CN100513612C - 一种自润滑耐磨堆焊合金 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自润滑耐磨堆焊合金，其成分按重量百分比包括：碳C2.5-4.5%、硅Si1.8-4.9%、镁Mg0.02-0.18%、稀土0.02-0.18%、余量为铁和不可避免的杂质，杂质中硫S≤0.1%、磷P≤0.4%。本发明合金可加入其它合金元素。根据该合金成分可以制成焊接材料。该合金具有优良的耐磨性和自润滑性，应用于矿山机械、农业机械、特别适合石油机械如钻杆接头、抽油杆、钻头等的维护及维修，可以减少机械配件或工具的磨损，也可以减少与之接触或摩擦的其它机械配件的磨损。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于堆焊在机械配件或工具表面的自润滑耐磨合金材料。
背景技术
目前的耐磨堆焊合金种类很多，有些耐磨性很好，但缺乏自润滑性。所以当这些合金堆焊在机械配件或工具表面上后，虽然减少了工具或配件的磨损，但同时却增大了与之接触或摩擦的其它机械配件的磨损。目前耐磨性好的合金大部分含有贵金属如Cr、Ni等较多，因此成本较高。例如中国专利耐磨堆焊合金材料(申请号200510043305.1)涉及一种耐磨堆焊合金材料，其合金具体组成含量(重量％)为：W 5-30、Nb 2-15、V 3-12、Mo 1-8、Cr 1-5、B 2-7、稀土0.01-2、余量为Fe。该发明以重金属硼化物为硬质强化相，硼化物在合金中起耐磨骨架作用，对合金基体相产生保护效应。其显微硬度均在HV1700～2800之间。该发明可以制成堆焊焊条、药芯焊丝、块状堆焊材料或粉末堆焊材料。可用于旋流器、泥浆泵、疏浚泵等的修复堆焊和制造，具有很高的抗液固混合介质冲蚀磨损和磨粒磨损性能。显然该发明涉及的堆焊合金没有自润滑性，而且由于贵金属很多，所以成本较高。由例如中国专利高抗裂耐磨高铬铸铁型堆焊药芯焊丝(申请号200510127968.1)应用于承受高应力、高冲击磨损部件如钢厂磨煤辊、水泥磨盘、破碎机锤头、冷(热)轧棍等的堆焊修复。焊丝的药芯成分质量百分含量范围如下：43～70％碳化铬，10～25％钒铁，1～5％75#+[#]硅铁，3～8％金属锰，1～3％铝镁合金，2～5％硼铁，2～6％钛铁，1～5％铌铁，2～8％钼铁。该发明所研发的堆焊焊丝熔敷金属硬度高，耐磨性好，但同样没有自润滑性，成本较高。由例如中国专利一种支撑辊堆焊用药芯焊丝(申请号200410081240.5)发明了一种支撑辊堆焊用药芯焊丝，该焊丝按重量百分比含有：C：0.30～0.70％、Mn：0.20～0.60％、Si：0.10～0.40％、Cr：11.0～14.5％、Ni：1.0～8.0％、V：0.08～0.50％、Re：0.20～1.00％、Mo：0.08～0.50％、Nb：0.08～0.50％、Ti：0.08～0.50％。该焊丝按重量百分比还可含有下列元素中的一种或两种：Mg：0.00～0.15％、Al：0.00～0.45％。该堆焊合金不仅具有较高的硬度，耐磨性好，而且具有较好的韧性，抗裂性好，从而能提高支撑辊的使用寿命。但也同样没有自润滑性，成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术中的不足，为了克服目前堆焊耐磨合金缺乏自润滑性的缺点，同时尽可能降低成本，本发明提供一种堆焊在机械配件或工具表面的具有自润滑性及耐磨性的合金材料。这种合金材料可以减少机械配件或工具的磨损。而且由于自润滑性，这种堆焊合金在减少机械配件或工具自身磨损的同时，也减少与之接触或摩擦的其它机械配件的磨损。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案是：一种自润滑耐磨堆焊合金，其成分按重量百分比为：碳C2.5-4.5％、硅Si1.8-4.9％、镁Mg0.02-0.18％、稀土0.02-0.18％、余量为铁和不可避免的杂质，杂质中硫S≤0.1％、磷P≤0.4％。
本发明自润滑耐磨堆焊合金，还可以再加入以下合金元素：0.2％≤锰Mn≤2.0％、铬Cr 0-3.5％、镍Ni 0-2.5％、钼Mo0-1.2％、钨W 0-2.5％、钒V 0-0.6％、钛Ti 0-0.5％、锆Zr 0-0.5％和铌Nb 0-0.5％。
本发明自润滑耐磨堆焊合金，还可以再加入以下合金元素中：2.0％<锰Mn≤5.0％、铬Cr 0-2.5％、镍Ni 0-1.5％、钼Mo 0-1.0％、钒V 0-0.6％、钛Ti 0-0.5％、锆Zr 0-0.5％和铌Nb 0-0.5％。
本发明自润滑耐磨堆焊合金，还可以再加入以下合金元素：5.0％<锰Mn≤7.0％、铬Cr 0-1.5％、镍Ni 0-1.5％、钼Mo 0-0.8％、钒V 0-0.6％、钛Ti 0-0.5％、锆Zr 0-0.5％和铌Nb 0-0.5％。
本发明自润滑耐磨堆焊合金，还可以再加入以下合金元素：7.0％<锰Mn≤12.0％、钒V 0-0.6％、钛Ti 0-0.5％、锆Zr 0-0.5％和铌Nb 0-0.5％。
本发明所述稀土为铈Ce。
本发明自润滑耐磨堆焊合金，使用该合金成分配方制成焊接材料，包括堆焊药芯焊丝、堆焊焊条、堆焊粉末；通过焊接设备将该焊接材料堆焊在机械配件或工具表面。
本发明的自润滑耐磨堆焊合金具有自润滑性能的原理是：
自润滑耐磨堆焊合金以石墨为自润滑相。由于含有大量的碳、硅等元素，当合金凝固后，许多碳元素以石墨态分布在合金基体上。由于镁、稀土等元素的加入，石墨以球状弥散均匀地分布在合金基体上。当合金与其它物体摩擦时，石墨起到润滑作用，减少合金本身及与之接触或摩擦的其它机械配件的磨损。
本发明的自润滑耐磨堆焊合金具有良好耐磨性能的原理是：
(1)当合金与其它物体摩擦时，石墨起到润滑作用，减少合金的磨损。
(2)当加入锰、铬、镍和钼等合金元素后，合金基体出现马氏体、贝氏体及奥氏体等，这些组织有良好的耐磨性，进一步提高合金的耐磨性。另外铬、钼、钨、钒、钛等合金元素还可形成硬度很高的碳化物，并有助于细化晶粒，从而进一步提高合金的耐磨性能。
本发明自润滑耐磨堆焊合金可制成堆焊药芯焊丝、堆焊焊条、堆焊粉末等焊接材料，合金元素加入方式可采用纯金属、合金如铁碳合金、硅铁合金、硅铁-镁合金、稀土-硅铁合金、稀土铈化合物、稀土-硅-铁-镁合金、铁铬合金、铁锰合金及其它铁合金等方式加入。
本发明自润滑耐磨堆焊合金的使用方法：按照本发明合金的成分，制成焊接材料，优选堆焊药芯焊丝，将这些焊接材料堆焊在工件表面上，工件表面就形成了本发明堆焊合金。这些焊接材料的制造方法是工业成熟技术，简单说明以下：
堆焊合金粉末制造方法：焊接粉末材料中合金元素的加入方式可采用纯金属、或合金方式加入，合金有铁碳合金、硅铁合金、硅铁-镁合金、稀土-硅铁合金、稀土铈化合物、稀土-硅-铁-镁合金、铁铬合金、锰铁合金或其它铁合金等。纯金属、或合金的加入量按照本发明合金的成分百分比含量计算加入。采用目前可大规模工业生产的成熟技术如雾化法、研磨法或其它方法将纯金属或合金制成粉末。雾化法是将金属或合金加热熔化，然后在高压惰性气体作用下将熔化的金属以雾状从喷嘴喷出，雾状金属液滴冷却便形成粉末。研磨法是用机械研磨的方式将碎块的纯金属、或合金研磨成金属粉末。也可以用其它现代新技术制造合金粉末。将制成的纯金属粉末、合金粉末混合即成本发明合金粉末。
由于金属粉末制造技术早已成为可大规模工业生产的成熟技术，所以本发明合金也可以将购买的纯金属粉末、合金粉末混合即成。合金粉末可选用铁碳合金粉末、硅铁合金粉末、硅铁-镁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末、稀土铈化合物粉末、稀土-硅-铁-镁合金粉末、铁铬合金粉末、锰铁合金粉末或其它铁合金粉末等。
堆焊药芯焊丝的制造方法：堆焊药芯焊丝的制造方法很早就已经成为成熟技术。将碳钢或低碳钢轧制成很长的薄钢带作外皮，以合金粉末为药芯，将薄钢带卷成筒状，形成了很长很细的金属管，被卷在金属管内的合金粉末形成药芯，堆焊药芯焊丝便制成，药芯焊丝直径为
1.2～3.2mm。形成药芯的合金粉末可以是纯金属粉末或合金粉末，合金粉末可选用铁碳合金粉末、硅铁合金粉末、硅铁-镁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末、稀土铈化合物粉末、稀土-硅-铁-镁合金粉末、铁铬合金粉末、锰铁合金粉末或其它铁合金粉末等。在药芯中加多少纯金属粉末或合金粉末可参考下面的公式进行计算确定：
式中M粉为药芯粉末中加入某纯金属粉末或合金粉末的百分含量；M焊为本发明堆焊合金中该合金元素的百分含量；M带为钢带中该合金元素的百分含量；η为该合金元素过渡系数，即该合金元素在堆焊合金中的量与该合金元素在焊接材料中的量的比，该系数可由正式出版的焊接手册查得；Kb为药芯焊丝的包粉量即粉芯占整个焊丝重量百分比；Kc为该合金元素在要加入的合金粉末中的百分含量，如果是纯金属粉末则Kc为100％。
堆焊焊条的制造方法：以碳钢或合金钢轧制或拉拔成钢棒作焊芯，以合金粉末为药皮，用成熟的焊条制造方法制成堆焊焊条。形成药皮的合金粉末可以是纯金属粉末或合金粉末，合金粉末可选用铁碳合金粉末、硅铁合金粉末、硅铁-镁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末、稀土铈化合物粉末、稀土-硅-铁-镁合金粉末、铁铬合金粉末、锰铁合金粉末或其它铁合金粉末等。在药皮中加多少纯金属粉末或合金粉末可参考下面的公式进行计算确定：
式中M粉为药皮粉末中加入某纯金属粉末或合金粉末的百分含量；M焊为本发明堆焊合金中该合金元素的百分含量；M带为钢芯中该合金元素的百分含量；η为该合金元素过渡系数，即该合金元素在堆焊合金中的量与该合金元素在焊接材料中的量的比，该系数可由焊接手册查得；Kb为药皮占整个焊条重量百分比；Kc为该合金元素在要加入的合金粉末中的百分含量，如果是纯金属粉末则Kc为100％。
堆焊方法：本发明堆焊合金制成的粉末及药芯焊丝向工件表面的堆焊方法可以采用自保护电弧焊、自保护等离子弧焊、二氧化碳气体保护电弧焊、二氧化碳气体保护等离子弧焊、氩气保护电弧焊、氩气保护等离子弧焊、埋弧焊等方法堆焊。本发明堆焊合金制成的焊条向工件表面的堆焊方法采用手工电弧焊的方式堆焊。
本发明自润滑耐磨堆焊合金可应用于矿山机械、农业机械、特别适合石油机械如钻杆接头、抽油杆、钻头等的维护及维修。
下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
具体实施方式
实施例1：
一种堆焊在机械配件或工具表面的自润滑耐磨合金，合金成分的重量百分比含量为：C3.9％、Si3.8％、Mg0.08％、稀土0.06％、Mn7.0％、Cr 1.2％、V0.3％、Ti0.4％，余量为铁，合金中杂质元素S≤0.1％、P≤0.4％。按照该合金成分制成直径为1.6mm药芯焊丝，药芯合金粉末选用铁碳合金粉末、硅铁-镁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末、锰铁合金粉末、铁铬合金粉末、钒铁合金粉末、钛铁合金粉末等。焊丝药芯中各种合金粉末的含量按照现有成熟技术确定。用CO2气体保护电弧焊技术进行堆焊，本发明的自润滑耐磨合金便在工件表面上形成。
堆焊在工件上的耐磨合金的显微组织是马氏体、贝氏体及许多残余奥氏体的基体上分布许多球状石墨，合金基体硬度可达到HRC50以上，具有良好的耐磨性。该合金及65SiMnRE、45#钢等磨粒磨损性能试验数据见表1，该合金及65SiMnRE、45#钢等与45#钢配对摩擦副磨损试验数据见表2，显然本发明合金不但有良好的耐磨性能，而且也减少了与之摩擦的45#钢的磨损。
表1 本发明合金及65SiMnRE、45#钢等磨粒磨损性能试验数据
| 试样 | 试件重量(mg) | 试件失重(mg) |
| 本发明试样 | 53266 | 20 |
| 65SiMnRE | 52785 | 110 |
| 45# | 51889 | 370 |
表2 本发明合金及65SiMnRE、45#钢等与45#钢配对摩擦副磨损试验数据
| 试样 | 配对摩擦副45#钢试件重量(g) | 配对摩擦副45#钢试件失重(g) |
| 本发明试样 | 3267 | 11 |
| 65SiMnRE | 3365 | 120 |
| 45# | 3281 | 88 |
实施例2：
一种堆焊在机械配件或工具表面的自润滑耐磨合金，合金基本成分为碳、硅、镁、稀土等、余量为铁，合金成分的重量百分比含量为：C3.5％、Si3.8％、Mg0.08％、稀土0.08％，余量为铁，合金中杂质元素S≤0.1％、P≤0.4％。按照该合金成分制成直径为1.6mm药芯焊丝，药芯合金粉末选用铁碳合金粉末、硅铁-镁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末等。焊丝药芯中各种合金粉末的含量按照现有成熟技术确定。用CO2气体保护电弧焊技术进行堆焊，本发明的自润滑耐磨合金便在工件表面上形成。
实施例3：
一种堆焊在机械配件或工具表面的自润滑耐磨合金，合金成分具体含量为：C3.5％、Si3.5％、Mg0.08％、稀土0.06％、Mn1.2％、Cr1.8％、Ni1.6％、Mo0.6％、V0.2％、Ti0.2％，余量为铁，合金中杂质元素S≤0.1％、P≤0.4％。按照该合金成分按常规方法制成直径为1.6mm药芯焊丝，药芯合金粉末选用铁碳合金粉末、硅铁-镁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末、锰铁合金粉末、铁铬合金、铁镍合金、铁钼合金、钒铁合金粉末、钛铁合金粉末等。焊丝药芯中各种合金粉末的含量按照现有成熟技术确定。用CO2气体保护电弧焊技术进行堆焊，本发明的自润滑耐磨合金便在工件表面上形成。
实施例4：
一种堆焊在机械配件或工具表面的自润滑耐磨合金，合金成分的重量百分比含量为：C3.6％、Si3.6％、Mg0.08％、稀土0.06％、Mn3.8％、Mo0.5％、V0.2％、Ti0.2％，余量为铁，合金中杂质元素S≤0.1％、P≤0.4％。按照该合金成分制成直径为1.6mm药芯焊丝，药芯合金粉末选用铁碳合金粉末、硅铁-镁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末、锰铁合金粉末、铁钼合金、钒铁合金粉末、钛铁合金粉末等。焊丝药芯中各种合金粉末的含量按照现有成熟技术确定。用CO2气体保护电弧焊技术进行堆焊，本发明的自润滑耐磨合金便在工件表面上形成。
实施例5：
一种堆焊在机械配件或工具表面的自润滑耐磨合金材料，合金成分具体含量为：C3.6％、Si3.6％、Mg0.08％、稀土0.06％、Mn11.8％、V0.1％、Ti0.1％、Zr0.1％，余量为铁，合金中杂质元素S≤0.1％、P≤0.4％。按照该合金成分制成直径为1.6mm药芯焊丝，药芯合金粉末选用铁碳合金粉末、硅铁-镁合金粉末、稀土-硅铁合金粉末、锰铁合金粉末、铁铬合金、铁镍合金、铁钼合金、钒铁合金粉末、钛铁合金粉末等。焊丝药芯中各种合金粉末的含量按照现有成熟技术确定。用CO2气体保护电弧焊技术进行堆焊，本发明的自润滑耐磨合金便在工件表面上形成。
Claims (4)
1.一种自润滑耐磨堆焊合金，包括以下重量百分比的元素：碳C 2.5-4.5％、硅Si 1.8-4.9％、镁Mg 0.02-0.18％、稀土0.02-0.18％、余量为铁和不可避免的杂质，杂质中硫S≤0.1％、磷P≤0.4％，其特征在于还包含以下重量百分比的元素：2.0％<锰Mn≤5.0％、铬Cr 0-2.5％、镍Ni0-1.5％、钼Mo 0-1.0％、钒V 0-0.6％、钛Ti 0-0.5％、锆Zr 0-0.5％和铌Nb 0-0.5％。
2.一种自润滑耐磨堆焊合金，包括以下重量百分比的元素：碳C 2.5-4.5％、硅Si 1.8-4.9％、镁Mg 0.02-0.18％、稀土0.02-0.18％、余量为铁和不可避免的杂质，杂质中硫S≤0.1％、磷P≤0.4％，其特征在于还包含以下重量百分比的元素：5.0％<锰Mn≤7.0％、铬Cr 0-1.5％、镍Ni 0-1.5％、钼Mo0-0.8％、钒V 0-0.6％、钛Ti 0-0.5％、锆Zr 0-0.5％和铌Nb 0-0.5％。
3.一种自润滑耐磨堆焊合金，包括以下重量百分比的元素：碳C2.5-4.5％、硅Si1.8-4.9％、镁Mg0.02-0.18％、稀土0.02-0.18％、余量为铁和不可避免的杂质，杂质中硫S≤0.1％、磷P≤0.4％，其特征在于还包含以下重量百分比的元素：7.0％<锰Mn≤12.0％、钒V 0-0.6％、钛Ti 0-0.5％、锆Zr 0-0.5％和铌Nb 0-0.5％。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种自润滑耐磨堆焊合金，其特征在于所述稀土为铈Ce。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090715 Termination date: 20091028 |