为2.7-3.0，波美度为48-50。
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