CN103769765A

CN103769765A - 一种含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金及其制备工艺

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Publication number: CN103769765A
Application number: CN201210393554.3A
Authority: CN
Inventors: 刘政军; 吴德广; 苏允海
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2032-10-17
Also published as: CN103769765B

Abstract

一种含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金及其制备工艺，其特点是：该合金成分为Cr15-30％，Mo3-12％，Ni0.5-1％，C6-10％，余量为Fe及不可避免的杂质；该制备工艺为将铬铁粉、钼粉、镍粉、石墨及还原铁粉机械混合后，用球磨机干式球磨均匀混合，待粉末冷却后涂敷在碳钢板上，然后经水玻璃均匀混合为厚度4mm的涂敷层；室温静置，烘干炉内烘干，炉内冷却至室温，进行等离子堆焊。本发明的制备工艺流程简单，添加合金种类少，成本低廉，所获得的合金堆焊层硬质相与基材结合性能好，不易脱落，具有高硬度、高耐磨性的特点，尤其在对抗击粘着磨损方面与其他铁基堆焊耐磨合金相比效果显著。

Description

一种含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种耐磨堆焊合金及其制备工艺，特别涉及一种含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金及其制备工艺，属于材料科学领域。

背景技术

磨损是材料损耗的最主要原因之一，如何提高材料的耐磨性一直是广大科学工作者热衷研究的课题。伴随着汽车航空、高速铁路的快速发展，对交通工具的速度要求一再提升，那么也必然对其制动系统的稳定性和寿命提出更高的要求，刹车片作为制动系统的核心部件作用不言而喻，由此可见，刹车片耐磨材料的合金体系的优化和制备工艺的精简完善任重道远，耐磨堆焊合金的研究潜力巨大。

现今耐磨堆焊合金种类繁多，研究发明成果卓著。其产品已广泛应用于矿山、机械、建筑、电力等行业。

中国申请专利“耐磨堆焊合金材料”(CN1843681A)，设计了一种具有很高的抗液固混合介质冲蚀磨损和磨粒磨损性能的耐磨堆焊合金材料，合金具体组成质量百分比为：W5-30％、Nb2-15％、V3-12％、Mo1-8％、Cr1-5％、B2-7％、稀土0.01-2％、余量为Fe。其优点是以硼化物为堆焊层的硬质相，显微硬度高，但是合金成分比较复杂，添加元素种类繁多，增加了成本。

中国申请专利“高抗裂耐磨高铬铸铁型堆焊药芯焊丝”(CN1775454A)，设计了一种堆焊用药芯焊丝，所述的药芯成分质量百分含量范围如下：碳化铬43-70％，钒铁10-25％，硅铁1-5％，金属锰3-8％，铝镁合金1-3％，硼铁2-5％，钛铁2-6％，铌铁1-5％，钼铁2-8％。其优点是焊后成形性好，硬度较高，耐磨性能较好，抗裂性强。但其中加入的合金元素量较大，并且制备成药芯焊丝工艺相对复杂，促使成本增加。

中国申请专利“具有改良抗裂性的硬面堆焊合金”(CN101421073A)，设计了一种硬面堆焊合金，该焊接熔敷物组合按质量百分比计包含：C0.7-2％、Mn0.2-0.5％、Si0.5-1.1％；Cr2-8％、Mo2％-6％、W2-5％、Nb2-8％、Ti2-8％、V1-2.5％、B0.2-0.9％、余量为铁。其优点是通过改变钛和/或铌与碳和/或硼的含量，形成硬质相。但其缺点是合金元素较为贵重，成本大。

从上述内容可见，虽然都具有很好的耐磨性和抗裂性，但公布的耐磨堆焊合金材料大多加入大量的昂贵的合金元素，或者直接加入显微硬度高的陶瓷相，或者制备成工艺较为复杂的各类焊条，增加了生产成本。同时查阅相关文献得知，在汽车刹车片耐磨材料的应用领域还只限于直接加入硬质相，通过高温烧结压制成型，这样的成本过高。而通过原位自生形成陶瓷硬质相作为刹车片骨架抵抗磨损的实例还未呈出现。

发明内容：

本发明的目的就在于解决现有技术存在的上述不足，经过大量试验和反复研究，提供一种合金成分加入较少、成本低廉、制备工艺简单，可以在堆焊过程中通过原位自生形成陶瓷硬质相增加堆焊层耐磨性的堆焊合金。

本发明给出的技术方案是：这种含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金，其特点是该合金的材料成分按质量百分比为：

Cr15-30％，Mo3-12％，Ni0.5-1％，C6-10％，

余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明中的Mo元素的添加采用纯钼粉、Cr元素采用高碳铬铁粉、Ni元素的添加采用纯镍粉、Fe元素采用纯度大于99％的还原铁粉、C元素采用片状石墨，将以上四种粉末按质量百分比机械混合方式添加，其粉末粒度在80-160目之间。

本发明给出的这种含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金的制备工艺，其特点是：

将按元素质量百分比计算后的铬铁粉、钼粉、镍粉、石墨及还原铁粉机械混合后，采用球磨机干式球磨的方法均匀混合，球磨转速在150-300r/min，球磨时间1-2h；

待粉末冷却后，涂敷在碳钢板上，然后经水玻璃均匀混合为厚度4mm的涂敷层；

室温静置24-48小时后，在烘干炉内将其在50℃-200℃烘干2小时，然后炉内冷却至室温，等离子堆焊过程中通过优化工艺参数及合金配比，在堆焊层中原位合成陶瓷相，并使其与基体具有良好的晶体学取向，良好的结合性能，进而显著提高堆焊层的综合性能，具体等离子弧堆焊工艺参数见表1。

表1等离子堆焊焊接工艺参数

本发明旨在提高堆焊合金的高温硬度及抗粘着磨损的耐磨性，减少贵重合金元素的加入量，减少加入合金元素的种类，简化合金粉末的制备方法。合金的组织特征是以显微硬度非常高的含Mo的复杂碳化物和(Fe，Cr)₇C₃为主要陶瓷硬质相，提高了堆焊合金的耐磨性，Ni的加入改善了焊接的成形性，使基体与硬质相的结合性得到了提高，增加了陶瓷硬质相与基体的结合强度，同时Mo的加入提高了合金抗高温磨损的性能，并能有效的降低了堆焊合金的脆性，提高冲击韧性。

同现有合金相比，本发明的有益效果体现为：

1、已公布的耐磨堆焊合金中大多加入较多种类、较多质量的合金元素，其生产成本增加，配置方法复杂。因此本发明采用成本低廉的工业铬铁粉和工业用钼、镍作为主要添加元素，降低了成本。

2、现有的耐磨堆焊合金材料大多采用直接加入碳化物、氮化物乃至硼化物作为提高材料硬度的硬质相，其增强相颗粒粗大，增强相与基体、堆焊层与母材的结合强度不高。本发明采用原位自生的手段，通过堆焊过程中的化学反应直接形成颗粒细小、弥散程度大、均匀分布的陶瓷硬质相，增加了硬质相与基体的结合强度，陶瓷硬质相之间相互结合，提高了堆焊合金的耐磨性。

3、本发明中Mo元素的添加使陶瓷相能够更好的抗击高温磨损，同时阻碍了(Fe，Cr)₇C₃相的过分长大，有利于堆焊合金与母材的结合强度，增加了堆焊合金的整体抗金属间磨损的性能。

4、本发明中加入的Ni元素降低了该耐磨合金熔池金属的粘度，提高堆焊合金液的流动性，改善该合金的成型性，并且对基体的韧性的提高有所帮助。

5、本发明中简化了耐磨堆焊合金的制备方法，通过涂敷粉末的方式减少了由于粉末堆焊造成粉末的大量飞溅浪费问题，同时等离子弧堆焊形成了成型美观、性能优越、成本低廉的耐磨堆焊合金

综上，采用本发明的“一种含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金及其制备工艺”进行等离子弧堆焊，操作方法简便，成本低廉，生产效率高，堆焊层成型好、硬度高，原位合成的陶瓷硬质相细小、弥散、均匀的分布在堆焊层中，与基体结合强度大，具有很高的抗粘着磨损性能。

附图说明

图1-图4均为200倍堆焊合金显微组织图，分别为实施例1-实施例4的显微组织形貌。

具体实施方式

本发明实施例中采用铬铁、钼粉、还原铁粉、少量镍粉及片状石墨等工业中常用的合金粉末为原料，其粒度为80-160目。实施例中采用球磨机干式球磨的方法均匀混合，球磨转速在150-300r/min，球磨时间1-2h。待粉末冷却后，涂敷在碳钢板上，然后经水玻璃均匀混合为厚度4mm的涂敷层。室温静置24-48小时后，在烘干炉内将其在50℃-200℃烘干2小时，然后炉内冷却至室温。然后以表1的焊接工艺进行施焊。

实施例1

含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金，按元素质量百分比，Cr30％，Mo3％，Ni0.5％，C6％，余量为铁元素及其他不可避免的杂质。

采用上述合金体系进行等离子堆焊，堆焊层的硬度达到56-60HRC，采用MMU-5G材料端面高温摩擦磨损试验机进行插销磨损试验，磨损试验参数：转速200r/min，试验力300N，磨损时间5min，试验温度500℃。堆焊层的磨损量为0.3317g，堆焊合金显微组织见图1。

实施例2

含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金，按元素质量百分比，Cr25％，Mo4％，Ni0.8％，C7％，余量为铁元素及其他不可避免的杂质。

采用上述合金材料等进行等离子堆焊，堆焊层的硬度达到50-58HRC，采用MMU-5G材料端面高温摩擦磨损试验机进行插销磨损试验，磨损试验参数：转速200r/min，试验力300N，磨损时间5min，试验温度500℃。堆焊层的磨损量为0.3929g，堆焊合金显微组织见图2。

实施例3

含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金，按元素质量百分比，Cr20％，Mo5％，Ni1％，C8％，余量为铁元素及其他不可避免的杂质。

采用上述合金材料等进行等离子堆焊，堆焊层的硬度为50-55HRC，采用MMU-5G材料端面高温摩擦磨损试验机进行插销磨损试验，磨损试验参数为旋转频率200r/min，试验力300N，磨损时间5min，试验温度500℃。堆焊层的磨损量为0.2919g，堆焊合金显微组织见图，3。

实施例4

含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金，按元素质量百分比，铬15％，钼6％，镍1％，碳8％余量为铁元素及其他不可避免的杂质。

采用上述合金材料等进行等离子堆焊，堆焊层的硬度为48-55HRC，采用MMU-5G材料端面高温摩擦磨损试验机进行插销磨损试验，磨损试验参数为旋转频率200r/min，试验力300N，磨损时间5min，试验温度500℃。堆焊层的磨损量为0.2571g，堆焊合金显微组织见图，4。

以上选用的实施例为本发明优选的实施例，本发明的含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金的硬度并不算很高，但因为是金属间与金属件磨损，硬质相与基体的结合性对磨损性能影响重大，因此该合金体系能够有效的抗击金属与金属间磨损，成型效果理想，制备工艺简单，成本低廉。

图1-图4是以上实施例中形成的耐磨堆焊合金堆焊层的显微组织形貌。由于本发明中各实施例中的合金元素添加量的变化，使其显微组织形貌在晶粒取向、晶粒大小上有所区别。

Claims

1.一种含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金，其特征在于该合金的成分质量百分比为：

Cr15-30％、Mo3-12％、Ni0.5-1％、C6-10％、

余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金，其特征在于该合金的具体添加物质为高碳铬铁、纯钼粉、纯镍粉、石墨和还原铁粉，其粉末粒度为80-160目。

3.根据权利要求1所述的含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金，其特征在于优选的合金的成分质量百分比为：Cr30％，Mo3％，Ni0.5％，C6％，余量为铁元素及其他不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金，其特征在于优选的合金的成分质量百分比为：Cr25％，Mo4％，Ni0.8％，C7％，余量为铁元素及其他不可避免的杂质。

5.根据权利要求1所述的含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金，其特征在于优选的合金的成分质量百分比为：Cr20％，Mo5％，Ni1％，C8％，余量为铁元素及其他不可避免的杂质。

6.根据权利要求1所述的含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金，其特征在于优选的合金的成分质量百分比为：铬15％，钼6％，镍1％，碳8％余量为铁元素及其他不可避免的杂质。

7.一种含Mo、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金的制备工艺，其特征在于：

将粒度在80-160目的高碳铬铁、纯钼粉、纯镍粉、石墨和还原铁粉按质量百分比混合均匀，然后经过水玻璃混合将粉末涂敷在母材表面，采用球磨机干式球磨的方法均匀混合，球磨转速在150-300r/min，球磨时间1-2h；

室温静置24-48小时后，在烘干炉内将其在50℃-200℃烘干2小时，然后炉内冷却至室温，等离子堆焊过程中通过优化工艺参数及合金配比，在堆焊层中原位合成陶瓷相，并使其与基体具有良好的晶体学取向，良好的结合性能，进而显著提高堆焊层的综合性能，具体等离子弧堆焊工艺为：

电源功率P(W)50；空载电压U_k(V)90；电弧电流I(A)150-190；

电弧电压U(V)25-30；电极直径D(mm)3.2；

电弧纵向移动速度V(cm/min)4-8；电弧横向摆动频率(次/分)40-50；

电弧横向摆动宽度(cm)2-3；电极距工件表面距离(mm)4。