CN103231182B

CN103231182B - 一种氩弧堆焊FeCrC铁基粉末合金及其制备工艺

Info

Publication number: CN103231182B
Application number: CN201210338726.7A
Authority: CN
Inventors: 罗辉; 张元彬; 霍玉双; 杨凤琦; 刘鹏
Original assignee: Shandong Jianzhu University
Current assignee: Shandong Jianzhu University
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: WO2014040215A1; CN103231182A

Abstract

本发明提供了一种氩弧堆焊铁基合金粉末及其制备工艺，属于材料表面技术领域。粉末由Fe-Cr、石墨、铁粉组成，其特征在于，将Fe-Cr、石墨、铁粉按照一定配比混合均匀，并用水玻璃作为粘结剂制备成薄片，自然晾干10小时后放置于烘干箱内在200℃烘干1.5h，随炉冷却。利用钨极氩弧作为热源使其堆焊在材料表面形成耐磨、耐蚀熔覆层。熔覆层组织均匀，能生成铬-碳化合物等新相，堆焊层硬度大于HRC55，能有效提高材料的耐磨、耐蚀、耐高温等性能，延长零部件的使用寿命，且制备简单，成本低，具有较高的使用价值。

Description

一种氩弧堆焊FeCrC铁基粉末合金及其制备工艺

技术领域

本发明涉及材料表面技术领域，具体涉及到一种氩弧堆焊铁基合金粉末合金及其制备工艺及其氩弧堆焊技术。

背景技术

随着能源、化工、交通等行业的迅速发展以及现代工程技术的发展，对材料的性能要求也相应提高，尤其是石化、电力、水力、冶金等行业中的设备多处于高温、高压、大载荷、强腐蚀等复杂苛刻的工作环境，材料的磨损、疲劳、腐蚀等失效现象更为严重。据不完全统计，能源的1/3～1/2消耗于磨损，世界每年生产的钢铁中，有近30％因腐蚀而报废，材料的磨损、腐蚀及其它失效形式大都从材料表面开始，因此采用表面防护措施，提高材料表面的耐磨、耐蚀及抗氧化性能至关重要。故对材料的表面处理技术提出了更高的要求，成为科研工作者研究探索的热门问题，从而也促进了表面工程技术的迅速发展。

目前，国内外普遍采用热喷涂、电镀、激光强化技术、堆焊等表面处理技术提高机械零部件的使用性能和寿命，但热喷涂技术只能制备机械结合而不能达到冶金结合的涂层；电镀工艺修复自动化程度不高，劳动强度大，电镀层一般很薄，对形状损坏部位难于修复。激光强化技术已广泛应用于表面熔覆层的制备，但所需设备及维修费用高，一次性投资大，能源利用率低，工作场所固定，不适于现场操作。而堆焊技术可使堆焊层与母材达到冶金结合，并可以根据材料的使用性能选择或设计堆焊合金，在工艺上具有很大的灵活性，能有效提高材料表面耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化等性能，目前已广泛应用于机械设备的强化和修复。

其中氩弧堆焊技术具有操作方便、投资和运行费用低、能量利用率高、结合牢固等优点。在小型零部件的制造和修复方面具有很好的应用前景及良好的经济效益和环境效益。在堆焊过程中选定合适的堆焊合金对材料的使用性能具有决定性作用，常见的堆焊合金有铁基、钴基、铜基合金、镍基及碳化物等几种类型。铁基合金因价格低廉，经济性好，并且经过成分、组织的调整，可以在很大范围内改变堆焊层的强度、韧性、耐磨性、耐蚀性、耐热性和抗冲击性等。故成为应用最广泛的一种堆焊合金。因此推广氩弧堆焊技术及铁基合金熔覆材料的应用具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种用于氩弧堆焊的低成本、高性能的铁基粉末合金及其制备方法，广泛用于小型零部件的尺寸修复及提高其表面耐磨、耐蚀等性能。

本发明主要通过正交试验法配制铬铁、铁粉、石墨粉末合金成分，确定各合金体系合金含量，其特征在于粉末的各组成原材料的质量百分比为铬铁(30.75～61.5)％，石墨(1～5)％，还原性铁粉(33.5～64.25)％。所述铬铁、石墨、还原性铁粉原材料粉末的颗粒度为60～200目。各原材料主要成分(质量百分比)为：铬铁：Cr＞60％，C≤0.03％，石墨：C：99.9％，还原性铁粉：Fe：96％。

本发明加入的铁基合金与基体母材达到冶金结合，其中的Cr元素与石墨通过原位合成反应生成硬质相Cr₇C₃、Cr₃C₂等碳化物新相，且碳化合物新相容易弥散分布于熔覆层，Cr元素也可以固溶于熔覆层基体，形成固溶强化。同时在Fe中加入一定量的Cr后，可以形成保护性很好的尖晶石型复合氧化物(FeO·Cr₂O₃)，Cr的含量进一步提高可生成Cr₂O₃相，具有更好的保护性。从而提高熔覆层的硬度、耐磨性、耐蚀性、抗氧化等性能。堆焊层硬度高达HRC55以上，使设备适用于高工作参数的条件，降低能耗减少经济损失。

氩弧堆焊铁基合金及平均洛氏硬度如表1所示。

表1 FeCrC铁基合金系粉末的配比(质量分数，wt％)及其熔敷层表面平均HRC

铁基粉末配置过程为：

(1)按照一定配比称铬铁、还原性铁粉、石墨铁基合金粉末，充分混合均匀。

(2)将混合均匀的合金粉末加入粘结剂，搅拌均匀后，放入模具中压制成型，制成厚度为1.2～1.5mm、宽度为0.8～1.2mm、长为50mm的合金薄片；粘结剂可采用水玻璃。

(3)将合金薄片自然晾干5～10小时后，放在烘干箱内在200℃烘干1.5h，随炉冷却；

在制备合金薄片过程中合金薄片厚度不宜太薄，太薄堆焊时氩气流量过小保护差，且融化速度过快，太厚堆焊时导致熔化速度过慢，容易形成未熔透颗粒。水玻璃的量要适中，太少则粉末无法团聚，太多薄片在堆焊过程中容易形成气孔，影响焊接质量。

氩弧堆焊铁基合金按照以上配比及制备过程制备成合金薄片，利用氩弧堆焊使其堆焊在Q235钢板上，堆焊三层。并对其进行硬度、金相、XRD、SEM、耐蚀、耐磨、热稳定性等组织及性能进行测试。由表1可知，随着石墨及Cr含量的升高，材料的硬度升高，由于硬质点相Cr的化合物增多，而且碳化物的形态从M₃C逐渐转变成M₇C₃，且M₇C₃型碳化物的硬度比M₃C型碳化物高，硬度随之增加。但碳含量升高到一定程度，合金熔覆层硬度增高不明显，是由于堆焊熔池体积小碳化物形成数量有限，未反应的石墨将弥散分布在熔覆层中，故其硬度不再升高反而有下降趋势。结果当Cr质量分数为40％，石墨2.5％时熔覆层的硬度最高。

本发明采用干滑动摩擦磨损类型，载荷300N对其进行耐磨性能测试。采用失重法来评定熔覆层的耐磨损性能。在磨损试验过程中，每隔5min利用电子天平(最小称重为d＝0.1mg)称量一次熔覆层的质量，总磨损时间为25min。各试样的磨损失重量如表2所示。

表2 Fe-Cr-C合金系耐磨合金磨损数据

由表2Fe-Cr-C合金试样的磨损失重量数据可得出熔覆层的失重量的曲线图，即图1所示。由图1中失重曲线变化趋势可知，6^#试样失重量较小，曲线趋势变化较稳定，耐磨性较好。由5^#、6^#、7^#曲线可知，即当Cr质量分数为40％时，石墨分别为1％、2.5％、5％时，由曲线图可以看出，5^#、7^#磨损量明显大于6^#试样，且6^#试样磨损量趋于平缓，即随着石墨含量的增加硬质相增多磨损性能升高，但石墨为5％时硬质相数量增加减缓，其余的石墨弥散在基体中，故硬度不再升高，耐磨性也不再提高，由图中1^#、4^#、7^#即石墨为5％时，Cr分别为20％、30％、40％时，石墨含量一定时，随着Cr含量的升高试样的硬质点相增多，由柱状晶逐渐向六角形及板条状组织转变，从而提高熔覆层表面硬度，提高耐磨性。

利用扫描电镜对试样的磨损表面进行形貌分析，各试样的磨损形貌如图2所示。

从图2中可以看出，1^#试样磨损形貌主要为剥落和磨屑的粘着以及少量的犁沟出现，可以看出有少量的硬质点相脱落；2^#试样的磨损量较大但是其磨损形貌只看出一些剥落出现，未看出犁沟，可能选取的扫描磨损面较平滑，粘着较少；3^#、4^#试样出现了明显的犁沟及硬质点相的剥落，但犁沟较浅；5^#、7^#试样都出现了剥落但犁沟不明显，6^#试样磨损形貌中无明显犁沟，只有少量的剥落，其磨损量较低，磨损性能较好。Fe-Cr-C耐磨堆焊合金堆焊层由碳化物和基体组成，碳化物起到了主要抗磨的作用，与基体一起发挥耐磨作用。在熔覆层中生成的硬质相M₇C₃、M₂₃C₆、M₃C型碳化物在一定程度上阻挡了摩擦副对熔覆层的切削和凿削，减轻了对基体的磨损，从而对基体起到了良好的保护作用，M₇C₃型高硬度碳化物对提高材料的耐磨性起到主要作用，但也在摩擦过程中易发生裂纹，则起到相反作用，从而使一些碳化物从基体中剥离，降低其抗磨性能。因此材料的硬度越高耐磨性升高，但氩弧堆焊Fe-Cr-C合金熔覆层硬度与耐磨性不是正比关系，本发明实验得出当Cr质量分数为40％，C：2.5％时熔敷层硬度较高且耐磨性较好。

本发明采用电化学腐蚀试验方法，测氩弧堆焊熔敷层腐蚀速率。实验在3％NaCl电化学腐蚀液中，通过三电极体系测定试样的极化曲线，分析熔覆层的弱极化区腐蚀速率如表3所示。

表3 氩弧堆焊Fe-Cr-C铁基合金熔敷层弱极化区腐蚀数据

由表3可知，当Cr质量分数为30％，C质量分数为2.5％时，熔敷层腐蚀电流密度和腐蚀速率最小；当Cr质量分数为20％，C质量分数为5％时，腐蚀电流密度和腐蚀速率最大。当Cr质量分数为30％时，即2^#、3^#、4^#试样的腐蚀速率可知随着C含量的增加腐蚀速率先降低后增大但变化不明显，当Cr含量升高时腐蚀速率由上升趋势，这是因为Cr含量升高熔敷层表面更易钝化，更加耐蚀，但是石墨升高，与Cr生成碳化物，导致晶界局部贫Cr，熔覆层表面的强度及硬度升高，但耐腐蚀性下降。故此实验中1^#由于具有较低的Cr含量，较高的石墨含量因此最不耐腐蚀。

本发明通过对试样的耐磨性、耐腐蚀性测试得出合金的最佳配比，其优点是利用价格低廉的铁基合金，不仅经济性好，并且经过成分、组织的调整，可以在很大范围内改变堆焊层的强度、韧性、耐磨性、耐蚀性、耐热性和抗冲击性等。此工艺制备的焊缝成形良好，无裂纹、气孔等不良现象，解决了利用焊条堆焊去除夹渣的困难。采用的设备价格低廉，能够在实际工业生产中大量使用、工艺简单可靠。能够适应灵活的现场工作场合，广泛的应用在低碳钢、低合金钢等材料设备的焊接强化及修复领域。

附图说明

图1FeCrC合金试样磨损失重量曲线图；

图2为各试样磨损形貌扫描电镜金相图；

2-1为1^#试样磨损形貌；2-2为2^#试样磨损形貌；2-3为3^#试样磨损形貌；2-4为4^#试样磨损形貌；2-5为5^#试样磨损形貌；2-6为6^#试样磨损形貌；2-7为7^#试样磨损形貌；

具体实施例

实施例1：堆焊母材Q235，规格200×50×10mm，氩弧堆焊熔敷层宽度150×30×5mm。

氩弧堆焊铬铁、石墨、还原性铁粉原材料粉末的颗粒度为60～200目配比如下：铬铁46.125％，石墨5％，还原性铁粉48.875％。铁基粉末在球磨机混合均匀，用水玻璃粘结剂搅拌，在模具中压制成50×10×(1.2、1.3、1.5mm)的薄片，自然晾干10小时。放置在烘干箱加热至200℃，保温1.5小时，随炉冷却至50℃出炉冷却。将堆焊母材用角磨机清理表面油锈，将1.2mm薄片放置在堆焊位置。氩弧堆焊工艺参数为：电流120A，电压15V，氩气流量6L/min，焊接速度60mm/min。堆焊引弧为高频氩弧引弧方法，电弧引燃后移至铁基合金薄片，堆焊时沿合金薄片做横向摆动和纵向移动，保证合金薄片完全熔化形成成型良好的熔敷层。第一层堆焊后，待试件温度降至50℃一下，用铁钢刷清理表面，然后在第一层上面放置1.3mm合金薄片，氩弧堆焊工艺参数为：电流130A，电压18V，氩气流量6L/min，焊接速度50mm/min。第二层堆焊后，待试件温度降至50℃一下，用铁钢刷清理表面，然后在第二层上面放置1.5mm合金薄片，氩弧堆焊工艺参数为：电流140A，电压20V，氩气流量8L/min，焊接速度65mm/min。三层氩弧堆焊熔敷层可达厚度4～6mm，用线切割截取堆焊层分别制备金相试样15×10×15mm，腐蚀试样10×10×10mm，磨损试样31×6.5×3mm。实验结果表明熔敷层出现M₃C、M₇C₃新相，用HRC硬度仪测试表面熔敷层平均硬度为HRC56.1。熔敷层表面腐蚀电流0.1601，比母材提高500倍。试样磨损表面没有明显的犁沟和大量硬质点脱落现象。

Claims

1.一种氩弧堆焊FeCrC铁基粉末合金，其特征在于：所述粉末各组成原材料的质量百

分比为铬铁30.75～61.5％，石墨1～5％，还原性铁粉33.5～64.25％；

其中所述粉末各组成原材料中，各原材料主要成分的质量百分比为：铬铁中，Cr＞60％，C≤0.03％；石墨中，C：99.9％；还原性铁粉中，Fe：96％；

所述铬铁、石墨、还原性铁粉原材料粉末的颗粒度为60～200目。

2.如权利要求1所述的一种氩弧堆焊FeCrC铁基粉末合金的制备工艺，其特征在于，按照如下步骤：

(1)按照配比称取铬铁、还原性铁粉、石墨铁基合金粉末，充分混合均

匀；

(2)将混合均匀的合金粉末加入水玻璃粘结剂，混合均匀后，放入模具中压制成型，制成厚度为1.2～1.5mm、宽度为0.8～1.2mm、长为50mm的合金薄片；

(3)将合金薄片自然晾干5～10小时后，放在烘干箱内在200℃保温1.5h，随炉冷却；

(4)利用氩弧作为热源使合金薄片堆焊在材料表面形成耐磨、耐蚀熔覆层。