CN109652743B - 一种耐磨耐热双金属复合板及其制备方法 - Google Patents

一种耐磨耐热双金属复合板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐磨耐热双金属复合板及其制备方法。该双金属复合板包括底板和钎焊在底板表面上的CrMo合金板，CrMo合金板由以下重量百分比的组分组成：C 1.0％～1.8％、Si 0.1％～0.5％、Mn 0.1％～0.5％、Cr 10.0％～13.5％、Mo 1.0％～2.5％、V 0.1％～0.5％、余量为Fe。本发明提供的耐磨耐热双金属复合板，通过钎焊方法将CrMo合金板与底板复合，CrMo合金板除具有良好的耐磨性外，还与底板具有良好的钎焊连接性能。该复合板既保证了底板与表层CrMo合金板的良好连接，又避免了堆焊产生的表面裂纹，表现出良好的耐磨耐热性能，能够在高温工况下长期使用。

Description

一种耐磨耐热双金属复合板及其制备方法
技术领域
本发明属于层状金属复合板领域，具体涉及一种耐磨耐热双金属复合板及其制备方法。
背景技术
磨损是金属零件失效的主要原因之一。据不完全统计，每年因磨损而造成的损失达数十亿人民币。耐磨件的工况有室温(常温)条件和高温条件之分。高温条件下，除了正常磨损之外，由于金属表面氧化物的生成，以及高温导致的基体软化，会使零部件的磨损量急剧升高，零件的使用寿命大大降低。故研究和开发适用于高温条件的耐磨材料对工业生产具有极大的促进作用。
传统耐磨板在室温工况下使用时，寿命一般能够满足设计要求，达到良好的经济性要求。但在高温条件下，由于高温软化和高温氧化双重作用，使其使用寿命大幅度降低，进而影响生产效率和成本。
双金属耐磨复合板是近些年来发展起来的一种复合材料，其一般是在普通低碳钢或者低合金钢表面通过堆焊方法，制备出一定硬度、厚度以及良好耐磨性能的复合耐磨材料。具体工作时，由普通低碳钢或低合金钢基体保证零部件整体的强度和塑韧性等机械性能，由表层的耐磨层提供一定的耐磨性，从而满足工况要求。
公告号为CN103192161B的中国专利公开了一种适于高温工况的耐磨耐腐蚀复合板，其是以低碳钢板或者低合金钢板作为基板，采用专用的耐热耐腐蚀耐磨堆焊药芯焊丝在基板表面堆焊复合层，获得耐热耐腐蚀耐磨复合金属板坯料，再用制备的专用封缝剂对校平的复合金属板坯料表面的裂纹进行封缝处理，制得成品。
堆焊时，由于温度分布不均匀，基体材料与耐磨层因膨胀系数不同，在耐磨层上会出现大量均匀分布的裂纹。高温条件下，裂纹的氧化加剧，表面的不均匀性更加凸显，导致工件的使用寿命大大降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐磨耐热双金属复合板，从而解决堆焊耐磨板在高温工况下使用寿命低的问题。
本发明还提供了上述耐磨耐热双金属复合板的制备方法，以解决现有双金属复合板在高温工况下的耐磨性差的问题。
为实现上述目的，本发明的耐磨耐热双金属复合板所采用的技术方案是：
一种耐磨耐热双金属复合板，包括底板和钎焊在底板表面上的CrMo合金板，CrMo合金板由以下重量百分比的组分组成：C 1.0％～1.8％、Si 0.1％～0.5％、Mn 0.1％～0.5％、Cr 10.0％～13.5％、Mo 1.0％～2.5％、V 0.1％～0.5％、余量为Fe。
本发明提供的耐磨耐热双金属复合板，通过钎焊方法将CrMo合金板与底板复合，CrMo合金板除具有良好的耐磨性外，还与底板具有良好的钎焊连接性能。该复合板既保证了底板与表层CrMo合金板的良好连接，又避免了堆焊产生的表面裂纹，表现出良好的耐磨耐热性能，能够在高温工况下长期使用。
从兼顾复合板的整体性能和成本方面出发，优选的，所述底板为低碳钢或低合金钢。
为进一步提高双金属复合板的结合性能，提高其耐磨耐热性，优选的，所述底板的厚度为5～20mm，所述CrMo合金板的厚度为5～20mm。
本发明的耐磨耐热双金属复合板的制备方法所采用的技术方案是：
一种耐磨耐热双金属复合板的制备方法，包括以下步骤：在底板和CrMo合金板之间铺设钎料形成板坯，将板坯在500～600℃保温0.5-1.5h，然后升温至900～1100℃，对板坯的板面施压并保持2～10min完成焊接；所述CrMo合金板由以下重量百分比的组分组成：C1.0％～1.8％、Si 0.1％～0.5％、Mn 0.1％～0.5％、Cr 10.0％～13.5％、Mo 1.0％～2.5％、V 0.1％～0.5％、余量为Fe。
本发明提供的耐磨耐热双金属复合板的制备方法，利用钎焊方式实现底板和CrMo合金板的复合，在500～600℃的保温过程可释放因底板和CrMo合金板的热膨胀及相变差异而引起的内应力，在900～1100℃下的加压钎焊过程，可使已经熔化的钎料均匀分布，提高复合界面的一致性，进而得到整体一致性好、缺陷少的复合板，提高复合板在高温工况下的耐磨性。
为进一步优化复合板的钎焊复合质量，减少变形，优选的，对板面施压的压力为5～15MPa。
为进一步降低复合板的内应力，减少微裂纹的产生，优选的，焊接完成后，炉冷至200-300℃，然后出炉空冷。
为更进一步提高复合板的力学性能，降低复合板内应力，优选的，出炉空冷后的工件还进行淬火处理，淬火处理时，先升温至850～980℃保温1～2h，油淬至200～350℃，然后水淬至50～100℃，之后空冷至室温。
为进一步稳固淬火处理后的组织状态，进一步释放复合板的内应力，防止变形和开裂的发生，优选的，淬火处理后还进行回火处理，回火处理时，先加热至180～220℃保温1～3h，出炉空冷即得。采用上述方法制备的耐磨耐热双金属复合板，通过控温钎焊技术，可有效降低钎焊应力，从而获得高性能耐磨耐热双金属复合板。
附图说明
图1为本发明的耐磨耐热双金属复合板实施例1的结构示意图；
图2为本发明的耐磨耐热双金属复合板的制备方法实施例1中钎焊步骤的温度控制示意图；
图3为本发明的耐磨耐热双金属复合板的制备方法实施例1中淬火处理步骤的温度控制示意图；
图4为现有技术中市售双金属耐磨复合板的表面形貌；
图5为本发明的耐磨耐热双金属复合板的制备方法实施例1所得复合板的耐磨层经打磨后的表面形貌；
图中，1-20钢底板，2-CrMo合金板。
具体实施方式
本发明主要是通过对CrMo合金板的选择及利用控温钎焊技术来实现高品质双金属复合板的制备。一般而言，底板的厚度大于CrMo合金板的厚度。
在双金属复合板的制备过程中，从兼顾施工性和钎焊连接性能出发，优选的，所述钎料为Cu92MnFe铜基钎料。钎料的铺设厚度为0.3～1.6mm。
焊接完成后，炉冷的速率可控制为100～200℃/h。
淬火处理过程中，油淬可选择普通淬火油，油温控制为室温条件即可。水淬所使用的水采用室温水即可。
将回火处理后的工件进行校平，即得符合要求的成品。为进一步优化工件的成形质量，可在淬火处理前进行第一次校平，回火处理后进行第二次校平。
下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的耐磨耐热双金属复合板的具体实施例：
实施例1
本实施例的耐磨耐热双金属复合板，结构示意图如图1所示，包括20钢底板1和钎焊在20钢底板1上的CrMo合金板2，20钢底板1的厚度为10mm，CrMo合金板2的厚度为8mm；CrMo合金板2由以下重量百分比的组分组成：C 1.0％、Si 0.1％、Mn 0.1％、Cr 10.0％、Mo1.0％、V 0.1％、余量为Fe。
实施例2
本实施例的耐磨耐热双金属复合板，包括45钢底板和钎焊在45钢底板上的CrMo合金板，45钢底板的厚度为6mm，CrMo合金板的厚度为5mm；CrMo合金板由以下重量百分比的组分组成：C 1.8％、Si 0.5％、Mn 0.5％、Cr 13.5％、Mo 2.5％、V 0.5％、余量为Fe。
实施例3
本实施例的耐磨耐热双金属复合板，包括40Cr钢底板和钎焊在40Cr钢底板上的CrMo合金板，40Cr钢底板的厚度为15mm，CrMo合金板的厚度为12mm；CrMo合金板由以下重量百分比的组分组成：C 1.4％、Si 0.3％、Mn 0.3％、Cr11.5％、Mo 1.5％、V 0.3％、余量为Fe。
本发明的耐磨耐热双金属复合板的制备方法的具体实施例：
实施例1
本实施例的耐磨耐热双金属复合板的制备方法，对双金属复合板实施例1的制备过程进行说明，其中20钢底板的规格为长30cm×30cm，CrMo合金板的规格为长30cm×30cm，具体采用以下步骤：
1)在底板的一侧表面上均匀铺设钎料(Cu92MnFe铜基钎料)，钎料的铺设厚度为0.5～0.7mm，然后将CrMo合金板叠放在钎料层上，形成组装结构。
2)将组装结构升温至500℃保温1.5h，再升温至980±10℃熔化钎料，使用压板(压板的尺寸满足能够覆盖组装结构的板面的要求)对组装结构的板面施压，压力为6MPa，保压3min完成焊接，焊接后，以150±20℃/h的速度炉冷至200±10℃，之后出炉空冷，得到复合板坯料，该钎焊步骤的温度控制如图2所示。
3)采用机械设备对复合板坯料进行校平，然后进行淬火处理，淬火处理时，先升温至900±10℃保温1.5h，油淬至220±10℃，然后水淬至60±20℃，之后空冷至室温，该淬火处理步骤的温度控制如图3所示。
4)淬火处理后进行回火处理，回火处理时，先加热至210±10℃保温2h，之后出炉空冷，再利用机械设备对工件进行校平即得成品。
实施例2
本实施例的耐磨耐热双金属复合板的制备方法，对双金属复合板实施例2的制备过程进行说明，其中45钢底板的规格为长50cm×宽50cm，CrMo合金板的规格为长50cm×宽50cm，具体采用以下步骤：
1)在底板的一侧表面上均匀铺设钎料(Cu92MnFe钎料)，钎料的铺设厚度为1.0～1.2mm，然后将CrMo合金板叠放在钎料层上，形成组装结构。
2)将组装结构升温至550±10℃保温1h，再升温至1020±10℃熔化钎料，使用压板对组装结构的板面施压，压力为10MPa，保压5min完成焊接，焊接后，以150±20℃/h的速度炉冷至200±10℃，之后出炉空冷，得到复合板坯料。
3)采用机械设备对复合板坯料进行校平，然后进行淬火处理，淬火处理时，先升温至920±10℃保温1h，油淬至220±10℃，然后水淬至60±20℃，之后空冷至室温。
4)淬火处理后进行回火处理，回火处理时，先加热至210±10℃保温2.5h，之后出炉空冷，再利用机械设备对工件进行校平即得成品。
实施例3
本实施例的耐磨耐热双金属复合板的制备方法，对双金属复合板实施例3的制备过程进行说明，其中40Cr钢底板的规格为长40cm×宽40cm，CrMo合金板的规格为长40cm×宽40cm，具体采用以下步骤：
1)在底板的一侧表面上均匀铺设钎料(Cu92MnFe钎料)，钎料的铺设厚度为0.8～1.0mm，然后将CrMo合金板叠放在钎料层上，形成组装结构。
2)将组装结构升温至550℃保温1h，再升温至1050±10℃熔化钎料，使用压板对组装结构的板面施压，压力为7MPa，保压6min完成焊接，焊接后，以150±20℃/h的速度炉冷至200±10℃，之后出炉空冷，得到复合板坯料。
3)采用机械设备对复合板坯料进行校平，然后进行淬火处理，淬火处理时，先升温至940±10℃保温2h，油淬至220±10℃，然后水淬至60±20℃，之后空冷至室温。
4)淬火处理后进行回火处理，回火处理时，先加热至210±10℃保温1.5h，之后出炉空冷，再利用机械设备对工件进行校平即得成品。
实施例4
本实施例的耐磨耐热双金属复合板的制备方法，底板、CrMo合金板的规格参数、制备过程与双金属复合板的制备方法实施例1基本相同，区别仅在于：淬火时直接油淬至室温。
对比例1
对比例1的耐磨耐热双金属复合板，规格参数、制备过程与实施例1基本相同，区别仅在于：钎焊时，直接升温至焊接温度进行焊接。
采用该种方式制备的双金属复合板，由于加热膨胀及相变作用，直接升温至焊接温度时，两种钢铁材料易发生较大变形，钢板之间不易焊接牢固，使用过程中容易开裂。
试验例1
市售双金属耐磨复合板大多为堆焊工艺制备。其是通过专用焊接设备，将高硬度合金焊丝均匀地焊接在基材上。在复合的过程中，由于合金收缩比不同，表面会呈现出均匀的横向裂纹，这是堆焊复合耐磨板的显著特点，如图4所示。高温条件下，由于表面不平整，致使氧化和磨损加剧，工件的使用寿命较低。应当说明，其表面上呈现出的均匀的横向裂纹无法通过简单的后处理(如打磨)进行弥补，目前多采用背景技术所涉专利的封缝处理手段来弥补表面的不平整。
而利用实施例的方法制备的双金属复合板，耐磨层表面经过打磨，具有较高的表面光洁度，如图5所示，从而可以获得更优的耐磨性能。需要说明的是，实施例所得双金属复合板中耐磨层的表面光洁度可以根据实际的需要进行打磨。
试验例2
本试验例考察双金属复合板的制备方法实施例1、实施例4涉及的复合板的耐磨耐热性能，检测条件为：环境温度为300℃、载荷为150N、时间为0.5h，测试设备为MMU-5GA微机控制真空高温摩擦磨损试验机，对磨损后的试样在分析天平上进行称重。
将制备方法实施例1、实施例4的双金属复合板作为对磨盘，以W6Mo5Cr4V2高速钢为磨销，制备方法实施例4所得双金属复合板失重为97mg，制备方法实施例1所得双金属复合板失重仅为82mg。由此说明，采用实施例1的制备方法可进一步提高复合板在高温工况下的耐磨性能。
由以上内容可知，实施例通过控温钎焊技术制备的双金属复合板在高温工况下表现出良好的耐磨耐热性能，可有效提高相关部件的使用寿命。

Claims (3)

1.一种耐磨耐热双金属复合板，其特征在于，包括底板和钎焊在底板表面上的CrMo合金板，CrMo合金板由以下重量百分比的组分组成：C 1.0%～1.8%、Si 0.1%～0.5%、Mn 0.1%～0.5%、Cr 10.0%～13.5%、Mo 1.0%～2.5%、V 0.1%～0.5%、余量为Fe；所述底板为低碳钢或低合金钢；
所述耐磨耐热双金属复合板的制备方法，包括以下步骤：在底板和CrMo合金板之间铺设钎料形成板坯，将板坯在500～600℃保温0.5-1.5h，然后升温至900～1100℃，对板坯的板面施压并保持2～10min完成焊接；所述对板面施压的压力为5～15Mpa；焊接完成后，炉冷至200-300℃，然后出炉空冷；出炉空冷后的工件进行淬火处理，淬火处理时，先升温至850～980℃保温1～2h，油淬至200～350℃，然后水淬至50～100℃，之后空冷至室温；淬火处理后进行回火处理，回火处理时，先加热至180～220℃保温1～3h，出炉空冷即得。
2.如权利要求1所述的耐磨耐热双金属复合板，其特征在于，所述底板的厚度为5～20mm，所述CrMo合金板的厚度为5～20mm。
3.一种如权利要求1所述的耐磨耐热双金属复合板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在底板和CrMo合金板之间铺设钎料形成板坯，将板坯在500～600℃保温0.5-1.5h，然后升温至900～1100℃，对板坯的板面施压并保持2～10min完成焊接；所述对板面施压的压力为5～15Mpa；焊接完成后，炉冷至200-300℃，然后出炉空冷；出炉空冷后的工件进行淬火处理，淬火处理时，先升温至850～980℃保温1～2h，油淬至200～350℃，然后水淬至50～100℃，之后空冷至室温；淬火处理后进行回火处理，回火处理时，先加热至180～220℃保温1～3h，出炉空冷即得。
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