CN103498155A - 用于制备自生陶瓷相增强铁基耐磨层的氩弧熔覆材料 - Google Patents

Abstract

用于制备自生陶瓷相增强铁基耐磨层的氩弧熔覆材料，属于材料表面技术领域。其特征在于熔覆材料各原材料的质量百分比为：铁基自熔合金粉末(60～85)％，钛粉(0～5)％，锆粉(3～8)％，铌粉(3～10)％，钒粉(5～25)％，石墨(2～8)％，稀土合金(1～3)％。熔覆材料可以制备成两种形式：①预涂于工件表面并压平，涂层厚度0.8～1.5mm；②压制成厚0.8～1.5mm、宽6～10mm、长50～100mm的薄片；经10小时以上室温晾干，然后120～160℃烘干2小时。所述氩弧熔覆材料熔点低，成形好，用于钢质工件表面熔覆，形成自生陶瓷相增强的铁基耐磨层，提高表面硬度及耐磨性。

Description

用于制备自生陶瓷相增强铁基耐磨层的氩弧熔覆材料

技术领域：

本发明属于材料表面技术领域，提供一种用于非熔化极氩弧熔覆材料，该材料基于铁基自熔合金粉末，添加碳化物形成元素和石墨制备而成，用于氩弧熔覆制备自生陶瓷相增强铁基耐磨层。

背景技术

随着现代工业的发展，生产过程中对机械产品的性能要求越来越高，产品在高参数(如高温、高压、高速等)和恶劣的工况条件下长期稳定运转，必然对其表面的强度、耐磨性、耐蚀性等提出更高的要求。各种机械设备、仪器仪表、冶金零部件中的金属零件，以及各种工模具，在使用过程中往往首先从表面发生破坏和失效，破坏的原因很大一部分是由于表面磨损而造成的。因此，只要对零部件表面进行强化就能满足性能的要求。

表面强化技术主要有热喷涂、表面熔覆等工艺方法，表面熔覆技术使基体表面获得耐磨性能的同时，覆层材料与基体间可形成牢固的冶金结合，因此在一些要求表面不仅具有抗磨性能，而且还需要承受强载荷作用的条件下，具有绝对优势。目前，表面熔覆技术广泛应用于冶金、航空、机械等行业旧件的修复和新产品的制造上。表面熔覆常用高密度热源有激光、等离子弧、聚焦光束等，其特点是能量密度较高，被强化表面质量好，但设备昂贵，操作复杂。非熔化极氩弧虽然能量密度较低，熔覆效率低，但其设备较为轻便、价廉、操作方便，易于在施工现场施焊，使得氩弧表面强化技术易于普及，因此在一些中小件上得以推广应用。

常用熔覆材料有铁基、镍基、钴基材料等，由于采用Fe基体时更能适于高温、高速、重载、高磨损等工况条件下的性能要求，且铁基材料价格便宜、来源广泛，能够通过热处理来调整其性能，所以铁基熔覆材料得到广泛的应用。如果在熔覆层中形成颗粒陶瓷相，可以显著提高熔覆层硬度和耐磨性。

发明内容

本发明提供一种非熔化极氩弧熔覆材料，用于在小型钢质零部件上进行表面耐磨层制备，修复零部件尺寸或提高其表面耐磨性。熔覆层硬度可达HRC52～62，耐磨性好。

所述氩弧熔覆材料以铁基自熔合金粉末(如Fe45、Fe50等)为基础，加入钛粉、锆粉、铌粉、钒粉、石墨、稀土合金等混合均匀，然后添加粘结剂预涂于工件表面，或者制作成薄片状，烘干后待用。其特征在于熔覆材料的各组成原材料的质量百分比为：铁基自熔合金粉末(60～85)％，钛粉(0～5)％，锆粉(3～8)％，铌粉(3～10)％，钒粉(5～25)％，石墨(2～8)％，稀土合金(1～3)％。其中碳化物形成元素钛、锆、铌、钒的总摩尔数与石墨的摩尔数之比为0.8～1.1。

所述铁基自熔合金粉末、钛粉、锆粉、铌粉、钒粉、石墨、稀土合金等原材料的粒度为40～200目，铁基自熔合金粉末可以采用市售Fe45、Fe50等粉末，其成分如下：

Fe45：C0.5-0.6，Si3.0-4.0，B3.0-4.0，Cr16-18，Ni12-14，Fe余量；

Fe50：C0.6-0.8，Si3.0-4.0，B3.0-4.0，Cr15-18，Ni12-15，Fe余量。

稀土合金的稀土含量：RE44％～47％。粘结剂采用水玻璃或有机粘结剂。

所述氩弧熔覆材料的制备工艺过程：

(1)按比例称取各粉末原材料并混合均匀；然后加入粘结剂搅拌均匀，制成湿粉。

(2)根据不同情况，可以以两种形式制备熔覆材料：①将湿粉涂于经过表面清理、去锈的工件待熔覆表面并压平，涂层厚度0.8～1.5mm；②根据待熔覆表面尺寸，利用专用模具将湿粉压制成厚0.8～1.5mm、宽6～10mm、长50～100mm的薄片。

(3)将湿粉预涂层或薄片经10小时以上室温晾干，然后120～160℃烘干2小时。

所述熔覆材料以铁基自熔合金粉末为主(占60％～85％)，铁基自熔合金粉末熔点低(Fe45熔点：1100～1200℃，Fe50熔点：1020～1130℃)，既使采用能量密度较低的氩弧作热源，也能够快速熔化，保证熔覆过程的顺利进行和良好的成形。铁基自熔合金中含有C、Si、B、Cr、Ni等合金元素，Fe45自身熔覆层硬度可达HRC42～48，Fe50自身熔覆层硬度可达HRC48～52。钛、锆、铌、钒均为强碳化物形成元素，所述熔覆材料添加钛、锆、铌、钒、石墨的目的是为了在熔覆过程中使碳化物形成元素与碳发生原位冶金反应，生成颗粒碳化物作为陶瓷增强相，同时部分碳及合金元素固溶于基体强化基体金属；与直接外加陶瓷相相比，这种熔覆过程中冶金反应形成的自生陶瓷相的界面洁净，与熔体结合强度高，强化熔覆层的效果更好；之所以同时加入多种碳化物元素，是因为加入单一碳化物元素时易形成形状规则、带有棱角的碳化物颗粒，特别是Ti、Nb的碳化物易形成规则的块状，棱角处易产生应力集中，与基体结合强度低，加入V形成的多种元素的复合碳化物颗粒一般较为圆整，没有尖锐棱角，应力集中小。加入稀土合金是因为稀土氧化物可以作为形核核心促进颗粒状碳化物的形成并使其均匀分布于铁基熔体中。

利用所述熔覆材料进行非熔化极氩弧熔覆，熔覆工艺：

(1)选用直流钨极氩弧焊机进行熔覆，钨极直径φ2.5～4mm，直流正接，氩气流量8～12L/min，电流100～180A，电弧电压15～20V；

(2)采用预涂层熔覆材料时，直接利用钨极氩弧作为热源在预涂层材料上逐道扫描，使预涂材料熔化并与基体熔合，凝固后形成熔覆层；

(3)采用薄片熔覆材料时，先将待熔覆表面及邻近区域的油污、铁锈清理干净，将一片熔覆材料薄片或多片首尾相连直线排列在待熔覆区域，用钨极氩弧作为热源将薄片熔化形成一道熔覆焊道，清理未熔化的材料及周围杂质，然后紧靠此熔覆焊道放置另外一片或多片熔覆材料薄片，重复上述熔覆过程，直至完成整个区域的熔覆；

(4)熔覆完成后，进行表面清理；根据具体要求重复上述过程进行多层熔覆，达到要求的熔覆层厚度，最后磨削加工至所需要的零件尺寸。

所述熔覆材料，以低熔点的铁基自熔合金粉末为基础，熔点低，成形好，适合采用氩弧熔覆。熔覆后形成原位自生陶瓷相增强铁基复合熔覆层，提高工件表面硬度和耐磨性，熔覆层硬度可达HRC52～62。

具体实施方式

按照粒度及成份要求购买铁基自熔合金粉末、钛粉、锆粉、铌粉、钒粉、石墨、稀土合金等原材料，按照设计比例(质量百分比)配制合金粉末并混合均匀，熔覆材料的各原材料的质量百分比为：铁基自熔合金粉末(60～85)％，钛粉(0～5)％，锆粉(3～8)％，铌粉(3～10)％，钒粉(5～25)％，石墨(2～8)％，稀土合金(1～3)％。其中碳化物形成元素钛、锆、铌、钒的总摩尔数与石墨的摩尔数之比为0.8～1.1。合金粉末中加入粘结剂搅拌均匀，制成湿粉；将湿粉预涂于经过表面清理去锈的待熔覆表面并压平，或将湿粉压制为薄片状，经10小时以上室温晾干，然后120～160℃烘干2小时。利用钨极氩弧作热源将熔覆材料熔化，在工件表面形成熔覆层。

实例一

一种用于制备自生陶瓷相增强铁基耐磨层的氩弧熔覆材料，铁基自熔合金粉末选用Fe45，加入钛粉、锆粉、铌粉、钒粉、石墨、稀土硅铁合金(FeSiRE45)，其比例(质量百分比)为：

铁基自熔合金粉末：钛：锆：铌：钒：石墨：稀土硅铁合金＝73：1：2：8：10：4：2

配制合金粉末并混合均匀，加入适量水玻璃作粘结剂，搅拌均匀，制成湿粉；将湿粉预涂于经过表面清理去锈的Q235B低碳钢表面并压平，涂层厚度约1mm，经24小时室温晾干，然后150℃烘干2小时。选用WS-400型直流钨极氩弧焊机进行熔覆，铈钨极直径φ3.2mm，直流正接，氩气流量i0L/min，电流150A，电弧电压18V。

熔覆两层，熔覆层表面组织见附图1，组织中形成了人量的碳化物颗粒，本实例加入Nb较多，且加入了Ti元素，少量碳化物颗粒呈方块形。本实例采用的铁基自熔合金粉末是Fe45，所以熔覆层宏观硬度并不太高，表面硬度为HRC53。

实例二

一种用于制备自生陶瓷相增强铁基耐磨层的氩弧熔覆材料，铁基自熔合金粉末选用Fe50，加入锆粉、铌粉、钒粉、石墨、稀土硅铁合金(FeSiRE45)，其比例(质量百分比)为：

铁基自熔合金粉末：锆：铌：钒：石墨：稀土硅铁合金＝71：2：5：15：4.5：2.5

配制合金粉末并混合均匀，加入适量水玻璃作粘结剂，搅拌均匀，制成湿粉；将湿粉压制为1.2mm×8mm×50mm的薄片，经24小时室温晾干，然后150℃烘干2小时。Q235B低碳钢表面清理油污、去锈，将一片熔覆材料薄片放在低碳钢表面，选用WS-400型直流钨极氩弧焊机进行熔覆，熔覆后将未熔材料清理干净，紧靠熔覆焊道放置另一片熔覆材料薄片，再次进行氩弧熔覆。重复上述过程，共使用四片熔覆材料薄片。在第一层熔覆层上重复上述过程，进行第二层熔覆，第二层共使用三片熔覆材料薄片。熔覆参数如下：铈钨极直径φ4.0mm，直流正接，氩气流量12L/min，电流160A，电弧电压18V。

熔覆层表面组织见附图2，组织中形成的碳化物颗粒数量更多，且碳化物颗粒形状圆整。本实例采用的铁基自熔合金粉末是Fe50，由于合金元素及碳化物的强化作用，熔覆层宏观硬度达到HRC60。

Claims (3)

1.用于制备自生陶瓷相增强铁基耐磨层的氩弧熔覆材料，其特征在于：原材料的质量百分比为：铁基自熔合金粉末(60～85)％，钛粉(0～5)％，锆粉(3～8)％，铌粉(3～10)％，钒粉(5～25)％，石墨(2～8)％，稀土合金(1～3)％；其中碳化物形成元素钛、锆、铌、钒的总摩尔数与石墨的摩尔数之比为0.8～1.1。

2.根据权利要求1所述氩弧熔覆材料，各原材料的粒度为40～200目，原材料主要成分：铁基自熔合金粉末采用Fe45或Fe50，其成分分别为Fe45：C0.5-0.6，Si3.0-4.0，B3.0-4.0，Cr16-18，Ni12-14，Fe余量；Fe50：C0.6-0.8，Si3.0-4.0，B3.0-4.0，Cr15-18，Ni12-15，Fe余量；稀土合金：RE44％～47％；粘结剂采用水玻璃或有机粘结剂。

3.根据权利要求1所述氩弧熔覆材料，其制备工艺过程：

(1)按比例称取各粉末原材料并混合均匀，加入粘结剂制成湿粉；

(2)根据不同情况，可以以两种形式制备熔覆材料：①将湿粉涂于经过表面清理、去锈的工件表面并压平，涂层厚度0.8～1.5mm，②将湿粉压制成厚0.8～1.5mm、宽6～10mm、长50～100mm的薄片；

(3)将湿粉预涂层或薄片经10小时以上室温晾干，然后120～160℃烘干2小时。

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