CN100460133C

CN100460133C - 一种堆焊用合金粉块

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Publication number: CN100460133C
Application number: CNB2007100144525A
Authority: CN
Inventors: 孙俊生
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2009-02-11
Anticipated expiration: 2027-05-23
Also published as: CN101053931A

Abstract

本发明公开了一种堆焊用合金粉块，其特征是：所述合金粉块由金属粉末、粘接剂、增塑剂制成，其中，以重量份数计，金属粉末为100份、粘接剂为5～15份、增塑剂为0～8份；所述合金粉块是任意几何体形状，其中，粉块的大小、长度、表面形状根据欲堆焊面需要任意确定，但所述合金粉块在欲堆焊面上排布时，其拼接处粉块边缘的厚度为0～0.1mm。本发明通过合金粉块横截面几何形状的设计，使得电弧更容易穿过难以熔化的合金粉块熔化母材，母材的熔化又加速了合金粉块的熔化，解决了合金粉块难以熔化，易被电弧的等离子流力吹散的难题，大大提高了生产效率。

Description

一种堆焊用合金粉块

技术领域

本发明涉及一种堆焊用焊接材料及其制备方法与应用，尤其涉及一种新型的堆焊用合金粉块及其制备方法与应用。

背景技术

工业生产和加工中，机械零件经常在异常复杂和苛刻的条件下工作，大量的机械装备往往因磨损、腐蚀或磨蚀而报废。这就要求在高温高压、承受较大载荷以及氧化、腐蚀等工作条件下的机械装备表面具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温和抗氧化等性能。堆焊因工艺简单、设备投资少、操作灵活、适应面广而被广泛用于在零件表面制备特殊性能金属层。

堆焊的方法有手工电弧堆焊、氧乙炔焰堆焊、埋弧自动堆焊、气体保护堆焊、等离子堆焊、电渣堆焊等。

目前，人们为适应各种堆焊方法开发了各种堆焊材料。例如：

中国专利CN86106019B“耐热耐磨堆焊焊条”，CN1116574A“一种高铬铸铁堆焊材料及工艺”，CN1003430B“高硬度耐磨损不预热堆焊焊条”等堆焊焊条；以及CN1238154C“一种连铸辊堆焊用烧结焊剂及其生产方法”等焊剂；焊条和焊剂具有使用灵活、制造方便的优点，但合金元素的过渡系数低、堆焊金属的成分不够稳定和均匀，且堆焊层合金的数量受到工艺方法的限制，只适于低、中合金的堆焊金属。

中国专利CN1415453A“一种堆焊用包芯焊丝”，CN1775454A“高抗裂耐磨高铬铸铁型堆焊药芯焊丝”等堆焊用药芯焊丝，它的缺点是制造工艺复杂、成本较高、影响其大面积推广，并且由于受到焊丝本身填充系数的限制(一般小于35％)，堆焊层的合金含量也受到限制，不会太高。药芯焊带与药芯焊丝类似。

中国专利CN1015523B“堆焊用合金”提出了一种堆焊用的焊片，该焊片采用真空感应炉冶炼，用精密铸造方法制成，焊片的形状可以根据待堆焊面的形状确定，采用TIG电弧熔敷到工件表面，焊片的制造工艺比较复杂。

中国专利CN1030970C“金属表面大面积堆焊方法”提出了一种适合于大面积堆焊的柔性粉末带及其堆焊工艺方法。其所述柔性粉末带具有一定厚度和宽度，由袋状包装层和金属粉末组成，金属粉末处于袋状包装层之内；以熔化极的气体保护焊接电弧为热源，焊丝和柔性粉末带熔化形成耐磨层，可以实现自动焊，并适合大面积堆焊。但是这种工艺为了保证耐磨层的成分稳定，堆焊的工艺参数必须严格控制，条件苛刻。

中国专利CN85102440B“耐磨堆焊合金粉块”提出了将合金粉末制备成合金块用于堆焊，该耐磨合金粉块是将高铬铸铁、硼铁、硅铁、铁粉按比例混合均匀后加入水玻璃粘接剂，按一定重量加入模具中，施以适当压力模压成型后，再烘干水分制成。目前应用的该专利合金粉块的几何形状是尺寸为90mm×30mm×3mm、60mm×30mm×3mm或其他尺寸的长方体(见文献1998年第4期的《西北电力技术》，1997年第1期的《中国甜菜糖业》)。熔敷热源为电弧(如碳弧、等离子弧、钨极氩弧)。该合金粉块合金元素的过渡系数比焊条、焊丝、焊剂等常规堆焊材料高。合金粉块熔敷于工件上的前提是合金粉块覆盖的母材必须熔化，实际上使用电弧熔敷时，由于电弧的热能必须穿过合金粉块才能到达母材，合金粉块由于是各种合金粉末的混合物(不是合金)，而每种合金粉末往往具有较高的熔点，难以熔化，这样就造成了母材和粉块均难以熔化，有时合金粉块还没有熔化就被电弧的等离子流力吹散了，使得堆焊金属成型极差，施工工艺性能不好。只有母材熔化形成熔池后，覆盖于其上的合金粉块通过熔池液态金属的对流传热，才会加速熔化形成堆焊金属层。

鉴于此，随着机械零部件使用工况的日益苛刻，如磨损、腐蚀、高温等，开发低成本、使用方便、性能优异、能够高效化熔敷的堆焊用材料的愿望和需求也更加迫切。

发明内容

针对现有堆焊材料的缺点和不足，本发明要解决的问题是提出一种新型的堆焊用合金粉块及其制备方法与应用。

本发明的技术构思是：选择金属粉末(简称粉料)，按设计比例混合均匀后，加入占粉料总质量5～15％的粘接剂和0～8％的增塑剂，采用模压或者焊条生产用的液压涂粉机，生产出合金粉块。

本发明所述的堆焊用合金粉块，其特征是：所述合金粉块根据堆焊金属化学成分的要求，由金属粉末、粘接剂、增塑剂制成，其中，以重量份数计，金属粉末为100份，粘接剂为5～15份，增塑剂为0～8份；所述合金粉块是任意几何体形状，其中，粉块的大小、长度、表面形状根据欲堆焊面需要任意确定，但所述合金粉块在欲堆焊面上排布时，其拼接处粉块边缘的厚度为0～0.1mm。

上述的堆焊用合金粉块中：所述合金粉块的化学成分以质量百分比计是，S小于0.05％、P小于0.05％，其他化学成分根据下列不同堆焊金属要求分别为：

1)马氏体钢堆焊金属：C不超过1.2％、Mn不超过6.5％、Si不超过1.2％、Cr不超过5.5％、Mo不超过4.0％，Ti、V、Nb、W四种元素的总量不超过4.0％，余为Fe；

或2)奥氏体高锰钢堆焊金属：C不超过1.2％、Mn不超过18.0％、Mo不超过3.0％、W不超过5.5％、Si不超过1.3％，余为Fe；

或3)奥氏体铬锰钢堆焊金属：C不超过1.0％、Mn不超过16.0％、Cr不超过18.0％、Si不超过1.0％、Mo、W两种元素的总量不超过4.0％，余为Fe；

或4)碳化物高铬合金铸铁堆焊金属：C不超过5.0％、Cr为15.0％～35.0％、Mn不超过3.5％、Si不超过3.2％、Ni不超过8.0％、Mo不超过6.0％、V不超过2.0％、W不超过20.0％、B不超过3.0％，余为Fe；

或5)碳化钨堆焊合金：铸造碳化钨20％～80％、C为0.1％～1.2％、Si为2.0％～4.2％、Cr为8％～18％、B为1％～5.0％、余为Ni。

上述1)～5)所列的五种堆焊金属除了以上要求的合金元素之外，允许含有一定量的作为杂质存在的其他合金元素，其含量以不影响堆焊金属的性能为原则。

上述的堆焊用合金粉块中：所述粘接剂的加入量以重量份数计，金属粉末为100份，粘接剂优选为8～12份。

上述的堆焊用合金粉块中：所述粘接剂是水玻璃，水玻璃的模数为2.5～3.0，波美度为39～50。

其中：所述水玻璃的模数优选为2.8～3.0，波美度为50。

上述的堆焊用合金粉块中：所述水玻璃是钠水玻璃或钾钠混合水玻璃，其中钾钠混合水玻璃的钾的质量份数为1～3、钠的质量份数为1。

上述的堆焊用合金粉块中：所述增塑剂是钛白粉、白泥、云母、糊精之一。

其中：所述增塑剂优选钛白粉。

上述的堆焊用合金粉块中：所述合金粉块几何体的横截面为三角形、梯形、半圆形之一。见图1。

其中：所述合金粉块几何体的横截面优选为半圆形。

上述所用金属和铁合金的质量执行如下国家和行业标准：锰铁GB/T3795-2006，硅铁GB2272-1987，铬铁GB 5683-1987，钒铁GB 4139-2004，铌铁GB7737-1997，钼铁GB3649-1987，钨铁GB/T3648-1996，钛铁GB 3282-1987，硼铁GB/T 5682-1995，镍及镍合金板GB/T2054-2005，粗铜YS/T 70-93(中国有色金属行业标准)，没有国家和行业标准的执行生产企业标准。

本发明所述堆焊用合金粉块的制备方法，采用模压或焊条液压涂粉机制备，具体方法是：

(1)模压制备：

根据堆焊金属要求的成分设计选择金属粉末(简称粉料)，金属粉末的粒度为50目～300目，混匀，然后添加占粉料质量5％～15％的水玻璃粘接剂(粘接剂优先选用的加入量为8～12％)，湿拌混合均匀，得湿料；采用模压工艺生产可以不加增塑剂。

取模具，将上述湿料填入其中，施加50MPa以上的压力至合金粉块成型。

在20℃～60℃温度下，将成型的合金粉块烘干8小时～48小时后，再在150℃～180℃温度下保温烘干30分钟～50分钟，水分完全去除后，制得合金粉块成品。

(2)焊条液压涂粉机制备：

根据堆焊金属要求的设计成分选择金属粉末，金属粉末的粒度为50目～300目，混匀，然后以重量份数计，金属粉末为100份，粘接剂为5～15份，增塑剂为0～8份，将三者混合，湿拌均匀，得湿料；

上述增塑剂是钛白粉、白泥、云母、糊精之一。优选的增塑剂是钛白粉。在保证压涂性能的前提下其加入量尽可能少，优选加入量为5～6％。

上述水玻璃粘接剂优先选用的加入量为8～12％。

根据合金粉块设计的横截面形状和尺寸换上焊条液压涂粉机的定径模，然后按照常规的焊条生产规程压涂合金粉块，压涂过程中，关闭焊条液压涂粉机的送丝系统，不送进焊丝。根据需要将压涂的合金粉块在烘干前，根据需要截取纵向长度。

将上述压制出的合金粉块在20℃～60℃温度下，烘干8小时～48小时后，再在150℃～180℃温度下保温烘干30分钟～50分钟，水分完全去除后，制得合金粉块成品。

焊条液压涂粉机与模压相比具有更高的生产效率，应优先选用。

本发明所述堆焊用合金粉块以电弧熔敷方式制备具有耐磨、耐腐蚀、耐高温或抗氧化的表面层的应用。

上述合金粉块的使用方法如下：

可以采用碳弧、钨极电弧、等离子电弧、熔化极的焊条电弧、以及熔化极气体保护焊电弧等。根据堆焊金属成分要求，选择合金粉块。

电弧熔敷时合金粉块横截面形状的确定原则是合金粉块的拼接处厚度非常小，以使电弧容易穿透合金粉块熔化母材。因此，电弧熔敷时选择横截面形状为半圆形、三角形、梯形等的合金粉块，不推荐选用长方形或正方形，使用方法见图2，将合金粉块纵向覆盖于待堆焊面，合金粉块之间留有0～5mm的间隙。熔敷时电弧作用于合金粉块拼接处，在电弧热的作用下，母材部位很快熔化形成熔池，熔池的液态金属填充合金粉块的间隙，提高了粉块的导热能力，加速了粉块熔化。熔池形成后将电弧横向摆动，横向摆动的速度由合金粉块的熔化速度确定，使电弧始终作用于合金粉块与液态金属的界面上。通过熔池的不断扩大，将合金粉块全部熔化，最后凝固形成堆焊层。

本发明通过合金粉块横截面几何形状的设计，使得电弧更容易穿过难以熔化的合金粉块熔化母材，母材的熔化又加速了合金粉块的熔化，解决了合金粉块难以熔化，易被电弧的等离子流力吹散的难题，大大提高了生产效率。采用熔化极电弧(焊条电弧、熔化极气体保护电弧)熔敷时，需要考虑熔化极的填充金属对堆焊层化学成分与性能的影响。

选用自熔合金粉末制造合金粉块，除了可以采用上述的电弧熔敷之外，也可以采用感应加热熔敷。

本发明实施具有如下明显效果：

(1)本专利提出的合金粉块通过横截面几何形状的合理设计，使得电弧熔敷的工艺性能较专利CN85102440B的耐磨堆焊合金粉块有显著的改善。

(2)本专利提出的合金粉块可以采用焊条液压涂粉机生产，可以利用现有的焊条自动生产线，不用新购生产设备，并且生产效率较高。与专利CN85102440B合金粉块只能采用模压工艺生产不同。

(3)本专利的实施为堆焊提供了一种高效化的焊接材料，提高了堆焊的生产效率，并且容易实现自动化，克服了耐磨焊条需要手工操作的弊端。

附图说明

图1本发明所述部分合金粉块的横截面形状示意图

其中：1.1半圆形横截面

1.2梯形横截面

1.3三角形横截面

图2电弧熔敷合金粉块方法示意图

其中：1合金粉块，2欲堆焊金属(基体)。

具体实施方式

实施例1：马氏体钢堆焊金属合金粉块，合金系为C-Si-Mn-Cr-Mo。

金属和合金粉末配方的质量百分比为，3.5％的高碳铬铁(含65％Cr、7％C、3％Si)、3.5％的中碳锰铁(含79％Mn、1.2％C)、1.9％的硅铁(含45％Si、3％Mn)、1.8％的钼铁(含57％Mo、0.5％Si、0.2％C)、0.14％的石墨，余为铁粉。粉末的粒度为50～300目。按以上比例配好合金粉末，并混合均匀，添加占粉料质量10％的钠水玻璃粘接剂和4％的钛白粉，上述钠水玻璃的模数为3.0，波美度为50。选用边长为10mm的等边三角形的定径模，按照焊条的生产规程压制合金粉块，压涂过程中不送进焊丝。将压制出的合金粉块纵向截取300mm的长度，然后在20℃室温下低温烘干24小时，然后进行180℃、保温45分钟的烘干，去除水分后即成合金粉块成品。

将按上述方法生产的合金粉块放置于Q345钢板表面，粉块之间的间隙为1mm，然后用TIG电弧熔敷，工艺参数为：电流为350A、电压为20V、氩气流量为25L/min、冷却水流量为20L/min。电弧作用于合金粉块之间的间隙处，在电弧热的作用下，母材部位很快熔化形成熔池，熔池的液态金属填充合金粉块的间隙，提高了粉块的导热能力，加速了粉块熔化。熔池形成后将电弧横向摆动，横向摆动的速度由合金粉块的熔化速度确定，使电弧始终作用于合金粉块与液态金属的界面上。通过熔池的不断扩大，将合金粉块全部熔化，最后凝固形成堆焊层。试验表明，堆焊层没有裂纹，成型良好，堆焊层上表面的化学成分(质量％)为：0.28C、0.66Si、1.92Mn、1.55Cr、0.71Mo，硬度平均值为HRC42。

实施例2：奥氏体高锰钢堆焊金属合金粉块，合金系为C-Mn-Si-W。

金属和合金粉末配方的质量百分比为，25.2％的中碳锰铁(含79％Mn、1.2％C)、3.5％的硅铁(含45％Si、3％Mn)、1.1％的石墨、3.8％的钨铁(含70％W、0.4％C、1.0％Si)、余为铁粉。粉末的粒度为50～300目。按以上比例配好合金粉末，并混合均匀，添加占粉料质量10％的钠水玻璃粘接剂和4％的白泥。上述水玻璃的模数为3.0，波美度为50。选用直径为10mm的半圆形定径模，按照焊条的生产规程压制合金粉块，合金粉块的长度为200mm。压制出的合金粉块，20℃室温下低温烘干24小时，然后进行180℃、保温45分钟的烘干，去除水分后即成合金粉块成品。

将按上述方法生产的合金粉块放置于Q345钢板表面，粉块之间的间隙为1mm，然后用TIG电弧熔敷，工艺参数为：电流为350A、电压为20V、氩气流量为25L/min、冷却水流量为20L/min。电弧作用于合金粉块之间的间隙处，在电弧热的作用下，母材部位很快熔化形成熔池，熔池的液态金属填充合金粉块的间隙，提高了粉块的导热能力，加速了粉块熔化。熔池形成后将电弧横向摆动，横向摆动的速度由合金粉块的熔化速度确定，使电弧始终作用于合金粉块与液态金属的界面上。通过熔池的不断扩大，将合金粉块全部熔化，最后凝固形成堆焊层。试验表明，堆焊层没有裂纹，成型良好，堆焊层上表面的化学成分(质量％)为：0.91C、13.6Mn、1.1Si、1.92W，其他合金元素的总量小于5.0，焊态硬度的平均值为235HB，满足国标EDMn-A-16堆焊焊条熔敷金属成分要求，适用于各种破碎机、高锰钢轨、推土机等受冲击而易磨损部位的堆焊。

实施例3：奥氏体铬锰钢堆焊金属合金粉块，合金系为C-Mn-Cr。

金属和合金粉末配方的质量百分比为，25.6％的中碳锰铁(含79％Mn、1.2％C)、2.0％的硅铁(含45％Si、3％Mn)、0.6％的石墨、21.0％的金属铬、余为铁粉。粉末的粒度为50～300目。按以上比例配好合金粉末，并混合均匀，添加占粉料质量10％的钠水玻璃粘接剂和4％的钛白粉。上述水玻璃的模数为3.0，波美度为50。选用上底和下底分别为8mm和16mm、高为8mm的等腰梯形定径模，按照焊条的生产规程压制合金粉块，合金粉块的长度为100mm。压制出的芯合金粉块，20℃室温下低温烘干24小时，然后进行180℃、保温45分钟的烘干，去除水分后即成合金粉块成品。

将按上述方法生产的合金粉块放置于Q345钢板表面，粉块之间的间隙为1mm，然后用TIG电弧熔敷，工艺参数为：电流为350A、电压为20V、氩气流量为25L/min、冷却水流量为20L/min。电弧作用于合金粉块之间的间隙处，在电弧热的作用下，母材部位很快熔化形成熔池，熔池的液态金属填充合金粉块的间隙，提高了粉块的导热能力，加速了粉块熔化。熔池形成后将电弧横向摆动，横向摆动的速度由合金粉块的熔化速度确定，使电弧始终作用于合金粉块与液态金属的界面上。通过熔池的不断扩大，将合金粉块全部熔化，最后凝固形成堆焊层。试验表明，堆焊层没有裂纹，成型良好，堆焊层上表面的化学成分(质量％)为：0.58C、13.8Mn、0.64Si、14.3Cr，其他合金元素的总量小于5.0，焊态硬度的平均值为296HB，与国标EDCrMn-B-16堆焊焊条熔敷金属成分相当。可用于受气蚀破坏的零件的堆焊，亦可用于要求耐磨及韧性高的高锰钢制件的堆焊，如铁路道岔、螺旋输送机构、推土机刀片、破碎机刃等。

实施例4：碳化物高铬合金铸铁堆焊金属合金粉块，合金系为C-Cr-Si-B-V。

金属和合金粉末配方的质量百分比为，48.0％的高碳铬铁(含65％Cr、7％C、3％Si)、2.3％的钒铁(含50％V、0.5％Si、0.2％C)、28.0％的硼铁(含10％B、0.01％C)、3.8％的硅铁(含45％Si、3％Mn)、余为铁粉。粉末的粒度为50～300目。按以上比例配好合金粉末，并混合均匀，添加占粉料质量10％的钾钠水玻璃粘接剂(其中钾钠混合水玻璃的钾钠比为2:1)和4％的钛白粉。上述水玻璃的模数为3.0，波美度为50。选用边长为10mm的等边三角形的定径模，按照焊条的生产规程压制合金粉块，合金粉块的长度为90mm。压制出的合金粉块，20℃室温下低温烘干24小时，然后进行180℃、保温45分钟的烘干，去除水分后即成合金粉块成品。

将按上述方法生产的合金粉块放置于Q345钢板表面，粉块之间的间隙为0，然后采用直流焊机，用直径12mm，长度为300mm的碳棒产生碳弧熔敷合金粉块，堆焊的电流为220A。电弧作用于合金粉块之间的间隙处，在电弧热的作用下，母材部位很快熔化形成熔池，熔池的液态金属填充合金粉块的间隙，提高了粉块的导热能力，加速了粉块熔化。熔池形成后将电弧横向摆动，横向摆动的速度由合金粉块的熔化速度确定，使电弧始终作用于合金粉块与液态金属的界面上。通过熔池的不断扩大，将合金粉块全部熔化，最后凝固形成堆焊层。试验表明，堆焊层成型良好，堆焊层上表面的化学成分(质量％)为：2.3C、2.1Si、21.5Cr、1.9B、0.8V，硬度的平均值HRC57。

实施例5：碳化钨合金堆焊金属合金粉块，采用镍基合金基体，基体上分布的铸造碳化钨为耐磨相。

合金粉末配方的质量百分比为，45％镍基自熔合金粉末，其成分(质量％)为：0.6C、15Cr、4B、4Si、余为Ni，粒度为100～200目；50％的铸造碳化钨(40～200目)；5％的硼酐。按以上比例配好合金粉末，并混合均匀，添加占粉料质量10％的钠水玻璃粘接剂和4％的钛白粉。选用半径为10mm的半圆形的定径模，按照焊条的生产规程压制合金粉块，合金粉块的长度为60mm。压制出的合金粉块，20℃室温下低温烘干24小时，然后进行180℃、保温45分钟的烘干，去除水分后即成合金粉块成品。

将按上述方法生产的合金粉块放置于Q345钢板表面，粉块之间的间隙为0，然后用高频感应热源(功率为100kW、频率为200kHz)从合金粉块的一端向另一端加热，由于自熔合金粉末的熔点低(970℃～1050℃)，在高频感应加热时容易熔化，通过控制加热温度，可使碳化钨不分解，获得镍基合金基体上分布有碳化钨耐磨相，HRC超过60，可用于轻度或中等冲击的强烈磨料磨损条件下工作部件，如石油油井钻头、推土机刀刃、加工矿石的设备、螺旋输送机等。

Claims

1.一种堆焊用合金粉块，其特征是：所述合金粉块由金属粉末、粘接剂、增塑剂制成，其中，以重量份数计，金属粉末为100份，粘接剂为5～15份，增塑剂为0～8份；所述合金粉块是任意几何体形状，其中，粉块的大小、长度、表面形状根据欲堆焊面需要任意确定，但所述合金粉块在欲堆焊面上排布时，其拼接处粉块边缘的厚度为0～0.1mm；所述合金粉块的化学成分以质量百分比计是，S小于0.05％、P小于0.05％，其他化学成分根据下列不同堆焊金属要求分别为：

2.如权利要求1所述的堆焊用合金粉块，其特征是：所述粘接剂的加入量以重量份数计，金属粉末为100份，粘接剂为8～12份。

3.如权利要求2所述的堆焊用合金粉块，其特征是：所述粘接剂是水玻璃，水玻璃的模数为2.5～3.0，波美度为39～50。

4.如权利要求3所述的堆焊用合金粉块，其特征是：所述水玻璃的模数为2.8～3.0，波美度为50。

5.如权利要求3或4所述的堆焊用合金粉块，其特征是：所述水玻璃是钠水玻璃或钾钠混合水玻璃，其中钾钠混合水玻璃的钾的质量份数为1～3、钠的质量份数为1。

6.如权利要求1所述的堆焊用合金粉块，其特征是：所述增塑剂是钛白粉、白泥、云母、糊精之一。

7.如权利要求6所述的堆焊用合金粉块，其特征是：所述增塑剂是钛白粉。

8.如权利要求1所述的堆焊用合金粉块，其特征是：所述合金粉块几何体的横截面为三角形、梯形、半圆形之一。

9.如权利要求8所述的堆焊用合金粉块，其特征是：所述合金粉块几何体的横截面为半圆形。