CN102126093A - 一种铁基粉末合金及应用该合金的氩弧堆焊技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料焊接领域，具体涉及一种铁基粉末合金及应用该合金的氩弧堆焊技术。其特点是利用Fe-V、Fe-B、石墨粉末制成薄片，用钨极氩弧焊机，实现在低碳钢、低合金钢钢材表面堆焊。焊缝成形良好，无气孔、夹渣、裂纹，过渡层稀释率小，可有效用于模具、齿轮、轴端等零件修复技术。Fe-V、Fe-B、石墨粉末氩弧堆焊熔敷层组织晶粒细小，化合物弥撒分布，熔敷表面硬度可达60HRC。

Description

一种铁基粉末合金及应用该合金的氩弧堆焊技术

技术领域

本发明涉及材料焊接领域，具体涉及一种铁基粉末合金及应用该合金的氩弧堆焊技术。

背景技术

机械零部件在使用过程中通常以腐蚀、磨损等方式失效，导致工件表面外形尺寸偏差，严重影响机器的正常运行，许多生产线被迫停产以更换新的零部件，这不仅降低生产效率，且制造成本也大为提高。如石化行业故障率较高的机械设备风机、汽轮机、压缩机、烟气轮机等，以风机叶片，汽轮机高速转子、支撑瓦轴颈、隔板，压缩机转子叶轮、叶片、轴颈以及烟机叶片、轮盘零部件为主，主要失效形式为气体冲刷和腐蚀；在冶金行业许多大型齿轮是典型的“外硬内韧”零件，多由淬透性好的低碳合金钢制造，并经渗碳、渗氮、淬火等化学热处理工艺，淬硬倾向大，堆焊时注意控制热输入量，尽量减小热影响区对基体的组织影响。因此对失效工件表面进行尺寸修复和性能提高是学者研究探索的方向。

堆焊技术作为一门传统高效的表面工程技术，近年来有了许多新发展，它既可修复材料因长期服役而导致的失效部位，亦可强化材料或零件的表面，对于合理使用材料、改进产品设计、降低生产成本、实现修旧利废，以及节约资源、能源，保护环境，都具有重要意义，在国内石化和冶金行业大型重要设备的强化和修复中得到了广泛应用。

目前常用的堆焊技术有：传统焊条、埋弧焊丝极、带极堆焊技术激光堆焊和氩弧堆焊，但是传统焊条电弧焊在生产应用中存在脱渣困难等工艺问题；埋弧焊丝极、带极焊接工艺性好但只适合应用大型结构件的堆焊，对于小缺陷修复困难；激光堆焊技术成本高。

氩弧堆焊虽然堆焊效率不如传统的焊条电弧焊堆焊高，但由于氩弧堆焊属于无渣堆焊技术，在零件缺陷修复技术上却能显示快捷，方便、高效、熔敷层稀释率低、质量好、适应性强等优点。

氩弧堆焊技术近年来国内学者研究甚多，但均基于氩弧堆焊熔敷层的基础研究，如氩弧堆焊层组织和性能分析，而对氩弧堆焊工艺始终局限于将合金粉末用水玻璃做粘结剂涂覆在堆焊金属表面，经烘干再用氩弧堆焊，该工艺在实际工程应用带来困难，另外大面积的涂覆层在氩弧堆焊过程中合金粉末受堆焊温度的高温烘烤易氧化，使得堆焊质量下降。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种铁基粉末合金以及应用该合金的氩弧堆焊技术，利用Fe-V、Fe-B、石墨铁基粉末合金制成一定规格的长方形薄片，选择合适的堆焊工艺参数，直接在零件表面堆焊，改变了传统的将粉末直接涂覆在堆焊材料表面的方法，使得氩弧堆焊工艺简单、方便、快捷、焊缝成形良好，无气孔、夹渣、裂纹，堆焊质量高，熔敷层表面硬度可达60HRC。

本发明所提供的铁基粉末合金，其组分的mol比为：Fe-V∶Fe-B∶C＝1.0∶a∶b，其中，0.05≤a≤0.1，0.5≤b≤1.0。

之所以确定以上比例是因为Fe-B的mol比偏高或偏低会导致熔敷层硬度降低，C的含量偏高或偏低将影响熔敷层化合物的数量和分布形态，而Fe-V的mol比直接影响碳化物VC的数量。本发明采用的Fe-V成分为wt％为65-75％V，Al≤2.0％，Si≤1.0％，C≤0.1％，Fe余量；Fe-B成分为wt％为20-25％B，Al≤1.5％，Si≤1.0％，C≤0.1％，Mn≤0.5％，Fe余量；也可采用现有市场上其他比例的Fe-V和Fe-B合金粉末。本发明所采用的Fe-V、Fe-B合金粉末均经过球磨处理。

采用该配比的铁基粉末，由于Fe-B的mol比适中，可以使得后期焊接过程中产生的碳化物细化，改善熔敷层表面硬度，细小的碳化物弥散分布，使得表面耐磨性能改善。

这种铁基粉末合金在氩弧堆焊技术中的应用，主要是利用Fe-V、Fe-B、石墨粉末制成薄片，用钨极氩弧焊机，实现在低碳钢、低合金钢钢材表面堆焊，具体步骤为：

(1)、配置Fe-V、Fe-B、石墨铁基粉末合金，成分mol比为：Fe-V∶Fe-B∶C＝1.0∶a∶b，其中，0.05≤a≤0.1，0.5≤b≤1.0；

(2)、用水玻璃将粉末混合均匀，用胎具压制成型；

(3)、自然晾干5小时，取出薄片于60-120℃低温烘干1-2小时；

(4)、选择低碳钢、低合金钢材料进行堆焊；

(5)、焊后自然冷却。

步骤(1)中铁基粉末合金系在氩弧堆焊首次应用，将上述粉末按照比例经水玻璃混合均匀，在胎具中压制成型。所采用的水玻璃为工业硅酸钠液-2，分子式为Na₂O·3.3SiO₂，为无色、略带色的透明或半透明稠状液体，密度1.368-1.394g/cm³(20℃)，氧化钠(Na₂O)含量：≥8.2％，二氧化硅(SiO₂)含量：≥26.0％，模数：3.1-3.4。

压制成型后，因为水玻璃含水分较大，直接烘干易发生薄片膨胀开裂，所以需要自然晾干5小时，时间越长效果越好。晾干后采用低温烘干，在进一步减少水分的同时提高合金薄片的强度，烘干温度控制在60-120℃，既能保证水分充分蒸发，又避免了温度太高合金易被氧化，影响焊接质量。Fe-V、Fe-B、石墨铁基粉末合金薄片烘干后规格为：厚度1.0-1.5mm，宽度8-10mm，长度30-50mm。合金的宽度和长度主要取决于修复缺陷的尺寸以及焊接过程中合金不出现氧化现象为准，相对尺寸可以有较大的变化，但是厚度范围应控制在1.0-1.5mm。因为厚度将影响氩弧堆焊过程熔化速度，太厚合金难以熔化，太薄则融化速度过快，同时氩气容易吹起薄片，导致无法焊接。

将上述制得的合金在低碳钢、低合金钢材料表面进行堆焊。堆焊工艺参数为：氩气流量5-6L/min，钨极直径3.0mm，焊接电流125-135A，电压15-18V，焊接速度2-5mm/s。氩气流量5-6L/min，是根据上述合金薄片尺寸所限定，太小氩气保护效果不好，太大薄片吹离焊接区。焊接电流太小合金薄片难于溶解，太大熔敷层组织粗大，脆性增加，所以控制为125-135A。焊接速度2-5mm/s是因为焊接速度过快熔池冷却速度加快，熔池冶金反应不充分，组织不均匀。堆焊完毕，室温冷却即可。

由于低碳钢和低合金钢基体组织是珠光体和铁素体，堆焊后熔敷层组织是弥撒分布的碳化物和珠光体、铁素体，形成了硬质点和软基体，将有效提高熔敷层的耐磨性；低合金钢因Mn元素起固溶强化和提高淬透性作用，使得基体组织出现少量马氏体组织，因而硬度略有增加。

由于Fe-B铁基粉末的加入，使得氩弧堆焊熔敷层形成细小的碳化物组织，使得熔敷层表面硬度上升。由于细小的碳化物弥散分布于珠光体和铁素体基体上，使的表面耐磨性能改善。

综上所述，本发明提供了一种新型的铁基粉末合金，并将其制成合金薄片首次应用于氩弧堆焊技术中，该铁基合金薄片可重复堆焊，获得多层多道堆焊层，且焊缝稀释率低，焊缝外观成形好，无气孔、夹渣、裂纹等，而且避免了堆焊过程中合金粉末受高温烘烤易氧化问题。堆焊后，熔敷层组织碳化物弥散分布，熔敷层表面平均硬度可达60HRC。另外，该方法设备投资少，工艺简单，工人操作无需像有芯焊丝氩弧焊那样一手拿焊枪一手拿焊丝，只需将铁基合金薄片放到需修复合适部位引弧焊接即可，减轻了工人的劳动强度。

具体实施方式：

实施例1

一种铁基粉末合金，其主要成分为：其组分的mol比为：Fe-V∶Fe-B∶C＝1.0∶0.05∶1.0；其中，Fe-V成分为wt％为65％V，2.0％Al，0.5％Si，0.01％C，Fe余量；Fe-B成分为wt％为25％B，0.5％Al，1.0％Si，0.01％C，0.5％Mn，Fe余量。

将上述铁基粉末合金应用于氩弧堆焊技术中，具体步骤为：

(1)、配置Fe-V、Fe-B、石墨铁基粉末合金，成分mol比为：Fe-V∶Fe-B∶C＝1.0∶0.05∶1.0；

(2)、用水玻璃将粉末混合均匀，在胎具压制成型；

(3)、自然晾干5小时，取出薄片60℃低温烘干2小时；

(4)、选择Q235(低碳钢)、Q345(低合金钢)材料进行堆焊；

(5)、焊后自然冷却。

实施例2

一种铁基粉末合金，其主要成分为：其组分的mol比为：Fe-V∶Fe-B∶C＝1.0∶0.08∶0.5；其中，Fe-V成分为wt％为75％V，1.0％Al，1.0％Si，0.05％C，Fe余量；Fe-B成分为wt％为20％B，1.0％Al，0.5％Si，0.1％C，0.3％Mn，Fe余量。

将上述铁基粉末合金应用于氩弧堆焊技术中，具体步骤为：

(1)、配置Fe-V、Fe-B、石墨铁基粉末合金，成分mol比为：Fe-V∶Fe-B∶C＝1.0∶0.08∶0.5；

(2)、用水玻璃将粉末混合均匀，在胎具压制成型；

(3)、自然晾干5小时，取出薄片120℃低温烘干1.5小时；

(4)、选择Q235(低碳钢)、Q345(低合金钢)材料进行堆焊；

(5)、焊后自然冷却。

实施例3

一种铁基粉末合金，其主要成分为：其组分的mol比为：Fe-V∶Fe-B∶C＝1.0∶0.1∶0.8；其中，Fe-V成分为wt％为70％V，1.5％Al，0.2％Si，0.1％C，Fe余量；Fe-B成分为wt％为22.5％B，1.5％Al，0.1％Si，0.05％C，0.1％Mn，Fe余量。

将上述铁基粉末合金应用于氩弧堆焊技术中，具体步骤为：

(1)、配置Fe-V、Fe-B、石墨铁基粉末合金，成分mol比为：Fe-V∶Fe-B∶C＝1.0∶0.1∶0.8；

(2)、用水玻璃将粉末混合均匀，在胎具压制成型；

(3)、自然晾干5小时，取出薄片90℃低温烘干1小时；

(4)、选择Q235(低碳钢)、Q345(低合金钢)材料进行堆焊；

(5)、焊后自然冷却。

上述三种实施方法测得氩弧堆焊熔敷层表面平均硬度分别为60.1HRC、62.0HRC、61.0HRC、63.4HRC、60.0HRC、61.5HRC。

比较例

比较例1-3为未加Fe-B粉末合金氩弧堆焊。

比较例1

(1)、配置Fe-Ti、石墨铁基粉末合金，成分mol比为：Fe-Ti∶C＝0.5∶1.0；

(2)、用水玻璃将粉末混合均匀，在胎具压制成型；

(3)、自然晾干5小时，取出薄片60℃低温烘干2小时；

(4)、选择Q235(低碳钢)、Q345(低合金钢)材料进行堆焊；

(5)、焊后自然冷却。

比较例2

(1)、配置Fe-Cr、石墨铁基粉末合金，成分mol比为：Fe-Cr∶C＝0.5∶1.0；

(2)、用水玻璃将粉末混合均匀，在胎具压制成型；

(3)、自然晾干5小时，取出薄片120℃低温烘干1.5小时；

(4)、选择Q235(低碳钢)、Q345(低合金钢)材料进行堆焊；

(5)、焊后自然冷却。

比较例3

(1)、配置Fe-V、石墨铁基粉末合金，成分mol比为：Fe-V∶C＝0.5∶1.0；

(2)、用水玻璃将粉末混合均匀，在胎具压制成型；

(3)、自然晾干5小时，取出薄片90℃低温烘干1小时；

(4)、选择Q235(低碳钢)、Q345(低合金钢)材料进行堆焊；

(5)、焊后自然冷却。

上述比较例1、2、3氩弧堆焊熔敷层表面平均硬度分别为52.4HRC、53.2HRC、53.0HRC、54.3HRC、54.6HRC、56.1HRC。

从上述表格数据可以看出，实施1-3中Fe-V、Fe-B、石墨铁基粉末合金氩弧堆焊熔敷层表面硬度均超过60HRC，由于低碳钢和低合金钢基体组织是珠光体和铁素体，堆焊后熔敷层组织是弥撒分布的碳化物和珠光体、铁素体，形成了硬质点和软基体，将有效提高熔敷层的耐磨性。低合金钢因Mn元素起固溶强化和提高淬透性作用，使得基体组织出现少量马氏体组织，因而硬度略有增加。

比较例1-3是未加Fe-B铁基粉末合金，在熔敷层中也能获得合金化合物，但硬度均小于60HRC，虽然比基体母材硬度提高了许多，且也获得碳化物，但碳化物组织较粗大，脆性大，容易导致硬质点脱落，使得熔敷层耐磨性下降。

因此，由于Fe-B铁基粉末的加入，使得氩弧堆焊熔敷层形成细小的碳化物组织，使得熔敷层表面硬度上升。由于细小的碳化物弥散分布于珠光体和铁素体基体上，使得表面耐磨性能改善。

Claims (5)

1.一种铁基粉末合金，其特征在于：其组分的mol比为：Fe-V∶Fe-B∶C＝1.0∶a∶b，其中，0.05≤a≤0.1，0.5≤b≤1.0。

2.根据权利要求1所述的铁基粉末合金，其特征在于：所述的Fe-V成分为wt％为65-75％V，Al≤2.0％，Si≤1.0％，C≤0.1％，Fe余量；

所述的Fe-B成分为wt％为20-25％B，Al≤1.5％，Si≤1.0％，C≤0.1％，Mn≤0.5％，Fe余量。

3.如权利要求1所述的铁基粉末合金在氩弧堆焊技术中的应用，其特征在于：利用Fe-V、Fe-B、石墨粉末制成薄片，用钨极氩弧焊机，实现在低碳钢、低合金钢钢材表面堆焊，具体步骤为：

(1)、配置Fe-V、Fe-B、石墨铁基粉末合金，成分mol比为：Fe-V∶Fe-B∶C＝1.0∶a∶b，其中，0.05≤a≤0.1，0.5≤b≤1.0；

(2)、用水玻璃将粉末混合均匀，用胎具压制成型；

(3)、自然晾干5小时，取出薄片于60-120℃低温烘干1-2小时；

(4)、选择低碳钢、低合金钢材料进行堆焊；

(5)、焊后自然冷却。

4.根据权利要求3所述的铁基粉末合金在氩弧堆焊技术中的应用，其特征在于：步骤(3)中所述的Fe-V、Fe-B、石墨铁基粉末合金薄片烘干后规格为：厚度1.0-1.5mm，宽度8-10mm，长度30-50mm。

5.根据权利要求3所述的铁基粉末合金在氩弧堆焊技术中的应用，其特征在于：步骤(4)中所述的堆焊工艺参数：氩气流量5-6L/min，钨极直径3.0mm，焊接电流125-135A，电压15-18V，焊接速度2-5mm/s。