CN108971799A - 一种等离子弧堆焊用金属陶瓷合金粉末 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等离子弧堆焊用金属陶瓷合金粉末，由如下重量份的原料组成：Fe₂B20～38份、钼粉32～50份、铁粉3～9份、纳米碳化钛粉2～4份、氧化钇粉2～4份。以Mo₂FeB₂三元硼化物为主要硬质相、以马氏体为基体、耐磨耐热等离子弧堆焊用金属陶瓷合金粉末。通过向铁基药粉中加入纳米碳化钛粉末和氧化钇粉末，使Mo₂FeB₂三元硼化物硬质相弥散分布，并降低堆焊杂质含量，满足堆焊金属高温抗氧化性、高耐磨性、高洁净度、抗疲劳性能等技术要求，适于热作模具的堆焊。

Description

一种等离子弧堆焊用金属陶瓷合金粉末

技术领域

本发明属于焊接材料领域，尤其涉及一种等离子弧堆焊用金属陶瓷合金粉末，可用于热作模具的堆焊。

背景技术

等离子弧堆焊是利用等离子弧将作为堆焊材料的合金粉末熔化后沉积到工件表面，实现工件表面的强化与硬化。等离子弧堆焊具有熔深可控性强、熔敷速度大、生产率较高，堆焊后基体材料与堆焊材料之间的界面呈冶金结合状态，其结合强度高，热输入量低，稀释率小等优点。另外，等离子弧堆焊具有易于实现机械化及自动化等优点，符合绿色制造的发展趋势，在模具修复等制造业中的应用日益广泛。

目前国内外所采用的等离子弧堆焊粉末主要有自熔性合金粉末和复合粉末两大类。自熔性合金粉末主要由镍基、钴基、铁基、铜基等几类构成。虽具有良好的综合性能，但由于镍和钴属稀缺金属，成本高，一般也只用于有特殊表面性能要求的堆焊中。而铁基合金粉末具有原材料来源广，价格低的特点，同时具有良好的性能，因而得到越来越广泛的应用。复合粉末近年来日益成为研究和应用的热点，它是由两种或两种以上具有不同性能的固相所组成，不同的相之间有明显的相界面，是一种新型工程材料。组成复合粉末的成分，可以是金属与金属、金属(合金)与陶瓷、陶瓷与陶瓷、金属(合金)与塑料、金属(合金)与石墨等，范围十分广泛，几乎包括所有固态工程材料。

堆焊金属(合金)中含有陶瓷硬质相的材料属于金属陶瓷。金属陶瓷目前多采用烧结技术制备，20世纪80年代，日本株式会社研究出了新型的反应硼化烧结法，并成功地制备了Mo₂FeB₂、Mo₂NiB₂、WCoB等多种三元硼化物金属基陶瓷。Mo₂FeB₂基金属陶瓷的主要制备原料为Mo、Fe、FeB等低价粉末，制备成本远低于Mo₂NiB₂、WCoB，且Mo₂FeB₂三元硼化物基金属陶瓷具有高熔点、高硬度、优异的高温稳定性和耐腐蚀性能。因此，广泛应用于汽车、能源、装备制造等领域。但由于昂贵的烧结设备及复杂的真空烧结工艺，增加了三元硼化物材料的制备成本，使其推广应用受到一定限制。

等离子堆焊易于实现制备工艺的自动化，操作简单，使用灵活，尤其是在复杂形状零件表面、大型零件表面制备三元硼化物覆层，使其应用前景更加广阔。等离子堆焊由于温度高、冶金反应时间短，其三元硼化物Mo₂FeB₂的形成机制与烧结的有差异，在金属陶瓷合金粉末设计方面有较大难度，目前等离子堆焊用金属陶瓷合金粉末的研究不多。研发等离子堆焊用Mo₂FeB₂金属陶瓷合金粉末对于推广应用金属陶瓷材料具有重要意义，也为热作模具堆焊提供一种新材料，提高其寿命。

发明内容

针对现有技术的不足，在之前研究的基础上，本发明通过合金粉末配方的优化设计提供一种以Mo₂FeB₂三元硼化物为主要硬质相、以马氏体为基体、耐磨耐热等离子弧堆焊用金属陶瓷合金粉末。通过向铁基药粉中加入纳米碳化钛粉末和氧化钇粉末，使Mo₂FeB₂三元硼化物硬质相弥散分布，并降低堆焊杂质含量，满足堆焊金属高温抗氧化性、高耐磨性、高洁净度、抗疲劳性能等技术要求，适于热作模具的堆焊。

具体技术方案如下：

一种等离子弧堆焊用金属陶瓷合金粉末，所述堆焊合金粉末为铁基合金粉末，其原料组分以质量份计如下：Fe₂B粉20-38，钼粉32-50，金属铬5-10，金属镍粉3-6，石墨0-3，钒铁2-6，钛铁1-4，电解金属锰4-8，铁粉3-9，纳米碳化钛粉2-4，氧化钇粉2-4。

含有纳米碳化钛粉的等离子弧堆焊金属陶瓷合金粉末，在焊接冶金过程中，由于其熔点高达3140℃，在液态金属中作为弥散的Mo₂FeB₂非自发形核核心，使形成的三元硼化物Mo₂FeB₂弥散分布，因此堆焊金属具有优异的高温硬度、耐磨性能，以及良好的韧性和抗裂性能。所以，纳米碳化钛粉优选作为金属陶瓷合金粉末的基础原料使用。

与碳弧、钨极电弧熔敷不同等离子堆焊冷却速度快，熔池存在时间短，为了保证焊接效果，本申请中B以Fe₂B粉加入，以减少冶金反应形成Mo₂FeB₂的反应流程，利于Mo₂FeB₂的形成。氧化钇稀土的主要作用是净化堆焊金属、促使形成弥散分布的三元硼化物Mo₂FeB₂，以提高材料的抗疲劳性能。

Fe₂B粉、钼粉、铁粉是冶金反应合成Mo₂FeB₂的原料，通过原料的优化配比，获得耐热耐磨性能优异的硬质相。

所述Fe₂B粉的成分以质量百分比计Fe₂B不小于95％；钼粉的成分以质量百分比计Mo含量不小于99.8％；金属铬的成分以质量百分比计Cr含量不小于98％；；金属镍粉的成分以质量百分比计Ni含量不小于98％；石墨的成分以质量百分比计是94％～99％C；钒铁的成分以质量百分比计是75％-85％V，C不超过0.06％，Si不超过2％，Al不超过1.5％，余为Fe和不影响性能的杂质；钛铁的成分以质量百分比计是35％～45％Ti，Al不超过9.0％，Si不超过3.5％，Mn不超过2.5％，余为Fe和不影响性能的杂质；电解金属锰的成分以质量百分比计Mn含量不小于99.5％；铁粉为雾化铁粉，以质量百分比计Fe含量不小于99.9％；氧化钇粉末的成分以质量百分比计Y₂O₃含量不小于99％；纳米碳化钛的成分以质量百分比计TiC含量不小于99.9％。

就本发明的等离子弧堆焊用陶瓷合金粉末而言，优选所述Fe₂B粉，钼粉，金属铬，金属镍，石墨，钒铁，钛铁，电解金属锰，氧化钇，雾化铁粉的粒径均为48微米～180微米(即粒度为-80目～+300目)。纳米碳化钛的平均粒径为40纳米。

上述等离子弧堆焊用金属陶瓷合金粉末中各组分的作用如下：

Fe₂B粉、钼粉通过以下焊接冶金反应形成三元硼化物Mo₂FeB₂金属陶瓷硬质相，过量的Mo可以起到合金化，细化晶粒，固溶强化，形成碳化物，提高堆焊金属的高温性能和耐磨性能。

Mo+2Fe₂B＝Mo₂FeB₂+3Fe

本申请采用Fe₂B粉替代纯硼粉，减少了加入硼铁FeB需要经历的以下两个反应，从而减少了形成Mo₂FeB₂的反应流程，使其在更短的时间形成，适于冷却速度快、熔池存在时间短的等离子堆焊。

Fe+FeB＝Fe₂B

2Mo+2FeB＝Mo₂FeB₂+Fe

钛铁的作用是脱氧，并与碳反应析出碳化物TiC，细化晶粒，同时作为非自发形核的核心改善三元硼化物Mo₂FeB₂的形态，通过细晶和析出相两种方式强化焊缝，提高堆焊金属的硬度。

金属铬的作用是向堆焊金属过渡Cr，Cr不仅会溶于铁基共晶组织对堆焊金属起到固溶强化作用，同时也会存在于Mo₂FeB₂三元硼化物硬质相中。加入一定量的Cr能取代共晶组织中正常格点的位置从而造成晶格畸变，在一定程度上起到合金强化的作用，提高共晶组织的韧性和硬度，增加堆焊合金的抗犁削和硬质相颗粒抗脱落的能力，从而提高了堆焊金属的耐磨性。金属铬杂质含量少，利于堆焊金属的净化。

本发明等离子弧堆焊用金属陶瓷合金粉末的制备方法包括以下步骤：

(1)配粉按药粉配方的配比称量药粉，将Fe₂B粉、钼粉、金属铬、金属镍、石墨、钒铁、钛铁、电解金属锰、铁粉、纳米碳化钛粉、氧化钇粉、铁粉按配方比例称量后混合，用现有的混粉机混粉8-10分钟，获得药粉。

其中：所述合金粉末的配比以质量份计如下：Fe₂B粉20-38，钼粉32-50，金属铬5-10，金属镍粉3-6，石墨0-3，钒铁2-6，钛铁1-4，电解金属锰4-8，铁粉3-9，纳米碳化钛粉2-4，氧化钇粉2-4。纳米碳化钛粉的平均粒径为40纳米，其他粉末的粒径为48微米～180微米(即粒度为-80目～+300目)；

(2)将步骤(1)制备的药粉放入球磨机干混15-20分钟，获得等离子弧堆焊合金粉末成品。

上述合金粉末等离子弧堆焊金属的硬度HRC58-72，等离子弧堆焊的工艺参数采用之前研究的工艺参数为：转移弧电流140-180A，非转移弧电流70-90A，离子气(Ar)流量120-140L/h，保护气(Ar)流量550-620L/h，送粉速度25g/min。

本发明所具有的显著效果是：

(1)本发明合金粉末的等离子弧堆焊，其熔敷速度大、生产率较高，堆焊后基体金属与堆焊金属之间的界面呈冶金结合状态，其结合强度高，热输入量低，稀释率小。可用于大型热作模具的制造与修复。

(2)堆焊金属的成分可以通过改变合金粉末的成分调整，可以制造出系列产品用于不同模具的堆焊修复，应用范围广。

(3)本专利等离子弧堆焊金属陶瓷合金粉末优化了Mo、B、Fe、Cr、Ni、纳米碳化钛含量，使堆焊金属具有良好的高温抗氧化性能和高温硬度，韧性、抗裂性能、抗疲劳性能优良，显著提高了模具等堆焊部件的使用寿命。

(4)本专利金属陶瓷合金粉末通过加入纳米碳化钛粉，在焊接冶金过程中，由于其熔点高达3140℃，在液态金属中作为弥散的Mo₂FeB₂非自发形核核心，使形成的三元硼化物Mo₂FeB₂弥散分布，因此堆焊金属具有优异的高温硬度、耐磨性能，以及良好的韧性和抗裂性能。同时，纳米级碳化钛粉末活性大，冶金反应剧烈充分，可以弥补等离子弧堆焊熔池存在时间短、冶金反应不充分的弊端。适用于各种模具，特别是热作模具的堆焊。

(5)本专利通过原材料的优选(如选用纯金属，少用铁合金)和加入稀土氧化钇，降低了堆焊金属中的杂质含量，使夹杂物球化，细化晶粒，提高了堆焊金属的韧性、塑性和抗疲劳性能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本申请实施例2的显微组织；

图2是本申请对比例2的显微组织。

具体实施方式

实施例1：

(1)配粉按药粉配方的配比称量药粉，将Fe₂B粉、钼粉、金属铬、金属镍、石墨、钒铁、钛铁、电解金属锰、铁粉、纳米碳化钛粉、氧化钇粉、铁粉按配方比例称量后混合，用现有的混粉机混粉8分钟，获得药粉。

其中：所述合金粉末的配比以质量份计如下：Fe₂B粉20，钼粉32，金属铬5，金属镍粉3，钒铁2，钛铁4，电解金属锰8，铁粉9，纳米碳化钛粉2，氧化钇粉2。纳米碳化钛粉的平均粒径为40纳米，其他粉末的粒度为48微米～180微米(即粒度为-80目～+300目)。纳米碳化钛粉的平均粒径为40纳米，其他粉末的粒径为48微米～180微米(即粒度为-80目～+300目)；

(2)将步骤(1)制备的药粉放入球磨机干混15分钟，获得等离子弧堆焊合金粉末成品。

上述合金粉末等离子弧堆焊金属的硬度HRC58，等离子弧堆焊的工艺参数为，转移弧电流140-180A，非转移弧电流70-90A，离子气(Ar)流量120-140L/h，保护气(Ar)流量550-620L/h，送粉速度25g/min。

实施例2：

(1)配粉按药粉配方的配比称量药粉，将Fe₂B粉、钼粉、金属铬、金属镍、石墨、钒铁、钛铁、电解金属锰、铁粉、纳米碳化钛粉、氧化钇粉、铁粉按配方比例称量后混合，用现有的混粉机混粉10分钟，获得药粉。

其中：所述合金粉末的配比以质量份计如下：Fe₂B粉38，钼粉50，金属铬10，金属镍粉3，石墨3，钒铁6，钛铁4，电解金属锰4，铁粉9，纳米碳化钛粉4，氧化钇粉4。纳米碳化钛粉的平均粒径为40纳米，其他粉末的粒径为48微米～180微米(即粒度为-80目～+300目)；

(2)将步骤(1)制备的药粉放入球磨机干混20分钟，获得等离子弧堆焊合金粉末成品。

上述合金粉末等离子弧堆焊金属的硬度HRC72，等离子弧堆焊的工艺参数为，转移弧电流140-180A，非转移弧电流70-90A，离子气(Ar)流量120-140L/h，保护气(Ar)流量550-620L/h，送粉速度25g/min。

实施例3：

(1)配粉按药粉配方的配比称量药粉，将Fe₂B粉、钼粉、金属铬、金属镍、石墨、钒铁、钛铁、电解金属锰、铁粉、纳米碳化钛粉、氧化钇粉、铁粉按配方比例称量后混合，用现有的混粉机混粉9分钟，获得药粉。

其中：所述合金粉末的配比以质量份计如下：Fe₂B粉30，钼粉41，金属铬7，金属镍粉5，石墨2，钒铁4，钛铁3，电解金属锰6，铁粉4，纳米碳化钛粉3，氧化钇粉3。纳米碳化钛粉的平均粒径为40纳米，其他粉末的粒径为48微米～180微米(即粒度为-80目～+300目)；

(2)将步骤(1)制备的药粉放入球磨机干混18分钟，获得等离子弧堆焊合金粉末成品。

上述合金粉末等离子弧堆焊金属的硬度HRC65，等离子弧堆焊的工艺参数为，转移弧电流140-180A，非转移弧电流70-90A，离子气(Ar)流量120-140L/h，保护气(Ar)流量550-620L/h，送粉速度25g/min。

实施例4：

(1)配粉按药粉配方的配比称量药粉，将Fe₂B粉、钼粉、金属铬、金属镍、石墨、钒铁、钛铁、电解金属锰、铁粉、纳米碳化钛粉、氧化钇粉、铁粉按配方比例称量后混合，用现有的混粉机混粉8分钟，获得药粉。

其中：所述合金粉末的配比以质量份计如下：Fe₂B粉28，钼粉32，金属铬8，金属镍粉5，石墨3，钒铁6，钛铁4，电解金属锰7，铁粉8，纳米碳化钛粉3，氧化钇粉2。纳米碳化钛粉的平均粒径为40纳米，其他粉末的粒径为48微米～180微米(即粒度为-80目～+300目)；

(2)将步骤(1)制备的药粉放入球磨机干混20分钟，获得等离子弧堆焊合金粉末成品。

上述合金粉末等离子弧堆焊金属的硬度HRC62，等离子弧堆焊的工艺参数为，转移弧电流140-180A，非转移弧电流70-90A，离子气(Ar)流量120-140L/h，保护气(Ar)流量550-620L/h，送粉速度25g/min。

对比例1

本对比例与实施例1的不同之处在于，原料配方中不含氧化钇，对堆焊金属的热疲劳性进行测试，试样尺寸为50×20×1.5(mm)，在20mm一边的中心垂直厚度方向，开60°V型缺口，进行700℃-20℃的循环加热、冷却，用出现0.5mm裂纹的循环次数反映疲劳性能。不含氧化钇粉末的对比例1的循环次数为28次，含氧化钇2份的实施例1的循环次数为53次。通过与实施例1的比对，表明本发明氧化钇能有效提升堆焊金属的抗疲劳性能。

对比例2

本对比例与实施例1的不同之处在于，原料配方中不加入纳米碳化钛粉，对韧性和抗裂性能的进行测试，不加纳米碳化钛粉的对比例2，U型缺口冲击韧性的测试值为0.67J/cm²，在厚度为80mm的5CrNiMo模具钢表面堆焊，预热280℃才能不出现裂纹；实施例1的U型缺口冲击韧性的测试值为1.08J/cm²，在厚度为80mm的5CrNiMo模具钢表面堆焊，预热80℃即可不出现裂纹。表明本发明合金粉末中的纳米氮化铬粉能有效地提高堆焊金属的韧性和抗裂性能。

另外，通过图1、2的对比可知，实施例2的粉末中加入纳米碳化钛，堆焊金属中Mo₂FeB₂硬质相(白色)比不加纳米碳化钛(图2)的对比例2的细小，且均匀。

对比例3

本对比例与实施例1的不同之处在于，原料配方中采用粒度为48微米～180微米(即粒度为-80目～+300目)的碳化钛粉末，实测堆焊金属500℃的硬度为HRC32，硬度的最大值与最小值相差HRC4；实施例1堆焊金属的500℃硬度为HRC51，硬度的最大值与最小值相差HRC4。纳米碳化钛使堆焊金属高温下保持较高硬度，且堆焊金属的硬度较均匀。微米级的氮化铬由于颗粒较大，活性较小，在现有的加入量下由于等离子弧堆焊熔池冷却速度快，导致冶金反应不充分，无法有效提高焊缝金属的高温硬度和组织稳定性。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种等离子弧堆焊用金属陶瓷合金粉末，其特征在于，由如下重量份的原料组成：Fe₂B 20～38份、钼粉32～50份、铁粉3～9份、纳米碳化钛粉2～4份、氧化钇粉2～4份。

2.如权利要求1所述的合金粉末，其特征在于，所述原料中还包括：Fe₂B 29～38份、钼粉41～50份、铁粉6～9份、纳米碳化钛粉3～4份、氧化钇粉3～4份。

3.如权利要求1所述的合金粉末，其特征在于，所述原料中还包括：Fe₂B 20～29份、钼粉32～41份、铁粉3～6份、纳米碳化钛粉2～3份、氧化钇粉2～3份。

4.如权利要求1所述的合金粉末，其特征在于，所述原料中还包括：电解金属锰4～8份，金属铬5～10份，石墨0～3份，金属镍粉3～6份。

5.如权利要求1所述的合金粉末，其特征在于，所述铁粉中还加入钛铁1-4份、钒铁2-6份。

6.如权利要求1-5任一项所述的合金粉末，其特征在于，原料中各金属粉末的粒径为90～160微米。

7.如权利要求1-5任一项所述的合金粉末，其特征在于，所述Fe₂B粉的成分以质量比计Fe₂B不小于95％；钼粉的成分以质量比计Mo含量不小于99.8％；金属铬的成分以质量比计Cr含量不小于98％；；金属镍粉的成分以质量比计Ni含量不小于98％；石墨的成分以质量比计是94％～99％C；钒铁的成分以质量比计是75％-85％V，C不超过0.06％，Si不超过2％，Al不超过1.5％，余为Fe和不影响性能的杂质；钛铁的成分以质量比计是35％～45％Ti，Al不超过9.0％，Si不超过3.5％，Mn不超过2.5％，余为Fe和不影响性能的杂质；电解金属锰的成分以质量比计Mn含量不小于99.5％；铁粉为雾化铁粉，以质量比计Fe含量不小于99.9％；氧化钇粉末的成分以质量百分比计Y₂O₃含量不小于99％；纳米碳化钛的成分以质量百分比计TiC含量不小于99.9％。

8.一种等离子弧堆焊用金属陶瓷合金粉末的制备方法，其特征在于，包括：

(1)配粉按药粉配方的配比称量药粉，将Fe₂B粉、钼粉、金属铬、金属镍、石墨、钒铁、钛铁、电解金属锰、铁粉、纳米碳化钛粉、氧化钇粉、铁粉按配方比例称量后混合，用现有的混粉机混粉8-10分钟，获得药粉；

(2)将步骤(1)制备的药粉放入球磨机干混15-20分钟，获得等离子弧堆焊合金粉末成品。

9.权利要求1-7任一项所述的合金粉末，其特征在于，上述合金粉末等离子弧堆焊金属的硬度HRC58-72，等离子弧堆焊的工艺参数为，转移弧电流140-180A，非转移弧电流70-90A，离子气(Ar)流量120-140L/h，保护气(Ar)流量550-620L/h，送粉速度25g/min。

10.权利要求1-7任一项所述的合金粉末在装备制造和工件修复中的应用。