CN110394568B - 一种双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝及制备方法，包括外皮和药芯，药芯由铸造碳化钨外包裹富碳烧结碳化钨，富碳烧结碳化钨外包裹镍基层核壳结构碳化钨组成双层核壳结构铸造碳化钨颗粒，药芯外包裹外皮；将铸造碳化钨颗粒进行表面渗碳工艺，将铸造碳化钨、合金粉、机粘结剂与炭黑和镍粉混合后在真空下高温加热，后保温，改性形成双层核壳结构，改性后会在颗粒外部形成富碳烧结碳化钨和镍基壳层，得到核壳结构铸造碳化钨颗粒焊芯，包裹外皮支撑焊丝，本发明在细化碳化钨颗粒的同时，有效降低了成本，增加了界面过渡层，堆焊层中硬质碳化钨颗粒不易脱落，有效提高了覆焊层的硬度及耐磨性。

Description

一种双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝及制备方法
技术领域
本发明属于焊接耗材技术领域，具体涉及一种双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝及制备方法。
背景技术
对化工设备和各种机械设备磨损部位的堆焊修补，如冶金机械、矿上机械、道岔、鄂板、铲斗、铲齿、工程采石船等砖机绞刀、螺旋、搅拌机叶片、风机叶片、选矿机械、工程机械、建材机械，提高其使用性能和寿命是亟待解决。目前研究较多的耐磨复合材料普遍采用铸造碳化钨颗粒增强铁基复合材料，这是由于铸造碳化钨颗粒能够与高温铁液完全润湿，使得材料易于成形加工且质量稳定。常见的焊丝药芯填充材料均采用烧结碳化钨颗粒，铸造碳化钨颗粒，或者二者的混合颗粒。但是在研究中主要发现两个问题，第一，烧结碳化钨主要以WC为主，纯度较高但是成本较高，而铸造碳化钨的成本相比较低，其中主要含有WC和W2C。与单相ＷＣ颗粒相比，WC／W2C具有更高的硬度和韧性且价格便宜，但是颗粒的分解比较严重，从而影响到堆焊层的耐磨性能。碳化钨的主要缺点是抗高温氧化能力差，在500~800℃空气中遭受严重氧化，在氧化性气氛中受强热易分解为W2C和碳，即所谓“失碳”。这可通过用耐热抗氧化的金属做包裹层或粘结相，对WC颗粒进行预保护；也可以与TaC、TIC等固溶形成复合碳化物，改善碳化钨的耐热抗氧化性能。WC在Ar气氛中加热至2850℃仍然稳定，在高温氮气中亦不受影响。因此可预先将碳化钨颗粒与炭黑和镍粉分别混合后，通过烧结得到富碳的碳化钨壳层和镍层，提高铸造碳化钨颗粒的润湿性。第二，经过第一性原理计算发现，WC颗粒中Ｃ终止与铁的润湿性好于Ｗ终止与铁的润湿性。结合这两类技术要点，可通过烧结技术获得具有双层核壳结构的铸造碳化钨颗粒，即碳化钨层和镍层包裹铸造碳化钨颗粒，研究发现制备出核壳结构的铸造碳化钨颗粒型填充焊丝，在性能及性价比等因素上明显优于直接添加烧结碳化钨。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝及制备方法，通过铸造碳化钨颗粒与炭黑、镍粉混合后，真空烧结得到双层核壳结构的碳化钨粉末，高温堆焊时能够有效防止碳化钨颗粒分解，同时与基体可以更加紧密的结合，提高产品耐磨抗磨性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝，包括外皮和药芯，药芯由铸造碳化钨外包裹富碳烧结碳化钨，富碳烧结碳化钨外包裹镍基层核壳结构碳化钨组成双层核壳结构铸造碳化钨颗粒，药芯外包裹外皮；药芯还包括合金粉及有机粘结剂；填料中所加入的铸造碳化钨颗粒，进行表面渗碳、渗镍工艺改性形成双层核壳结构；
所述的碳化钨颗粒粒度分布按重量记为：粒度50~80目占比为25~45%，80~200目占比为30~100%；
所述的铸造碳化钨占比为70～90%，合金粉为锰铁粉、镍粉、铌粉硅铁粉混合物为5~15%，机粘结剂1～5%，填料所占焊丝重量比为70～80%。
所述的外皮为镍合金，钴合金或铜合金。
所述的合金粉为铝粉、锰铁粉、硅铁粉、镍粉、铬粉，铌粉，铜粉中任意一种或多种合金粉和混合物。
所述的有机粘结剂为有机树脂。
一种双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝的制备方法，包括以下步骤：
1）铸造碳化钨主要成分为WC/W2Cp，通过1~10%的纳米炭黑将铸造碳化钨颗粒进行表面渗碳工艺，将渗碳后的铸造碳化钨与合金粉、机粘结剂混合后在真空下加热到1500~1900℃烧结，保温1～2h，得到双层核壳结构碳化钨，改性后会在颗粒外部形成富碳烧结碳化钨和镍基壳层，平均厚度为3～12μm，得到双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊芯；
2）在步骤1）制作好的双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊芯选用有缝包覆或无缝包覆来包覆外皮，采用拉制或挤压制备焊丝外皮，最终得到直径范围为1.0～2.0mm的双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝。
所述的外皮由镍合金、钴合金或铜合金卷成管状或扁平状，管壁厚度为0.2～1mm。
所述的富碳烧结碳化钨和镍基壳层，与基体有良好的润湿性。
本发明的有益效果是：
1、本发明用铸造碳化钨颗粒与炭黑、镍粉混合后，真空烧结得到双层壳结构的碳化钨粉末，原料成本低，工艺可控性强，获得的堆焊层效果耐磨性较好，WC高温下不易分解，与基体结合紧密，适宜于大规模生产。
2、制备出核壳结构的铸造碳化钨颗粒填充焊丝，堆焊层效果耐磨性较好，WC颗粒高温下不易分解，适宜于大规模生产。
3、真空烧结得到“富碳”核壳结构的碳化钨粉末，当高温堆焊时能够有效防止碳化钨颗粒分解，提高产品耐磨抗磨性。
4、能够有效确保碳化钨颗粒高温下稳定不分解，因此能够提高堆焊层的耐磨性能。
5、应用于冶金机械、矿山机械、道岔、鄂板、铲斗、铲齿、工程采石船等砖机绞刀、螺旋、搅拌机叶片、风机叶片、选矿机械、工程机械、建材机械等焊接，可焊性好，抵抗岩石沙磨等磨粒磨料磨损。
附图说明
图1为本发明焊丝结构示意图。
图2为本发明焊芯结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对发明进一步叙述，但本发明不局限与以下实施例。
如图1、2所示。一种双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝，包括外皮和药芯，药芯由铸造碳化钨外包裹富碳烧结碳化钨，富碳烧结碳化钨外包裹镍基层核壳结构碳化钨组成双层核壳结构铸造碳化钨颗粒，药芯外包裹外皮；药芯还包括合金粉及有机粘结剂；填料中所加入的铸造碳化钨颗粒，进行表面渗碳、渗镍工艺改性形成双层核壳结构；
所述的碳化钨颗粒粒度分布按重量记为：粒度50~80目占比为25~45%，80~200目占比为30~100%；
所述的铸造碳化钨占比为70～90%，合金粉为锰铁粉、镍粉、铌粉硅铁粉混合物为5~15%，机粘结剂1～5%，填料所占焊丝重量比为70～80%。
所述的外皮为镍合金，钴合金或铜合金。
所述的合金粉为铝粉、锰铁粉、硅铁粉、镍粉、铬粉，铌粉，铜粉中任意一种或多种合金粉和混合物。
所述的有机粘结剂为有机树脂。
一种双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝的制备方法，包括以下步骤：
1）铸造碳化钨主要成分为WC/W2Cp，通过1~10%的纳米炭黑将铸造碳化钨颗粒进行表面渗碳工艺，将渗碳后的铸造碳化钨与合金粉、机粘结剂混合后在真空下加热到1500~1900℃烧结，保温1～2h，得到双层核壳结构碳化钨，改性后会在颗粒外部形成富碳烧结碳化钨和镍基壳层，平均厚度为3～12μm，得到双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊芯；
2）在步骤1）制作好的双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊芯选用有缝包覆或无缝包覆来包覆外皮，采用拉制或挤压制备焊丝外皮，最终得到直径范围为1.0～2.0mm的双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝。
所述的外皮由镍合金、钴合金或铜合金卷成管状或扁平状，管壁厚度为0.2～1mm。
所述的富碳烧结碳化钨和镍基壳层，与基体有良好的润湿性。
实施例1：
外皮采用镍合金（ERNiCrMo合金）,药芯组成成分为：铸造碳化钨颗粒，按照粒度占比为20~50目占比为30%，50~200目占比为70%。铸造碳化钨占比为70%，锰铁粉、镍粉、铌粉、硅铁粉混合物为28%，有机树脂2%，填料所占焊丝重量比为70~80%。其中，以球形镍粉作为粘结剂时的效果最佳。本实施例经过SiC颗粒的三体磨损实验结果表明，所熔覆的耐磨层的耐磨性比现有同类焊丝提升了30~40%。
实施例2：
外皮采用铜合金,药芯组成成分为：铸造碳化钨颗粒，按照粒度占比为20~50目占比为35%，50~200目占比为65%。铸造碳化钨占比为80%，锰铁粉、镍粉、铌粉、硅铁粉混合物为19%，有机树脂1%，填料所占焊丝重量比为70~80%。其中，以球形镍粉作为粘结剂时的效果最佳。本实施例经过SiC颗粒的三体磨损实验结果表明，所熔覆的耐磨层的耐磨性比现有同类焊丝提升了20~40%。

Claims (5)

1.一种双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝，包括外皮和药芯，其特征在于，药芯包括有铸造碳化钨外包裹富碳烧结碳化钨，富碳烧结碳化钨外包裹镍基层核壳结构碳化钨组成双层核壳结构铸造碳化钨颗粒，药芯外包裹外皮；药芯还包括合金粉及有机粘结剂；药芯中所加入的铸造碳化钨颗粒，进行表面渗碳、渗镍工艺改性形成双层核壳结构；
所述的双层核壳结构铸造碳化钨颗粒粒度分布按重量计为：粒度50~80目占比为25~45%，80~200目占比为30~100%；
所述的药芯中，所述的双层核壳结构铸造碳化钨颗粒占比为70～90%，合金粉为锰铁粉、镍粉、铌粉及硅铁粉混合物，占比为5~29%，有机粘结剂1～5%；
所述双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝的制备方法包括以下步骤：
1）铸造碳化钨主要成分为WC/W2Cp，通过1~10%的纳米炭黑将铸造碳化钨颗粒进行表面渗碳工艺，将渗碳后的铸造碳化钨与合金粉、有机粘结剂混合后在真空下加热到1500~1900℃烧结，保温1～2h，得到双层核壳结构碳化钨，改性后会在颗粒外部形成富碳烧结碳化钨和镍基壳层，平均厚度为3～12μm，得到双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊芯；
2）在步骤1）制作好的双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊芯选用有缝包覆或无缝包覆来包覆外皮，采用拉制或挤压制备焊丝外皮，最终得到直径范围为1.0～2.0mm的双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝。
2.根据权利要求1所述的一种双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝，其特征在于，所述的外皮为镍合金，钴合金或铜合金。
3.根据权利要求1所述的一种双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝，其特征在于，所述的有机粘结剂为有机树脂。
4.根据权利要求1所述的一种双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝，其特征在于，所述的外皮由镍合金、钴合金或铜合金卷成管状或扁平状，管壁厚度为0.2～1mm。
5.根据权利要求1所述的一种双层核壳结构铸造碳化钨颗粒焊丝，其特征在于，所述的富碳烧结碳化钨和镍基壳层，与基体有良好的润湿性。
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