CN109290698B - 以复合粉粒和实心焊丝为堆焊材料制备高硼合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以复合粉粒和实心焊丝为堆焊材料制备高硼合金的方法。本发明主要是，它采用包括由各种粉末组分经混合、粘结、造粒、烧结和过筛而形成特定粒度的复合粉粒以及充当电弧载体的H08A实心焊丝作为堆焊材料，进行自保护明弧堆焊，使复合粉粒熔体和H08A实心焊丝熔滴熔合为一体化熔池，冷却凝固形成以初生硼化二金属元素/M2B为主耐磨相的组织结构的高硼合金。本发明方法具有成型速度快、经济和简便的优点，所制备高硼合金可应用于磨粒磨损工况的零部件堆焊耐磨层，如混凝土输送管内壁。

Description

以复合粉粒和实心焊丝为堆焊材料制备高硼合金的方法
技术领域
本发明属于耐磨堆焊技术领域，具体涉及一种以复合粉粒和实心焊丝作为堆焊材料而制备高硼合金的方法。
背景技术
硼合金因析出一定数量的显微硬度高的Fe2B(1400～1500HV)等硬质相而呈现较好的耐磨粒磨损性能。我国硼相对资源丰富，合金加硼可减少W、Mo、Nb和Cr等贵重组分消耗。如果合金形成了以硼化物为主耐磨相的组织结构，通常称之为高硼合金。
目前，制备高硼合金的方法主要有：表面渗硼、铸造、堆焊以及激光和等离子弧熔敷等。由于硼原子的半径
Figure BDA0001871822430000011
比碳原子的半径
Figure BDA0001871822430000012
大，合金渗硼的时间较长，工件变形和氧化较重。因硼合金较碳合金偏脆，一般只能铸造1％B以下的硼合金，其耐磨性优点未能得到充分利用。激光和等离子熔敷方法因能量密度过于集中，所熔敷高硼合金开裂严重，极大限制了其应用范围。
高硼合金具有自脱氧性，其药芯焊丝自保护明弧堆焊焊缝成型美观，可用于快速制造和再制造零件的耐磨合金层，如混凝土输送管内壁等。但是，为使高硼药芯焊丝顺利轧制成型和拉拔减径，需要加入一定数量的石墨组分，导致高硼合金的碳含量偏高；而高硼合金碳含量越高，性能越脆。不仅如此，药芯焊丝成型机及其附属设备投资过大，日常养护复杂，这也使高硼药芯焊丝成本居高不下，难以真正惠及以之制备耐磨合金零件的广大中小民企。他们迫切需要一种既简单经济，又高效的高硼合金制备方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有高硼合金制备方法存在的上述缺陷，提供一种既简单经济，又高效的以复合粉粒和实心焊丝为堆焊材料制备高硼合金的方法。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：该种以复合粉粒和实心焊丝为堆焊材料制备高硼合金的方法，包括如下顺序的步骤：
(1)粉末组分混合：将各粉末组分分别过筛，按照各粉末组分组成配比称量，将所有粉末倒入同一容器内，充分搅拌使之混合均匀，形成混合粉末；
所述各粉末组分组成配比为：重量百分含量为60～70％的含硼量为18％的硼铁(FeB18C0.5)；重量百分含量为14～16％的含铬量99％以上的金属铬(Cr)；重量百分含量为2～6％的含钒量为50％的钒铁(FeV50-A)；重量百分含量为2～4％的含硅量40～47％的硅铁(FeSi45)；重量百分含量为1～3％的碳化硼(B4C)；余量为含铁量不低于98％的还原铁粉(Fe)；
(2)粘结造粒：向步骤(1)的混合粉末中分批次掺杂入液态粘结剂，掺杂期间，不断搅拌，并使混合粉体均匀旋转，形成近似球形的复合粉粒，然后敞开容器，并摊开粉粒，室温下静置1小时以定型；
(3)复合粉粒烧结：将步骤(2)的复合粉粒放入烧结炉中升温至烧结温度，保温2～4小时，然后随炉冷却至室温；
(4)复合粉粒过筛分类：出炉后的粉粒先过10目筛，去除大于10目的大颗粒；再过30目筛，去除小于30目的小颗粒，获得粒度为10～30目的复合粉粒；
(5)以复合粉粒和H08A实心焊丝作为堆焊材料制备高硼合金：设置自动焊机堆焊工艺参数，并使每次工艺参数不变；接着，在低碳钢或者低合金钢基体上，预置步骤(4)制得的复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，使单位焊缝长度上该复合粉粒重量与该段焊道上H08A实心焊丝熔化重量的比值满足预定要求；
按上述要求以复合粉粒和H08A实心焊丝作为堆焊材料进行自保护明弧堆焊，使复合粉粒熔体和实心焊丝熔滴熔合为一体化熔池；该熔池冷却凝固形成第一层焊缝，空冷至室温；然后以同样的方式分别堆焊第二层和第三层，即制得高硼合金。
具体的，步骤(1)中，将各粉末组分分别过60目筛。
具体的，步骤(2)中，所述液态粘结剂是波美度为20～40、模数为3.0～3.3的硅酸钠型水玻璃；所述液态粘结剂的掺杂量与混合粉末重量的比值为15～30ml硅酸钠型水玻璃/100g混合粉末。
具体的，步骤(3)中，所述烧结温度为250～350℃。
具体的，步骤(5)中，所述自动焊机堆焊工艺参数为：极性为直流反接，电流460～480A，电弧电压28～32V，焊丝干伸长28～35mm，小车行走速度17～20m/h。
具体的，步骤(5)中，所述单位焊缝长度上该复合粉粒重量与该段焊道上的H08A实心焊丝熔化重量的比值为0.60～1.00。
具体的，步骤(5)中，所述H08A实心焊丝的直径为Φ2.0mm～Φ2.5mm。
本发明采用包括由各种粉末组分经混合、粘结、造粒、烧结和过筛而形成特定颗粒度的复合粉粒以及充当电弧载体的H08A实心焊丝同时作为堆焊材料，进行自保护明弧焊，使复合粉粒熔体和H08A实心焊丝熔滴熔合为一体化熔池，并使之凝固形成以初生硼化二金属元素/M2B为主耐磨相的组织结构的高硼合金。
本发明方法制备的高硼合金可应用于磨粒磨损工况的零部件堆焊耐磨层，如混凝土输送管内壁等。与现有技术相比，本发明具有如下创新点和有益效果：
(1)所用堆焊材料的制备工艺简化：直接采用合金粉末经混合、粘结造粒、烧结和过筛等步骤而形成复合粉粒，规避了药芯焊丝和药皮焊条复杂的制备工艺流程，所需设备和工具等均大为简化。
(2)本发明方法熔敷效率高：以复合粉粒和H08A实心焊丝作为堆焊材料，不仅具有丝材堆焊连续性好的优点，而且以复合粉粒向熔敷金属过渡合金化元素可进一步提高堆焊熔敷效率。这使该方法熔敷效率高于丝材堆焊和药皮焊条电弧焊，并可实现自动化和连续性的堆焊生产作业。
(3)制备方法成型快速且经济：采用本发明方法制备的高硼合金，堆焊厂家可完全自主制备复合粉粒，根据需要随时可调整复合粉粒成分配比而制备一系列成分和组织多样性的高硼合金。耐磨合金组织和性能调整极为便利，成型快速且经济。
(4)所制备高硼合金韧性较高且耐磨性良好：本发明方法所采用的复合粉粒不需要轧制成型和拉拔减径等工艺步骤，无需加入适量石墨来改善高硼合金药芯焊丝的成型性能，避免了因过多碳和硼相互排斥所导致的致脆效应，因而该合金具有较高的韧性。其自保护明弧堆焊焊缝未产生裂纹，且耐磨性良好，完全满足耐磨粒磨损件的实用要求。
附图说明
图1为本发明方法堆焊制得的高硼合金的组织形态图。
图2为图1所示高硼合金的相组成图。
图3为对比例1中粉末堆焊制得的高硼合金的组织形态图。
图4为图3所示高硼合金的相组成图。
图5为图1所示高硼合金的磨损形貌图。
图6为图3所示高硼合金的磨损形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
先将硼铁、金属铬、钒铁、碳化硼、硅铁和还原铁粉等粉末组分过60目，然后称量，所称量的混合粉末组成配比(重量百分比)为：硼铁70％(含硼量为18％的FeB18C0.5)、金属铬15％(含铬量99％以上的Cr)、钒铁4％(含钒量为50％的FeV50-A)、硅铁4％(含硅量为40～47％的FeSi45)、碳化硼1％(B4C)、还原铁粉6％(Fe)。
接着，将以上称量的粉末放入同一容器内混合，充分搅拌使之均匀混合。然后，每次向该容器粉末中注入5ml的波美度40、模数3.3的硅酸钠型水玻璃；直至每100g该混合粉末中，掺杂入总量25ml的硅酸钠型水玻璃。掺杂期间，不停搅拌，并使粉体旋转，最终形成近似球形的复合粉粒。然后，将装有上述粉粒的容器开敞，并将粉粒摊开，室温下静置1小时以定型。
将该复合粉粒放入加热炉中升温至280℃，保温2小时出炉。出炉后将之先过10目筛，去除大于10目的大颗粒；再过30目筛，去除小于30目的小颗粒，最终获得粒度为10～30目的复合粉粒。
在长度160mm×宽度75mm×厚度16mm的Q235A钢板上，在焊道上预置该复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，使之单位焊缝长度上该复合粉粒重量与该段焊道上的直径Φ2.5mmH08A实心焊丝熔化重量的比值保持在0.85～0.90范围内，且每次堆焊工艺参数不变。
堆焊之前，将自动焊机ZD5-1000E的极性选择为直流反接，堆焊工艺参数如表1所示。
启动焊机，以该复合粉粒和H08A实心焊丝进行自保护明弧堆焊，使复合粉粒熔体和H08A实心焊丝熔滴熔合为一体化熔池。该熔池冷却凝固形成第一层焊缝，空冷至100～150℃以下；然后以同样的方式分别堆焊第二层和第三层，空冷至室温，获得无裂纹和气孔等缺陷的堆焊焊缝。
将堆焊试样用线切割机床加工制备为57mm×25.5mm×6mm耐磨性试样，并用HR-150洛氏硬度计测试其表面宏观硬度。
表1复合粉粒和实心焊丝自保护明弧堆焊工艺参数
Figure BDA0001871822430000061
耐磨性试验采用MLS-225B型湿砂橡胶轮式磨损试验机，试验条件如下：橡胶轮直径178mm、硬度为60邵尔，所加砝码重2.5千克，橡胶轮转速240转/分钟，砂浆比例为40～60目1500克石英砂配1000克自来水。试样先预磨1000转，冲洗干净，吹干，称初重M0，然后正式试验1000转后清洗吹干，称重M1，试样磨损绝对失重量ΔM＝M0-M1。
以下面对比例1所述的1#堆焊试样作为标准试样，相对磨损系数ε＝标准试样绝对失重量/试样绝对失重量，试验结果见表2。
本实施例1的高硼合金表层水平面的组织形态及其相组成分别如图1和图2所示，实施例1所制备的高硼堆焊合金的磨损形貌图如图5所示。
实施例2：
先将硼铁、金属铬、钒铁、碳化硼、硅铁和还原铁粉等粉末组分过60目，然后称量，所称量的混合粉末组成配比(重量百分比)为：硼铁62％(含硼量为18％的FeB18C0.5)、金属铬16％(含铬量99％以上的Cr)、钒铁6％(含钒量为50％的FeV50-A)、硅铁2％(含硅量为40～47％的FeSi45)、碳化硼3％(B4C)、还原铁粉11％(Fe)。
接着，将以上称量的粉末放入同一容器内混合，充分搅拌使之均匀混合。然后，每次向该容器粉末中注入5ml的波美度为25、模数为3.0的硅酸钠型水玻璃；直至每100g混合粉末中，掺杂入总量30ml的硅酸钠型水玻璃。掺杂期间，不停搅拌，并使粉体旋转，最终形成近似球形的复合粉粒。然后，将装有上述粉粒的容器开敞，并将粉粒摊开，室温下静置1小时以定型。
将该复合粉粒放入加热炉中升温至350℃，保温3小时出炉。出炉后将之先过10目筛，去除大于10目的大颗粒；再过30目筛，去除小于30目的小颗粒，最终获得粒度为10～30目的复合粉粒。
在长度160mm×宽度75mm×厚度16mm的Q235A钢板上，在焊道上预置该复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，使之单位焊缝长度上该复合粉粒重量与该段焊道上的直径Φ2.0mmH08A实心焊丝熔化重量的比值保持在0.78～0.83范围内，且每次堆焊工艺参数不变。
其余实验内容同实施例1。
实施例3：
先将硼铁、金属铬、钒铁、碳化硼、硅铁和还原铁粉等粉末组分过60目，然后称量，所称量的混合粉末组成配比(重量百分比)为：硼铁65％(含硼量为18％的FeB18C0.5)、金属铬15％(含铬量99％以上的Cr)、钒铁5％(含钒量为50％的FeV50-A)、硅铁3％(含硅量为40～47％的FeSi45)、碳化硼3％(B4C)、还原铁粉9％(Fe)。
接着，将以上称量的粉末放入同一容器内混合，充分搅拌使之均匀混合。然后，每次向该容器粉末中注入5ml的波美度为35、模数为3.0硅酸钠型水玻璃；直至每100g混合粉末中，掺杂入总量20ml的硅酸钠型水玻璃。掺杂期间，不停搅拌，并使粉体旋转，最终形成近似球形的复合粉粒。然后，将装有上述粉粒的容器开敞，并将粉粒摊开，室温下静置1小时以定型。
将该复合粉粒放入加热炉中升温至300℃，保温2.5小时出炉。出炉后将之先过10目筛，去除大于10目的大颗粒；再过30目筛，去除小于30目的小颗粒，最终获得粒度为10～30目的复合粉粒。
在长度160mm×宽度75mm×厚度16mm的Q235A钢板上，在焊道上预置该复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，使之单位焊缝长度上该复合粉粒重量与该段焊道上的直径Φ2.5mmH08A实心焊丝熔化重量的比值保持在0.75～0.80范围内，且每次堆焊工艺参数不变。
其余步骤和耐磨性试验内容同实施例1。
对比例1：
先将硼铁、金属铬、钒铁、碳化硼、硅铁和还原铁粉等粉末组分过60目，然后称量，所称量的混合粉末组成配比(重量百分比)为：硼铁70％、金属铬15％、钒铁4％、硅铁4％、碳化硼1％、还原铁粉6％。混合粉末组成同实施例1的混合粉末组成相同。
将上述所有粉末组分，放同一容器内，充分搅拌使之均匀混合。然后预置焊道上，调整混合粉末高度和宽度，使之单位焊缝长度上该混合粉末重量与该段焊道上的Φ2.5mmH08A实心焊丝熔化重量的比值保持在0.85～0.90范围内，且每次堆焊工艺参数不变。
该对比例1所用自动焊机ZD5-1000E的堆焊工艺参数、极性设置和堆焊过程均与实施例1相同。耐磨性试验内容与实施例1相同。
对比例1所堆焊的高硼合金的组织形态和其相组成分别如图3、图4所示，该对比例1所堆焊的高硼合金的磨损形貌如图6所示，所制备的1#堆焊试样作为标准试样。
从表2可以看出，本发明以复合粉粒和H08A实心焊丝作为堆焊材料而制备高硼合金的方法，所制备的高硼合金的相对磨损系数ε，是采用相同预置粉末和H08A实心焊丝所堆焊高硼合金试样的2.65～3.25倍。这说明本发明方法所制备的高硼合金具有良好的耐磨性。其自保护明弧焊缝未出现裂纹，说明该方法制备的高硼合金具有较高的韧性。
表2对比例和实施例所示高硼合金的耐磨粒磨损性能
Figure BDA0001871822430000091
通过图1和图2可知，本发明以复合粉粒作为堆焊材料所制备的高硼合金的组织主要由初生M2B、α-Fe(铁素体)、Fe3(C,B)组成，其中M包括Fe、Cr、V等金属元素，该高硼合金呈现典型的过共晶结构组织。图1所示的白色四边形块状体为初生M2B相，可充当高硼合金的主耐磨相，这也使得该高硼合金具有良好的耐磨粒磨损性能。
相反，对比例1在焊道上所预置的混合粉末组成与实施例1完全相同，但是未制备成复合粉粒，其他条件均完全相同。由图3和图4可知，该对比例1所制备的高硼合金的组织包括M2B、α-Fe(铁素体)、Fe3(C,B)等相，但未出现图1所示的白色四边形M2B块状相，主要由黑色胞状胞状α-Fe和沿胞状晶分布的硼化物组成，该高硼合金为典型的亚共晶结构组织。由于缺乏大块状耐磨硬质相，其耐磨粒磨损性能偏低。
对比图5和图6所示两种高硼堆焊合金的磨损形貌可知，在相同磨粒磨损试验条件下，本发明方法所制备的高硼合金磨损表面划痕数量较少且深度较浅，其磨损机制主要为磨粒的微观切削；而预置相同粉末组分的对比例1所制备高硼合金磨损表面划痕较多，且较深，其磨损机制也是磨粒的微观切削。以上结果表明，本发明发明制备的高硼合金具有良好的耐磨性和较高韧性，可用于磨粒磨损工况下零部件自保护明弧堆焊耐磨合金层。

Claims (8)

1.一种以复合粉粒和实心焊丝为堆焊材料制备高硼合金的方法，其特征在于包括如下顺序的步骤：
(1)粉末组分混合：将各粉末组分分别过筛，按照各粉末组分组成配比称量，将所有粉末倒入同一容器内，充分搅拌使之混合均匀，形成混合粉末；
所述各粉末组分组成配比为：重量百分含量为60～70％的含硼量18％的硼铁；重量百分含量为14～16％的含铬量99％以上的金属铬；重量百分含量为2～6％的含钒量50％的钒铁；重量百分含量为2～4％的含硅量40～47％的硅铁；重量百分含量为1～3％的碳化硼；余量为含铁量不低于98％的还原铁粉；
(2)粘结造粒：向步骤(1)的混合粉末中分批次掺杂入液态粘结剂，掺杂期间，不断搅拌，并使混合粉体均匀旋转，形成近似球形的复合粉粒，然后敞开容器，并摊开粉粒，室温下静置1小时以定型；
(3)复合粉粒烧结：将步骤(2)的复合粉粒放入烧结炉中升温至烧结温度，保温2～4小时，然后随炉冷却至室温；
(4)复合粉粒过筛分类：出炉后的粉粒先过10目筛，去除大于10目的大颗粒；再过30目筛，去除小于30目的小颗粒，获得粒度为10～30目的复合粉粒；
(5)以复合粉粒和H08A实心焊丝作为堆焊材料制备高硼合金：设置自动焊机堆焊工艺参数，并使每次工艺参数不变；接着，在低碳钢或者低合金钢基体上，预置步骤(4)制得的复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，使单位焊缝长度上该复合粉粒重量与该段焊道上H08A实心焊丝熔化重量的比值满足预定要求；
按上述要求以复合粉粒和H08A实心焊丝作为堆焊材料进行自保护明弧堆焊，使复合粉粒熔体和实心焊丝熔滴熔合为一体化熔池；该熔池冷却凝固形成第一层焊缝，空冷至室温；然后以同样的方式分别堆焊第二层和第三层，即制得高硼合金。
2.根据权利要求1所述以复合粉粒和实心焊丝为堆焊材料制备高硼合金的方法，其特征在于：步骤(1)中，将各粉末组分分别过60目筛。
3.根据权利要求1所述以复合粉粒和实心焊丝为堆焊材料制备高硼合金的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述液态粘结剂是波美度为20～40、模数为3.0～3.3的硅酸钠型水玻璃。
4.根据权利要求3所述以复合粉粒和实心焊丝为堆焊材料制备高硼合金的方法，其特征在于：所述液态粘结剂的掺杂量与混合粉末重量的比值为15～30ml硅酸钠型水玻璃/100g混合粉末。
5.根据权利要求1所述以复合粉粒和实心焊丝为堆焊材料制备高硼合金的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述烧结温度为250～350℃。
6.根据权利要求1所述以复合粉粒和实心焊丝为堆焊材料制备高硼合金的方法，其特征在于：步骤(5)中，所述自动焊机堆焊工艺参数为：极性为直流反接，电流460～480A，电弧电压28～32V，焊丝干伸长28～35mm，小车行走速度17～20m/h。
7.根据权利要求1所述以复合粉粒和实心焊丝为堆焊材料制备高硼合金的方法，其特征在于：步骤(5)中，所述单位焊缝长度上该复合粉粒重量与该段焊道上的H08A实心焊丝熔化重量的比值为0.60～1.00。
8.根据权利要求1所述以复合粉粒和实心焊丝为堆焊材料制备高硼合金的方法，其特征在于：步骤(5)中，所述H08A实心焊丝的直径为Φ2.0mm～Φ2.5mm。
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