CN108747082B - 一种耐磨药芯焊丝及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于药芯焊丝技术领域，具体涉及一种耐磨药芯焊丝及其制备方法和应用。本发明提供的耐磨药芯焊丝，包括外皮和药芯；制备所述药芯的原料包括：9～55wt％钼粉、5～30wt％铬粉、1～15wt％镍粉、0.5～3wt％铜粉、0.3～1.2wt％碳粉、0.5～4wt％的硼铁合金粉、0.5～3wt％碳化钛粉、1～5wt％铌铁合金粉、0.1～2wt％稀土氧化物、0.3～1.0wt％含硅晶须和余量的铁粉。本发明提供的上述耐磨药芯焊丝作为电弧电极材料进行喷涂，能够得到硬度≥820(HV)的涂层。

Description

一种耐磨药芯焊丝及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于药芯焊丝技术领域，具体涉及一种耐磨药芯焊丝及其制备方法和应用。

背景技术

磨损是机械零部件失效的常见形式之一，机械零部件的一旦磨损，就会影响机械零部件的正常使用，为此，需要在机械零部件的表面喷涂保护层，以提高机械零部件的耐磨性能。电弧喷涂是形成保护涂层的一种常用方式，电弧喷涂时，喷涂效果受多种因素的影响，其中最为关键的影响因素之一是作为喷涂层材料的电极材料的性能。

药芯焊丝由于其高效、低成本、可自动化生产的特点，常被作为电弧喷涂的电极材料，用于对机械零部件的表面喷涂。药芯焊丝的种类较多，铁基焊丝就是其中应用较为普遍的一种。常规铁基药芯焊丝喷涂所得涂层中，能形成包括马氏体+残余奥氏体或者铁素体+贝氏体的金相组织，其中含有以Cr的碳化物为主的第二相硬质点。这类铁基药芯焊丝虽然具有较好的可焊性，但该类铁基药芯焊丝电弧喷涂形成的涂层硬度不高，耐磨性较差，这就需要在铁基药芯焊丝中增加Co或WC的用量，以进一步提高铁基药芯焊丝涂层的硬度和耐磨性。但由于Co、W在自然界的含量较少，若要依靠Co、W含量的增加提高铁基药芯焊丝涂层的耐磨性，势必要增加药芯焊丝的成本，无法满足现代工业化生产的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐磨药芯焊丝及其制备方法和应用，本发明提供的耐磨药芯焊丝不含Co和W，用本发明提供的耐磨药芯焊丝对母材喷涂后，能够提高母材的耐磨性能。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种耐磨药芯焊丝，包括外皮和药芯；制备所述药芯的原料包括：9～55wt％钼粉、5～30wt％铬粉、1～15wt％镍粉、0.5～3wt％铜粉、0.3～1.2wt％碳粉、0.5～4wt％的硼铁合金粉、0.5～3wt％碳化钛粉、1～5wt％铌铁合金粉、0.1～2wt％稀土氧化物、0.3～1.0wt％含硅晶须和余量的铁粉。

优选的，所述钼粉、铬粉、镍粉、铜粉、硼铁合金粉、碳化钛粉、铌铁合金粉和铁粉的粒径独立地为10～70μm。

优选的，所述稀土氧化物包括氧化钐、氧化镧和氧化钇中的一种或几种。

优选的，所述稀土氧化物和碳粉的粒径独立地为0.2～10μm。

优选的，所述含硅晶须包括Si₃N₄晶须和/或SiC晶须。

优选的，所述含硅晶须的直径为0.1～0.9μm；所述含硅晶须的长度为10～100μm。

优选的，所述药芯的填充率为40～50wt％。

本发明另提供了上述技术方案所述耐磨药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：

(1)将所述耐磨药芯焊丝的药芯原料进行混合，得到药芯粉料；

(2)采用外皮原料封装所述步骤(1)得到的药芯粉料，得到耐磨药芯焊丝半成品；

(3)将所述步骤(2)得到的耐磨药芯焊丝半成品进行拉拔，得到耐磨药芯焊丝。

本发明还提供了上述技术方案所述的耐磨药芯焊丝或上述技术方案所述的制备方法制备得到的耐磨药芯焊丝在电弧喷涂中的应用。

优选的，所述耐磨药芯焊丝在电弧喷涂中的应用包括如下步骤：将基材进行喷砂预处理；以所述耐磨药芯焊丝为喷涂材料，对预处理后的基材进行电弧喷涂，得到涂层。

本发明提供的耐磨药芯焊丝，包括外皮和药芯；制备所述药芯的原料包括：9～55wt％钼粉、5～30wt％铬粉、1～15wt％镍粉、0.5～3wt％铜粉、0.3～1.2wt％碳粉、0.5～4wt％的硼铁合金粉、0.5～3wt％碳化钛粉、1～5wt％铌铁合金粉、0.1～2wt％稀土氧化物、0.3～1.0wt％含硅晶须和余量的铁粉。本发明利用铁和含硅晶须形成粘结相，提高涂层的韧性及其与基材的结合强度，为得到耐磨性较好的涂层提供基础；利用钼和硼铁，可以形成Mo₂FeB₂硬质点，并与碳化钛形成复合硬质相；此外，铬、镍还能固溶在粘结相中，造成粘结相的晶格畸变，从而起到固溶强化的作用。实施例结果表明，利用本发明提供的耐磨药芯焊丝进行喷涂，能够得到硬度≥820(HV)的涂层。

附图说明

图1为实施例1所得涂层的金相照片。

具体实施方式

本发明提供了一种耐磨药芯焊丝，包括外皮和药芯；制备所述药芯的原料包括：9～55wt％钼粉、5～30wt％铬粉、1～15wt％镍粉、0.5～3wt％铜粉、0.3～1.2wt％碳粉、0.5～4wt％的硼铁合金粉、0.5～3wt％碳化钛粉、1～5wt％铌铁合金粉、0.1～2wt％稀土氧化物、0.3～1.0wt％含硅晶须和余量的铁粉。

本发明提供的耐磨药芯焊丝包括药芯，所述药芯的原料包括9～55wt％钼粉，优选为10～50wt％，再优选为15～45wt％，更优选为20～30wt％。在本发明中，所述钼粉的粒径优选为10～70μm，进一步优选为15～60μm，更优选为20～50μm。在本发明中，所述钼粉能与硼铁合金粉反应生成Mo₂FeB₂相，进而提高焊层的硬度。

本发明所述药芯的原料包括5～30wt％铬粉，优选为8～25wt％，再优选为10～24wt％，更优选为12～20wt％。在本发明中，所述铬粉的粒径优选为10～70μm，进一步优选为15～65μm，更优选为20～60μm。在本发明中，所述铬粉能够部分取代Mo₂FeB₂中的Fe原子，并且Cr能够固溶在粘接相Fe中造成晶格畸变，起到固溶强化作用。

本发明所述药芯的原料包括1～15wt％镍粉，优选为1～12wt％，再优选为3～10wt％。在本发明中，所述镍粉的粒径优选为10～70μm，进一步优选为15～65μm，更优选为30～50μm。在本发明中，所述镍粉能够固溶在粘接相Fe中造成晶格畸变，起到固熔强化作用，同时还能提高喷涂层的耐腐蚀性。

本发明所述药芯的原料包括0.5～3wt％铜粉，优选为1～2.5wt％，再优选为1.5～2wt％。在本发明中，所述铜粉的粒径优选为10～70μm，进一步优选为20～60μm，更优选为25～55μm。在本发明中，所述铜粉与镍和铬配合作用，提高喷涂层的耐腐蚀性。

本发明所述药芯的原料包括0.3～1.2wt％碳粉，优选为0.5～1.1wt％，再优选为0.8～1wt％。在本发明中，所述碳粉的粒径优选为0.2～10μm，进一步优选为1～8μm。在本发明中，所述碳粉能与铬、钼和铌形成碳化物，细化组织，提高涂层的硬度和耐磨性。

本发明所述药芯的原料包括0.5～4wt％硼铁合金粉，优选为1～4wt％，再优选为2～3wt％。在本发明中，所述硼铁合金粉的粒径优选为10～70μm，进一步优选为20～60μm，更优选为25～55μm。在本发明中，忽略硼铁合金粉中杂质元素的含量，所述硼铁合金粉中硼的质量百分含量优选为18～22％，进一步优选为19～20％；余量为铁。本发明利用硼铁合金粉能与钼粉反应生成Mo₂FeB₂相，进而提高焊层的硬度和耐磨性。

本发明所述药芯的原料包括0.5～3wt％碳化钛粉，优选为0.8～3wt％，再优选为1～2.8wt％。在本发明中，所述碳化钛粉的粒径优选为10～70μm，进一步优选为20～60μm，更优选为25～55μm。本发明利用碳化钛粉细化组织，提高涂层硬度和耐磨性。

本发明所述药芯的原料包括1～5wt％铌铁合金粉，优选为1.5～4.5wt％，再优选为2～3wt％。在本发明中，所述铌铁合金粉的粒径优选为10～70μm，进一步优选为20～60μm，更优选为25～55μm。在本发明中，忽略铌铁合金粉中杂质元素的含量，所述铌铁合金粉中铌的质量百分含量优选为50～60％，进一步优选为52～57％；余量为铁。

本发明所述药芯的原料包括0.1～2wt％稀土氧化物，优选为0.5～1.5wt％，再优选为6～1.2wt％。在本发明中，所述稀土氧化物优选包括氧化钐、氧化镧和氧化钇中的一种或几种，进一步优选为氧化钐、氧化镧或氧化钇。在本发明中，所述稀土氧化物为几种组分的混合物时，所述混合物中各组分优选按等质量份配合形成。在本发明中，所述稀土氧化物的粒径优选为0.2～10μm，进一步优选为0.5～8μm，更优选为1～6μm。在本发明中，所述稀土氧化物粉末纯度≥99％。本发明优选将稀土氧化物的粒径限定在上述范围，能有效细化组织，减少夹杂缺陷。

本发明利用铌铁合金粉和稀土氧化物细化晶粒，提高喷涂层的综合力学性能，使喷涂层在具有较高硬度的同时，还具有非常好的韧性。

本发明所述药芯的原料包括0.3～1.0wt％含硅晶须，优选为0.5～1.0wt％，更优选为0.5～0.8wt％，再优选为0.8～1.0％。在本发明中，所述含硅晶须包括Si₃N₄晶须和/或SiC晶须，进一步优选为Si₃N₄晶须或SiC晶须。在本发明中，所述含硅晶须为两种晶须的混合物时，所述Si₃N₄晶须与SiC晶须的质量比优选为1:0.8～1.5，进一步优选为1:1～1.2。在本发明中，所述含硅晶须的直径优选为0.1～0.9μm，进一步优选为0.2～0.8μm，更优选为0.4～0.6μm；所述含硅晶须的长度优选为10～100μm，进一步优选为20～80μm，更优选为30～60μm。本发明将含硅晶须与铁基体配合使用，能强化粘结相的韧性，提高涂层的抗疲劳强度。

本发明所述药芯的原料还包括余量的铁粉。在本发明中，所述铁粉的粒径优选为10～70μm，进一步优选为20～60μm，更优选为25～55μm。本发明以铁粉为基料，利用铁与硼铁粉、钼粉之间反应生成Mo₂FeB₂硬质相，进而提高焊层的硬度。另外，铁来源广泛，以铁为基料，还能降低药芯焊丝的生产成本。

本发明提供的耐磨药芯焊丝还包括外皮，所述外皮的材质优选包括低碳钢或不锈钢。本发明对所述低碳钢或不锈钢没有任何特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。在本发明中，所述外皮原料优选为钢带，所述钢带的厚度优选为0.3～0.5mm，进一步优选为0.35～0.40mm；所述钢带的宽度优选为14～16mm，本发明优选将所述钢带的厚度和宽度控制在上述范围，能确保药性焊丝的成型及拉拔。

在本发明中，所述填充率(％)＝药芯粉料质量/药芯焊丝质量，本发明所述耐磨药芯焊丝的填充率优选为40～50wt％，进一步优选为42～48wt％，更优选为43～46wt％。本发明优选将耐磨药芯焊丝的填充率控制在上述范围，能较好的控制药性焊丝的拉拔质量，并保证焊丝喷涂层的硬度。

在本发明中，所述耐磨药芯焊丝的直径优选为2.0～2.8mm，进一步优选为2.2～2.6mm。本发明所述耐磨药芯焊丝为Mo-Cr-Ni-Cu系药芯焊丝，所述耐磨药芯焊丝能够形成硬度≥820(HV)的涂层。

本发明还提供了上述技术方案所述耐磨药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：

(1)将所述耐磨药芯焊丝的药芯原料进行混合，得到药芯粉料；

(2)采用外皮原料封装所述步骤(1)得到的药芯粉料，得到耐磨药芯焊丝半成品；

(3)将所述步骤(2)得到的耐磨药芯焊丝半成品进行拉拔，得到耐磨药芯焊丝。

本发明将所述耐磨药芯焊丝的药芯原料进行混合，得到药芯粉料。在本发明中，所述耐磨药芯焊丝的药芯原料与上述技术方案所述制备药芯的原料一致，在此不再重复。

在本发明中，所述药芯粉料不含水分。本发明对药芯粉料中水分去除方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方式即可。在本发明中，所述药芯粉料中水分的去除方式优选包括先将药芯原料进行干燥，再混合得到药芯粉料；或者先将药芯原料混合，再进行干燥。在本发明中，所述干燥的温度优选为150～250℃，进一步优选为180～220℃；所述干燥的时间优选为2～5h，进一步优选为3～4h。

得到药芯粉料后，本发明采用外皮原料封装所述药芯粉料，得到耐磨药芯焊丝半成品。在本发明中，所述外皮原料优选与上述技术方案所述外皮的材质一致，在此不再重复。本发明对所述封装的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的封装方式即可。得到耐磨药芯焊丝半成品后，本发明将所述耐磨药芯焊丝半成品进行拉拔，得到耐磨药芯焊丝。本发明对所述拉拔的具体实施工艺没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的分级拉拔工艺，以能得到上述技术方案所述直径范围的耐磨药芯焊丝即可。

本发明还提供了上述耐磨药芯焊丝或上述技术方案所述制备方法制备得到的耐磨药芯焊丝在电弧喷涂中的应用。在本发明中，所述应用优选包括如下步骤：将基材进行预处理；以上述技术方案所述耐磨药芯焊丝或上述技术方案所述制备方法制备得到的耐磨药芯焊丝为喷涂材料，对所述预处理后的基材进行电弧喷涂，得到涂层。

本发明优选将基材进行预处理，以去除基材表面的杂质。在本发明中，所述基材优选为钢基材，所述钢基材优选包括低碳钢基材、低碳合金钢基材。在本发明中，所述预处理的方式优选为喷砂处理，本发明对所述喷砂处理的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

预处理后，本发明优选以上述技术方案所述耐磨药芯焊丝或上述技术方案所述制备方法制备得到的耐磨药芯焊丝为喷涂材料，对所述预处理后的基材进行电弧喷涂，得到涂层。在本发明中，所述电弧喷涂的电压优选为28～32V，进一步优选为29～31V；所述电流优选为160～180A，进一步优选为165～175A；所述压缩空气的压力优选为0.5～0.6MPa，进一步优选为0.5MPa；所述喷涂电极与基材的距离优选为150～200mm，进一步优选为155～195mm。

在本发明中，所述涂层的厚度为0.3～0.5mm，优选为0.3～0.4mm；所述涂层与基材的结合强度为40～61MPa；所述涂层的硬度≥820(HV)；本发明上述实施方式中，未提及之处，均采用本领域技术人员熟知的市售产品或本领域技术人员熟知的方式。

为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的耐磨药芯焊丝及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

药芯的化学成分：9wt％钼粉，20wt％铬粉，1wt％镍粉，0.5wt％铜粉，0.8wt％碳粉，0.5wt％的硼铁合金粉，2wt％碳化钛粉，3wt％铌铁合金粉，0.1wt％氧化镧，0.3wt％的Si₃N₄晶须，余量为铁粉。其中，氧化镧的粒径为3μm；Si₃N₄晶须的直径为0.2μm；其余原料粒径为65μm。

先将药芯在200℃自然干燥，混合；再以宽度为14mm，厚度为0.5mm的普通低碳钢带封装，填充率为40％，得到直径为4.2mm的耐磨药芯焊丝半成品；分级拉拔到直径为2.0mm，即可得到(Mo-Cr-Ni-Cu系)药芯焊丝。

以Q235钢为基材，利用喷砂工艺对基材表面进行处理，去除基材表面的杂质；

利用电弧喷涂技术，将所得药芯焊丝喷涂在Q235钢基材的表面；喷涂时：电弧电压28V，工作电流16A，压缩空气压力0.5MPa，喷涂距离150mm，喷涂得到厚度为0.3mm的涂层。

实施例2

按照实施例1的方法制备药芯焊丝和涂层，不同之处在于稀土氧化物为氧化钇，粒径为1μm；含硅晶须为SiC，直径为0.2μm；其余原料的粒径为50～70μm；不锈钢钢带的厚度为0.3mm，宽度为15mm，药芯的填充率为42％；其余组分用量及工艺参数见表1和2。

实施例3

按照实施例1的方法制备药芯焊丝和涂层，不同之处在于稀土氧化物为氧化钐，粒径为3μm；含硅晶须为Si₃N₄，直径为0.5μm；其余原料的粒径为50nm；不锈钢钢带的厚度为0.4mm，宽度为14mm；药芯的填充率为40％；其余组分用量及工艺参数见表1和2。

实施例4

按照实施例1的方法制备药芯焊丝和涂层，不同之处在于稀土氧化物为氧化镧与氧化钇按照质量比1:1的混合物，粒径为8μm；含硅晶须为SiC，直径为0.9μm；其余原料的粒径为20；药芯的填充率为42％；其余组分用量及工艺参数见表1和2。

实施例5

按照实施例1的方法制备药芯焊丝和涂层，不同之处在于稀土氧化物为氧化钇与氧化钐按照质量比为1:1的混合物，粒径为0.3μm；含硅晶须为Si₃N₄，直径为0.3μm；其余原料的粒径为40μm；药芯的填充率为42％；其余组分用量及工艺参数见表1和2。

实施例6

按照实施例1的方法制备药芯焊丝和涂层，不同之处在于稀土氧化物为氧化镧，粒径为0.7μm；含硅晶须为SiC，直径为0.8μm；其余原料的粒径为40μm；药芯的填充率为45％；其余组分用量及工艺参数见表1和2。

实施例7

按照实施例1的方法制备药芯焊丝和涂层，不同之处在于稀土氧化物为氧化钇和氧化钐按照1:1:1质量比形成的混合物，粒径为1.0μm；含硅晶须为Si₃N₄和SiC质量比为1:1的混合物，直径为0.5μm；其余原料的粒径为70μm；药芯的填充率为45％；其余组分用量及工艺参数见表1和2。

实施例8

按照实施例1的方法制备药芯焊丝和涂层，不同之处在于稀土氧化物为氧化钇粒径为10μm；含硅晶须为Si₃N₄和SiC质量比为1:1的混合物，直径为0.3μm；其余原料的粒径为50μm；药芯的填充率为48％；其余组分用量及工艺参数见表1和2。

表1实施例1～8药芯的原料的组成(wt％)

表2实施例1～8药芯焊丝及喷涂工艺参数

性能表征及结果

利用光学显微镜对实施例1～8所得涂层的金相组织进行表征，其中实施例1的表征结果见图1。由图可知，本发明提供的耐磨药芯焊丝经喷涂工艺，在基材表面形成均匀、致密的堆积，说明形成了致密的涂层。

按照国标GB/T 8642-2002标准测试涂层与基材的结合强度，按照国标GB/T4340.1-1999标准测试涂层的硬度，测试结果见表3。

表3实施例1～8涂层性能测试结果

由表3可知，本发明提供的耐磨药芯焊丝喷涂后形成的涂层与基体的结合强度较高，为涂层发挥保护作用提供基础；而且涂层硬度较高，说明具有优异的耐磨性。

由以上实施例可知，本发明能够在不使用W、Co等稀缺资源的条件下，得到耐磨药芯焊丝，利用本发明提供的药芯焊丝能够形成硬度较高的涂层，提高了基材的耐磨性，进一步延长了基材的使用寿命。

此外，利用本发明提供的药芯焊丝形成的涂层，还具有优异的结合强度、进一步扩展了药芯焊丝的应用范围。本发明提供的制备方法和喷涂方法简单易控，适合大规模生产。

尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其它实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (8)

1.一种耐磨药芯焊丝，包括外皮和药芯；制备所述药芯的原料包括：9～55wt％钼粉、5～30wt％铬粉、1～15wt％镍粉、0.5～3wt％铜粉、0.3～1.2wt％碳粉、0.5～4wt％的硼铁合金粉、0.5～3wt％碳化钛粉、1～5wt％铌铁合金粉、0.1～2wt％稀土氧化物、0.3～1.0wt％含硅晶须和余量的铁粉；

所述含硅晶须包括Si₃N₄晶须和/或SiC晶须；所述含硅晶须的直径为0.1～0.9μm；所述含硅晶须的长度为10～100μm。

2.如权利要求1所述的耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述钼粉、铬粉、镍粉、铜粉、硼铁合金粉、碳化钛粉、铌铁合金粉和铁粉的粒径独立地为10～70μm。

3.如权利要求1所述的耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述稀土氧化物包括氧化钐、氧化镧和氧化钇中的一种或几种。

4.如权利要求1或3所述的耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述稀土氧化物和碳粉的粒径独立地为0.2～10μm。

5.如权利要求1所述的耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述药芯的填充率为40～50wt％。

6.权利要求1～5任一项所述耐磨药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：

(1)将所述耐磨药芯焊丝的药芯原料进行混合，得到药芯粉料；

(2)采用外皮原料封装所述步骤(1)得到的药芯粉料，得到耐磨药芯焊丝半成品；

(3)将所述步骤(2)得到的耐磨药芯焊丝半成品进行拉拔，得到耐磨药芯焊丝。

7.权利要求1～5任一项所述的耐磨药芯焊丝或权利要求6所述的制备方法制备得到的耐磨药芯焊丝在电弧喷涂中的应用。

8.如权利要求7所述的应用，包括如下步骤：将基材进行喷砂预处理；以所述耐磨药芯焊丝为喷涂材料，对预处理后的基材进行电弧喷涂，得到涂层。

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