CN111843111B - 一种耐磨金属复合板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐磨金属复合板及其制造方法,复合板包括基板和耐磨层,基板厚度为12~100mm,耐磨层厚度为3~12mm,制造方法为采用药芯气体保护焊在基板上堆焊2~4层药芯焊丝,形成耐磨层,得到复合板;具体包括以下步骤:S1、对基板的堆焊面进行表面处理;S2、将基板固定在焊接机中,对基板预热,预热温度为300~350℃,在保护气下在基板上堆焊2~4层药芯焊丝,其中,单层焊堆焊厚度为1~3mm,在每层堆焊前对焊件进行预热,每层堆焊完成后用锤子敲击焊件焊缝,并置于初始温度为200~250℃的环境中缓冷至室温后,再进行600~650℃的退火处理。本发明的制备得到的耐磨金属显著地降低了裂纹率并提高复合强度,具有高强度耐磨、抗冲击、耐高温的优异性能。
Description
技术领域
本发明涉及复合板领域,特别涉及一种耐磨金属复合板。
背景技术
耐磨金属复合板是指通过在金属基板上堆焊、熔敷或其它方法制作一层更强的材料使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的材料在界面上实现牢固冶金从而达到原子间结合而制成的材料,其制作目的是既能发挥基层金属的性能优点,又能发挥复层金属的优点,达到性能互补、优点相结合的目的。可以节约很多的贵重金属,并且大大的降低了工程造价,避免了金属的资源浪费。
耐磨金属复合板的制备方法有焊条电弧焊、埋弧堆焊、药芯气体保护焊、等离子弧焊、爆炸焊等。专利文献CN101633112A提出了一种耐磨涂层复合板的制造方法,依次为:基材的装夹、选择涂层工艺参数、涂层、补焊、切割、磨边、打孔、除去毛刺、整形,涂层为分段层压法。专利文献CN104999728A公开了高铬铸铁-低碳钢双金属板式复合材料及其制备方法,该复合材料由高铬铸铁板和低碳钢板通过爆炸焊接复合而成,所述高铬铸铁板复合于低碳钢板的上部;该制备方法为:制造高铬铸铁板;对制造出的高铬铸铁板进行表面喷砂处理;取低碳钢板,对低碳钢板进行表面处理;将得到的高铬铸铁板与得到的低碳钢板进行爆炸焊接处理,得到高铬铸铁-低碳钢双金属板式复合材料。CN103192161B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。目前用于耐磨堆焊的填充材料多是高C、高Cr,并添加少量其他合金元素,如Ni、B、RE等,在焊接时,随着含碳量的增加,焊接过程中易产生熔合不良、冷裂纹等问题。碳含量越高,合金含量越高,裂纹越明显。现有报道中制备得到耐磨金属复合板很难降低焊接时残余应力和裂纹,导致复合板的复合强度低,在使用过程中出现脱层,使得复合板的使用寿命大大降低。药芯气体保护焊是利用CO2、氩气等作为保护气体,利用连续送进的焊丝与堆焊母材之间产生的电弧热,使堆焊材料在母材表面熔化,从而达到表面强化的目的,药芯气体保护焊成为近年来研究的热点,是制备高性能耐磨金属复合板的方法。
发明内容
本发明的目的在于解决现有耐磨金属复合板复合强度低、易出现焊接裂纹、使用寿命不长的问题,提供了一种耐磨金属复合板及其制造方法,该复合板采用药芯气体保护焊的方法制造,通过焊接工艺的优化显著地降低了裂纹率并提高复合强度,制备得到的复合板具有高强度耐磨、抗冲击、耐高温的优异性能。
为了实现上述发明目的,本发明提供了以下技术方案:
一种耐磨金属复合板的制造方法,所述制造方法为采用药芯气体保护焊在基板上堆焊2~4层药芯焊丝,形成耐磨层,得到所述复合板;所述制造方法具体包括以下步骤:
S1、对基板的堆焊面进行表面处理;
S2、将基板固定在焊接机中,对基板进行预热,预热温度为300~350℃,在保护气下在基板上堆焊2~4层药芯焊丝,堆焊完成后,得到耐磨金属复合板;其中,单层堆焊厚度为1~3mm,在每层堆焊前对焊件进行预热,每层堆焊完成后用锤子敲击焊件的焊缝,并将焊件置于初始温度为200~250℃的环境中缓冷至室温后,再进行600~650℃的退火处理。
本发明提供了一种耐磨金属复合板的制造方法,采用药芯气体保护焊在基板上堆焊2~4层药芯焊丝形成耐磨层,得到耐磨金属复合板,在制造过程中,每层堆焊都通过焊前预热、焊缝锤子敲击、焊后缓冷、退火等工艺严格控制焊层质量,防止产生裂纹,制备得到的复合板没有裂纹的存在,使得复合板遭受巨大冲击载荷的时候具有一定的抵抗能力,同时敲击、缓冷、退火工艺可以消除焊接过程中产生的残余应力,并且使基板中的组织成分更加均匀与平衡,所以复合板的冲击韧性十分良好。本发明显著地降低了耐磨层裂纹率并提高复合板的复合强度,制备得到的复合板具有高强度耐磨、抗冲击、耐高温的优异性能,实现低成本、快速复合板的制造。
作为本发明的优选方案,所述药芯气体保护焊中使用的保护气为CO2、CO2与Ar的混合气体中的一种。
作为本发明的优选方案,所述药芯焊丝是高铬铸铁材料,选自北京固本公司的KB968、鑫清公司的YD-254、湖北吉鼎公司的HS101或HS103、青岛益泰鼎盛公司的S103或S105等中的一种或多种。
作为本发明的优选方案,所述基板为低碳钢板,包括Q235钢板、Q345钢板、16Mn钢板等中的一种。
作为本发明的优选方案,所述基板的厚度为12~100mm。
作为本发明的优选方案,所述耐磨层的厚度为3~12mm。
作为本发明的优选方案,所述表面处理包括对基材的焊接面打磨和清洁,所述打磨是为了去除锈层和氧化物层,使基材在堆焊过程中均以新鲜金属相互接触,有助于基材和堆焊材料两者之间形成冶金结合;清洁是去除焊接面上的油污和金属碎渣等。
作为本发明的优选方案,所述打磨可以采用砂带、叶轮或砂轮打磨机对基材进行打磨。
作为本发明的优选方案,所述预热是采用氧乙炔火焰对基板进行预热,预热温度使用便携式红外测温仪测定。
在制造复合板过程中,每层堆焊完成后用锤子敲击焊件的焊缝的作用是消除焊接应力,防止焊缝开裂。
作为本发明的优选方案,所述缓冷的冷却速度为3~10℃/min,所述缓冷是防止产生裂纹、晶粒粗大等缺陷,避免堆焊材料开裂。
作为本发明的优选方案,所述堆焊过程中每层堆焊后,用钢丝刷清理焊接表面。每层焊接后处理是为了提高结合质量,避免夹渣、气孔和未结合等缺陷。
作为本发明的优选方案,所述焊接机的参数设置包括:焊接电流为200~220A,焊接电压为22~28V,堆焊速度为3~10mm/s。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
1、本发明由一定厚度的低碳钢板作为基板,高铬铸铁材料作为耐磨层。基层保证复合板的强度,耐磨层保证复合板的耐磨和耐腐蚀性能。
2、本发明的耐磨金属复合板采用药芯气体保护焊的方法制造,通过焊接工艺的优化显著地降低了裂纹率并提高复合强度,复合板的维氏硬度为650~850,冲击功≥30J。
3、本发明的耐磨金属复合板具有耐腐蚀、耐高温、耐冲击、使用寿命长、低成本特点,可以进行弯曲、切割、焊接等加工,通过加工成各种形状的部件安装使用于各种不同的部位。
附图说明
图1为本发明的耐磨金属复合板的结构示意图;
图2为本发明的耐磨金属复合板中基板和耐磨层界面在光学显微镜下的组织图;
图3为本发明的耐磨金属复合板中耐磨层在光学显微镜下的组织图。
图中标记:1-基板,2-耐磨层。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示,一种耐磨金属复合板,包括基板1和耐磨层2,耐磨层2用药芯气体保护焊在基板上堆焊而形成。
本实施例以厚度为12mm的Q345钢板作为基板,药用焊丝采用的是北京固本的KB968,使用砂轮打磨机对Q345钢板的焊接面进行表面处理,焊接机采用NBC-200,保护气体为CO2,焊接机参数设置为:焊接电流200-220A,电流极性为直流反接,焊接电压24-25V,干伸长度为15mm,CO2气体流量为20L/min,焊接速度为5mm/s;将基板固定在焊接机中,用氧乙炔火焰将Q345钢板预热到300℃,使用便携式红外测温仪检测预热温度,然后在基板上用Φ1.2mm的K968药芯焊丝堆焊第1层,焊接完成后用小锤敲击焊件的焊缝,将刚焊接完成的焊件放置在250℃环境下缓冷,缓冷速率为5℃/min,在600~650℃温度范围内进行退火。
焊接好第一层后,清理焊渣,用钢丝刷清理焊接表面,再对焊件进行预热到300℃,按照焊接第一层的工艺参数焊接第2层,缓冷,退火,得到耐磨层为5mm的耐磨金属复合板,该耐磨金属复合板的基板和耐磨层的熔合线都很平直光滑,基板和耐磨层焊接界面周围区域没有严重的气孔、裂纹、夹渣等缺陷,焊接质量良好。测试复合板的性能,其中,硬度测试的是维氏硬度,测试标准为GB/T 4340.1-2009,试验力为9.8N,冲击性能的测试标准为GB/T16957-2012。经测试,耐磨金属复合板的维氏硬度为744.5,冲击功为34J。耐磨金属复合板的微观结构展示在图2和图3。
如图2为500倍光学显微镜下观察到耐磨金属复合板中基板和耐磨层界面的组织图,可以看到图片从上到下分为3个区域,下部区域展示的是Q345钢板的组织,主要是黑色的珠光体和白色的铁素体组织;中部区域是Q345钢板和耐磨层的熔合部分,熔合部分是一层黑色的C元素富集层,形成C元素富集层是因为Q345钢板在熔合时起到了一定的稀释效果,同时由于药用焊丝中拥有3.5%的C含量,进行堆焊时焊丝熔化后会发生元素碳迁移的现象,母材的稀释作用加上堆焊层合金中元素的扩散效果,使熔合线上的C元素含量有极大的提升,成为一层C元素富集层;C元素富集层上面的上部区域是耐磨层合金中生长的碳化物,属于Fe-Cr-C三元合金,图2中看到是白色树枝状,且垂直于C元素富集层生长,这些碳化物为初生碳化物,在熔融状态时就开始析出生长,所以初生碳化物的生长时间长,碳化物生长长度长,外形尺寸巨大,是形成高铬碳化物骨架的主要组织。
如图3为500倍光学显微镜下观察到耐磨层的组织图,在图中可以看到耐磨层的组织为马氏体、初生碳化物、共晶碳化物、残余奥氏体和弥散颗粒化合物。制备过程中,在焊接完成后,熔池就开始冷却,耐磨层合金首先生成初生碳化物与奥氏体,随后发生共晶反应,生成共晶碳化物,在冷却中冷却温度达到马氏体转变起始温度线,奥氏体开始转变为马氏体组织,同时还有部分残余奥氏体,在整个冷却过程中都伴随有弥散化合物的析出,冷却完成后,耐磨层的组织为马氏体、初生碳化物、共晶碳化物、残余奥氏体和弥散颗粒化合物。
实施例2
以厚度为12mm的Q345钢板作为基板,使用砂轮打磨机对Q345钢板的焊接面进行表面处理,焊接机采用NBC-200,保护气体为CO2,焊接机参数设置为:焊接电流200-220A,电流极性为直流反接,焊接电压24-25V,干伸长度为15mm,CO2气体流量为20L/min,焊接速度为5mm/s;将基板固定在焊接机中,用氧乙炔火焰将Q345钢板预热到350℃,使用便携式红外测温仪检测预热温度,然后在基板上用Φ1.2mm的K968药芯焊丝堆焊第1层,焊接完成后用小锤敲击焊件的焊缝,将刚焊接完成的焊件放置在250℃环境下缓冷,缓冷速率为10℃/min,在600~650℃温度范围内退火。焊接好第一层后,清理焊渣,用钢丝刷清理焊接表面,再按照焊接第1层的焊接过程:预热、堆焊药芯焊丝、缓冷、退火,继续堆焊第2层、第3层,得到耐磨层为6mm的耐磨金属复合板,经测试,耐磨金属复合板的维氏硬度为690,平均冲击功为32J。
实施例3
以厚度为20mm的16Mn钢板作为基板,使用砂轮打磨机对16Mn钢板的焊接面进行表面处理,焊接机采用NBC-200,保护气体为CO2,焊接机参数设置为:焊接电流200-220A,电流极性为直流反接,焊接电压27-28V,干伸长度为15mm,CO2气体流量为20L/min,焊接速度为5mm/s;将基板固定在焊接机中,用氧乙炔火焰将16Mn钢板预热到300℃,使用便携式红外测温仪检测预热温度,然后在基板上用Φ1.2mm的K968药芯焊丝堆焊第1层,焊接完成后用小锤敲击焊件的焊缝,将刚焊接完成的焊件放置在200℃环境下缓冷,缓冷速率为5℃/min,在600~650℃温度范围内退火。焊接好第一层后,清理焊渣,用钢丝刷清理焊接表面,再对焊件进行预热到300℃,再按照焊接第一层的工艺参数焊接第2层,缓冷,退火,得到耐磨层为5mm的耐磨金属复合板,经测试,耐磨金属复合板的维氏硬度为700.5,平均冲击功为30J。
实施例4
以厚度为30mm的Q345钢板作为基板,药用焊丝采用的是鑫清公司的YD-254,使用砂轮打磨机对Q345钢板的焊接面进行表面处理,焊接机采用NBC-200,保护气体为CO2和Ar的混合气体,其中CO2占80%,焊接机参数设置为:焊接电流200-220A,电流极性为直流反接,焊接电压24-25V,干伸长度为15mm,CO2气体流量为20L/min,焊接速度为5mm/s;将基板固定在焊接机中,用氧乙炔火焰将Q345钢板预热到300℃,使用便携式红外测温仪检测预热温度,然后在基板上用Φ1.2mm的YD-254药芯焊丝堆焊第1层,焊接完成后用小锤敲击焊件的焊缝,将刚焊接完成的焊件放置在200℃环境下缓冷,缓冷速率为5℃/min,在600~650℃温度范围内退火。焊接好第一层后,清理焊渣,用钢丝刷清理焊接表面,再按照焊接第1层的焊接过程:预热、堆焊药芯焊丝、缓冷、退火,继续堆焊第2层、第3层,得到耐磨层为8mm的耐磨金属复合板,经测试,耐磨金属复合板的维氏硬度为820.3,平均冲击功为31J。
对比例1
本实施例与实施例1相似,区别在于本对照例在堆焊前基板不进行预热,通过2层堆焊,制备得到耐磨层为5mm的耐磨金属复合板,经测试,耐磨金属复合板的维氏硬度为595.3,平均冲击功为12.7J。耐磨金属复合板表面和横截面有显著的裂纹。
对比例2
本实施例与实施例1相似,区别在于本对照例在将Q345钢板在250℃预热,制备得到耐磨层为5mm的耐磨金属复合板,经测试,耐磨金属复合板的维氏硬度为696.6,平均冲击功为18.2J。耐磨金属复合板表面无裂纹,但是横截面处有细小裂纹。
制备复合板过程中没有对基板进行预处理或者预处理的温度不够,制备得到的复合板会存在裂纹或微裂纹,因此试样在遭受冲击的时候就由于存在微裂纹而容易发生断裂。
对比例3
本实施例与实施例1相似,区别在于本对照例在每层堆焊后不进行缓冷工艺,在650℃退火,制备得到耐磨层为5mm的耐磨金属复合板,经测试,耐磨金属复合板的维氏硬度为613.6,平均冲击功为15.2J。耐磨金属复合板表面无裂纹,但是横截面处有细小裂纹。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种耐磨金属复合板的制造方法,其特征在于,所述制造方法为采用药芯气体保护焊在基板上堆焊2~4层药芯焊丝,所述药芯焊丝为KB968或YD-254,形成耐磨层,得到所述复合板;所述制造方法具体包括以下步骤:
S1、对基板的堆焊面进行表面处理;
S2、将基板固定在焊接机中,对基板进行预热,预热温度为300~350℃,在保护气下在基板上堆焊2~4层药芯焊丝,堆焊完成后,得到耐磨金属复合板;其中,单层堆焊厚度为1~3mm,在每层堆焊前对焊件进行预热,每层堆焊完成后用锤子敲击焊件的焊缝,并将焊件置于初始温度为200~250℃的环境中缓冷至室温后,所述缓冷的冷却速度为3~10℃/min;再进行600~650℃的退火处理;所述焊接机的参数设置包括:焊接电流为200~220A,电流极性为直流反接,焊接电压为24~25V,堆焊速度为5mm/s,药芯焊丝的干伸长度为15mm。
2.根据权利要求1所述复合板的制造方法,其特征在于,所述药芯气体保护焊中使用的保护气CO2、CO2与Ar的混合气体中的一种。
3.根据权利要求1所述复合板的制造方法,其特征在于,所述基板为低碳钢板,包括Q235钢板、Q345钢板、16Mn钢板中的一种。
4.根据权利要求1所述复合板的制造方法,其特征在于,所述基板的厚度为12~100mm,所述耐磨层的厚度为3~12mm。
5.根据权利要求1所述复合板的制造方法,其特征在于,所述表面处理包括对基材的焊接面打磨和清洁。
6.根据权利要求1所述复合板的制造方法,其特征在于,所述预热是采用氧乙炔火焰对基板进行预热。
7.一种耐磨金属复合板,其特征在于,所述复合板是权利要求1至6任一项制造方法制备的复合板。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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