CN104308398B - 一种制备铁基原位复合材料堆焊焊丝的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备铁基原位复合材料堆焊焊丝的方法,其特征在于:首先将经过预热的Fe2O3、Cr2O3粉末与经过预热的铁粉均匀混合,然后和处于近液相线温度的Al‑Fe合金熔体一起加入到螺旋流变挤压装置中,将混合粉末与Al‑Fe合金熔体混合均匀,通过螺旋流变挤压装置出口端的模具挤出成丝状,连续送入到保温炉中保温,最终通过低温反应获得铁铬铝或铁铝合金与Al2O3复合的原位复合材料焊丝。本发明制备温度低,工艺操作容易,能极大地提高材料的耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及铁基复合材料,具体而言为涉及一种制备铁基原位复合材料堆焊焊丝的方法。
技术背景
采用堆焊方式对耐磨件进行堆焊,可以使构件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,大幅度提高产品的性能及附加值;耐磨件的堆焊复合制造方法是以铸钢为胎体,根据成品设计规格预留30%~50%的尺寸,采用堆焊熔敷方式将耐磨层熔敷于胎体之上,直至堆焊到成品设计规格;由于铸钢韧性好,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,所以比高铬铸铁更为耐磨;在堆焊层为铁基复合材料时,由于铁基复合材料材料中引入了碳化物、氧化物等耐磨的增强相材料,往往能够获得很好的耐磨性;但是,很多铁基复合材料的增强体是通过外加方式引入的,堆焊过程中容易出现增强体与液态钢铁基体材料之间润湿性不良等问题,使堆焊层中增强体与钢铁基体的界面结合变差,因此迫切需要采取措施改善增强体颗粒与钢铁基体之间的界面结合。
铁基原位复合材料是指通过在钢铁基体中原位生成增强体形成的一类复合材料,由于其增强体是从基体中原位形成,因此增强体与钢铁基体之间界面结合好,且界面上没有新的化合物形成、增强体在升温过程中热力学稳定;在铁基复合材料堆焊时,如果采用铁基原位复合材料作为焊丝,那么增强体颗粒与钢铁基体之间的界面结合就会得到明显改善,而要制备铁基原位复合材料焊丝,首先要解决的问题是如何制备铁基原位复合材料;目前,制备铁基原位复合材料的主要方法有铝热反应法、反应烧结法等,但是,铝热反应法在制备过程中反应比较剧烈,反应过程控制难度较大;反应烧结法反应过程容易控制,不过所制备的复合材料的致密性有待提高;因此,如果能采用铝热反应法而又有效控制其反应过程,则制备铁基原位复合材料焊丝就会比较容易实现,到目前为止,国内外还没有关于铁基原位复合材料堆焊焊丝制备方法的报道。
发明内容
本发明提出一种制备铁基原位复合材料堆焊焊丝的方法,其原理是:将反应物Fe2O3、Cr2O3粉末与一定比例的铁粉在Al-Fe合金近液相线温度与Al-Fe合金熔体一起通过螺旋流变挤压作用进行混合,并通过挤出模具做成丝状材料,然后在Al-Fe合金固相线附近进行反应,避免反应难以控制,获得铁铬铝或铁铝合金与Al2O3复合的焊丝材料,在后续使用过程中通过堆焊进一步促进焊丝材料的成分均匀化,并使Al2O3向性能更加优异的高温晶型转变。
本发明提出一种制备铁基原位复合材料堆焊焊丝的方法,其特征在于:首先将经过预热的Fe2O3、Cr2O3粉末与经过预热的铁粉均匀混合,然后和处于近液相线温度的Al-Fe合金熔体一起加入到螺旋流变挤压装置中,将混合粉末与Al-Fe合金熔体混合均匀,通过螺旋流变挤压装置出口端的模具挤出成丝状,并连续送入到保温炉中保温,从而获得铁铬铝或铁铝合金与Al2O3组成的原位复合材料焊丝。
所涉及的经过预热的Fe2O3、Cr2O3粉末,是指在200~300℃预热30~50min的球形或者近似球形,尺寸为2.0~10μm的Fe2O3、Cr2O3粉末,杂质含量不大于0.3wt.%,Fe2O3、Cr2O3粉末的总量为Al-Fe合金的150~200wt.%,其中Cr2O3粉末占两种粉末总量的0~35.0wt.%。
所述的经过预热的铁粉,是指在氮气保护下在250~300℃预热30~40min的尺寸平均为10~50μm的还原铁粉,杂质含量不大于0.3wt.%,铁粉加入量占Al-Fe合金的100~200wt.%。
所述的处于近液相线温度的Al-Fe合金熔体,是指含Fe为1.0~1.5wt.%、含混合稀土金属为0.3~0.5wt.%,其余为Al,温度处于液相线温度上下各10℃范围内的Al-Fe合金。
所述的螺旋流变挤压装置,是指常规的用于铝合金半固态浆料制备和挤压成型的装置,该装置由模具钢制造,与Al-Fe合金熔体接触的部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理,使用过程中温度与加入的Al-Fe合金熔体温度保持一致。
所述的出口端的模具,是指采用热作模具钢制作的入口内径为8~15mm、出口内径为3~8mm的挤压模具,使用过程中温度控制在300~350℃。
所述的挤出成丝状,是指由双螺旋流变挤压装置出口端的模具挤出的直径为3~8mm的丝状材料。
所述的连续送入到保温炉中保温,是指直接送入保温炉,送入的速度与挤出速度一致,控制在2~5m/min,保温炉的温度控制在750~800℃,有效加热长度为20~30 m,丝状材料在保温炉中通过转向辊改变方向在炉内进行多次变向并连续运动,直至保温时间达到50~120min。
本发明将Fe2O3、Cr2O3粉末与铝合金、铁粉混合并做成焊丝,制备温度低,工艺操作容易,且焊丝在堆焊的高温作用下能使Al2O3发生晶型转变,变成耐热耐磨的α-Al2O3,极大地提高了材料的耐磨性。
附图说明
图1为本发明制备的铁基原位复合材料堆焊焊丝的显微组织。
具体实施例
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,除非有另外的说明,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
本实施例具体实施一种制备铁基原位复合材料堆焊焊丝的方法,其过程为:首先将经过200℃预热50min的形状为球形,尺寸为2.0μm的Fe2O3粉与在氮气保护下在250℃预热40min的尺寸平均为10μm的还原铁粉均匀混合,Fe2O3粉和铁粉的杂质含量均为0.2wt.%,Fe2O3粉为Al-Fe合金的150wt.%,铁粉加入量占Al-Fe合金的200wt.%;然后将上述混合粉末和温度为750℃的Al-Fe合金熔体一起加入到由模具钢制造的用于铝合金半固态浆料制备和挤压成型的螺旋流变挤压装置中,将混合粉末与Al-Fe合金熔体混合均匀,并通过螺旋流变挤压装置出口端采用热作模具钢制作的模具挤出成直径为3mm的丝状材料;Al-Fe合金含Fe为1.0wt.%、含La系混合稀土金属为0.3wt.%,其余为Al;螺旋流变挤压装置中与Al-Fe合金熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理,使用过程中温度保持为750℃;螺旋流变挤压装置出口端的模具入口内径为8mm、出口内径为3mm,使用过程中模具温度控制在300℃。
从螺旋流变挤压装置出口端挤出的丝材直接送入保温炉,送入的速度与挤出速度一致,控制在2m/min,保温炉的温度控制在750℃,有效加热长度为20m,丝状材料在保温炉中通过转向辊改变方向在炉内进行5次变向并连续运动,直至保温时间达到50min,获得铁铝合金与Al2O3复合的原位复合材料焊丝;图1为本发明制备的铁基原位复合材料堆焊焊丝的显微组织,从图中可以看出,焊丝中Al2O3颗粒分布均匀。
实施例2
本实施例具体实施一种制备铁基原位复合材料堆焊焊丝的方法,其过程为:首先将经过300℃预热30min的形状近似球形,尺寸分别为5μm、10μm的Fe2O3、Cr2O3粉末与在氮气保护下在300℃预热30min的尺寸平均为50μm的还原铁粉均匀混合,Fe2O3、Cr2O3粉末和铁粉的杂质含量分别0.2wt.%、0.2wt.% 和0.1wt.%,Fe2O3、Cr2O3粉末的总量为Al-Fe合金的200wt.%,其中Cr2O3粉末占两种粉末总量的35.0wt.%,铁粉加入量占Al-Fe合金的100wt.%;然后将上述混合粉末和温度为800℃的Al-Fe合金熔体一起加入到由模具钢制造的用于铝合金半固态浆料制备和挤压成型的螺旋流变挤压装置中,将混合粉末与Al-Fe合金熔体混合均匀,并通过螺旋流变挤压装置出口端采用热作模具钢制作的模具挤出成直径为8mm的丝状材料;Al-Fe合金含Fe为1.5wt.%、含Ce系混合稀土金属为0.5wt.%,其余为Al;螺旋流变挤压装置中与Al-Fe合金熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理,使用过程中温度保持为800℃;螺旋流变挤压装置出口端的模具入口内径为15mm、出口内径为8mm,使用过程中模具温度控制在350℃。
从螺旋流变挤压装置出口端挤出的丝材直接送入保温炉,送入的速度与挤出速度一致,控制在5m/min,保温炉的温度控制在800℃,有效加热长度为30 m,丝状材料在保温炉中通过转向辊改变方向在炉内进行20次变向并连续运动,直至保温时间达到120min,获得铁铬铝合金与Al2O3复合的原位复合材料焊丝。所制备的铁基原位复合材料堆焊焊丝的显微组织与图1类似。
实施例3
本实施例具体实施一种制备铁基原位复合材料堆焊焊丝的方法,具体过程为:首先将经过250℃预热40min的形状近似球形,尺寸为8μm的Fe2O3、Cr2O3粉末与在氮气保护下在280℃预热35min的尺寸平均为30μm的还原铁粉均匀混合,Fe2O3、Cr2O3粉末和铁粉的杂质含量分别为0.1wt.%、0.1wt.%、0.2wt.%,Fe2O3、Cr2O3粉末的总量为Al-Fe合金的180wt.%,其中Cr2O3粉末占两种粉末总量的20.0wt.%,铁粉加入量占Al-Fe合金的150 wt.%;然后将上述混合粉末和温度为770℃的Al-Fe合金熔体一起加入到由模具钢制造的用于铝合金半固态浆料制备和挤压成型的螺旋流变挤压装置中,将混合粉末与Al-Fe合金熔体混合均匀,并通过螺旋流变挤压装置出口端采用热作模具钢制作的模具挤出成直径为5mm的丝状材料;Al-Fe合金含Fe为1.2wt.%、含La系混合稀土金属为0.4wt.%,其余为Al;螺旋流变挤压装置中与Al-Fe合金熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理,使用过程中温度保持为770℃;螺旋流变挤压装置出口端的模具入口内径为11mm、出口内径为5mm,使用过程中模具温度控制在320℃。
从螺旋流变挤压装置出口端挤出的丝材直接送入保温炉,送入的速度与挤出速度一致,控制在3m/min,保温炉的温度控制在770℃,有效加热长度为30m,丝状材料在保温炉中通过转向辊改变方向在炉内进行8次变向并连续运动,直至保温时间达到80min,获得铁铬铝合金与Al2O3复合的原位复合材料焊丝。所制备的铁基原位复合材料堆焊焊丝的显微组织与图1类似。
实施例4
本实施例具体实施一种制备铁基原位复合材料堆焊焊丝的方法,具体过程为:首先将经过200℃预热50min的形状近似球形,尺寸均为8μm的Fe2O3、Cr2O3粉末与在氮气保护下在280℃预热35min的尺寸平均为30μm的还原铁粉均匀混合,Fe2O3、Cr2O3粉末和铁粉的杂质含量均为0.2wt.%,Fe2O3、Cr2O3粉末的总量为Al-Fe合金的150wt.%,其中Cr2O3粉末占两种粉末总量的25.0wt.%,铁粉加入量占Al-Fe合金的150 wt.%;然后将上述混合粉末和温度为780℃的Al-Fe合金熔体一起加入到由模具钢制造的用于铝合金半固态浆料制备和挤压成型的螺旋流变挤压装置中,将混合粉末与Al-Fe合金熔体混合均匀,并通过螺旋流变挤压装置出口端采用热作模具钢制作的模具挤出成直径为4mm的丝状材料;Al-Fe合金含Fe为1.2wt.%、含La系混合稀土金属为0.4wt.%,其余为Al;螺旋流变挤压装置中与Al-Fe合金熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理,使用过程中温度保持为780℃;螺旋流变挤压装置出口端的模具入口内径为12mm、出口内径为4mm,使用过程中模具温度控制在320℃。
从螺旋流变挤压装置出口端挤出的丝材直接送入保温炉,送入的速度与挤出速度一致,控制在2m/min,保温炉的温度控制在780℃,有效加热长度为22m,丝状材料在保温炉中通过转向辊改变方向在炉内进行10次变向并连续运动,直至保温时间达到110min,获得铁铬铝合金与Al2O3复合的原位复合材料焊丝。所制备的铁基原位复合材料堆焊焊丝的显微组织与图1类似。
Claims (5)
1.一种制备铁基原位复合材料堆焊焊丝的方法,其特征在于:首先将经过预热的Fe2O3、Cr2O3粉末与经过预热的铁粉均匀混合,然后和处于近液相线温度的Al-Fe合金熔体一起加入到螺旋流变挤压装置中,将混合粉末与Al-Fe合金熔体混合均匀,通过螺旋流变挤压装置出口端的模具挤出成丝状,并连续送入到保温炉中保温,从而获得铁铝合金与Al2O3组成的原位复合材料堆焊焊丝;所涉及的经过预热的Fe2O3、Cr2O3粉末,是指在200~300℃预热30~50min的球形或者近似球形,尺寸为2.0~10μm的Fe2O3、Cr2O3粉末,杂质含量不大于0.3wt.%,Fe2O3、Cr2O3粉末的总量为Al-Fe合金的150~200wt.%,其中Cr2O3粉末占两种粉末总量的0~35.0wt.%;所述的经过预热的铁粉,是指在氮气保护下在250~300℃预热30~40min的尺寸平均为10~50μm的还原铁粉,杂质含量不大于0.3wt.%,铁粉加入量占Al-Fe合金的100~200wt.%;所述的处于近液相线温度的Al-Fe合金熔体,是指含Fe为1.0~1.5wt.%、含混合稀土金属为0.3~0.5wt.%,其余为Al,温度处于液相线温度上下各10℃范围内的Al-Fe合金。
2.如权利要求1所述的一种制备铁基原位复合材料堆焊焊丝的方法,其特征在于:所述的螺旋流变挤压装置,是指用于铝合金半固态浆料制备和挤压成型的装置,该装置由模具钢制造,与Al-Fe合金熔体接触的部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理,使用过程中温度与加入的Al-Fe合金熔体温度保持一致。
3.如权利要求1所述的一种制备铁基原位复合材料堆焊焊丝的方法,其特征在于:所述的出口端的模具,是指采用热作模具钢制作的入口内径为8~15mm、出口内径为3~8mm的挤压模具,使用过程中温度控制在300~350℃。
4.如权利要求1所述的一种制备铁基原位复合材料堆焊焊丝的方法,其特征在于:所述的挤出成丝状,是指由螺旋流变挤压装置出口端的模具挤出的直径为3~8mm的丝状材料。
5.如权利要求1所述的一种制备铁基原位复合材料堆焊焊丝的方法,其特征在于:所述的连续送入到保温炉中保温,是指直接送入保温炉,送入的速度与挤出速度一致,控制在2~5m/min,保温炉的温度控制在750~800℃,有效加热长度为20~30m,丝状材料在保温炉中通过转向辊改变方向在炉内进行多次变向并连续运动,直至保温时间达到50~120min。
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