CN102151937B - 原位合成金属基复合材料堆焊层的自蔓延高温合成方法 - Google Patents
原位合成金属基复合材料堆焊层的自蔓延高温合成方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了属于焊接技术领域的一种原位合成金属基复合材料堆焊层的自蔓延高温合成方法。该方法是通过平铺在待堆焊工件表面上的增强焊剂和铝热焊剂发生原位反应而直接形成金属基复合材料堆焊层。本发明实现了一种不需借助任何设备和外加能源的堆焊作业方法，可十分方便、快速的获得大面积的堆焊层；同时将铝热反应和自蔓延高温合成相结合，提供了一种原位合成金属基复合材料堆焊层的新方法。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种金属基复合材料堆焊层的自蔓延高温合成方法。
背景技术
堆焊是用焊接的方法在工件表面堆覆一层具有一定性能材料的工艺过程，目的是增加零件的耐磨、耐热、耐腐蚀等方面的性能。堆焊是焊接技术领域的一个重要的分支，在国民经济的各个部门都有广泛的应用。在一些工业发达国家，每年堆焊在零件上的金属多达数万吨。随着我国大型成套装备制造技术的发展，堆焊技术已广泛应用于矿山机械、冶金、农机、建筑、电力、运载车辆、石油化工、核动力等领域。
凡是属于熔焊的方法都可用于堆焊。随着科技的进步，堆焊方法也不断发展，目前已有很多种堆焊方法，包括手工电弧堆焊，氧乙炔焰堆焊，埋弧自动堆焊，气体保护堆焊，等离子弧堆焊，电渣堆焊，振动电弧堆焊等。其中应用最广泛的是手工电弧堆焊和氧乙炔焰堆焊。随着堆焊技术的日益广泛应用，人们总是希望堆焊的效率尽可能高，而且随着堆焊件尺寸的增大，更迫切要求高效率的堆焊方法。但就上述这些堆焊方法而言，目前存在的最大的问题是效率低下，均难以实现大面积的快速堆焊作业。
金属基复合材料是陶瓷增强体复合到金属或合金基体中。因此，它既具有金属的塑性和韧性，同时又具有陶瓷的高强度和高模量的特点。近年来，金属基复合材料在许多领域也越来越得到广泛的应用，尤其是在高温和耐磨工况条件下。然而，在堆焊领域，传统的堆焊工艺均难以获得金属基复合材料的堆焊层。采用热喷涂、激光熔覆等技术获得金属基复合材料堆焊层往往制备工艺复杂，设备昂贵，过程难以控制且获得的堆焊层厚度也较小。除此之外，在这些技术中陶瓷增强体往往是以混料的方式直接引入金属基体中的。而采用这种方式引入的陶瓷相增强体的尺寸受原料尺寸的限制，往往在几微米至几十微米之间，很少小于1微米。而且增强体与基体的润湿性差，界面结合强度不高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述不足，提供一种经济而快速的堆焊方法，且可以方便的获得原位合成的金属基复合材料的堆焊层。
本发明的堆焊过程如下：堆焊时首先在待堆焊的工件表面平铺上一层增强焊剂，之后再在增强焊剂上平铺上铝热焊剂。焊剂四周用封箱泥包裹密封，堆焊时只需将焊剂点燃便能在工件表面形成一层金属基复合材料的堆焊层。
金属基复合材料堆焊层的实现过程如下：首先将上层的铝热焊剂点燃，引发3CuO+2Al＝3Cu+Al2O3、Fe2O3+2Al＝2Fe+Al2O3、3NiO+2Al＝3Ni+Al2O3铝热强放热反应。铝热反应的产物包含熔融的金属相和Al2O3陶瓷相，其中Al2O3陶瓷相在造渣剂和重力的作用下自动与金属相分离。密度较轻的陶瓷相上浮，密度较重的金属相下沉。而下沉的高温金属液又将融化铝热焊剂下层增强焊剂中的金属颗粒，同时引发增强焊剂中的Ti+C＝TiC、Ti+2B＝TiB2、B4C+3Ti＝2TiB2+TiC、3B2O3+3TiO2+10Al＝3TiB2+5Al2O3的自蔓延高温合成反应。反应后的TiC、TiB2和Al2O3产物将弥散分布在金属液中，同时高温的金属液将融化待堆焊面的金属。在随后的冷却过程中形成含TiC、TiB2和Al2O3弥散增强的金属基复合堆焊层。
本发明的有益效果为：
(1)本发明采用直接将焊剂堆放在待堆焊工件表面进行堆焊，这与传统的铝热焊接不同。传统的铝热焊接由于一般都需要借助于坩埚等辅助设备，焊接过程繁琐，因而限制了其大规模的应用。本发明真正实现了一种不需借助任何设备和外加能源的堆焊作业方法，可十分方便、快速的获得大面积的堆焊层。
(2)本发明将铝热反应和自蔓延高温合成相结合，提供了一种原位合成金属基复合材料堆焊层的新方法。
具体实施方式
本发明提供了一种金属基复合材料堆焊层的自蔓延高温合成方法，下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种原位合成金属基复合材料堆焊层的自蔓延高温合成方法，焊剂由铝热焊剂和增强焊剂构成，其中组成铝热焊剂的成分及各成分质量占铝热焊剂总质量的百分数为：CuO粉：53％、NiO粉：8％、Al粉：13％，构成造渣剂的成分及各成分质量占铝热焊剂总质量的百分数为：B2O3粉：13％、SiO2粉：9％、CaO粉：2％，构成合金剂的成分及各成分质量占铝热焊剂总质量的百分数为：V粉：1％、Mn粉：1％，所用原料粒径均小于100μm；其中组成增强焊剂的成分及各成分质量占增强焊剂总质量的百分数为：Cu粉：60％，Ti粉：32％，C粉：8％，所用原料粒径均小于100μm。
堆焊的具体实施过程如下：首先在面积为10×5cm的钢板表面堆放上3g增强焊剂，之后在其上堆放上80g铝热焊剂。焊剂四周用封箱泥密封。将焊剂点燃，反应后即在钢板表面形成一层TiC弥散增强Cu-Ni基复合材料堆焊层。
实施例2
一种原位合成金属基复合材料堆焊层的自蔓延高温合成方法，焊剂由铝热焊剂和增强焊剂构成，其中组成铝热焊剂的成分及各成分质量占铝热焊剂总质量的百分数为：CuO粉：48％、NiO粉：11％、Al粉：15％，构成造渣剂的成分及各成分质量占铝热焊剂总质量的百分数为：B2O3粉：14％、SiO2粉：8％、CaO粉：1％，构成合金剂的成分及各成分质量占铝热焊剂总质量的百分数为：V粉：2％、Mn粉：1％，所用原料粒径均小于100μm；其中组成增强焊剂的成分及各成分质量占增强焊剂总质量的百分数为：Cu粉：50％，Ti粉：34％，B粉：16％，所用原料粒径均小于100μm。
堆焊的具体实施过程如下：首先在面积为10×5cm的钢板表面堆放上2g增强焊剂，之后在其上堆放上40g铝热焊剂。焊剂四周用封箱泥密封。将焊剂点燃，反应后即在钢板表面形成一层TiB2弥散增强Cu-Ni基复合材料堆焊层。
实施例3
一种原位合成金属基复合材料堆焊层的自蔓延高温合成方法，焊剂由铝热焊剂和增强焊剂构成，其中组成铝热焊剂的成分及各成分质量占铝热焊剂总质量的百分数为：CuO粉：50％、NiO粉：10％、Al粉：14％，构成造渣剂的成分及各成分质量占铝热焊剂总质量的百分数为：B2O3粉：12％、SiO2粉：10％、CaO粉：1％，构成合金剂的成分及各成分质量占铝热焊剂总质量的百分数为：V粉：2％、Mn粉：1％，所用原料粒径均小于100μm；其中组成增强焊剂的成分及各成分质量占增强焊剂总质量的百分数为：Cu粉：65％，Ti粉：25％，B4C粉：10％，所用原料粒径均小于100μm。
堆焊的具体实施过程如下：首先在面积为10×5cm的钢板表面堆放上4g增强焊剂，之后在其上堆放上70g铝热焊剂。焊剂四周用封箱泥密封。将焊剂点燃，反应后即在钢板表面形成一层TiB2/TiC弥散增强Cu-Ni基复合材料堆焊层。
实施例4
一种原位合成金属基复合材料堆焊层的自蔓延高温合成方法，焊剂由铝热焊剂和增强焊剂构成，其中组成铝热焊剂的成分及各成分质量占铝热焊剂总质量的百分数为：Fe2O3粉：50％、NiO粉：5％、Al粉：17％，构成造渣剂的成分及各成分质量占铝热焊剂总质量的百分数为：B2O3粉：15％、SiO2粉：10％、CaO粉：1％，构成合金剂的成分及各成分质量占铝热焊剂总质量的百分数为：V粉：1％、Mn粉：1％，所用原料粒径均小于100μm；其中组成增强焊剂的成分及各成分质量占增强焊剂总质量的百分数为：Cu粉：45％，Al粉：21％，B2O3粉：16％，TiO2粉：18％，所用原料粒径均小于100μm。
堆焊的具体实施过程如下：首先在面积为10×5cm的钢板表面堆放上2g增强焊剂，之后在其上堆放上60g铝热焊剂。焊剂四周用封箱泥密封。将焊剂点燃，反应后即在钢板表面形成一层TiB2/Al2O3弥散增强Fe基复合材料堆焊层。
Claims (2)
1.一种原位合成金属基复合材料堆焊层的自蔓延高温合成方法，其特征在于，所述金属基复合材料的堆焊层是由一层铝热焊剂和一层增强焊剂原位反应而成，包括以下步骤：
(1)在待堆焊的工件表面平铺上一层增强焊剂；
所述增强焊剂的成分及各成分占增强焊剂总质量的质量百分数为：
Cu粉：40～80％，Ti粉：48～16％，C粉：12～4％，
其中Ti粉与C粉摩尔比为1∶1；
或Cu粉：40～80％，Ti粉：41～14％，B粉：19～6％，
其中Ti粉与B粉摩尔比为1∶2；
或Cu粉：40～80％，Ti粉：43～14％，B4C粉：17～6％，
其中Ti粉与B4C粉摩尔比为3∶1；
或Cu粉：40～80％，Al粉：23～8％，B2O3粉：17～5％，TiO2粉：20～7％，
其中Al粉、B2O3粉与TiO2粉摩尔比为10∶3∶3；
(2)在增强焊剂上平铺铝热焊剂，焊剂四周用封箱泥包裹密封；所述铝热焊剂由铝热剂、造渣剂和合金剂组成；
构成铝热剂的成分及各成分占铝热焊剂总质量的质量百分数为：CuO或Fe2O3粉：40～60％、NiO粉：5～15％、Al粉：10～17％；
构成造渣剂的成分及各成分占铝热焊剂总质量的质量百分数为：B2O3粉：10～15％、SiO2粉：5～10％、CaO粉：1～5％、CaF2粉：1～5％，
构成合金剂的成分及各成分占铝热焊剂总质量的质量百分数为：V粉：0.5～2％、Mn粉：0.5～2％，铝热焊剂各成分质量百分比之和为100％；
(3)堆焊时将铝热焊剂点燃引发反应，反应结束后便能在工件表面形成一层金属基复合材料的堆焊层。
2.根据权利要求1所述的一种原位合成金属基复合材料堆焊层的自蔓延高温合成方法，其特征在于，所述铝热焊剂与增强焊剂的质量比为10∶1～30∶1。
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