CN105499786A - 一种电渣堆焊制备含原始wc陶瓷增强相耐磨硬面的方法 - Google Patents

一种电渣堆焊制备含原始wc陶瓷增强相耐磨硬面的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电渣堆焊制备含原始WC陶瓷增强相耐磨硬面的方法，用含有WC颗粒的合金粉为焊接原料，采用电渣堆焊的方式，获得保留有WC颗粒的熔覆合金。本发明提出的方法，采用预铺合金粉、或用药芯焊带、药芯焊丝的方法实现电渣堆焊。该方法工序安排合理，实施简便，成本适中，具有可推广价值。制备的硬面层与基材结合强度高，表面质量优异，综合力学性能稳定，持久耐用。

Description

一种电渣堆焊制备含原始WC陶瓷增强相耐磨硬面的方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种含有WC成分的硬面层的焊接方法。
背景技术
随着现代工业和技术设备的发展，对材料耐磨损性的要求越来越高，使用寿命越来越成为影响现代设备生产效率的重要因素。据不完全统计，仅我国电力、建筑材料、冶金、采煤和农机行业，每年消耗金属材料达400万吨以上。尤其是应用于矿山、水泥等领域的大型机械设备，在使用过程中由于局部磨损、损伤而无法继续使用，耗损巨大。
为了缓解材料磨损程度，提升机械零件的性能、延长使用寿命，对部件表面进行强化处理以获得耐磨损硬面层是工业中常用的经济有效的方法。由于陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合材料不仅具有金属材料的高强度、良好的塑性和冲击韧性等优点，还具有陶瓷材料的高硬度、高耐磨性，并且克服了传统耐磨材料耐磨性与强韧性相互制约的技术难题。
WC颗粒洛氏硬度高达93HRC，并且熔点达到3000℃。因此具有高硬度、高熔点、高耐磨性及良好的稳定性，而且比其他金属陶瓷颗粒(如碳化钛等)易于获得，是制备颗粒增强耐磨复合材料的首选增强相。
目前制备这种耐磨复合硬面层采用较多的技术方法有，热喷涂、激光表面处理和堆焊等；其中采用堆焊方法制备硬面层不仅与基体合金结合比较好，而且易于应用工程实际中。而采用药芯焊丝、或埋弧焊的电弧堆焊方法，电弧温度达到5000℃以上，远远超过WC颗粒的熔点，这样添加的原始WC颗粒全部被熔化。另外从液态金属原位合成WC的反应是难以实现的，因为W和C在Fe-W-C液态的铁基合金系统中的热力学方向决定了最终反应生成物相是Fe3W3C、Fe6W6C，很少生成或根本不生成WC或W2C，而Fe3W3C、Fe6W6C是脆性的网状相，硬度低、韧性差，作为硬质增强相的性能与WC或W2C差之甚远。因而，必须用外加WC陶瓷颗粒制备铁基复合堆焊层。电渣堆焊不存在电弧热，熔池温度在1600-2300℃，非常有利于在堆焊合金中制备WC耐磨硬质相，含有这种硬质相的堆焊合金耐磨性将大大提高。采用电渣堆焊方法制备含原始WC陶瓷增强相的耐磨硬面在理论上和实验操作中都是可行的。
发明内容
针对本技术领域的不足之处，本发明的目的是提供一种采用电渣堆焊技术制备含WC陶瓷颗粒增强相耐磨硬面层的方法，并获得性能优异的合金硬面层。
实现本发明上述目的技术方案为：
一种电渣堆焊制备含原始WC陶瓷增强相耐磨硬面的方法，用含有WC颗粒的合金粉为焊接原料，采用电渣堆焊的方式，获得保留有WC颗粒的熔覆合金。
具体地，所述电渣堆焊包括以下步骤：
1)准备原料：焊接前，在基材上预铺合金粉并采用无药芯的焊带，或制备药芯焊丝或药芯焊带，所述药芯是含有WC颗粒的合金粉，焊剂为电渣堆焊焊剂；
2)制备耐磨复合硬面层：用带极电渣堆焊进行焊接；或者用药芯焊丝电渣堆焊方法进行焊接；或药芯焊带带极电渣堆焊方法进行焊接，采用相同的焊接工艺堆焊两层。
其中，所述基材为碳素结构钢Q235、Q245、Q345B、Q345R、X42、X46、X52、X56、X60、X65、X70中的一种，焊接前基材先用砂纸打磨、然后用有机溶剂清洗；所述有机溶剂为乙醇或丙酮。其中，所述不含药芯的焊带包括低碳钢焊带、不锈钢或镍基焊带，例如可以为H04、H10、H08D、H08DG、H08C，H08CG中的一种。
其中，所述WC颗粒为铸造WC颗粒，尺寸在180～250μm。
作为本发明的优选技术方案之一，所述预铺合金粉的方式为：在基材上先铺放一层不含WC的合金粉，再铺放一层WC颗粒。
其中，所述合金粉的成分组成为：B：1-4wt.％、Cr：15-30wt.％、Si：1.6-3wt.％、Mn：1.5-2.5wt.％、Nb：0-4wt.％、C：0.5-2wt.％、WC：15-40wt.％、余量为铁。(WC即WC颗粒，其他成分以市售的合金粉末形式添加)。
作为本发明另一优选技术方案，所述带级电渣堆焊的焊接电压为：25～30V、焊接电流为：600A，焊接速度为20～22cm/min。
作为本发明再一优选技术方案，所述电渣自动焊的焊接电压为：30-35V，焊接电流为：400-450A、焊接速度为340-400mm/min。
其中，所使用的焊带为不锈钢或镍基焊带，焊带宽30～75mm，厚0.3～0.7mm。
焊接中，每一焊层厚度2～3mm，堆焊两层。
采用药芯焊丝过渡合金粉的方法，每一焊层厚度2～3mm，采用相同焊接工艺堆焊两层，以避免基材对硬面层的影响。
本发明所述的方法焊接得到的硬面层。
本发明的有益效果在于：
本发明提出的方法，采用电渣堆焊技术制备含WC陶瓷颗粒增强相耐磨硬面层的方法，可获得性能优异的合金硬面层。本方法工序安排合理，实施简便，成本适中，具有可推广价值。制备的硬面层与基材结合强度高，表面质量优异，综合力学性能稳定，持久耐用。
本发明提出的方法，采用低碳钢焊带+焊道前预铺合金粉方法实现电渣堆焊。该方法既可以通过送粉器将合金粉铺在焊道上也可以采用手工铺粉法实现，操作简单。
附图说明
图1：实施例1金相显微拼接图(1#)，从右到左依次为：母材、第一层WC、堆焊层基体组织、第二层WC和堆焊层表面；
图2：实施例2扫描电镜图(2#)；
图3：实施例4金相图(3#)；
图4：实施例5扫描电镜图(4#)；
图5：实施例7金相图(5#)；
图6：实施例8扫描电镜图(6#)；
图7：实施例制1#-6#硬面层和高铬铸铁堆焊合金的洛氏硬度；
图8：实施例制1#-6#硬面层和高铬铸铁堆焊合金的相对耐磨性。
具体实施方式
下面通过最佳实施例来说明本发明。本领域技术人员所应知的是，实施例只用来说明本发明而不是用来限制本发明的范围。
实施例中，如无特别说明，所用手段均为本领域常规的手段。
实施例1：预铺合金粉带极堆焊(1#)
本发明提及的焊道前预铺合金粉末带极电渣熔覆碳化钨增强相硬面层的制备过程如下：
a)基材前处理，首先，用线切割将Q235钢板切割成厚度为8mm，宽度为100mm，长度为400mm的板材；然后，用砂纸打磨除去表面铁锈，直至露出金属光泽；然后用丙酮对基材进行清洗。最后用酒精擦拭碳钢板表面并烘干，备用。
b)准备原料，制备硬面层的合金粉成分如表1，其中Bal.表示余量，下同。
表1实施例1硬面层成分
按上表成分，精确称量所需合金粉末和铸造WC颗粒。选用焊带为30×0.5mm的H04低碳钢带，焊剂选用型号为JWF205D的电渣堆焊焊剂。
c)制备耐磨复合硬面层，采用带极堆焊设备，焊接电压：30V、焊接电流：600A、焊接速度21cm/min。采用焊道前预铺合金粉的方法，先均匀预铺混合均匀的合金粉末，然后再在上面预铺WC颗粒；每一焊层厚度2～3mm，采用相同的工艺参数堆焊两层，以避免基材对硬面层的影响。
实施例2预铺合金粉带极堆焊(2#)
本发明提及的焊道前预铺合金粉末带极电渣熔覆碳化钨增强相硬面层的制备方法的具体制备过程如下：
a)基材前处理，首先，用线切割将Q235钢板切割成厚度为8mm，宽度为100mm，长度为400mm的板材；然后，用砂纸打磨除去表面铁锈，直至露出金属光泽；然后用丙酮对基材进行清洗。最后用酒精擦拭碳钢板表面并烘干，备用。
b)准备原料，制备硬面层成分为：
表2实施例2的硬面层成分
精确称量所需合金粉末和铸造WC颗粒。选用焊带为30×0.5mm的H04低碳钢带，焊剂选用型号为JWF205D的电渣堆焊焊剂。
c)制备耐磨复合硬面层，采用带极堆焊设备，焊接电压：30V、焊接电流：600A、焊接速度21cm/min。采用焊道前预铺合金粉的方法，先均匀预铺碳素铬铁粉末，然后再在上面预铺WC颗粒；每一焊层厚度2～3mm，采用相同的工艺参数堆焊两层，以避免基材对硬面层的影响。
实施例3预铺合金粉带极堆焊
本发明提及的焊道前预铺合金粉末带极电渣熔覆碳化钨增强相硬面层的制备方法的具体制备过程如下：
a)基材前处理，首先，用线切割将Q235钢板切割成厚度为8mm，宽度为100mm，长度为400mm的板材；然后，用砂纸打磨除去表面铁锈，直至露出金属光泽；然后用丙酮对基材进行清洗。最后用酒精擦拭碳钢板表面并烘干，备用。
b)准备原料，制备硬面层成分为：
表3实施例3的硬面层成分
精确称量所需合金粉末和铸造WC颗粒。选用焊带为30×0.5mm的H04低碳钢带，焊剂选用型号为JWF205D的电渣堆焊焊剂。
c)制备耐磨复合硬面层，采用带极堆焊设备，焊接电压：30V、焊接电流：600A、焊接速度21cm/min。采用焊道前预铺合金粉的方法，先均匀预铺碳素铬铁粉末，然后再在上面预铺WC颗粒；每一焊层厚度2～3mm，采用相同的工艺参数堆焊两层，以避免基材对硬面层的影响。
实施例4药芯焊带电渣堆焊(3#)
药芯焊带尺寸为1.4×30(厚度为1.4mm，宽度为30mm)。电渣熔覆碳化钨增强相硬面层的制备过程如下：
a)基材前处理，首先，用线切割将Q235钢板切割成厚度为8mm，宽度为100mm，长度为400mm的板材；然后，用砂纸打磨除去表面铁锈，直至露出金属光泽；然后用丙酮对基材进行清洗。最后用酒精擦拭碳钢板表面并烘干，备用。
b)准备原料，制备硬面层成分为：
表4实施例4硬面层成分
首选制备厚度为1.4mm，宽度为30mm的药芯焊带，成分如上表所示；焊剂选用型号为JWF205D的电渣堆焊焊剂。其中WC颗粒所需量为在整体合金粉末质量所占百分比，称取所需合金粉末和铸造WC颗粒。
c)制备耐磨复合硬面层，采用带极堆焊设备，焊接电压：29V、焊接电流：600A、焊接速度21cm/min。采用药芯焊带过渡合金粉末的方法，并且用相同的工艺参数堆焊两层，每一焊层厚度2～3mm，以避免基材对硬面层的影响。
实施例5药芯焊带电渣堆焊(4#)
药芯焊带尺寸为1.4×30(厚度为1.4mm，宽度为30mm)。电渣熔覆碳化钨增强相硬面层的制备过程如下：
a)基材前处理，首先，用线切割将Q235钢板切割成厚度为8mm，宽度为100mm，长度为400mm的板材；然后，用砂纸打磨除去表面铁锈，直至露出金属光泽；然后用丙酮对基材进行清洗。最后用酒精擦拭碳钢板表面并烘干，备用。
b)准备原料，制备硬面层成分为：
表5实施例5硬面层成分
首选制备厚度为1.4mm，宽度为30mm的药芯焊带，成分如上表所示；焊剂选用型号为JWF205D的电渣堆焊焊剂。精确称量所需合金粉末和铸造WC颗粒。
c)制备耐磨复合硬面层，采用带极堆焊专用设备，焊接电压：29V、焊接电流：600A、焊接速度21cm/min。采用药芯焊带过渡合金粉末的方法，用相同的工艺参数堆焊两层，每一焊层厚度2～3mm，以避免基材对硬面层的影响。
实施例6药芯焊带电渣堆焊方法
本发明提及的药芯焊带1.4×30(厚度为1.4mm，宽度为30mm)电渣熔覆碳化钨增强相硬面层的制备方法的具体过程如下：
a)基材前处理，首先，用线切割将Q235钢板切割成厚度为8mm，宽度为100mm，长度为400mm的板材；然后，用砂纸打磨除去表面铁锈，直至露出金属光泽；然后用丙酮对基材进行清洗。最后用酒精擦拭碳钢板表面并烘干，备用。
b)准备原料，制备硬面层成分为：
表6实施例6硬面层成分
制备厚度为1.4mm，宽度为30mm的药芯焊带，药芯成分如上表所示；焊剂选用型号为JWF205D的电渣堆焊焊剂。精确称量所需合金粉末和铸造WC颗粒。
c)制备耐磨复合硬面层，采用带极堆焊设备，焊接电压：29V、焊接电流：600A、焊接速度21cm/min。采用药芯焊带过渡合金粉末的方法，采用相同的工艺参数堆焊两层，每一焊层厚度2～3mm，以避免基材对硬面层的影响。
实施例7药芯焊丝电渣堆焊(5#)
本发明提及直径为2.75mm的药芯焊丝电渣熔覆碳化钨增强相硬面层的制备方法的具体过程如下：
a)基材前处理，首先，用线切割将Q235钢板切割成厚度为8mm，宽度为100mm，长度为400mm的板材；然后，用砂纸打磨除去表面铁锈，直至露出金属光泽；然后用丙酮对基材进行清洗。最后用酒精擦拭碳钢板表面并烘干，备用。
b)准备原料，制备硬面层成分为：
表7硬面层成分
首先制备直径2.75mm的药芯焊丝，药芯过渡的合金粉成分如上表所示；焊剂选用型号为JWF205D的电渣堆焊焊剂。精确称量所需合金粉末和铸造WC颗粒。
c)制备耐磨复合涂层，采用埋弧自动焊机，电渣堆焊焊剂，焊接电压：30-35V、焊接电流：400-450A、焊接速度340-400mm/min。采用药芯焊丝过渡合金粉的方法，每一焊层厚度2～3mm，采用相同焊接工艺堆焊两层，以避免基材对硬面层的影响。
实施例8药芯焊丝电渣堆焊(6#)
本发明提及直径为2.75mm的药芯焊丝电渣熔覆碳化钨增强相硬面层的制备方法的具体过程如下：
a)基材前处理，首先，用线切割将Q235钢板切割成厚度为8mm，宽度为100mm，长度为400mm的板材；然后，用砂纸打磨除去表面铁锈，直至露出金属光泽；然后用丙酮对基材进行清洗。最后用酒精擦拭碳钢板表面并烘干，备用。
b)准备原料，制备硬面层成分为：
表8硬面层成分
首先制备直径2.75mm的药芯焊丝，药芯过渡的合金粉成分如上表所示；焊剂选用型号为JWF205D的电渣堆焊焊剂。精确称量所需合金粉末和铸造WC颗粒。
c)制备耐磨复合涂层，采用埋弧自动焊机，电渣堆焊焊剂，焊接电压：30-35V、焊接电流：400-450A、焊接速度340-400mm/min。采用药芯焊丝过渡合金粉的方法，每一焊层厚度2～3mm，采用相同焊接工艺堆焊两层，以避免基材对硬面层的影响。
硬面层性能
上述焊接实施例1至实施例8所制备的含原始WC陶瓷增强相的耐磨硬面层(试样1#～6#)的显微组织依次对应于图1-图6。六组试样中呈不规则的圆形颗粒就是添加的原始铸造WC颗粒，其中，从图1可以看出对于堆焊两层的硬面层，WC出现沉底现象；从图2、图4和图6可以看出，颗粒周围都有一个区别于基体和碳化钨颗粒本身的连续且致密的灰色带，这是碳化钨颗粒与基体的结合层，它是碳化钨颗粒在堆焊过程中的由于温度变化发生部分溶解形成的。
对实施例制1#-6#的堆焊层熔覆金属进行硬度实验、耐磨损实验，测试结果分别如附图7和图8所示。
采用HR-150多功能数字硬度仪测定硬度值，载荷为150kg，每个试样测试5个点后取平均值。
堆焊合金耐磨损试验采用MLS-225型湿砂橡胶轮式金磨粒磨损试验机进行，试样尺寸为57mm×25.5mm×14mm。试样参数为：橡胶轮直径176mm，转速240r/min，橡胶轮硬度60(邵尔硬度)，载荷100N，磨料选用40～70目的石英砂，预磨1000转、精磨3000转。材料耐磨性能用磨损的失重量来衡量。试验用高铬铸铁作为对比，相对耐磨性＝高铬铸铁磨损量/堆焊合金磨损量。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种电渣堆焊制备含原始WC陶瓷增强相耐磨硬面的方法，其特征在于，用含有WC颗粒的合金粉为焊接原料，采用电渣堆焊的方式，获得保留有原始添加WC颗粒的熔覆合金。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电渣堆焊包括以下步骤：
1)准备原料：采用的焊带，焊接前在基材上预铺合金粉并采用无药芯的焊带，或制备药芯焊丝或药芯焊带，所述药芯是含有WC颗粒的合金粉，焊剂为电渣堆焊焊剂；
2)制备耐磨复合硬面层：用带极电渣堆焊进行焊接；或者用药芯焊丝电渣堆焊方法进行焊接；或药芯焊带带极电渣堆焊方法进行焊接。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述WC颗粒为铸造WC颗粒或烧结WC颗粒，尺寸在80～350μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合金粉的成分组成为：B：1-4wt.％、Cr：15-30wt.％、Si：1.6-3wt.％、Mn：1.5-2.5wt.％、Nb：0-4wt.％、C：0.5-2wt.％、WC：15-40wt.％、余量为铁。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述带极电渣堆焊的焊接电压为：25～30V、焊接电流为：600A，焊接速度为20～22cm/min。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述药芯焊丝电渣自动焊的焊接电压为：30-35V，焊接电流为：400-450A、焊接速度为340-400mm/min。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使用的焊带为碳钢、不锈钢或镍基焊带等，焊带宽30～75mm，厚0.3～0.7mm。
8.权利要求1～7任一所述的方法焊接得到的硬面层。
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