CN101879670A - 一种含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料 - Google Patents
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Abstract
一种含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料，属于材料技术领域，成分按重量百分比为铬铁25～50％，钛铁1～10％，钒铁1～10％，稀土材料0.1～5％，硼铁1～7％，钼铁0.4～8％，铝粉0.5～5％，镍铁0.4～7％，粉末材料0.1～10％，钠钾水玻璃8～15％，炭黑0.1～5％，余量为铁，粒度为70～140目。采用本发明的含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料进行碳弧堆焊或等离子堆焊，操作方法简单，成本低廉，比手工堆焊耐磨焊条易获得高含碳量及高硬度、高耐磨性的堆焊层，硬质相与基体结合牢固，具有很高的抗磨粒磨损性能，应用范围十分广泛。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料。
背景技术
据统计全世界每年钢铁材料消耗量达7亿吨以上，其中有50％是由于材料磨损而消耗掉了。仅就我国电力、建筑材料、冶金、采煤和农机五个部门不完全统计，每年消耗金属材料达三百万吨以上，再加上能源消耗及因更换零件而停工等损失高达几十亿元。尤其是应用于矿山、水泥等领域的大型机械，在使用过程中由于局部磨损而无法继续使用，损耗巨大。例如用于粉碎矿石的颚式破碎机，其颚板是由抗凿削式磨损性能较好的高锰钢制造的。但是，由于颚式破碎机工作时受到矿石的强烈撞击和摩擦，颚板磨损非常严重，甚至几天就需要更换新的颚板。采用堆焊的方法修复已磨损报废的零部件，可以做到修复后的再生产品比新产品更加价廉物美。以目前的技术水平，在报废的各类耐磨材料中，可堆焊修复再生的部分按10％计，每年需要各类耐磨堆焊材料十二万吨以上。由此可见耐磨堆焊技术的市场潜力是十分巨大的。
金属陶瓷复合耐磨堆焊材料由软的胎体金属和金属陶瓷颗粒组成，具有高的耐磨性和较高的抗冲击性能，已经广泛地应用于石油、煤炭、地质和矿山等工业中一些受严重磨损工件工作面的堆焊。堆焊合金粉末包括钴基、镍基、铁基等合金系统，由于钴基和镍基合金粉末价格昂贵，因此铁基合金粉末材料应用较多。铁基复合材料相对于传统的耐磨材料来说，具有良好的韧性、塑性，可以作为耐磨材料的首选。目前常用的铁基复合材料的耐磨性相主要是WC和TiC，但如果采用WC基金属陶瓷作为耐磨相，则存在耐磨性相对较低、抗裂能力差等不足。而采用TiC基金属陶瓷作为耐磨相虽具有密度低，弹性模量、硬度和强度高，高温抗氧化性、耐蚀性和耐磨性好的优点，但是由于TiC基金属陶瓷的焊接性、与胎体金属的润湿性均较差，堆焊时熔池的流动性不好，导致成形不良，另外堆焊层在长时间使用时易出现裂纹。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料。
本发明的含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料成分按重量百分比为铬铁25～50％，钛铁1～10％，钒铁1～10％，稀土材料0.1～5％，硼铁1～7％，钼铁0.4～8％，铝粉0.5～5％，镍铁0.4～7％，粉末材料0.1～10％，钠钾水玻璃8～15％，炭黑0.1～5％，余量为铁，粒度为70～140目；所述的粉末材料为TiC粉末、TiN粉末、WC粉末、TaC粉末中的一种或两种以上的混合物；所述的稀土材料为La、Ce、Y、Eu、LaO、CeO、YO、EuO中的一种或两种以上的混合物。
上述的高耐磨堆焊合金材料的制备方法是：将粒度在70～140目的铬铁、钛铁、钒铁、稀土材料、硼铁、钼铁、铝粉、镍铁、粉末材料、钠钾水玻璃、炭黑和铁粉按上述配比混合均匀，然后置于模具中压制成块，自然风干至少24h，然后在50～60℃条件下烘干0.5～1h，再升温至150～300℃条件下保温1～5h。
本发明的高耐磨堆焊合金材料优选成分之一是按重量百分比为铬铁25～30％，钛铁1～5％，钒铁1～5％，硼铁1～5％，钼铁0.4～5％，铝粉0.5～4％，镍铁1～7％，粉末材料0.2～10％，钠钾水玻璃8～10％，炭黑0.1～5％，稀土材料0.1～2％，余量为铁，粒度为70～140目；其中稀土材料为LaO，其中粉末材料为TiN粉末和TiC粉末，TiN粉末的重量含量为0.1～5％，TiC粉末的重量含量为0.1～5％。该优选成分的堆焊合金材料适用于碳弧堆焊。
本发明的高耐磨堆焊合金材料优选成分之二是按重量百分比为铬铁40～50％，钛铁2～8％，钒铁2～8％，硼铁2～5％，钼铁1～5％，铝粉1～5％，镍铁1～7％，TiN粉末0.1～5％，钠钾水玻璃10～15％，炭黑0.1～5％，稀土材料0.2～5％，余量为铁，粒度为70～140目；其中稀土材料为CeO。该优选成分的堆焊合金材料适用于等离子弧堆焊。
本发明的高耐磨堆焊合金材料具有很高的抗磨粒磨损性能的原理是：
1、以铬的碳硼化合物及Ti、V的C、N化合物等复相金属陶瓷为硬质相，其显微硬度在HV1600～3200之间，大量的碳硼化合物及金属C、N化合物均匀、弥散地分布在合金基体中，当磨粒对其表面进行磨损时，碳硼化合物及C、N化合物起耐磨骨架作用。
2、加入稀土氧化物后，虽然稀土氧化物具有较高的稳定性，但仍有一部分在高温电弧作用下分解形成活性离子，吸附在晶核原子表面，阻碍晶核在较大过冷度下的快速长大；还有一部分稀土氧化物作为夹杂物成为非均匀形核的核心，促进胎体金属的形核，从而起到细晶变质作用。另外由于界面处存在大量的缺陷(位错、晶界)，使稀土原子首先在表面缺陷处吸附，同时还将大量的Ni、V、Ti、C、Cr等原子也带到这些缺陷处，大大降低该处基体的表面能，从而使成核部位增加。大量的原子被吸附在基体表面上，有效地阻止了晶核的继续长大，这样就促使细晶结构的形成。形成这些物相后不仅提高界面的抗冲击性能和结合强度，也改善了胎体金属对碳化物的润滑性，使胎体金属与金属陶瓷能较好地结合。
3、当添加TiC、TiN时，它使组织明显细化，尤其采用纳米级的TiN作为添加剂对金属陶瓷进行改性时，可获得综合性能优异的金属陶瓷材料。纳米TiN对金属陶瓷的改性作用主要是TiN纳米粉在TiC/TiC晶界上的分布阻止了TiC晶粒的长大，使晶粒细化，达到强化、韧化的作用。
4、引入Al可以反应生成Ni3Al相，Ni3Al具有强韧化作用，可以提高材料的断裂强度和断裂韧性及耐氧化、耐腐蚀性能；向堆焊材料中添加Mo或Mo2C后，它能与TiC或TiN形成非平衡的固溶体，在TiC或TiN晶粒的外面形成一层“环形相”。这是由于Mo2C、TiC或TiN向液相中溶解后又依附于较粗的TiC或TiN颗粒上再析出形成的，由于改善了液相对TiC或TiN的润湿性，因而使TiC或TiN晶粒细化。尤其采用纳米级的TiN作为添加剂对金属陶瓷进行改性时，可获得综合性能优异的金属陶瓷材料。
采用本发明的含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料进行碳弧堆焊或等离子堆焊，操作方法简单，成本低廉，比手工堆焊耐磨焊条易获得高含碳量及高硬度、高耐磨性的堆焊层，硬质相与基体结合牢固，具有很高的抗磨粒磨损性能，应用范围十分广泛。
具体实施方式
本发明实施例中采用的铬铁、钛铁、钒铁、硼铁、钼铁、铝粉、镍铁、钠钾水玻璃(mNa2O·nK2O·xSiO2)、炭黑和铁粉为工业级产品。
本发明实施例中采用的La、Ce、Y、Eu、LaO、CeO、YO和EuO为工业级粉末产品。
本发明实施例中采用的TiC粉末，TiN粉末，WC粉末和TaC粉末为工业级产品。
实施例1
将粒度为70～140目的铬铁、钛铁、钒铁、稀土材料、硼铁、钼铁、铝粉、镍铁、粉末材料、钠钾水玻璃、炭黑和铁粉混合均匀，然后置于模具中压制成块，自然风于至少24h，然后在60℃条件下烘干1h，再升温至150℃条件下保温5h，制成含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料，其中稀土材料为LaO；其成分按重量百分比为铬铁25％，钛铁5％，钒铁5％，稀土材料2％，硼铁5％，钼铁5％，铝粉4％，镍铁7％，粉末材料10％，钠钾水玻璃10％，炭黑5％，铁13％；其中粉末材料为TiN粉末和TiC粉末的混合物，TiN粉末的重量含量为5％，TiC粉末的重量含量为5％。
采用上述材料进行碳弧堆焊，堆焊后宏观硬度为HRC61～65，堆焊层裂纹较少，与基体结合牢固。
实施例2
将粒度为70～140目的铬铁、钛铁、钒铁、稀土材料、硼铁、钼铁、铝粉、镍铁、粉末材料、钠钾水玻璃、炭黑和铁粉混合均匀，然后置于模具中压制成块，自然风干至少24h，然后在50℃条件下烘干0.5h，再升温至200℃条件下保温4h，制成含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料，其中稀土材料为LaO；其成分按重量百分比为铬铁30％，钛铁1％，钒铁1％，稀土材料0.1％，硼铁1％，钼铁0.4％，铝粉0.5％，镍铁1％，粉末材料0.2％，钠钾水玻璃8％，炭黑0.1％，余量为铁；其中粉末材料为TiN粉末和TiC粉末的混合物，TiN粉末的重量含量为0.1％，TiC粉末的重量含量为0.1％。
采用上述材料进行碳弧堆焊，堆焊后宏观硬度为HRC61～65，堆焊层裂纹较少，与基体结合牢固。
实施例3
将粒度为70～140目的铬铁、钛铁、钒铁、稀土材料、硼铁、钼铁、铝粉、镍铁、粉末材料、钠钾水玻璃、炭黑和铁粉混合均匀，然后置于模具中压制成块，自然风干至少24h，然后在60℃条件下烘干0.5h，再升温至250℃条件下保温3h，制成含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料，其中稀土材料为LaO；其成分按重量百分比为铬铁28％，钛铁3％，钒铁3％，稀土材料1％，硼铁3％，钼铁2％，铝粉1％，镍铁4％，粉末材料3％，钠钾水玻璃9％，炭黑2％，余量为铁；其中粉末材料为TiN粉末和TiC粉末的混合物，TiN粉末的重量含量为1％，TiC粉末的重量含量为2％。
采用上述材料进行碳弧堆焊，堆焊后宏观硬度为HRC61～65，堆焊层裂纹较少，与基体结合牢固。
实施例4
将粒度为70～140目的铬铁、钛铁、钒铁、稀土材料、硼铁、钼铁、铝粉、镍铁、粉末材料、钠钾水玻璃、炭黑和铁粉混合均匀，然后置于模具中压制成块，自然风干至少24h，然后在50℃条件下烘干1h，再升温至300℃条件下保温2h，制成含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料，其中稀土材料为CeO，粉末材料为TiN粉末；其成分按重量百分比为铬铁40％，钛铁8％，钒铁2％，稀土材料0.2％，硼铁5％，钼铁1％，铝粉5％，镍铁1％，粉末材料5％，钠钾水玻璃10％，炭黑5％，余量为铁。
采用上述材料进行等离子弧堆焊，堆焊后宏观硬度为HRC63～67，用于刮板运输机中板的堆焊，耐磨性能提高明显。
实施例5
将粒度为70～140目的铬铁、钛铁、钒铁、稀土材料、硼铁、钼铁、铝粉、镍铁、粉末材料、钠钾水玻璃、炭黑和铁粉混合均匀，然后置于模具中压制成块，自然风干至少24h，然后在55℃条件下烘干1h，再升温至300℃条件下保温1h，制成含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料，其中稀土材料为CeO；粉末材料为TiN粉末；其成分按重量百分比为铬铁50％，钛铁2％，钒铁8％，稀土材料5％，硼铁2％，钼铁5％，铝粉1％，镍铁7％，粉末材料0.1％，钠钾水玻璃15％，炭黑0.1％，余量为铁。
采用上述材料进行等离子弧堆焊，堆焊后宏观硬度为HRC63～67，用于刮板运输机中板的堆焊，耐磨性能提高明显。
实施例6
将粒度为70～140目的铬铁、钛铁、钒铁、稀土材料、硼铁、钼铁、铝粉、镍铁、粉末材料、钠钾水玻璃、炭黑和铁粉混合均匀，然后置于模具中压制成块，自然风干至少24h，然后在55℃条件下烘干0.5h，再升温至150℃条件下保温4h，制成含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料，其中稀土材料为CeO；粉末材料为TiN粉末；其成分按重量百分比为铬铁45％，钛铁4％，钒铁3％，稀土材料2％，硼铁4％，钼铁3％，铝粉3％，镍铁5％，粉末材料1％，钠钾水玻璃12％，炭黑3％，余量为铁。
采用上述材料进行等离子弧堆焊，堆焊后宏观硬度为HRC63～67，用于刮板运输机中板的堆焊，耐磨性能提高明显。
实施例7
将粒度为70～140目的铬铁、钛铁、钒铁、稀土材料、硼铁、钼铁、铝粉、镍铁、粉末材料、钠钾水玻璃、炭黑和铁粉混合均匀，然后置于模具中压制成块，自然风干至少24h，然后在60℃条件下烘干0.5h，再升温至200℃条件下保温3h，制成含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料，其中稀土材料为La、Ce、Y和Eu的等质量混合物；粉末材料为TiC粉末、TiN粉末、WC粉末和TaC粉末的等质量混合物；其成分按重量百分比为铬铁35％，钛铁10％，钒铁10％，稀土材料3％，硼铁7％，钼铁8％，铝粉2％，镍铁0.4％，粉末材料0.4％，钠钾水玻璃10％，炭黑2％，余量为铁。
采用上述材料分别进行等离子弧堆焊和碳弧堆焊，产品耐磨性明显提高。
实施例8
将粒度为70～140目的铬铁、钛铁、钒铁、稀土材料、硼铁、钼铁、铝粉、镍铁、粉末材料、钠钾水玻璃、炭黑和铁粉混合均匀，然后置于模具中压制成块，自然风干至少24h，然后在50℃条件下烘干1h，再升温至250℃条件下保温2h，制成含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料，其中稀土材料为LaO、CeO、YO和EuO的等质量混合物；粉末材料为TiC粉末、TiN粉末、WC粉末和TaC粉末的等质量混合物；其成分按重量百分比为铬铁40％，钛铁9％，钒铁9％，稀土材料4％，硼铁6％，钼铁7％，铝粉1％，镍铁0.5％，粉末材料0.8％，钠钾水玻璃8％，炭黑1％，余量为铁。
采用上述材料分别进行等离子弧堆焊和碳弧堆焊，产品耐磨性明显提高。
Claims (4)
1.一种含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料，其特征在于成分按重量百分比为铬铁25～50％，钛铁1～10％，钒铁1～10％，稀土材料0.1～5％，硼铁1～7％，钼铁0.4～8％，铝粉0.5～5％，镍铁0.4～7％，粉末材料0.1～10％，钠钾水玻璃8～15％，炭黑0.1～5％，余量为铁，粒度为70～140目；所述的粉末材料为TiC粉末、TiN粉末、WC粉末、TaC粉末中的一种或两种以上的混合物；所述的稀土材料为La、Ce、Y、Eu、LaO、CeO、YO、EuO中的一种或两种以上的混合物。
2.一种含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料，其特征在于优选成分按重量百分比为铬铁25～30％，钛铁1～5％，钒铁1～5％，硼铁1～5％，钼铁0.4～5％，铝粉0.5～4％，镍铁1～7％，粉末材料0.2～10％，钠钾水玻璃8～10％，炭黑0.1～5％，稀土材料0.1～2％，余量为铁，粒度为70～140目；其中稀土材料为LaO，其中粉末材料为TiN粉末和TiC粉末，TiN粉末的重量含量为0.1～5％，TiC粉末的重量含量为0.1～5％。
3.一种含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料，其特征在于优选成分铬铁40～50％，钛铁2～8％，钒铁2～8％，硼铁2～5％，钼铁1～5％，铝粉1～5％，镍铁1～7％，TiN粉末0.1～5％，钠钾水玻璃10～15％，炭黑0.1～5％，稀土材料0.2～5％，余量为铁，粒度为70～140目；其中稀土材料为CeO。
4.权利要求1所述的一种含有复相金属陶瓷的高耐磨堆焊合金材料的制备方法，其特征在于步骤为：将粒度为70～140目的铬铁、钛铁、钒铁、稀土材料、硼铁、钼铁、铝粉、镍铁、粉末材料、钠钾水玻璃、炭黑和铁粉混合均匀，混合比例按重量百分比为铬铁25～50％，钛铁1～10％，钒铁1～10％，稀土材料0.1～5％，硼铁1～7％，钼铁0.4～8％，铝粉0.5～5％，镍铁0.4～7％，粉末材料0.1～10％，钠钾水玻璃8～15％，炭黑0.1～5％，余量为铁；所述的粉末材料为TiC粉末、TiN粉末、WC粉末、TaC粉末中的一种或两种以上的混合物；所述的稀土材料为La、Ce、Y、Eu、LaO、CeO、YO、EuO中的一种或两种以上的混合物；然后置于模具中压制成块，自然风干至少24h，然后在50～60℃条件下烘干0.5～1h，再升温至150～300℃条件下保温1～5h。
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