CN109623115A - 一种改善金属凝固组织的方法 - Google Patents

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刘振军
卢新昌
吴东辉
高龙
李新宇
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    • B23K10/00—Welding or cutting by means of a plasma
    • B23K10/02—Plasma welding

Abstract

本发明公开了一种改善金属凝固组织的方法，属于粉末冶金技术领域。该方法是将基体表面进行除油和除锈处理；将镍基粉末与镍包碳化钨粉末混合后进行球磨得焊接复合粉；将基体置于烘干炉中加热后保温；将焊接复合粉采用等离子弧焊接法焊接在经过除油和除锈处理的基材表面，并且在焊接过程中通过立式电磁铁在垂直于基材表面的方向施加纵向磁场。该方法利用磁场和熔体内部感应电流的交互作用所产生的电磁力驱动熔体产生强迫对流，促使熔体温度场和溶质均匀化，最终达到控制金属凝固组织和性能的目的。通过外加磁场对焊接表层中第二相分布及组织形态的影响，焊接层的硬度、耐磨性能有较大提升，适用于复合焊接工艺。

Description

一种改善金属凝固组织的方法
技术领域
本发明涉及一种改善金属凝固组织的方法，属于粉末冶金技术领域。
背景技术
等离子焊接技术是通过等离子束流熔化焊接表层材料及基体表面的薄层，可在普通金属材料表面获得与基体呈冶金结合的表面功能焊接表层，从而显著改善基体材料的耐磨、耐蚀、耐热性能。由于等离子焊接技术得到的焊接表层相比其它方法得到的焊接表层，具有焊接表层厚，与基体形成冶金结合、效率高、成本低、焊接表层质量好等优点，已广泛应用于电力、煤炭、冶金和机械等工业领域。
复合焊接表层中第二相在焊接过程中存在易烧损、分布不均匀、结合强度不足等问题，且焊接表层内易含有较多的孔隙，脆性较大，焊接表层质量不易控制。
发明内容
为了克服现有的等离子焊接复合焊接表层存在的较多的孔隙，脆性较大，焊接表层质量不易控制且第二相在焊接过程中存在易烧损、分布不均匀、结合强度不足的问题，本发明提供了一种改善金属凝固组织的方法，具体是一种利用外加磁场场改善等离子弧焊接冶金过程中组织、性能的方法。采用的技术方案如下：
本发明的目的在于提供一种改善金属凝固组织的方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：将基体表面进行除油和除锈处理；
步骤二：将镍基粉末与镍包碳化钨粉末混合后进行球磨处理，使镍基粉末与镍包碳化钨粉末混合均匀，获得焊接复合粉；
步骤三：将步骤一经过除油和除锈处理的基体置于烘干炉中加热后保温；
步骤四：将步骤二获得的焊接复合粉采用等离子弧焊接法焊接在经过除油和除锈处理的基材表面，并且在焊接过程中在垂直于基材表面的方向施加纵向磁场；所述纵向磁场的磁场强度为38±5mT。
优选地，步骤一所述基材为碳钢。
更优选地，所述碳钢由如下质量分数组成：C 0.04wt％-0.07％wt％；Mn 0.3wt％-1wt％；P 0.03wt％；Cr 13wt％-14.5wt％；Ni 5wt％-6wt％；Cu 1.3wt％-1.8wt％；Mo1.3wt％-1.8wt％；Nb 0.25wt％-0.45wt％；Si 0.15wt％-0.7wt％；S 0.025wt％。
优选地，步骤二所述镍包碳化钨粉末中镍的质量百分数为12.2％，碳化钨的质量百分数为87.8％；步骤二所述镍基粉末由如下质量百分比的成分组成：C 0.68wt％，Cr17.21wt％，B 4.13wt％，Si 4.34wt％，Fe 3.21wt％，余量为Ni。
优选地，步骤二所述镍基粉末与镍包碳化钨粉末按照镍基粉末与镍包碳化钨粉末的质量比为4:1进行混合。
优选地，步骤二所述焊接复合粉末的粒度为-140目～+325目。
优选地，步骤三中加热至200℃，并保温40分钟。
优选地，步骤四所述焊接的工艺参数如下：工作电流100A，工作电压32V，电离气体流量0.7m3/h，送粉气体流量0.7m3/h，保护气体流量1.5m3/h，喷嘴距工件表面距离8mm，扫描速度4mm/s。
更优选地，步骤四所述焊接采用氩气作为电离气体和保护气体。
优选地，步骤四采用立式电磁铁在垂直于基材表面的方向施加纵向磁场，立式电磁铁的工作气隙50-150mm，极面直径最大为60mm。
本发明有益效果：
本发明利用纵向磁场和熔体内部感应电流的交互作用所产生的电磁力驱动熔体产生强迫对流，从而使熔融金属的流动、传热和传质条件发生改变，促使熔体温度场和溶质均匀化，也能加速熔体的过热耗散，最终达到控制金属凝固组织和性能的目的，利用外加纵向磁场强化金属基焊接表面制备的焊接表层复合焊接表层较致密、质量良好，焊接表层内部无缺陷，表层内孔隙率低，甚至无孔隙，焊接表层与基体处无裂纹等微观缺陷，焊接表层与基体可以形成冶金结合，大大提高了焊接表层的性能。适用于复合焊接工艺。
本发明通过加纵向磁场的焊接方法还能够有效抑制第二相在熔融基体中的烧损现象，第二相在熔融基体的流动作用下分布更加均匀且焊接过程中杂质易于排出，第二相与基体的结合强度更高，并且外加纵向磁场对焊接表层中第二相分布及组织形态的影响，焊接层的硬度、耐磨性能有较大提升。
本发明外加的第二相颗粒在Co，Ni，Fe，Al基中均会发生溶解或反应，与基体材料之间发生相互扩散，冷却时析出二次碳化物，导致复合材料或焊接表层性能提升。
附图说明
图1为焊接设备外加纵向磁场的结构示意图。
图2为磁场作用下焊接表层组织示意图(100x)。
图3为无磁场作用下的组织形貌(1000x)。
图4为纵向磁场作用下的组织形貌(1000x)。
图5为无磁、纵向磁场作用下焊接表层的硬度分布。
图6为无磁、纵向磁场作用下焊接表层的摩擦系数。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1
本实施例提供了一种改善等离子弧焊接复合焊接表层组织凝固的方法，具体方法如下：
1、使用手砂轮打磨片对碳钢基体(成分如表1所示)表面打磨，除去锈迹，并用浸有丙酮试剂的棉球擦洗试板表面，除去油污。
2、将镍基粉末与镍包碳化钨粉末按质量比4:1混合，随后放入行星式球磨机中进行球磨，使其混合均匀，获得焊接复合粉，焊接复合粉末的粒度为-140目～+325目。其中：镍包碳化钨的化学成分(质量分数，％)为：87.8WC，12.2Ni；镍基粉末成分如表2所示。
3、在焊接实验进行前，需先将试样置于烘干炉中，加热至200℃，并保温40分钟。
4、将获得的焊接复合粉采用等离子弧焊接法焊接在经过除油和除锈处理的基材表面，并且在焊接过程中在垂直于基材表面的方向施加纵向磁场，纵向磁场的磁场强度为38±5mT；其中：焊接设备可以采用PAW-1等离子焊接平台，焊接参数为：工作电流100A，工作电压32V，用Ar2作为保护及电离气体，电离气体流量0.7m3/h，送粉气体流量0.7m3/h，保护气体流量1.5m3/h，喷嘴距工件表面距离8mm，扫描速度4mm/s；在垂直于基材表面的方向施加纵向磁场可以通过立式电磁铁作为磁场发生器，如小型立式电磁铁PEM-40L，纵向磁场的施加方式可以参照图1，在等离子焊接平台的上方和下方设置一台立式电磁铁，立式电磁铁包括上极柱和下极柱，上极柱设置在等离子焊接平台的上方，下极柱设置在等离子焊接平台的下方，上极柱和下极柱所产生的磁场方向垂直于基材表面；立式电磁铁的具体工作参数如下：工作气隙100mm，极面直径最大为60mm。
表1碳钢基体材料化学成分
表2镍基合金化学成分
外加纵向磁场作用下焊接表层结果如下：
1.磁场作用下焊接表层的微观组织
无磁作用下焊接表层形貌，组织形态为块状WC分布在焊接表层中，如图3所示。在纵向磁场作用下焊接表层的组织形貌发生了明显变化，WC第二相由之前块状、弥散分布在枝晶间变成由磁场作用下变为由WC为质点呈发散状组织特征，类溃散式雪花状组织，如图2、4所示。可见外加纵向磁场作用下，焊接表层中第二相与粉末基体冶金结合性良好，界面间无污染。
2.焊接表层的显微硬度
由图5所示，通过对比可以看出无磁、纵向磁场作用下焊接表层沿深度方向显微硬度值的变化，纵向磁场作用下焊接表层的显微硬度较无磁焊接表层的显微硬度有显著提高。焊接表层的显微硬度沿深度方向呈梯度分布逐渐降低。
3.焊接表层的摩擦磨损性能
由图6所示，通过对比可以看出无磁、纵向磁场作用下焊接表层的摩擦系数。通过在焊接过程中外加纵向磁场得知：焊接表层的摩擦系数由无磁状态下的0.45左右降低到0.35左右。摩擦性能得到显著提升。
综上，本发明通过在焊接过程中外加纵向磁场，制备的复合焊接表层质量良好，焊接表层内部无缺陷；通过外加纵向磁场对焊接表层组织及元素分布的影响，复合焊接表层的硬度及耐磨性得到显著提升。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种改善金属凝固组织的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将基体表面进行除油和除锈处理；
步骤二：将镍基粉末与镍包碳化钨粉末混合后进行球磨处理，使镍基粉末与镍包碳化钨粉末混合均匀，获得焊接复合粉；
步骤三：将步骤一经过除油和除锈处理的基体置于烘干炉中加热后保温；
步骤四：将步骤二获得的焊接复合粉采用等离子弧焊接法焊接在经过除油和除锈处理的基材表面，并且在焊接过程中在垂直于基材表面的方向施加纵向磁场；所述纵向磁场的磁场强度为38±5mT。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一所述基材为碳钢。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述碳钢由如下质量分数组成：C0.04wt％-0.07％wt％；Mn 0.3wt％-1wt％；P 0.03wt％；Cr 13wt％-14.5wt％；Ni 5wt％-6wt％；Cu 1.3wt％-1.8wt％；Mo 1.3wt％-1.8wt％；Nb 0.25wt％-0.45wt％；Si 0.15wt％-0.7wt％；S 0.025wt％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二所述镍基粉末与镍包碳化钨粉末按照镍基粉末与镍包碳化钨粉末的质量比为4:1进行混合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二所述镍包碳化钨粉末中镍的质量百分数为12.2％，碳化钨的质量百分数为87.8％；步骤二所述镍基粉末由如下质量百分比的成分组成：C 0.68wt％，Cr 17.21wt％，B 4.13wt％，Si 4.34wt％，Fe 3.21wt％，余量为Ni。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二所述焊接复合粉末的粒度为-140目～+325目。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中加热至200℃，并保温40分钟。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四所述焊接的工艺参数如下：工作电流100A，工作电压32V，电离气体流量0.7m3/h，送粉气体流量0.7m3/h，保护气体流量1.5m3/h，喷嘴距工件表面距离8mm，扫描速度4mm/s。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四所述焊接采用氩气作为电离气体和保护气体。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四采用立式电磁铁在垂直于基材表面的方向施加纵向磁场，立式电磁铁的工作气隙50-150mm，极面直径最大为60mm。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11131258A (ja) * 1997-10-27 1999-05-18 Showa Alum Corp アルミニウム材への磁性層形成方法
CN1751834A (zh) * 2005-10-20 2006-03-29 武汉理工大学 一种磁控熔化极焊接方法及其拓展应用和通用设备
CN104588846A (zh) * 2014-12-08 2015-05-06 沈阳工业大学 一种提高tig焊电弧能量密度的方法和装置
CN105382389A (zh) * 2015-11-20 2016-03-09 株洲西迪硬质合金科技股份有限公司 一种复合硬面材料及其制备方法
CN106429252A (zh) * 2015-07-31 2017-02-22 上海宝钢工业技术服务有限公司 具有耐磨涂层的螺旋输送机叶片
CN106757010A (zh) * 2017-01-17 2017-05-31 江苏理工学院 一种光纤激光熔覆镍基镍包碳化钨熔覆涂层的制备方法
CN107868926A (zh) * 2017-11-20 2018-04-03 中国科学院兰州化学物理研究所 一种高温润滑防粘抗磨涂层的制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11131258A (ja) * 1997-10-27 1999-05-18 Showa Alum Corp アルミニウム材への磁性層形成方法
CN1751834A (zh) * 2005-10-20 2006-03-29 武汉理工大学 一种磁控熔化极焊接方法及其拓展应用和通用设备
CN104588846A (zh) * 2014-12-08 2015-05-06 沈阳工业大学 一种提高tig焊电弧能量密度的方法和装置
CN106429252A (zh) * 2015-07-31 2017-02-22 上海宝钢工业技术服务有限公司 具有耐磨涂层的螺旋输送机叶片
CN105382389A (zh) * 2015-11-20 2016-03-09 株洲西迪硬质合金科技股份有限公司 一种复合硬面材料及其制备方法
CN106757010A (zh) * 2017-01-17 2017-05-31 江苏理工学院 一种光纤激光熔覆镍基镍包碳化钨熔覆涂层的制备方法
CN107868926A (zh) * 2017-11-20 2018-04-03 中国科学院兰州化学物理研究所 一种高温润滑防粘抗磨涂层的制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
周生刚等: "《低银含量铅合金电极制备与性能研究》", 31 March 2018, 冶金工业出版社 *
徐匡迪: "《徐匡迪文选，钢铁冶金卷（A）》", 30 April 2005, 上海大学出版社 *
王振民等: "《高效电弧 等离子体技术及其应用》", 30 April 2018, 华南理工大学出版社 *

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