CN103192161A

CN103192161A - 一种适于高温工况的耐磨耐腐蚀复合板

Info

Publication number: CN103192161A
Application number: CN2013101482100A
Authority: CN
Inventors: 孙俊生; 栾守成; 李宁洋; 孙逸群
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-04-25
Also published as: CN103192161B

Abstract

本发明公开了一种适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板，是以低碳钢板或者低合金钢板作为基板，采用专用的耐热耐腐蚀耐磨堆焊药芯焊丝在基板表面堆焊复合层，获得耐热耐腐蚀耐磨复合金属板坯料，再用制备的专用封缝剂对校平的复合金属板坯料表面的裂纹进行封缝处理，制得适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板。本发明通过设计制备专用的耐热耐磨耐腐蚀堆焊药芯焊丝，采用明弧焊工艺堆焊，使堆焊复合板的变形减小，使焊道的横向裂纹减少，且均匀分布，并且通过封缝剂有效渗透到横向裂纹内部，显著提高了复合金属板的耐腐蚀性能，使其在高温和腐蚀工况下的使用寿命显著提高。

Description

一种适于高温工况的耐磨耐腐蚀复合板

技术领域

本发明涉及一种复合材料，尤其涉及一种适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板，即耐热耐磨耐腐蚀复合板。

背景技术

金属磨损是造成机械零件失效的主要原因之一，损失十分惊人。据我国冶金、煤炭、电力等行业的不完全统计，每年磨损损失高达20亿元人民币。根据耐磨件的工作环境，分为常温和高温工况，高温工况除了磨损之外，还有高温氧化问题，因此高温工况下对耐磨件的要求更高。若在高温腐蚀环境下工作，耐磨件的制造难度会进一步加大。因此，研究和开发高性能的耐磨材料，特别是高温腐蚀工况下使用的耐磨材料受到科技工作者的重视，铸造耐磨件和堆焊耐磨件是目前工业领域常用的耐磨金属材料。

铸造耐磨件采用铸造技术制造，一般整体成分均一，如高锰钢、白口铸铁、铬系抗磨铸铁等的抗磨性能较好。但这些材料也存在某些不足，如白口铸铁和铬系抗磨铸铁脆性较大，不耐冲击，在有冲击的工况条件下易发生断裂或剥落；高锰钢抗磨粒磨损性能较差。铸造耐磨件结构较笨重，不利于降低结构自重，不能用焊接方法与其它部件连接。

堆焊耐磨件采用堆焊技术制造，堆焊耐磨复合板是一种制备耐磨件的原材料，在工业领域的应用日益扩大。耐磨复合板是针对传统耐磨材料的不足，采用堆焊复合技术制造的，在工业领域得到成功应用。耐磨复合钢板多为双金属复合，其由普通低碳钢或者低合金钢表面通过堆焊方法复合一定厚度的硬度较高、耐磨性优良的耐磨层而制成。工作时由基体保证耐磨件整体的强度、韧性和塑性等综合性能，由耐磨层提供满足指定工况需求的耐磨性能。

耐磨复合板的耐磨层和基体之间是冶金结合，通过专用设备和自动焊工艺，采用专用焊丝均匀地堆焊在低碳钢或低合金钢基板上，堆焊的复合层为一层至两层及以上。在高温工况下使用的耐磨复合板，其耐磨层合金元素含量高，堆焊时温度分布不均匀、基板与耐磨复合层金属膨胀系数不同，在耐磨层上会出现大量横向裂纹，相邻焊道的横向裂纹有的甚至贯通起来，或者贯穿基板母材，母板越薄，横向裂纹扩展到母板的可能性越大。

存在表面横向裂纹的耐磨复合板在高温、腐蚀工况下应用时，腐蚀介质可通过横向裂纹渗入，由于基板和耐磨复合层金属存在电位差，加上高温氧化作用，使腐蚀进程加速，降低耐磨件的寿命。目前使用的耐磨复合板只考虑了复合层的耐磨性能，在高温和腐蚀工况下的使用寿命偏低。随着耐磨复合板应用领域的扩大，对复合板的耐热、耐磨、耐腐蚀性能提出了更高的要求，急需开发耐热耐磨耐腐蚀复合板。

发明内容

针对现有堆焊耐热耐磨复合板表面存在横向微裂纹，不适于高温和腐蚀工况下的抗磨问题，本发明目的是提供一种适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板。

本发明所述适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板，由如下方法制得：

（1）设计制备专用的耐热耐磨耐腐蚀堆焊药芯焊丝；

（2）以低碳钢板或者低合金钢板作为基板，采用制备的药芯焊丝在基板表面堆焊复合层，获得耐热耐磨耐腐蚀复合金属板坯料；

（3）采用压力机对复合金属板坯料校平，平整度以满足工程需要为目标；

（4）设计制备专用的封缝剂；

（5）用制备的封缝剂对校平的复合金属板坯料表面的裂纹进行封缝处理，得到耐热耐磨耐腐蚀复合金属板成品；

其特征在于：

步骤（1）所述药芯焊丝采用厚度为0.3mm～0.4mm的H08A或SPCC或H08Al低碳钢钢带以常规方法制造，药芯焊丝的直径为Ф2.4mm～Ф3.2mm，药芯焊丝熔敷金属的成分以质量百分比计是：C为3.0%～4.2%、Cr为20%～28%、B为1.0%～2.5%、Si为1.5%～2.5%、Mn为3.0%～5.0%、Mo为3.5%～4.2%、W为4.5%～5.5%、Ti为0.2%～1.2%、Al为1.5%～2.5%、Mg为1.0%～2.0%、余量为Fe和不影响药粉性能的杂质；

步骤（2）所述基板尺寸的选择以适宜焊接平台能够固定为原则，基板的厚度根据使用工况要求选取，但基板厚度应不小于6mm；所述采用制备的药芯焊丝在基板表面堆焊复合层的方法是：单枪堆焊第一焊道在基板一端的宽度中心处开始，焊丝与基板表面垂直，沿着基板长度方向堆焊，焊枪摆动的摆幅为0～20mm，摆动频率为0～20次/分钟，焊道的宽度为20mm～50mm，堆焊工艺的焊接参数为：焊接电流380A～530A，电弧电压30V～38V，堆焊速度即焊枪移动速度不小于1200mm/分钟，采用直流反接，即基板接负极，焊丝接正极；第一焊道堆焊完成后，其他焊道在第一焊道的两侧交替堆焊，焊枪来回均处于堆焊的工作状态，相邻焊道搭接宽度以堆焊表面平整为原则，为焊道宽度的1/3～1/2；沿焊接方向在焊枪的前或后30mm～50mm处安装有水雾喷枪，水雾喷枪的喷水方向与通过焊枪的焊丝轴线平行，堆焊时只有焊枪后面的水雾喷枪工作，所述水雾喷枪为市售水雾喷枪，喷嘴直径设为1.6mm～2mm，喷枪水压设为0.2MPa～0.4MPa，喷雾时喷水流量不小于1.2升/分钟，喷水流量尽可能大，但应以全部蒸发，焊道表面不残留水为原则；当基板表面满焊后即得单层耐热耐磨耐腐蚀复合金属板坯料，重复如上方法得双层耐热耐磨耐腐蚀复合金属板坯料，依次重复如上方法，使耐热耐磨耐腐蚀合金层的总厚度为基板厚度的1/3～1/2，即得多层耐热耐磨耐腐蚀复合金属板坯料；

步骤（4）所述封缝剂由质量配比为液体水玻璃60份～80份，云母粉20份～30份，工业氟硅酸钠10份～20份，铝粉5份～10份，纳米SiO₂粉末2份～4份的组份混合均匀后制得；

步骤（5）所述用制备的封缝剂对校平的复合金属板坯料表面的裂纹进行封缝处理的方法是：将封缝剂均匀涂覆于制得的耐热耐磨耐腐蚀复合金属板坯料堆焊层的表面，单层涂层厚度为0.2mm～0.4mm，涂覆后室温下放置0.5小时～1.5小时后再涂覆第二层，重复如上方法反复涂覆3～4层，待封缝剂完全固化后即得到适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板成品。

上述的适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板中：药芯焊丝的直径优选Ф2.8mm或Ф3.2mm。

上述的适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板中：钢带优选厚度0.35mm的SPCC，药芯焊丝熔敷金属的成分以质量百分比计优选为C为3.5%、Cr为26%、B为2.0%、Si为2.0%、Mn为4.0%、Mo为4.0%、W为5.0%、Ti为0.8%、Al为2.0%、Mg为1.5%、余量为Fe和不影响药粉性能的杂质。

上述的适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板中：所述堆焊工艺的焊接参数优选为：Ф3.2mm焊丝焊接电流500A～530A，电弧电压30V～38V，堆焊速度不小于1600mm/分钟；Ф2.8mm焊丝的焊接电流380A～400A，电弧电压30V～38V，堆焊速度不小于1200mm/分钟。

上述的适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板中：所述液体水玻璃用钠水玻璃或者钾钠混合水玻璃，液体水玻璃的模数为2.6～2.9，波美度为44～46°Bé；云母粉细度通过19微米试验筛，云母粉含有44%～50%的SiO₂，20%～33%Al₂O₃，余为杂质；工业氟硅酸钠的Na₂SiF₆含量为98.5％，细度通过250微米试验筛超过90%；铝粉含99%以上的Al，铝粉细度通过15微米试验筛；纳米SiO₂粉末为市售产品。

本发明所述适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板及其制备方法具有如下显著效果：

（1）本专利设计的耐磨药芯焊丝由于含铬量较高，具有良好的耐蚀性能，同时堆焊金属中形成大量碳化物，使其又具有优异的耐磨性能。药芯焊丝含有适量的Cr、Mo、W，使其具有耐热性能。药粉中加入的强脱氧剂、脱氮剂Al、Mg、C使其具有自保护性能，可以采用明弧焊工艺堆焊，使用方便，堆焊效率高。

（2）采用本专利设计的堆焊工艺，使堆焊复合板的变形减小；堆焊过程中，对焊道采用即焊即喷水雾冷却工艺，降低了焊道表面的温度，使焊道的横向裂纹减少，且均匀分布，避免了贯穿横向裂纹的形成，提高了堆焊层与基板的结合强度。

（3）设计的封缝剂渗透能力强，可有效渗透到横向裂纹内部，固化时间短，强度高，抗磨性能好，封缝效果好，显著提高了耐磨板的耐腐蚀性能。使耐磨板在高温和腐蚀工况下的使用寿命显著提高。

具体实施方式

实施例1：

（1）制备堆焊药芯焊丝，焊丝直径Ф2.8mm，钢带为厚度0.35mm的SPCC，药芯焊丝熔敷金属的成分以质量百分比计为C为3.5%、Cr为26%、B为2.0%、Si为2.0%、Mn为4.0%、Mo为4.0%、W为5.0%、Ti为0.8%、Al为2.0%、Mg为1.5%、余量为Fe和不影响药粉性能的杂质。

（2）选用Q235低碳钢板作为基板，基板的尺寸为1m×2m，厚度为8mm。将基板的四边采用机械装夹方式刚性固定在焊接平台上。

（3）单枪堆焊，第一焊道位于基板宽度中心，沿着基板长度方向堆焊。堆焊时焊枪横向不摆动，焊道宽度为20mm。第一焊道堆焊完成后，其他焊道在第一焊道的两侧交替堆焊，相邻焊道搭接宽度为焊道宽度的1/2。焊枪来回均堆焊，焊接电流380A，电弧电压35V，堆焊速度为1250mm/分钟，直流反接，焊丝与基板表面垂直。

沿焊接方向在焊枪的前或后30mm处安装有水雾喷枪，水雾喷枪的喷水方向与通过焊枪的焊丝轴线平行。堆焊时前后的水雾喷枪不同时工作，焊接方向后面的水雾喷枪工作、焊接方向前面的水雾喷枪不工作。水雾喷枪的水压为0.25MPa，喷嘴直径为1.6mm，喷雾时喷水流量不小于1.3升/分钟。单层堆焊层的厚度为3.5mm，堆焊满基板表面后即得耐热耐磨耐腐蚀复合板坯料。

（4）对步骤（3）获得的耐热耐磨耐腐蚀复合板坯料，采用现有的机械压力机校平，平整度以满足工程需要为目标。

（5）配制封缝剂，封缝剂的配比为液体水玻璃70份，云母粉25份，工业氟硅酸钠15份，铝粉8份，纳米SiO₂粉末3份，封缝剂按以上配比混合均匀后制得。液体水玻璃的模数为2.6，波美度为44°Bé，选用钾钠混合水玻璃；云母粉细度通过19μm试验筛，云母粉含有44%～50%的SiO₂，20%～33%Al₂O₃，余为杂质；工业氟硅酸钠的Na₂SiF₆含量98.5％，细度超过90%通过250μm试验筛；铝粉含99%以上的Al，铝粉细度通过15μm试验筛。纳米SiO₂粉末为市售产品。

将封缝剂均匀涂覆于耐热耐磨耐腐蚀复合板坯料堆焊层的表面，单层涂层厚度为0.2mm，涂覆后室温下放置0.5小时后再涂覆第二层，这样反复涂覆三层，封缝剂通过毛细作用渗入堆焊焊缝的横向裂纹内部，待封缝剂固化后即得到适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板产品。

实施例2：

（1）制备堆焊药芯焊丝，焊丝直径Ф3.2mm，钢带为厚度0.35mm的SPCC，药芯焊丝熔敷金属的成分以质量百分比计为C为3.0%、Cr为20%、Si为1.0%、Mn为3.0%、Mo为3.5%、W为4.5%、Ti为0.2%、Al为1.5%、Mg为1.0%、余为Fe和不影响药粉性能的杂质。

（2）选用Q345钢板作为基板，基板的尺寸为1m×2m，厚度为12mm。将基板的四边采用机械装夹方式刚性固定在焊接平台上。

（3）单枪堆焊，第一焊道位于基板宽度中心，沿着基板长度方向堆焊。堆焊时焊枪横向摆动，焊枪摆动的摆幅为10mm，摆动频率为20次/分钟，焊道宽度为40mm。第一焊道堆焊完成后，其他焊道在第一焊道的两侧交替堆焊，相邻焊道搭接宽度为焊道宽度的1/3。焊枪来回均堆焊，焊接电流520A，电弧电压35V，堆焊速度为1610mm/分钟，直流反接，焊丝与基板表面垂直。

沿焊接方向在焊枪的前或后50mm处安装有水雾喷枪，水雾喷枪的喷水方向与通过焊枪的焊丝轴线平行。堆焊时前后的水雾喷枪不同时工作，焊接方向后面的水雾喷枪工作、焊接方向前面的水雾喷枪不工作。水雾喷枪的水压为0.4MPa，喷嘴直径为2mm，喷雾时喷水流量不小于1.8升/分钟。单层堆焊层的厚度为3.5mm，堆焊满基板表面后即得耐热耐磨耐腐蚀复合板坯料。

（5）配制封缝剂，封缝剂的配比为液体水玻璃60份，云母粉20份，工业氟硅酸钠10份，铝粉5份，纳米SiO₂粉末2份，封缝剂按以上配比混合均匀后制得。液体水玻璃的模数为2.9，波美度为46°Bé，选用钠水玻璃；云母粉细度通过19μm试验筛，云母粉含有44%～50%的SiO₂，20%～33%Al₂O₃，余为杂质；工业氟硅酸钠的Na₂SiF₆含量98.5％，细度超过90%通过250μm试验筛；铝粉含99%以上的Al，铝粉细度通过15μm试验筛。纳米SiO₂粉末为市售产品。

将封缝剂均匀涂覆于耐热耐磨耐腐蚀复合板坯料堆焊层的表面，单层涂层厚度为0.4mm，涂覆后室温下放置1.5小时后再涂覆第二层，这样反复涂覆三层，封缝剂通过毛细作用渗入堆焊焊缝的横向裂纹内部，待封缝剂固化后即得到适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板产品。

实施例3：

（1）制备堆焊药芯焊丝，焊丝直径Ф3.2mm，钢带为厚度0.35mm的SPCC，药芯焊丝熔敷金属的成分以质量百分比计为C为4.2%、Cr为28%、B为2.5%，Si为2.5%、Mn为5.0%、Mo为4.2%、W为5.5%、Ti为1.2%、Al为2.5%、Mg为2.0%、余为Fe和不影响药粉性能的杂质。

（2）选用Q345钢板作为基板，基板的尺寸为1m×2m，厚度为20mm。将基板的四边采用机械装夹方式刚性固定在焊接平台上。

（3）单枪堆焊，第一焊道位于基板宽度中心，沿着基板长度方向堆焊。堆焊时焊枪横向摆动，焊枪摆动的摆幅为20mm，摆动频率为20次/分钟，焊道宽度为50mm。第一焊道堆焊完成后，其他焊道在第一焊道的两侧交替堆焊，相邻焊道搭接宽度为焊道宽度的1/3。焊枪来回均堆焊，焊接电流520A，电弧电压35V，堆焊速度为1610mm/分钟，直流反接，焊丝与基板表面垂直。

沿焊接方向在焊枪的前或后50mm处安装有水雾喷枪，水雾喷枪的喷水方向与通过焊枪的焊丝轴线平行。堆焊时前后的水雾喷枪不同时工作，焊接方向后面的水雾喷枪工作、焊接方向前面的水雾喷枪不工作。水雾喷枪的水压为0.4MPa，喷嘴直径为2mm，喷雾时喷水流量不小于1.8升/分钟。堆焊满基板表面后即得单层耐热耐磨耐腐蚀复合板坯料，重复如上方法在单层耐热耐磨耐腐蚀复合板坯料上再堆焊一层，既得双层耐热耐磨耐腐蚀复合金属板坯料，耐磨层的厚度为7mm。

（5）配制封缝剂，封缝剂的配比为液体水玻璃80份，云母粉30份，工业氟硅酸钠20份，铝粉10份，纳米SiO₂粉末4份，封缝剂按以上配比混合均匀后制得。液体水玻璃的模数为2.9，波美度为45°Bé，选用钾钠混合水玻璃；云母粉细度通过19μm试验筛，云母粉含有44%～50%的SiO₂，20%～33%Al₂O₃，余为杂质；工业氟硅酸钠的Na₂SiF₆含量98.5％，细度超过90%通过250μm试验筛；铝粉含99%以上的Al，铝粉细度通过15μm试验筛。纳米SiO₂粉末为市售产品。

将封缝剂均匀涂覆于耐热耐磨耐腐蚀复合板坯料堆焊层的表面，单层涂层厚度为0.3mm，涂覆后室温下放置0.8小时后再涂覆第二层，这样反复涂覆三层，封缝剂通过毛细作用渗入堆焊焊缝的横向裂纹内部，待封缝剂固化后即得到适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板产品。

Claims

1.一种适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板，由如下方法制得：

（1）设计制备专用的耐热耐磨耐腐蚀堆焊药芯焊丝；

（3）采用压力机对复合金属板坯料校平；

（4）设计制备专用的封缝剂；

（5）用制备的封缝剂对校平的复合金属板坯料表面的裂纹进行封缝处理，得到适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板成品；

其特征在于：

步骤（4）所述封缝剂由质量配比为液体水玻璃60～80份，云母粉20～30份，工业氟硅酸钠10～20份，铝粉5～10份，纳米SiO₂粉末2～4份的组份混合均匀后制得；

2.如权利要求1所述的适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板，其特征在于：药芯焊丝的直径为Ф2.8mm或Ф3.2mm。

3.如权利要求1所述的适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板，其特征在于：钢带选厚度0.35mm的SPCC，药芯焊丝熔敷金属的成分以质量百分比计为C为3.5%、Cr为26%、B为2.0%、Si为2.0%、Mn为4.0%、Mo为4.0%、W为5.0%、Ti为0.8%、Al为2.0%、Mg为1.5%、余量为Fe和不影响药粉性能的杂质。

4.如权利要求1所述的适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板，其特征在于：所述堆焊工艺的焊接参数为：Ф3.2mm焊丝焊接电流500A～530A，电弧电压30V～38V，堆焊速度不小于1600mm/分钟；Ф2.8mm焊丝的焊接电流380A～400A，电弧电压30V～38V，堆焊速度不小于1200mm/分钟。

5.如权利要求1所述的适于高温工况的耐腐蚀耐磨复合金属板，其特征在于：所述液体水玻璃用钠水玻璃或者钾钠混合水玻璃，液体水玻璃的模数为2.6～2.9，波美度为44～46°Bé；云母粉细度通过19μm试验筛，云母粉含有44%～50%的SiO₂，20%～33%Al₂O₃，余为杂质；工业氟硅酸钠的Na₂SiF₆含量为98.5%，细度通过250μm试验筛超过90%；铝粉含99%以上的Al，铝粉细度通过15μm试验筛；纳米SiO₂粉末为市售产品。