CN110961830B

CN110961830B - 耐磨药皮组合物、耐磨焊丝及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN110961830B
Application number: CN201911285248.6A
Authority: CN
Inventors: 钟素娟; 董博文; 秦建; 宋克兴; 丁天然; 孙华为; 吕登峰; 李胜男
Original assignee: Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co Ltd
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2021-09-28
Anticipated expiration: 2039-12-13
Also published as: BE1027775B1; BE1027775A1; CN110961830A

Abstract

本发明涉及耐磨药皮组合物、耐磨焊丝及其制备方法与应用。所述耐磨药皮组合物包括耐磨材料、聚合物材料和填充材料；所述耐磨材料占所述耐磨药皮组合物的0.5wt.％～5.5wt.％；所述耐磨材料包括金刚石颗粒；所述聚合物材料占所述耐磨药皮组合物的5wt.％～20wt.％；所述填充材料包括过渡金属氧化物粉末和镍基合金粉末；所述过渡金属氧化物占所述填充材料的10wt.％～40wt.％。所述耐磨药皮组合物以金刚石为耐磨增强材料，以过渡金属氧化物用作填充材料，在用于焊接或钎涂时，金刚石形成耐磨涂层，填充材料的存在则有利于降低金刚石的热损伤，提高其钎焊活性，同时降低熔覆金属的线膨胀系数。

Description

耐磨药皮组合物、耐磨焊丝及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及耐磨材料领域，具体而言，涉及耐磨药皮组合物、耐磨焊丝及其制备方法与应用。

背景技术

产品的整体寿命是由其关键件的寿命所确定的，即产品到达寿命末端时，并不是所有零件都达到了其服役寿命，主要是由于少数关键零部件的磨损等失效原因而导致产品整体性能劣化，从而缩短了产品的服役寿命，或者因关键性能指标的缺失导致无法服役。再制造可以实现对废旧机电产品的资源化高级利用，是实现节能减排的有效途径，具有显著的资源节约和环境保护作用。

钎涂技术作为一种再制造技术，是借助钎焊的原理，利用液态钎料合金在基体金属上的润湿和铺展。在基体表面形成一种具有特殊性能涂层的材料表面加工技术。钎涂过程中，基体金属一般需要整体均匀加热，其加热方式有炉中加热、感应加热和火焰加热等，钎涂效率低，且需要特定装备，难以满足设备在役再制造的要求。另外，在焊接过程中，金刚石容易被氧化及在高温下发生石墨化，从而对金刚石造成热损伤，这会严重影响堆焊层金属的耐磨性；大多数焊接材料对金刚石难于润湿或不能润湿，形成机械包镶结构，耐磨性较差；金刚石的线膨胀系数低于大多数金属材料，其极易在焊接热应力作用下产生裂纹，降低金刚石强度。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供耐磨药皮组合物。所述耐磨药皮组合物以金刚石颗粒为耐磨增强材料，用于在用于焊接或钎涂时，能够在工件表面形成耐磨涂层；所述耐磨药皮组合物以过渡金属氧化物用作填充材料，有利于降低金刚石颗粒的热损伤，提高金刚石颗粒的钎焊活性，同时降低熔覆金属的线膨胀系数，防止金刚石颗粒在焊接热应力作用下产生裂纹。

本发明的第二目的在于提供包含上述耐磨药皮组合物的耐磨焊丝及其制备方法。

本发明的第三目的在于提供上述耐磨药皮组合物和耐磨焊丝在耐磨钎涂材料方面的应用。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

耐磨药皮组合物，其包括耐磨材料、聚合物材料和填充材料；

所述耐磨材料占所述耐磨药皮组合物的0.5wt.％～5.5wt.％；所述耐磨材料包括金刚石颗粒；

所述聚合物材料占所述耐磨药皮组合物的5wt.％～20wt.％；

所述填充材料包括过渡金属氧化物粉末和镍基合金粉末；所述过渡金属氧化物占所述填充材料的10wt.％～40wt.％。

可选地，所述聚合物材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、乙基纤维素、聚乙烯醇、聚丙烯酸胺盐中的至少一种。

可选地，所述聚合物材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

可选地，所述过渡金属氧化物选自VB族或VIB族元素的金属氧化物中的至少一种。

可选地，所述过渡金属氧化物粉末包括氧化铌粉末和氧化钼粉末；所述氧化铌粉末与所述氧化钼粉末的质量比为5～15:5～25。

可选地，所述氧化铌粉末和所述氧化钼粉末的粒度为140目～1000目。

可选地，所述金刚石颗粒的粒度为140目～600目；所述金刚石颗粒为经过表面活化的金刚石颗粒。

可选地，所述镍基合金粉末选自BNi₈₂CrSiBFe、BNi₇₄CrFeSiB、BNi₇₃CrFeSiB(C)、BNi₆₆MnSiCu或BNi₇₈CrSiBCuMoNb中的至少一种。

可选地，所述镍基合金粉末为粒度40目～300目的球形或近球形。

本发明中，在用于焊接或钎涂时，耐磨药皮组合物中的金刚石表面的盐膜吸收电弧的热量分解，产生的氨气能够降低氩气氛围的氧分压，提高钎涂过程中气氛保护效果；产生的过渡金属氧化物(如氧化钼和氧化铌)与金刚石反应形成过渡金属膜并附着在金刚石层的表面，这将有利于降低高温下金刚石颗粒的热损伤，并提高金刚石颗粒的钎焊活性。

再有，碳还原过渡金属氧化物(氧化钼和氧化铌)产生的金属(铌和钼)溶解在熔覆金属中，有利于降低熔覆金属的线膨胀系数，使其与金刚石颗粒的线膨胀系数更匹配，防止金刚石颗粒在焊接热应力作用下产生裂纹。

另外，未反应的过渡金属氧化物(氧化铌和氧化钼)熔化后会附着在钎涂层的表面，这会起到缓慢冷却涂层的作用，能够有效防止金刚石涂层氧化，并避免因冷却速度过快造成的金刚石涂层开裂。

本发明中，聚合物材料(如聚甲基丙烯酸甲酯)可以用作粘结剂，粘结金刚石颗粒、过渡金属氧化物和镍基合金粉，使其更好地固化、附着在焊芯表面。

作为本发明的一种实施方式，所述耐磨药皮组合物包括表面活化的金刚石颗粒0.5wt.％～5.5wt.％、氧化铌5wt.％～15wt.％、氧化钼5wt.％～25wt.％、聚甲基丙烯酸甲酯5wt.％～20wt.％，余量为镍基合金粉。

根据本发明的另一方面，提供了耐磨焊丝。所述耐磨焊丝包括药皮和的焊芯；

所述药皮选自上述任一耐磨药皮组合物。

可选地，所述焊芯的材质选自镍和/或镍合金。

可选地，所述焊芯的直径为0.8mm～3mm。

可选地，所述药皮的厚度为所述焊芯直径的40％～60％。

本发明中，在用于焊接或钎涂时，焊芯起弧会生成大量的热，热量使得药皮熔化，并形成附着在工件表面的耐磨涂层。

在电弧作用下，镍质焊芯通过熔滴过渡到工件表面，能够在金刚石耐磨涂层与工件之间形成质软的应力缓冲层，进一步起到避免金刚石涂层开裂的作用。

根据本发明的另一方面，提供了上述耐磨焊丝的制备方法。所述方法包括步骤：

a1)在分散液存在下，将聚合物材料和填充材料混合成均匀浆料后，在搅拌下将金刚石颗粒均匀混合入浆料中，获得耐磨药皮组合物的混合浆料；

b1)将步骤a1)所得的混合浆料涂覆在焊芯表面，干燥，获得耐磨焊丝。

可选地，步骤a1)中，所述分散液选自碳酸二甲酯、乙醇、甲乙酮、三氯乙烯、水中的至少一种。

可选地，步骤a1)中，所述分散液为碳酸二甲酯。

可选地，步骤a1)中，所述混合浆料中固液比为1～50:1。

可选地，步骤a1)中，聚合物材料和填充材料采用球磨机混合，球磨机转速为200r/min～250r/min，球磨时间为0.5h～2h。

可选地，所述球磨机的球磨罐为陶瓷材质。

可选地，物料与球磨机中研磨球的质量比为1:1～2。

可选地，所述研磨球的材质为高铬铸铁。

可选地，所述研磨球的直径为5mm～20mm。

可选地，步骤b1)中，所述干燥的温度为60℃～80℃，时间为20min～40min。

可选地，步骤a1)中所述金刚石颗粒为经过表面活化的金刚石颗粒；所述表面活化的方法包括：

a2)将所述金刚石颗粒置于80℃～90℃的碱液中超声处理后，洗涤至pH＝7后，干燥，然后置于酸液中煮沸处理10min～30min，洗涤至pH＝7后，再次干燥；

b2)将经过步骤a2)处理的所述金刚石颗粒置于60℃～70℃的含有过渡金属离子的溶液中浸泡处理30min～40min后，干燥。

可选地，步骤a2)中所述碱液选用浓度为5gL～10g/L的氢氧化钠溶液。

可选地，步骤a2)中所述酸液选用10wt.％～30wt.％的硝酸溶液。

可选地，步骤a2)中所述干燥的温度为60℃～80℃。

可选地，步骤a2)中所述超声处理的频率为20kHz～40kHz，时间为20min～30min。

可选地，步骤b2)中所述含有过渡金属离子的溶液包括钼酸铵溶液和草酸铌铵溶液。

可选地，所述钼酸铵溶液的浓度为25g/L～80g/L，所述草酸铌铵溶液的浓度为35g/L～60g/L。

可选地，步骤b2)中所述干燥的温度为60℃～80℃。

作为本发明的一种实施方式，所述耐磨焊丝的制备方法包括：

(1)将氧化铌、氧化钼、聚甲基丙烯酸甲酯、碳酸二甲酯和镍基合金粉末放入球磨机中混合均匀，形成浆料；其中，球磨罐为陶瓷材质，研磨球为直径5mm～20mm的高铬铸铁磨球，磨料与球重量比例为1:2～1:1，球磨机转速为200r/min～250r/min，球磨时间为0.5h～2h；

(2)向浆料中加入表面活化的金刚石颗粒，不断搅拌至金刚石颗粒均匀悬浮在浆料中，形成药皮浆料混合物；

(3)采用压涂机将药皮浆料混合物压涂在焊芯外，经低温烘干，最终得到该基于金刚石颗粒增强的耐磨药皮焊条及金刚石钎涂材料。

根据本发明的另一方面，提供了上述任一耐磨药皮组合物和/或耐磨焊丝在耐磨钎涂材料方面的应用。

在用作耐磨钎涂材料时，采用保护气为氩气，露点低于-54℃。

在用于耐磨钎涂材料时，所述耐磨药皮组合物和所述耐磨焊丝能够实现在线连续钎涂，极大地提高了钎涂效率，并能够适应在役流程工业装备的复杂工况环境。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的耐磨药皮组合物及其耐磨焊丝，以金刚石颗粒为耐磨、增强材料，在用于焊接或钎涂时在工件表面形成耐磨涂层；以过渡金属氧化物(如氧化铌和氧化钼)用作填充材料，有利于降低金刚石颗粒的热损伤，提高其钎焊活性，同时降低熔覆金属的线膨胀系数，防止金刚石颗粒在焊接热应力作用下产生裂纹。

(2)本发明提供的耐磨焊丝，其焊芯通过熔滴过渡到工件表面并形成质软的应力缓冲层，能够有效避免金刚石耐磨涂层开裂。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种实施方式中，耐磨焊丝的截面示意图；其中1-焊芯，2-耐磨药皮；

图2为本发明的一种实施方式中，耐磨焊丝用于钎涂所形成的钎涂层的SEM表面形貌照片。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实验例1金刚石颗粒的表面活化

(1)将金刚石颗粒置于浓度为8g/L、80℃的氢氧化钠溶液中，超声波振动处理(40kHz，30min)，采用去离子水清洗至pH＝7，70℃下干燥；

(2)将干燥的金刚石颗粒置于硝酸溶液(30wt.％)中，煮沸处理10min，采用去离子水清洗至pH＝7，70℃下干燥；

(3)将干燥的金刚石颗粒置于钼酸铵(40g/L)和草酸铌铵(50g/L)的60℃混合溶液中浸泡40min，捞出，70℃下干燥，待用。

实施例1耐磨焊丝的制备

1^#耐磨焊丝

耐磨药皮组合物的组分如表1中所示：

表1耐磨药皮组合物的组分及含量

组分	表面活化的金刚石颗粒	氧化铌	氧化钼	聚甲基丙烯酸甲酯	镍基合金粉
						含量	2wt.％	5wt.％	5wt.％	8wt.％	BNi<sub>74</sub>CrFeSiB余量

焊芯选用直径为Ф2.0mm、长度为400mm纯镍焊芯。

耐磨药皮组合物各物料的混合：

(1)按配比，将氧化铌、氧化钼、聚甲基丙烯酸甲酯、碳酸二甲酯和镍基合金粉末放入球磨机中混合均匀；

球磨罐为陶瓷材质，研磨球为直径为15mm的高铬铸铁磨球，物料与研磨球的重量比为1:2，球磨机转速为250r/min，球磨时间为0.5h；

(2)按配比，向浆料中加入表面活化的金刚石颗粒，不断搅拌至金刚石颗粒均匀悬浮在浆料中，形成药皮浆料混合物。

采用压涂机将耐磨药皮组合物的浆料压涂在焊芯外，在60℃下干燥40min，得到直径为Ф3.0mm的耐磨焊丝，记为1^#耐磨焊丝。

2^#耐磨焊丝

2^#耐磨焊丝的制备方法与1^#耐磨焊丝大致相同，不同之处在于：

耐磨药皮组合物的组分如表2中所示：

表2耐磨药皮组合物的组分及含量

组分	表面活化的金刚石颗粒	氧化铌	氧化钼	聚甲基丙烯酸甲酯	镍基合金粉
						含量	3wt.％	10wt.％	8wt.％	10wt.％	BNi<sub>74</sub>CrFeSiB余量

焊芯选用直径为Ф1.0mm、长度为400mm纯镍焊芯。

采用压涂机将耐磨药皮组合物的浆料压涂在焊芯外，在70℃下干燥30min，得到直径为Ф1.6mm的2^#耐磨焊丝。

3^#耐磨焊丝

3^#耐磨焊丝的制备方法与1^#耐磨焊丝大致相同，不同之处在于：

耐磨药皮组合物的组分如表3中所示：

表3耐磨药皮组合物的组分及含量

组分	表面活化的金刚石颗粒	氧化铌	氧化钼	聚甲基丙烯酸甲酯	镍基合金粉
						含量	4wt.％	8wt.％	6wt.％	12wt.％	BNi<sub>74</sub>CrFeSiB余量

焊芯选用直径为Ф2.5mm、长度为400mm纯镍焊芯。

采用压涂机将耐磨药皮组合物的浆料压涂在焊芯外，在80℃下干燥20min，得到直径为Ф3.5mm的3^#耐磨焊丝。

4^#耐磨焊丝

4^#耐磨焊丝的制备方法与1^#耐磨焊丝大致相同，不同之处在于：

耐磨药皮组合物的组分如表4中所示：

表4耐磨药皮组合物的组分及含量

组分	表面活化的金刚石颗粒	氧化铌	氧化钼	聚甲基丙烯酸甲酯	镍基合金粉
						含量	3wt.％	7wt.％	10wt.％	10wt.％	BNi<sub>74</sub>CrFeSiB余量

5^#耐磨焊丝

5^#耐磨焊丝的制备方法与1^#耐磨焊丝大致相同，不同之处在于：

耐磨药皮组合物的组分如表5所示：

表5耐磨药皮组合物的组分及含量

组分	表面活化的金刚石颗粒	氧化铌	氧化钼	聚甲基丙烯酸甲酯	镍基合金粉
						含量	5wt.％	10wt.％	10wt.％	15wt.％	BNi<sub>74</sub>CrFeSiB余量

6^#耐磨焊丝

6^#耐磨焊丝的制备方法与1^#耐磨焊丝大致相同，不同之处在于：

镍基合金粉BNi₇₃CrFeSiB(C)。

焊芯选用直径为Ф1.0mm、长度为400mm镍合金焊芯。

采用压涂机将耐磨药皮组合物的浆料压涂在焊芯外，干燥，得到直径为Ф1.5mm的耐磨焊丝，记为6^#耐磨焊丝。

7^#耐磨焊丝

7^#耐磨焊丝的制备方法与1^#耐磨焊丝大致相同，不同之处在于：

镍基合金粉BNi₇₈CrSiBCuMoNb。

焊芯选用直径为Ф3.0mm、长度为400mm镍合金焊芯。

采用压涂机将耐磨药皮组合物的浆料压涂在焊芯外，干燥，得到直径为Ф3.5mm的耐磨焊丝，记为7^#耐磨焊丝。

8^#耐磨焊丝

8^#耐磨焊丝的制备方法与1^#耐磨焊丝大致相同，不同之处在于：

镍基合金粉BNi₆₆MnSiCu。

焊芯选用直径为Ф1.5mm、长度为400mm镍合金焊芯。

采用压涂机将耐磨药皮组合物的浆料压涂在焊芯外，干燥，得到直径为Ф2.3mm的耐磨焊丝，记为8^#耐磨焊丝。

本实施例中，制备1^#～8^#耐磨焊丝时所用的耐磨药皮组合物中，粉体50目通过率达到100％，大于120目的粉体占比小于30％(重量)。

图1示出了本实施例中制备得到的耐磨焊丝的截面示意图。

实验例2耐磨焊丝的钎涂应用

以实施例1中制备得到的1^#～5^#耐磨焊丝为典型，在10mm厚Q235钢板表面进行堆焊，堆焊条件如下：

焊接极性为直流反接，焊接电流为300A～480A，焊接电压为23V～35V，焊接搭接量为50％；

堆焊保护气氛为氩气，露点为-55℃。

作为对照，对比例D1^#～D5^#分别以相同于实施例1中1^#～5^#耐磨焊丝用量及处理方法的金刚石粉末、镍基合金粉直接在氩气保护炉中钎涂10mm厚Q235钢板，涂层厚度为0.5mm。

以实施例1中制备得到的1^#～5^#耐磨焊丝用于在10mm厚Q235钢板表面堆焊形成的试样，以及对比例D1^#～D5^#钎涂形成的试样为实验对象，做耐磨试验。试样的尺寸均为57mm×25.5mm×10.5mm。

耐磨试验条件：试验载荷为20N，磨料为120号棕刚玉砂，橡胶轮转速为100r/min，砂流量为100g/min，磨损时间为15min；其中，金刚石涂层的磨损用失重量表示，每个实施例和对比例做5组试样，分别取平均值和标准差。测试结果如表6中所示。

表6实施例试样及对比例试样的耐磨试验结果

从表1的耐磨试验结果可以发现，由本发明中耐磨药皮组合物和耐磨焊丝制备得到的金刚石涂层试样耐磨性均高于传统钎涂方法制备得到的金刚石涂层试样，生产效率也大大提高。

另外，本发明提供的耐磨药皮组合物和耐磨焊丝适用于在役流程工业装备的复杂工况环境，这正是传统金刚石涂层制备方法无法克服的。

实验例3钎涂层的表面形貌

以PhenomXL型扫描电子显微镜(SEM)表征钎涂层的表面形貌，结果如图2所示。由图2可知，涂层表面无裂纹，金刚石颗粒埋入熔覆金属，熔覆金属对金刚石颗粒润湿性良好。

以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims

1.耐磨药皮组合物，其特征在于，所述耐磨药皮组合物由耐磨材料、聚合物材料和填充材料组成；

所述耐磨材料占所述耐磨药皮组合物的0.5 wt.%~5.5 wt.%；所述耐磨材料包括金刚石颗粒；

所述聚合物材料占所述耐磨药皮组合物的5 wt.%~20 wt.%；

所述填充材料包括过渡金属氧化物粉末和镍基合金粉末；所述过渡金属氧化物占所述填充材料的10 wt.%~40 wt.%；

所述过渡金属氧化物粉末包括氧化铌粉末和氧化钼粉末。

2.根据权利要求1所述的耐磨药皮组合物，其特征在于，所述聚合物材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、乙基纤维素、聚乙烯醇、聚丙烯酸胺盐中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的耐磨药皮组合物，其特征在于，所述聚合物材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

4.根据权利要求1所述的耐磨药皮组合物，其特征在于，所述氧化铌粉末与所述氧化钼粉末的质量比为5~15:5~25。

5.根据权利要求1所述的耐磨药皮组合物，其特征在于，所述镍基合金粉末选自BNi₈₂CrSiBFe、BNi₇₄CrFeSiB、BNi₇₃CrFeSiB(C)、BNi₆₆MnSiCu或BNi₇₈CrSiBCuMoNb中的至少一种。

6.耐磨焊丝，其特征在于，所述耐磨焊丝包括药皮和焊芯；所述药皮选自权利要求1至5任一项所述的耐磨药皮组合物。

7.根据权利要求6所述的耐磨焊丝，其特征在于，所述焊芯的材质选自镍或镍合金。

8.根据权利要求7所述的耐磨焊丝，其特征在于，所述焊芯的直径为0.8 mm~3 mm。

9.根据权利要求7所述的耐磨焊丝，其特征在于，所述药皮的厚度为所述焊芯直径的40%~60%。

10.权利要求6-9任一项所述的耐磨焊丝的制备方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

a1）在分散液存在下，将聚合物材料和填充材料混合成均匀浆料后，在搅拌下将金刚石颗粒均匀混合入浆料中，获得耐磨药皮组合物的混合浆料；

b1）将步骤a1）所得的混合浆料涂覆在焊芯表面，干燥，获得耐磨焊丝。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤a1）中，所述分散液包括碳酸二甲酯、乙醇、甲乙酮、三氯乙烯、水中的至少一种。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤b1）中，所述干燥的温度为60℃~80℃，时间为20 min~40 min。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤a1）中，聚合物材料和填充材料采用球磨机混合，球磨机转速为200 r/min~250 r/min，球磨时间为0.5 h~2 h。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，物料与球磨机中研磨球的质量比为1:1~2；所述研磨球为高铬铸铁研磨球，直径为5 mm~20 mm。

15.根据权利要求1至5任一项所述的耐磨药皮组合物和/或权利要求6-9任一项所述的耐磨焊丝在耐磨钎涂材料方面的应用。