CN102785003A

CN102785003A - 一种堆焊铁基表面复合材料的方法

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Publication number: CN102785003A
Application number: CN2012102612338A
Authority: CN
Inventors: 陈刚; 杨涛; 孔传龙; 赵玉涛
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: CN102785003B

Abstract

一种堆焊铁基表面复合材料的方法，其特征在于：通过化学镀方法对电熔锆刚玉颗粒化学镀镍，然后采用化学镀镍的电熔锆刚玉颗粒制作成焊丝，通过自动电弧焊在钢铁材料基底上堆焊电熔锆刚玉颗粒增强铁基表面复合材料，堆焊完一层后，待堆焊层冷却到200℃以下，再堆焊另一层，直到获得指定厚度的复合材料堆焊层。该方法工艺容易实现，所形成的铁基复合材料增强颗粒体积分数可以有效控制，电熔锆刚玉颗粒与基体合金界面结合良好，能显著提高耐磨材料的使用寿命。

Description

一种堆焊铁基表面复合材料的方法

技术领域

本发明涉及铁基复合材料，具体而言为涉及一种采用堆焊方法制备铁基表面复合材料的方法。

背景技术

不同的辊式煤磨和辊式原料磨的工作原理是，多个磨辊在磨盘上均匀分布并在上面转动，煤粉或原料在磨辊和磨盘之间咬入，从而被挤压、研磨而粉碎；高铬铸铁铸件曾是磨辊及磨盘衬板的理想材料，但是由于高铬铸铁材料的厚度大，工件淬透性、耐磨性都不理想，且高铬铸铁优良耐磨性的利用仅限于有效截面在100～140mm的铸件上，这对整个耐磨件而言是一种浪费，不仅增加了生产运营成本，也是对贵金属资源的利用不当；高铬铸铁铸造磨辊失效的主要原因有两个：一是硬度过高，碳及铬的含量越高硬度也会越高，产品耐磨，但因为高铬铸件的冲击应力低，增大了磨辊断裂的可能性；二是硬度的均匀问题，当浇铸后出的高铬铸铁以热处理方法提高硬度时，如果硬度的均匀度差异太大（维氏硬度差大于HV30），则会产生断裂；堆焊过程可以解决这一难题，它将铸造过程微观化、微细化，通过堆焊每个微观熔池都很容易达到最终工件要求的强度、硬度、韧性等性能指标。

随着硬面堆焊技术的推广应用，目前水泥行业已经广泛接受采用堆焊方式对磨机耐磨件进行堆焊再制造或者堆焊复合制造，以获得更高的耐磨性能，更长的使用寿命，从而减少设备维修费用及时间，减少备件购置支出，可大幅度提高产品的性能及附加值；高铬铸铁型硬面材料由于含有大量的M7C3型碳化物而具有较好的耐磨、耐热性能，在常温和高温冲击磨损条件下具有较高的实用价值，同时该类材料价格低廉，因此广泛应用于矿山、冶金、机械等行业；这些硬面材料磨损失效后，通常会采用药芯焊丝堆焊修复的方法恢复其尺寸与性能，在耐磨堆焊修复中，大多选用Fe-Cr-C型耐磨堆焊合金，因为其组织中含有大量的初生及共晶碳化物，具有较高的耐磨性，可有效延长磨辊的使用寿命。

耐磨件的堆焊复合制造方法是以铸钢为材质铸造磨辊/盘衬板胎体，根据成品设计规格预留30%～50%的尺寸作为耐磨堆焊层，然后采用堆焊熔敷方式将复合碳化物耐磨层熔敷于磨辊/盘衬板胎体之上，直至堆焊到成品设计规格；由于铸钢的良好韧性，这种方法制造的耐磨件完全没有断裂的风险，而且因为堆焊层的硬度较高，约HRC58-60，且Cr7C3金相组织较佳，所以比高铬铸铁更为耐磨，但堆焊复合制造耐磨件的方法也存在耐磨层的剥落风险：一是耐磨层与母材铸钢间的剥离；二是耐磨层之间的剥离；一般耐磨层越厚剥落的可能性越高，要想降低剥落风险，在堆焊层厚度设计、焊丝的选择、施工工艺和施工操作上都需要严格控制。

由于碳化物在基体中数量以及分布形态的差异，使堆焊工件的使用寿命远远高于铸造件，约为铸件的1.3～1.8倍；然而，尽管堆焊层比高铬铸铁铸件耐磨，但是却不如铁基表面复合材料，铁基表面复合材料是在钢铁材料表面通过特定工艺复合一定厚度的陶瓷颗粒层而形成的颗粒增强铁基复合材料，目前铁基表面复合材料往往采用熔体浸渗方法生产，由于陶瓷颗粒与基体的结合问题以及陶瓷颗粒的有效加入问题，目前还难以实现堆焊；因此迫切需要解决铁基表面复合材料界面结合的技术难题，实现铁基复合材料的堆焊。

发明内容

本发明提出一种堆焊铁基表面复合材料的方法，其原理是：在制作管状堆焊焊丝的过程中，将化学镀镍的电熔锆刚玉颗粒加入到弯成U形的低碳钢带中，并均匀装入药剂，然后机械压合形成拉拔成焊丝；采用上述焊丝进行堆焊，在堆焊过程中，碳钢带和药剂熔化形成耐磨铁基合金，同时将电熔锆刚玉颗粒表面的化学镀镍层熔化，使铁基合金与电熔锆刚玉颗粒复合形成铁基复合材料堆焊层；由于高电熔锆刚玉不仅耐磨性好而且具有较好的韧性，即使颗粒尺寸大于200μm甚至达到1mm以上仍然不容易破碎，因此加入电熔锆刚玉颗粒可以显著提高所得复合材料中高耐磨材料的体积分数，从而提高耐磨性；同时，由于化学镀镍层的存在，有效促进了铁基合金与电熔锆刚玉颗粒之间的界面结合，使堆焊的铁基复合材料层结合更好，性能更稳定。

本发明提出的堆焊铁基表面复合材料的方法，具体而言为：通过化学镀方法对电熔锆刚玉颗粒化学镀镍，然后采用化学镀镍的电熔锆刚玉颗粒制作成焊丝，通过自动电弧焊在钢铁材料基底上堆焊电熔锆刚玉颗粒增强铁基复合材料，堆焊完一层后，待堆焊层冷却到200℃以下，再堆焊另一层，直到获得指定厚度的复合材料堆焊层。

所述的电熔锆刚玉颗粒，是指尺寸范围为0.2~2.0mm的电熔锆刚玉颗粒，是通过电熔、浇注、冷却、破碎、筛分的工艺流程制备出来的锆刚玉颗粒。

所述的对电熔锆刚玉颗粒化学镀镍，是指对电熔锆刚玉颗粒表面施镀镍层，镀层的厚度控制在0.5~5μm，施镀过程通过常规的除油-粗化-中和-活化-还原-化学镀-钝化流程实现。

所述的制作成焊丝，是指焊丝由低碳钢带、药芯材料以及化学镀镍的电熔锆刚玉颗粒组成；焊丝的制作步骤包括药芯材料准备、低碳钢带轧制成U形槽、往低碳钢带U形槽中填充药芯材料及化学镀镍的电熔锆刚玉颗粒、包合低碳钢带外皮、拉拔成直径3.0~4.0mm的管状焊丝；其中药芯材料由片状石墨、高碳铬铁、硅铁、中碳锰铁、钼铁、钒铁、镁粉和铁粉组成；硅铁、铬铁、锰铁制成细粒状，在使用前进行钝化处理；电熔锆刚玉颗粒以及镁粉、铁粉的加入量由最终获得的铁基复合材料中所要求的电熔锆刚玉颗粒的体积分数决定，要求的电熔锆刚玉颗粒体积分数越高，电熔锆刚玉颗粒加入量越大，同时在焊丝药芯材料中镁粉、铁粉的加入量越小；堆焊后，药芯材料和低碳钢带将形成铁基复合材料层的基体部分，并且保证其化学成分为C4.5~5.5wt.%、Si1.0~2.0wt.%、Mn2.0~3.0wt.%、Cr25.0~29.0 wt.%、Mo1.5~2.5wt.%、V1.0~1.5wt.%，其余为Fe；堆焊过程中，化学镀镍的电熔锆刚玉颗粒分布在铁基复合材料层的基体部分中，电熔锆刚玉颗粒的镀镍层与基体部分融合，从而保证形成的铁基复合材料层中电熔锆刚玉颗粒与基体界面结合良好。

所述的在钢铁材料基底上堆焊，是指在碳钢或者球墨铸铁、高铬铸铁基底上通过电弧熔化焊将焊丝材料熔覆在碳钢或者球墨铸铁、高铬铸铁基底上。

所述的电熔锆刚玉颗粒增强铁基复合材料，是指通过堆焊工艺形成的电熔锆刚玉颗粒体积分数为25~60%的以高碳高铬铸铁为基体的复合材料。

本发明提出的堆焊铁基表面复合材料的方法，所涉及的化学镀镍合金和堆焊工艺均相对成熟，容易实现，通过该方法形成的复合材料耐磨颗粒体积分数可以有效控制，增强颗粒与铁基复合材料层的基体部分之间的界面结合强，可望显著提高耐磨材料的使用寿命。

附图说明

图1为堆焊铁基表面复合材料的宏观照片；

图2为堆焊铁基表面复合材料与碳钢基底交界部分的照片；

图3为堆焊铁基表面复合材料的显微组织照片。

具体实施方式

本发明可以根据以下实例实施，但不限于以下实例，在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义，应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围，在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

实施例1

选用通过电熔-浇注-冷却-破碎-筛分工艺生产的锆刚玉颗粒，其平均尺寸为1.5mm，通过常规的除油-粗化-中和-活化-还原-化学镀-钝化流程，对电熔锆刚玉颗粒表面施镀镍层，镀层的厚度控制在2μm，通过药芯材料准备-低碳钢带轧制成U形-药芯材料及化学镀镍电熔锆刚玉颗粒填充-外皮包合-拉拔成形-再拉拔至最终焊丝的工艺流程制作管状焊丝，其中药芯材料由片状石墨、高碳铬铁、硅铁、中碳锰铁、钼铁、钒铁、镁粉和铁粉组成，硅铁、铬铁、锰铁在使用前进行钝化处理，管状焊丝直径控制在3.5mm；通过自动电弧焊在碳钢基底上通过自动喂丝将焊丝材料熔覆在碳钢基底上，堆焊出电熔锆刚玉颗粒增强铁基表面复合材料，边堆焊边水冷，堆焊完一层后，待堆焊层冷却到190℃，再堆焊另一层，直到获得30mm厚的复合材料堆焊层。

图1为堆焊铁基表面复合材料的宏观照片，图2为堆焊铁基表面复合材料与碳钢基底交界部分的照片，图3为堆焊铁基表面复合材料的显微组织照片。

从图1可以看出铁基表面复合材料堆焊表面良好，从图2、图3可以看出，锆刚玉颗粒与铁合金基体之间、堆焊铁基复合材料与碳钢基底之间的界面结合良好；锆刚玉颗粒尺寸大约为1.5mm，在基体上均匀分布，体积分数约为60%。复合材料基体部分的化学成分为C5.5wt.%、Si1.0wt.%、Mn3.0wt.%、Cr29.0wt.%、Mo2.5wt.%、V1.5wt.%，其余为Fe；耐磨试验表明，在压应力为80MPa，滑动磨损速率为80m/s时，以砂轮为对磨材料磨损30min，所制备的铁基复合材料的磨损失重为高铬堆焊层的35%。

实施例2

选用通过电熔-浇注-冷却-破碎-筛分工艺生产的锆刚玉颗粒，其平均尺寸为0.2mm，通过常规的除油-粗化-中和-活化-还原-化学镀-钝化流程，对电熔锆刚玉颗粒表面施镀镍层，镀层的厚度控制在0.5μm，通过药芯材料准备-低碳钢带轧制成U形-药芯材料及化学镀镍电熔锆刚玉颗粒填充-外皮包合-拉拔成形-再拉拔至最终焊丝的工艺流程制作管状焊丝，其中药芯材料由片状石墨、高碳铬铁、硅铁、中碳锰铁、钼铁、钒铁、镁粉和铁粉组成，硅铁、铬铁、锰铁在使用前进行钝化处理，焊丝直径控制在3.0mm，通过自动电弧焊在碳钢基底上通过自动喂丝将焊丝材料熔覆在碳钢基底上，堆焊出电熔锆刚玉颗粒增强铁基表面复合材料，边堆焊边水冷，堆焊完一层后，待堆焊层冷却到150℃，再堆焊另一层，直到获得25mm厚的复合材料堆焊层。

组织分析表明，锆刚玉颗粒在基体上均匀分布，体积分数约为25%，锆刚玉颗粒与铁基复合材料层的基体部分之间、堆焊铁基表面复合材料与碳钢基底之间的界面结合良好；复合材料基体部分的化学成分为C4.5wt.%、Si2.0wt.%、Mn2.0wt.%、Cr25.0wt.%、Mo1.5wt.%、V1.0wt.%，其余为Fe；耐磨试验表明，在压应力为80MPa，滑动磨损速率为60m/s时，以砂轮为对磨材料磨损30min，所制备的铁基表面复合材料的磨损失重为高铬堆焊层的65%。

实施例3

选用通过电熔-浇注-冷却-破碎-筛分工艺生产的锆刚玉颗粒，其平均尺寸为2.0mm，通过常规的除油-粗化-中和-活化-还原-化学镀-钝化流程，对电熔锆刚玉颗粒表面施镀镍层，镀层的厚度控制在5μm，通过药芯材料准备-低碳钢带轧制成U形-药芯材料及化学镀镍电熔锆刚玉颗粒填充-外皮包合-拉拔成形-再拉拔至最终焊丝的工艺流程制作管状焊丝，其中药芯材料由片状石墨、高碳铬铁、硅铁、中碳锰铁、钼铁、钒铁、镁粉和铁粉组成，硅铁、铬铁、锰铁在使用前进行钝化处理，焊丝直径控制在4.0mm，通过自动电弧焊在碳钢基底上通过自动喂丝将焊丝材料熔覆在碳钢基底上，堆焊出电熔锆刚玉颗粒增强铁基表面复合材料，边堆焊边水冷，堆焊完一层后，待堆焊层冷却到180℃，再堆焊另一层，直到获得50mm厚的复合材料堆焊层。

组织分析表明，锆刚玉颗粒在基体上均匀分布，体积分数约为50%，锆刚玉颗粒与铁基复合材料层的基体部分之间、堆焊铁基表面复合材料与碳钢基底之间的界面结合良好；复合材料基体部分的化学成分为C5.3wt.%、Si1.6wt.%、Mn2.6wt.%、Cr28.0 wt.%、Mo2.3wt.%、V1.4wt.%，其余为Fe；耐磨试验表明，在压应力为100MPa，滑动磨损速率为100m/s时，以砂轮为对磨材料磨损30min，所制备的铁基表面复合材料的磨损失重为高铬堆焊层40%。

实施例4

选用通过电熔-浇注-冷却-破碎-筛分工艺生产的锆刚玉颗粒，其平均尺寸为0.8mm，通过常规的除油-粗化-中和-活化-还原-化学镀-钝化流程，对电熔锆刚玉颗粒表面施镀镍层，镀层的厚度控制在1.5μm，通过药芯材料准备-低碳钢带轧制成U形-药芯材料及化学镀镍电熔锆刚玉颗粒填充-外皮包合-拉拔成形-再拉拔至最终焊丝的工艺流程制作管状焊丝，其中药芯材料由片状石墨、高碳铬铁、硅铁、中碳锰铁、钼铁、钒铁、镁粉、铁粉组成，硅铁、铬铁、锰铁在使用前进行钝化处理，焊丝直径控制在4.0mm，通过自动电弧焊在碳钢基底上通过自动喂丝将焊丝材料熔覆在碳钢基底上，堆焊出电熔锆刚玉颗粒增强铁基表面复合材料，边堆焊边水冷，堆焊完一层后，待堆焊层冷却到190℃，再堆焊另一层，直到获得40mm厚的复合材料堆焊层。

组织分析表明，锆刚玉颗粒在基体上均匀分布，体积分数约为35%，锆刚玉颗粒与铁基复合材料层的基体部分之间、堆焊铁基表面复合材料与碳钢基底之间的界面结合良好；复合材料基体部分的化学成分为C4.8wt.%、Si1.6wt.%、Mn2.5wt.%、Cr26.0 wt.%、Mo1.8wt.%、V1.2wt.%，其余为Fe；耐磨试验表明，在压应力为100MPa，滑动磨损速率为60m/s时，以砂轮为对磨材料磨损30min，所制备的铁基表面复合材料的磨损失重为高铬堆焊层的50%。

实施例5

选用通过电熔-浇注-冷却-破碎-筛分工艺生产的锆刚玉颗粒，其平均尺寸为1.0mm，通过常规的除油-粗化-中和-活化-还原-化学镀-钝化流程，对电熔锆刚玉颗粒表面施镀镍层，镀层的厚度控制在2μm，通过药芯材料准备-低碳钢带轧制成U形-药芯材料及化学镀镍电熔锆刚玉颗粒填充-外皮包合-拉拔成形-再拉拔至最终焊丝的工艺流程制作管状焊丝，其中药芯材料由片状石墨、高碳铬铁、硅铁、中碳锰铁、钼铁、钒铁、镁粉、铁粉组成，硅铁、铬铁、锰铁在使用前进行钝化处理，焊丝直径控制在3.5mm，通过自动电弧焊在碳钢基底上通过自动喂丝将焊丝材料熔覆在碳钢基底上，堆焊出电熔锆刚玉颗粒增强铁基表面复合材料，边堆焊边水冷，堆焊完一层后，待堆焊层冷却到180℃，再堆焊另一层，直到获得30mm厚的复合材料堆焊层。

组织分析表明，锆刚玉颗粒在基体上均匀分布，体积分数约为40%，锆刚玉颗粒与铁基复合材料层的基体部分之间、堆焊铁基表面复合材料与碳钢基底之间的界面结合良好；复合材料基体部分的化学成分为C5.1wt.%、Si1.8wt.%、Mn2.5wt.%、Cr27.0 wt.%、Mo2.2 wt.%、V1.5 wt.%，其余为Fe；耐磨试验表明，在压应力为100MPa，滑动磨损速率为60m/s时，以砂轮为对磨材料磨损30min，所制备的铁基表面复合材料的磨损失重为高铬堆焊层的45%。

Claims

1.一种堆焊铁基表面复合材料的方法，其特征在于：通过化学镀方法对电熔锆刚玉颗粒化学镀镍，然后采用化学镀镍的电熔锆刚玉颗粒制作成焊丝，通过自动电弧焊在钢铁材料基底上堆焊电熔锆刚玉颗粒增强铁基复合材料，堆焊完一层后，待堆焊层冷却到200℃以下，再堆焊另一层，直到获得指定厚度的复合材料堆焊层。

2.如权利要求1所述的一种堆焊铁基表面复合材料的方法，其特征在于：所述的电熔锆刚玉颗粒，是指尺寸范围为0.2~2.0mm的电熔锆刚玉颗粒，是通过电熔、浇注、冷却、破碎、筛分的工艺流程制备出来的锆刚玉颗粒。

3.如权利要求1所述的一种堆焊铁基表面复合材料的方法，其特征在于：所述的对电熔锆刚玉颗粒化学镀镍，是指对电熔锆刚玉颗粒表面施镀镍层，镀层的厚度控制在0.5~5μm，施镀过程通过常规的除油-粗化-中和-活化-还原-化学镀-钝化流程实现。

4.如权利要求1所述的一种堆焊铁基表面复合材料的方法，其特征在于：所述的制作成焊丝，是指焊丝由低碳钢带、药芯材料以及化学镀镍的电熔锆刚玉颗粒组成；焊丝的制作步骤包括药芯材料准备、低碳钢带轧制成U形槽、往低碳钢带U形槽中填充药芯材料及化学镀镍的电熔锆刚玉颗粒、包合低碳钢带外皮、拉拔成直径3.0~4.0mm的管状焊丝；其中药芯材料由片状石墨、高碳铬铁、硅铁、中碳锰铁、钼铁、钒铁、镁粉和铁粉组成；硅铁、铬铁、锰铁制成细粒状，在使用前进行钝化处理；电熔锆刚玉颗粒以及镁粉、铁粉的加入量由最终获得的铁基复合材料中所要求的电熔锆刚玉颗粒的体积分数决定，要求的电熔锆刚玉颗粒体积分数越高，电熔锆刚玉颗粒加入量越大，同时在焊丝药芯材料中镁粉、铁粉的加入量越小；堆焊后，药芯材料和低碳钢带将形成铁基复合材料层的基体部分，并且保证其化学成分为C4.5~5.5wt.%、Si1.0~2.0wt.%、Mn2.0~3.0wt.%、Cr25.0~29.0 wt.%、Mo1.5~2.5wt.%、V1.0~1.5wt.%，其余为Fe；堆焊过程中，化学镀镍的电熔锆刚玉颗粒分布在铁基复合材料层的基体部分中，电熔锆刚玉颗粒的镀镍层与基体部分融合，从而保证形成的铁基复合材料层中电熔锆刚玉颗粒与基体界面结合良好。

5.如权利要求1所述的一种堆焊铁基表面复合材料的方法，其特征在于：所述的在钢铁材料基底上堆焊，是指在碳钢或者球墨铸铁、高铬铸铁基底上通过电弧熔化焊将焊丝材料熔覆在碳钢或者球墨铸铁、高铬铸铁基底上。

6.如权利要求1所述的一种堆焊铁基表面复合材料的方法，其特征在于：所述的电熔锆刚玉颗粒增强铁基复合材料，是指通过堆焊工艺形成的电熔锆刚玉颗粒体积分数为25~60%的以高碳高铬铸铁为基体的复合材料。