CN101439445A - 一种硬面堆焊材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐磨、耐腐、成型无裂纹的堆焊合金材料及其应用，其特征是其化学成分以重量百分比计：C：0.4～0.6，Si：0.6～1.0，Mn：1.5～1.8，Mo：0.8～1.2，Cr：14～16，W：0.6～1.0，Nb：0.3～0.5，V：0.05～0.1，稀土：0.05～0.1，S≤0.035，P≤0.035，其余：Fe，其组份之和为100％，与之所配合的焊接工艺流程是预热温度为180～230℃，层间温度为250～300℃，回火温度为550～650℃，本发明工艺简单，不增加成本，在工件表面堆焊该合金，其耐磨损性能达到高铬铸铁焊材的性能，同时，成型无裂纹存在，增强了抗腐蚀性能，综合性能优于高铬铸铁，延长了工件使用寿命，以密炼机转子为例，达到了原来的1.5倍以上；同时，因为表面成型无裂纹，还可作为制作超强耐磨件时的过渡层硬质合金。

Description

一种硬面堆焊材料及其应用
技术领域：
本发明涉及一种硬面堆焊材料，特别是一种耐低应力磨粒磨损和粘着磨损双重作用、耐腐蚀、无裂纹的堆焊用合金焊材，用于解决有化学腐蚀和磨损双重作用的工况下，工件成型无裂纹条件下的耐磨、耐腐。
背景技术：
轮胎制造行业中的炼胶设备——密炼机，是所有橡胶制品的源头工序，原胶的第一步炼制，就是在密炼机的混炼腔室中，通过转子的搅拌、挤压，把颗粒状的原胶加工成冷凝状的橡胶。在此过程中，与胶料接触的所有部件，都要经历一个由磨粒磨损到粘着磨损的过程，同时胶料在炼制的过程中又加有碳黑、石英砂和金属氧化物等，不仅进一步增加了磨损程度，而且促使了氧化腐蚀进一步的加剧，在磨损和腐蚀的双重作用下，工件会很快失效。为了增加工件使用寿命，以抗腐耐磨为解决途径，密炼机生产厂商基本都是采用了在工件表面增加耐磨抗腐层的方法，如：堆焊硬质合金，电镀硬铬层等，而普遍采用的是堆焊硬质合金层的方法，该种方法操作方便易行，生产效率高。堆焊合金的种类大致可以分为三类：钴基焊材、镍基焊材、铁基焊材，前两种焊材堆焊后有少许裂纹，硬度因为大量碳化钨颗粒存在，硬度能达到HRC50以上，耐磨损性能良好，因钴和镍本身就是抗氧化腐蚀的金属，耐腐性能更是十分优异，但是这两种焊材成本很高，是铁基焊材的5-10倍，很难大量推广使用。目前应用的普遍还是铁基的高铬铸铁焊材，该种材料具有优良的抗磨损性能，不过，耐腐蚀性能因为裂纹的存在，目前的使用效果还不是太理想。对于高铬铸铁来说，它的硬度耐磨性和耐腐蚀性是一对矛盾，如果要增加其耐磨性，一般都要提高其硬度，而硬度的提高必然导致裂纹敏感性的上升，裂纹的存在和扩展促使氧化腐蚀加剧，耐腐性能下降。以密炼机胶料接触件为例，采用牌号为PK-ZH1的高铬铸铁焊材堆焊，焊材主要成分为：C：1.60～1.80，Si：0.80～1.20，Mn：2.40～2.60，Ni：2.50～3.50，Cr：25，Mo：1.2～1.5。堆焊过程为：先在工件上堆焊一层不锈钢过渡层，以缓解裂纹的延伸扩展，然后把工件预热到300℃，堆焊两层，堆焊完成后，500℃～550℃回火处理，焊后检测，硬度在HRC50-52，表面成型裂纹很多，且较长，达到200mm，有的长裂纹上还分叉出小裂纹，尤其是在一些应力集中区域，有大量裂纹存在，工件在使用的过程中，裂纹会进一步的扩展加深，当裂纹深度超过合金层达到母材后，工件会很快失效，而此过程在密炼机正常工作情况下，一般在3-5年的时间内。
发明内容：
本发明的目的是提供一种耐磨、耐腐、成型无裂纹的堆焊合金材料及其应用，与高铬铸铁焊材相比，不降低耐磨损性能，不增加生产成本，并进一步增加了耐腐蚀性能。
本发明是采用如下技术方案实现其发明目的的，一种硬面堆焊材料，其化学成分以重量百分比计：C：0.4～0.6，Si：0.6～1.0，Mn：1.5～1.8，Mo：0.8～1.2，Cr：14～16，W：0.6～1.0，Nb：0.3～0.5，V：0.05～0.1，稀土：0.05～0.1，S≦0.035，P≦0.035，其余：Fe，其组份之和为100％。
本发明所配合的焊接工艺流程是，焊前预热，预热温度为180～230℃，焊接过程中，层间温度为250～300℃，回火温度为550～650℃。
该合金焊材适用于MIG焊接及自保护焊接。
上述成分范围内形成的合金，是以马氏体为基体，在其上面均匀分布着碳化物硬质相颗粒，形成良好的耐磨损性能，同时，由于消除了裂纹，去除了裂纹及其扩展带来的影响，耐腐性能得到了完善和提高，下面就其中重要影响元素所界定的范围特性一一说明如下：
C：0.4～0.6，C可以提高熔敷金属的硬度，提高材料的耐磨损性能，若C含量低于0.4，则效果不能实现。如取C：0.37，Si：0.95，Mn：1.5，Mo：1.1，Cr：14，W：0.78，Nb：0.36，V：0.05，稀土：0.05，其余Fe，焊后检测，虽然无裂纹产生，但硬度下降，HRC45。而当碳高过0.6后，则有裂纹出现。如取C：0.78，Si：0.95，Mn：1.5，Mo：1.0，Cr：16，W：0.73，Nb：0.35，V：0.05，稀土：0.05，其余Fe，焊后检测，虽然硬度达HRC55-58，但有裂纹产生。因此控制碳在0.4～0.6的范围内。
Cr：14～16，Cr不足14以上时，则熔敷金属硬度和耐磨损性能无法满足，超过16，则合金有奥氏体化倾向，硬度下降。如取C：0.47，Si：0.92，Mn：1.5，Mo：1.05，Cr：18.5，W：0.73，Nb：0.42，V：0.05，稀土：0.05，其余Fe，焊后检测，其硬度为HRC 40-42。
W：0.6～1.0，W具有抗回火软化和提高合金硬度的作用，W更易形成碳化物，对耐磨性的提高有良好的效果。不足0.6效果不能实现，高于1.0效果已饱和。
Mo：0.8～1.2，Mo具有抗回火软化和提高合金高温强度的作用，能减少高温磨耗。
V、Nb和稀土：三者都具有细化晶粒的作用，减少应力集中，降低裂纹敏感性；V、Nb还具有二次析出硬化效果，增加耐磨性；Nb超过0.5，则脱渣不易。
由于采用上述技术方案，本发明较好的实现了发明目的，其工艺简单，不增加成本，在工件表面堆焊该合金，其耐磨损性能达到高铬铸铁焊材的性能，同时，成型无裂纹存在，增强了抗腐蚀性能，综合性能优于高铬铸铁，延长了工件使用寿命，以密炼机转子为例，达到了原来的1.5倍以上；同时，因为表面成型无裂纹，还可作为制作超强耐磨件时的过渡层硬质合金。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
一种硬面堆焊材料，其化学成分以重量百分比计：C：0.4～0.6，Si：0.6～1.0，Mn：1.5～1.8，Mo：0.8～1.2，Cr：14～16，W：0.6～1.0，Nb：0.3～0.5，V：0.05～0.1，稀土：0.05～0.1，S≦0.035，P≦0.035，其余：Fe，其组份之和为100％。本实施例取C：0.45，Si：0.9，Mn：1.5，Mo：1.05，Cr：14，W：0.73，Nb：0.42，V：0.05，稀土：0.05，S和P分别控制在0.035以下，其余Fe。
本发明配合以下焊接工艺能达到更好的效果：
首先控制预热和层间温度高于Ms点，避免堆焊过程中，熔敷金属发生马氏体相变及淬回火效应，使整个堆焊层在堆焊完毕后，在热处理的过程中，同时进行马氏体转变，以保证获得的组织和硬度均匀。根据Ms点温度的经验公式：
(0F)＝1020-630(％C)-72(％Mn)-63(％V)-36(％Cr)
-31(％Ni)-18(％Cu)-18(％Mo)-9(％W)+27(％Co)+54(％Al)
由公式可测知，Ms点的最高温度为172℃，预热温度控制在180～230℃(本实施例为200℃)；层间温度控制在250～300℃(本实施例为280℃)，过高则脱渣困难；而在焊后的回火处理上，高铬铸铁焊材通常在500-550℃，在此温度上回火，除了应力消除外，更多的是考虑合金硬度不受回火的影响，以获得更高的耐磨损性能。但本发明通过试验，发现在此温度下，应力消除效果不理想，容易产生冷裂纹，温度过高，超过650℃，则合金硬度下降，耐磨性下降，因此合理的回火温度应控制在550～650℃(本实施例为580～600℃)。
本发明的焊材为以钢制铁皮轧制成管状，在以合金粉末填充其间而成药芯焊丝，直径φ1.6mm，采用MIG焊接方法焊接，焊接条件：U＝28V，I＝280A，混合气体流量18L/min。在工件上焊接两层，表面成型无裂纹，平均硬度HRC 48-50，在工况条件下试用，六个月后，最深磨损量在1.0mm，一年后1.5mm，预计使用寿命在5年以上。是现在使用的高铬铸铁焊材的平均3年的1.5倍以上。
由上述说明和试验可知，本发明能很好的解决目前市场上密炼机的胶料接触件的耐磨耐腐问题，工件制作成本并没有增加，使用寿命却得到了延长。
实施例2：
本实施例取C：0.54，Si：0.82，Mn：1.62，Mo：0.99，Cr：15，W：0.76，Nb：0.3，V：0.05，稀土：0.05，S和P分别控制在0.035以下，其余Fe，焊后检测，其表面成型无裂纹，平均硬度HRC 52-54。
余同实施例1。

Claims (2)

1、一种硬面堆焊材料，其特征是其化学成分以重量百分比计：C：0.4～0.6，Si：0.6～1.0，Mn：1.5～1.8，Mo：0.8～1.2，Cr：14～16，W：0.6～1.0，Nb：0.3～0.5，V：0.05～0.1，稀土：0.05～0.1，S≦0.035，P≦0.035，其余：Fe，其组份之和为100％。
2、如权利要求1所述一种硬面堆焊材料的应用，其特征是预热温度为180～230℃，层间温度为250～300℃，回火温度为550～650℃。
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