CN106001853A - 将超硬合金成型体破碎粒子熔融于母材形成超硬层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及将超硬合金成型体破碎粒子熔融于母材形成超硬层的方法，使用破碎超硬合金成型体而成的粒子状材料，利用电弧在具有耐磨耗性和耐冲击性的母材表面形成超硬层，超硬合金成型体由碳化钨、碳化钛等物质形成，用于在车床或铣床等工作机械切削金属。本发明的超硬层形成方法包括：对废弃的超硬合金进行粉碎或破碎来准备超硬合金粒子的步骤；将超硬合金粒子放置于母材上的步骤；以利用电弧焊接的方式对放置有超硬合金粒子的母材进行熔融来形成焊接熔覆层的步骤；在借助电弧形成焊接熔覆层后冷却熔池之前，将超硬粒子均匀分布在熔池上来进行熔融的步骤；以及对借助焊接熔覆层而形成的合金钢包覆层进行后热处理的步骤。

Description

将超硬合金成型体破碎粒子熔融于母材形成超硬层的方法

技术领域

本发明涉及如下的超硬层形成方法：上述超硬层形成方法使用破碎超硬合金成型体而成的粒子状材料，利用电弧在具有耐磨耗性和耐冲击性的母材表面形成超硬层，上述超硬合金成型体由碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)等物质形成，用于在车床或铣床等工作机械切削金属。

背景技术

在工业现场有需要超高度的耐磨耗性的部位的情况下，使用高硬度的碳化钨、碳化铬、碳化钛、碳化硼等的金属粉末，以高速氧液(HVOF，High Velocity Oxygen Fluid)喷射喷涂法和电弧喷涂法来形成超硬性耐磨耗层，从而制造组织致密、硬度非常高、耐磨耗性优秀的合金层来使用。

但是，因这种方式需要使用超高价的金属粉末，在产生的费用非常高、原料为超高价的这一点上只能限制实际生成的超硬合金层的厚度。

另一方面，近年来使用于工作机械的切削用合金有了显著的发展，其中有如碳化钨或碳化钛等物质。这些物质硬度极高，在高温下耐久性也强，能够进行高质量的切削加工，其质量远远高于在这些物质出现前使用的高速度钢等合金钢的切削加工。

因此，最近生产、消耗及废弃超大量的这些超硬合金成型体，出现了通过再利用这种废弃成型体来将耐磨耗性及耐冲击性强的表面焊接熔覆层形成于母材上的尝试，而且有了部分成功的案例。例如，有在处理岩石的重装备铲斗的磨耗严重的部位上，形成耐磨耗性表面焊接熔覆层来增大了10倍左右的使用寿命的案例，此外，还有在很多需要耐磨耗性的部位上适用这种技术而取得成功的案例。

根据此项技术，在母材上进行电焊而生成的钢铁的熔池(POOL)上，撒上对超硬合金成型体进行细小粉碎而成的粒子状物质，根据比重差，使上述粒子状物质沉淀于钢铁熔池内部，接着一边使熔融的钢冷却固化，使这些超硬合金粒子与焊接棒钢铁相结合，来形成具有耐磨耗性的硬质的焊接熔覆层。

但是，本发明人知晓了如下的缺陷：在以如上所述的以往技术形成的焊接熔覆层上混合固定的超硬合金粒子由于钢铁的磨耗，部分超硬合金粒子暴露在表面，暴露的粒子反复受到与岩石摩擦等的强力，会出现易于从焊接熔覆层掉落而脱落的现象。并且，通过研究结果，本发明人可以确认到这种缺陷的原因为，在超硬合金粒子在其边界面未能与焊接棒熔融及冷却而形成的钢铁之间以冶金学的方式紧密结合，而仅仅是接近于以机械的方式包围并相结合的形态。

具有上述缺陷的以往的超硬合金焊接熔覆层完全无法用于同时受到强大的冲击和磨耗的适用案例，例如，在作为工业用刀的一种的破碎机的破碎刀、粉碎刀或沙子等的主材生产用破碎机的部件等。即，这种技术不能替代通过以往的高速氧液喷射喷涂法和电弧喷涂法来形成超硬性耐磨耗层的方式。

发明内容

为了解决上述的问题点而提出本发明，本发明的目的在于，使以焊接的方式形成的钢铁的熔池的金属与超硬合金粒子在边界面以冶金学的方式构成坚固的结合，从而在焊接熔覆层同时受到强大的力和磨耗作用的情况下，超硬合金粒子未从包围周围的钢铁掉出并脱落，能够维持较长的寿命。

本发明的另一目的在于，在在进行耐磨堆焊时，合理地调节超硬合金粒子受到的焊接热，调节超硬合金粒子的大小分布，以使超硬合金粒子构成具有最佳的耐久性的配置。

为了实现如上所述的目的，本发明提供包括超硬合金成型体破碎粒子的通过焊接的超硬合金层形成方法，其特征在于，包括：相比于产生焊接电弧及进行焊接电弧的部分，在前方的母材侧，将粒子大小为3～4mm左右的较大的超硬合金成型体破碎粒子和极少量的硬钎焊粉掉落在母材上进行焊接的步骤；相比于产生焊接电弧并进行焊接电弧的部分，在后方，将粒子大小为1mm以下的较小的基本粒子的超硬合金成型体破碎粒子掉落于焊接熔池中，使已形成的掉落于熔池的基本粒子的超硬合金借助剩余的熔池的温度进行熔融，并构成超硬层的步骤。

上述方法具体如下：几乎在产生电弧的同时掉落于前方的超硬合金(3～4mm的大小)借助电弧完全被熔融，与母材的表面和焊接棒一同被熔融，并构成一次超硬合金层，在尚未固化前的熔池中，第二次均匀掉落粉碎成非常微小的基本粒子(1mm以下)的超硬合金的同时，借助熔池的温度进行熔融，再次形成超硬合金层。

由此，本发明提供超硬层形成方法，上述超硬层形成方法包括：将超硬合金粒子放置于母材上的步骤；以及形成焊接熔覆层的步骤，通过利用电弧的焊接对放置有上述超硬合金粒子母材进行熔融，直到母材与超硬合金粒子实质性地在相同的时间点完全被熔融。

放置于上述母材上的超硬合金粒子的粒径如下：在母材的厚度为5mm以上的情况下，粒径可以为2～4mm，并且在母材的厚度为5mm以下的情况下，粒径可以为1～3mm。

放置于上述母材上的上述超硬合金粒子所占的表面积与母材的表面积的比例可以为35％以上且70％以下。

在对上述母材和超硬合金粒子进行熔融时，可以追加硬钎焊粉来一同熔融。

在借助上述电弧形成焊接熔覆层后冷却熔池之前，可以将超硬粒子均匀分布在熔池上来进行熔融。

分布在上述熔池的超硬粒子的直径可以为1mm以下。

能够以1～2mm的厚度将上述超硬粒子分布在上述熔池上。

可以对借助上述焊接熔覆层形成的合金钢包覆层进行后热处理。

上述超硬粒子可以将废弃的超硬合金粉碎或破碎来使用。

并且，本发明提供根据上述超硬层形成方法来制备的具有超硬涂敷层的钢或钢制产品。

根据本发明，产生强热的焊接电弧(或者焊接电阻热)先作用于大的超硬合金粒子，从而将大的超硬合金粒子的温度上升到适当的范围，以使温度达到可以促进上述焊接电弧与大的超硬合金粒子和焊接棒的钢铁相结合的程度，并且通过添加的硬钎焊成分，以冶金学的方式使从超硬合金粒子和焊接棒熔出的钢铁坚固地相结合，从而即便长期使用超硬合金粒子也能耐于强力并不会从焊接棒钢铁脱落，在焊接钢铁池形成之后进行冷却前，将尺寸小的超硬合金粒子添加于钢铁熔池中，从而小的超硬合金粒子的温度借助焊接热不能过度地上升，因此可再一次形成超硬合金层。

并且，尺寸大的超硬合金粒子分布在下方被完全熔融，尺寸小的超硬粒子分布在表面周围，具有在位于下方的大的粒子之间进行填补的作用，从而在提高对磨耗的抵抗性的同时，将对粒子脱落的耐久性最大化。

与上述的效果一同，本发明的具体效果将在对实施以下发明的具体事项进行说明的同时一同记述。

具体实施方式

以下，详细说明本发明的优选实施例。

本发明并不限定于在以下公开的实施例，能够以相互不同的多种的形态实现，只是本实施例是为了向本发明所属技术领域的普通技术人员完全告知发明的范畴而被提供，以使本发明完全被公开。

超硬粒子的分类

使用于本发明的超硬合金粒子，对于废弃的钨合金钢，即W-C、W-Mo、W-Ni-Cu等的钨合金钢进行爆破后，就像在臼中捣碎谷物一样，制作容器并在其内部放入废弃的钨合金钢，并利用冲压再次进行破碎和粉碎作业来准备。

经破碎(粉碎)的钨粒子经多级筛分机，按大小被筛选。在此情况下，在筛分机被截的大的粒子与经过爆破的新的钨合金钢一起再投入到容器中，以冲压的方式再次反复进行破碎和粉碎作业。

通过这样反复的作业，通过多级筛分机的钨粒子按粒径进行分类。

假如按顺序排列4mm目的第一筛分机、3mm目的第二筛分机、2mm目的第三筛分机、1mm目的第四筛分机并分类粒子，在粒径(粒子的直径)大于4mm的情况下，未通过第一筛分机，并再次以冲压的方式进行粉碎作业；在粒径为3～4mm的情况下，只通过第一筛分机，而未通过第二筛分机，因此另行分类；在粒径为2～3mm的情况下，通过第一筛分机和第二筛分机，而未通过第三筛分机，因此另行分类；在粒径为1～2mm的情况下，通过第一筛分机、第二筛分机和第三筛分机，而未通过第四筛分机，因此另行分类；在粒径为1mm以下的情况下，通过所有的筛分机而另行分类。

焊接熔覆层形成作业

根据本发明的包括超硬合金成型体破碎粒子的以耐磨耗性焊接的方式形成超硬合金层的方法，首先在要进行焊接的母材上放置钨合金钢粒子，并进行焊接。优选地，根据本发明执行焊接时，母材、钨合金钢粒子和焊接钢铁都被熔融成类似的程度。

假如相比于母材与焊接钢铁，超硬粒子的熔融速度过于缓慢，以超硬粒子未完全被熔融的状态形成焊接熔覆层，不能正常附着，因此若焊接熔覆层受到冲击，则会产生超硬粒子脱落的问题。并且，相比于母材和焊接钢铁，超硬粒子过早地被熔融，会变成极高温来被氧化或产生物性变化，反而产生刚度下降或工序后产生裂纹等的问题。

从实验结果来看，在执行焊接的母材大于大约5mm的情况下，某种程度上能够确保焊接熔覆层，焊接时间充分，因此在使用具有2～4mm左右的粒径的超硬合金粒子的情况下，能够确认到母材与焊接钢铁的熔融执行程度和超硬合金粒子的熔融执行程度呈均衡。

并且，在执行焊接的母材为5mm以下的情况下，不能充分地确保焊接熔覆层，因此在使用具有1～3mm左右的粒径的超硬合金粒子的情况下，能够确认母材与焊接钢铁的熔融执行程度和超硬合金粒子的熔融执行程度呈均衡。

在粒径小于上述区间的情况下，因超硬粒子过早地被熔融而氧化或产生物性变化，反而会有降低刚度或工序后产生裂纹等的问题，在粒径大于上述区间的情况下，超硬粒子仅有表面被熔融而形成焊接熔覆层，因此若受到冲击，则会产生超硬粒子从焊接熔覆层脱落的问题。

其次，还要考虑使用何种程度的作为钨破碎物的超硬粒子。从实验结果来看，若放置于母材表面上的超硬粒子在母材表面上所占的表面积比例超过约70％(意味着在具有100的表面积的母材上放置70的表面积的超硬粒子)，则会产生母材无法正常被熔融的问题，(优选地，母材和超硬粒子应以类似的速度被熔融)，在约35％以下时，超硬组织在焊接熔覆层内会变得过于稀疏，因而会丧失作为超硬的意义(即，无可符合超硬标准的硬度)。

因此，将适当的粒径(根据母材的厚度，为2～4mm或1～3mm左右)的超硬粒子按适当的表面积比例(35～70％左右)分布在母材上的状态下，借助利用电弧的焊接装置(电焊、CO₂焊接、埋弧焊)使母材和钨破碎物完全被熔融，来形成焊接熔覆层。

如此，优选地，在母材表面放置超硬粒子进行焊接时，追加投入微量的硬钎焊粉。在追加硬钎焊成分的情况下，抑制钨的析出倾向，以冶金学的方式可以更加坚固地使超硬和钢铁相结合。相比于放置于母材表面的超硬粒子，硬钎焊可以追加3％以下的体积比，更优选地，可以追加1％以下的体积比。

其次，在冷却熔池之前，将1mm以下的超硬粒子以1～2mm厚度均匀掉落并分布在整个熔池，借助熔池的剩余热对超硬粒子进行熔融的同时，在表面制成致密的超硬合金层，来形成具有高度的耐磨耗性、耐蚀性、耐热性的钨合金钢包覆层。在最后撒布的超硬粒子为1mm以下时，可以借助熔池的剩余热充分被熔融。

最后，对这样形成的钨合金钢包覆层，利用低频来进行低频热处理或以氧乙炔焊接机的乙炔过剩盐进行后热处理，可以稳定熔融于表面的钨包覆层，更加提高熔融层的硬度。

从实验结果来看，在母材的表面上放置超硬粒子且形成焊接熔覆层的情况下，具有约62至64左右的硬度，如上所述，在焊接后在熔池撒布微小的超硬粒子，使表面更致密地构成，硬度会上升到67至72左右，并基于此利用低频等来进行热处理，可以确认到硬度追加上升到3至4左右。

若根据本发明使用超硬粒子来进行焊接，则相比于使用前述的以往技术的金属粉末，可以减少60～70％的成本，并且超硬合金层也可以形成得更厚，可以长时间维持高耐磨耗性、耐蚀性和耐热性。

在本发明的实施例中，钨合金包覆层的厚度可以为4～12mm左右，根据现场的要求也可以大于4～12mm。在厚度为4mm以上的情况下，可以通过数次分割来使焊接层硬化。假如在制作具有12mm的厚度的超硬合金包覆层时，可以通过如上所述的方法，将制成3～4mm左右的熔覆层的过程反复进行3～4次来制作。

通过这种方式制造具有超硬包覆层的钢，假如制造钢板后以等离子切割机切割，能够以适合现场的方式使用，可以使需要耐磨耗的制铁所连铸辊或粉碎辊硬化来使用，还可以使用于玻璃厂、制钢厂、制铁所内需要耐热性的地方。并且，可以适用于刀刃等需要超硬层的多种钢制产品。

如上所述，参照例示的附图来对本发明进行了说明，但本发明并不限定于在本说明书公开的实施例和附图，在本发明的技术思想的范畴内，可由本发明所属技术领域的普通技术人员进行多种变形，这是显而易见的。与此同时，在前面说明本发明的实施例的同时，即使对根据本发明的构成的作用效果未以明示的方式记载并进行说明，通过该构成可以预测的效果也应得到认可。

Claims (10)

1.一种超硬层形成方法，其特征在于，包括：

将超硬合金粒子放置于母材上的步骤；以及

形成焊接熔覆层的步骤，通过利用电弧的焊接对放置有上述超硬合金粒子的母材进行熔融，直到母材与超硬合金粒子在相同的时间点完全被熔融。

2.根据权利要求1所述的超硬层形成方法，其特征在于，在母材的厚度为5mm以上的情况下，放置于上述母材上的超硬合金粒子的粒径为2～4mm，在母材的厚度为5mm以下的情况下，放置于上述母材上的超硬合金粒子的粒径为1～3mm。

3.根据权利要求1或2所述的超硬层形成方法，其特征在于，放置于上述母材上的超硬合金粒子所占的表面积与母材的表面积的比例为35％以上且70％以下。

4.根据权利要求1或2所述的超硬层形成方法，其特征在于，在对上述母材和超硬合金粒子进行熔融时，追加硬钎焊粉来一同熔融。

5.根据权利要求1所述的超硬层形成方法，其特征在于，在借助上述电弧形成焊接熔覆层后冷却熔池之前，将超硬粒子均匀分布在熔池上来进行熔融。

6.根据权利要求5所述的超硬层形成方法，其特征在于，分布在上述熔池的超硬粒子的直径为1mm以下。

7.根据权利要求5或6所述的超硬层形成方法，其特征在于，以1～2mm的厚度将上述超硬粒子分布在上述熔池上。

8.根据权利要求1、2、5、6中任一项所述的超硬层形成方法，其特征在于，对借助上述焊接熔覆层形成的合金钢包覆层进行后热处理。

9.根据权利要求1、2、5、6中任一项所述的超硬层形成方法，其特征在于，上述超硬粒子将废弃的超硬合金进行粉碎或破碎来使用。

10.一种具有超硬包覆层的钢，其特征在于，通过根据权利要求1、2、5、6中任一项所述的超硬层形成方法来制备。