CN112775585B

CN112775585B - 一种抗擦伤的铁基堆焊材料及其制备方法

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Publication number: CN112775585B
Application number: CN202110133655.6A
Authority: CN
Inventors: 李辉; 王梦宇; 郭许航; 林健; 符寒光
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2022-07-08
Anticipated expiration: 2041-02-01
Also published as: CN112775585A

Abstract

一种抗擦伤的铁基堆焊材料及其制备方法属于表面工程领域，所述的堆焊材料以药芯焊丝方式制备，药芯原料包括：碳化铬粉末、氮化铬粉末、电解锰粉、硅粉、还原铁粉、镍粉、铬粉、铌粉和钼粉；各元素成分范围如下：Cr:22‑25wt.％；Ni:4‑7.5wt.％；C:1.0‑1.2wt％；N:0.1‑0.4wt.％；Mn:4‑5wt.％；Si:3.3‑3.5wt.％；Mo:1‑2wt.％；Nb:0.6‑0.8wt.％和Fe余量。本发明一方面在堆焊材料中添加与氮化学亲和力较大的元素，如Cr,Mn,V,Nb增加氮化物的含量，另外一方面等离子堆焊气氛中通入氮气，减少堆焊过程中氮的损失，增加氮在堆焊层中的溶解量，最终得到了低镍的奥氏体堆焊层，由于氮含量的增加使得堆焊层抗擦伤性能有明显的提高。

Description

一种抗擦伤的铁基堆焊材料及其制备方法

技术领域：

本发明属于表面工程领域，该发明主要应用于阀门密封面以及相类似的400℃以下中低温工况下承受重载荷的表面耐磨领域。

背景技术：

阀门密封是流体输送管路系统的关键，但当阀门密封面施加过大载荷时，往往会出现表面粘着擦伤甚至抱死的情况，影响密封效果，这一问题在核电、火电等能源设备中极为重要。据统计，世界上核电站因阀门密封面故障而造成的事故占1/4。长期以来，阀门密封面上所堆焊的材料为钴基合金所占据(司太立合金)，钴基合金具有高硬度，有良好的抗腐蚀，抗气蚀，抗粘着和抗磨损性，最重要处在于它有良好的耐擦伤性能，在承受大载荷剪切时会发生应变诱发相变，不易黏着磨损，其微观机理为钴基合金HCP和FCC结构具有较低的堆垛层错能，当外加剪切应力时，这种低的堆垛层错能会导致FCC结构的γ相向HCP结构ε相转变，表层会明显变硬，能更好抵抗接触载荷与温度导致的局部软化。

但是，钴基合金成本很高，我国钴资源十分缺乏，钴矿储量不足世界储量的2％。另外，核级管道密封面堆焊Co基合金，一旦磨损后有可能形成Co60放射性同位素，这会延长核辐射的半衰期，造成检修时间的增加和对维修人员的安全威胁。

铁基合金成本低廉，成份组织调控范围广，因此被广泛用于表面堆焊耐磨和强化领域。铁基堆焊合金中奥氏体组织的塑形好，易加工，合金固溶量大，耐腐蚀性好。因此密封面堆焊材料的主要考虑奥氏体组织或者以奥氏体为主的双相组织，但是奥氏体大多含有相当数量的镍，镍会提高晶格的层错能，降低加工硬化效应，因此并不利于阀门表面大载荷滑动摩擦的工况。目前已商业化的阀门堆焊材料比如铁基 RR2450和Tristelle 5183合金，其成份含有超过9％的Ni。美国电力研究会开发的NitroMAXX等均含有超过0.6％的N，因为N元素作为奥氏体的稳定元素，其稳定奥氏体作用大约是镍的20倍，因此可用来代替一部分的镍。氮有利于提高不锈钢堆焊合金耐擦伤性能，一方面氮可以降低堆垛层错能，提高加工硬化率，另一方面，氮可以在基体中形成氮化物作为第二相起到对位错的钉扎作用。但需要采用热等静压或粉末烧结的方法制成，不适用于现场施工。本发明参考高氮合金的冶金工艺思路，用等离子堆焊铁基丝材的方法，一方面在堆焊材料中添加与氮化学亲和力较大的元素，如Cr,Mn,V,Nb增加氮化物的含量，另外一方面等离子堆焊气氛中通入一定量的氮气，减少堆焊过程中氮的损失，增加氮在堆焊层中的溶解量，最终得到了低镍的奥氏体堆焊层，由于氮含量的增加使得堆焊层抗擦伤性能有明显的提高。

发明内容：

本发明的目的在于提高室温及中高温(400℃)下阀门表面铁基堆焊层耐擦伤性能，从而达到替代司太立合金的效果。本发明铁基合金晶粒为奥氏体结构，晶间均匀弥散分布着氮化物第二相，对位错起钉扎作用，有利于提高堆焊合金的耐擦伤性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种抗擦伤铁基堆焊材料，其特征在于，所述的堆焊材料以粉芯丝材方式制备，丝材由Fe,Cr,Ni,C,N,Mn,Si,Mo,Nb元素组成，各元素成分范围如下：Cr:22-25wt.％；Ni:4-7.5wt.％；C:1.0-1.2wt％； N:0.1-0.4wt.％；Mn:4-5wt.％；Si:3.3-3.5wt.％；Mo:1-2wt.％； Nb:0.6-0.8wt.％；Fe余量。

所述的药芯粉末包括：碳化铬粉末、氮化铬粉末、电解锰粉、硅粉、还原铁粉、镍粉、铬粉、铌粉、钼粉。外皮带材为430不锈钢带，含Fe:82％,Cr:18％，药芯焊丝中粉末占焊丝总质量的30％，焊丝直径为2mm。

制备耐擦伤铁基堆焊药芯焊丝粉末药芯，部分粉末采用体积比浓度为5％的聚乙烯醇溶液(pva)以溶液与粉末质量比为1：10的比例进行团聚，再用真空管式炉500℃保温2小时进行排胶，用筛网选出粒径为100-200目的粉末，将混合粉末放进混粉机中混合40分钟，得到所需药粉。

其中主要成分作用如下：氮化铬，碳化铬：向焊缝金属过渡氮元素和铬元素。氮元素可有效降低基体的堆垛层错能，提高基体应变硬化率，同时促进形成氮化铌硬质相，提高材料的抗磨损性能。但铬元素过高会产生脆性σ相，有降低韧性的倾向，因此本发明中控制铬含量小于25wt.％。碳元素可增强合金的硬度和强度。但碳含量过高会使堆焊合金的脆性变大，本发明的堆焊合金碳含量控制在1.2wt.％左右。

铌粉：向焊缝金属过渡铌元素，铌作为一种固氮元素，可以和氮结合形成氮化铌硬质相，起到第二相强化作用。但铌元素含量过多会产生尺寸较大，形状不规则的硬质相，容易产生应力集中。因此本发明的堆焊合金铌含量控制在0.8wt.％左右。

镍粉：Ni是奥氏体形成元素，可以提高堆焊合金的韧性，提高堆焊合金的抗裂性，但Ni会提高基体的堆垛层错能，同时降低马氏体转变温度，这不利于表面发生应变强化，因此本发明的堆焊合金控制镍含量在4-7.5wt.％范围。

锰粉、硅粉：向焊缝金属过渡锰元素，锰和铬均有助于稳定BCC 相或降低堆垛层错能，同时提高马氏体转变温度，提高堆焊层在高温下(300℃)的耐擦伤性能。硅元素具有强烈的固溶强化作用，增加淬硬性和回火稳定性，而且可以降低液态金属的表面张力。同时利用锰硅联合脱氧，提高元素过度系数。

还原铁粉：补充余量。

本发明含氮的铁基丝材堆焊药芯焊丝的制备方法包含以下步骤：采用体积比浓度为5％的聚乙烯醇溶液(pva)以溶液与粉末质量比为 1：10的比例进行团聚，之后用真空管式炉500℃保温2小时进行排胶。用筛网选出粒径为100-200目的粉末，将混合粉末放进混粉机中混合40分钟，得到药粉。将430不锈钢带轧成U型槽，再向U型槽中加入占本发明药芯焊丝总重量30％的混合药芯粉末，将U形槽合口，使药芯粉末包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最终使直径达到2mm，得到最终产品。

耐擦伤铁基堆焊合金采用等离子弧堆焊工艺制备，其工艺参数如下：等离子弧电流80-100A，稳弧电流50A，电压30V，送丝速度： 900-1100mm/min，等离子气采用体积比为20％氮气与80％氩气混合后输出，等离子气流量：2-8L/min，保护气为纯氮气，辅助气流量为 5-15L/min，焊枪距工件距离8-20mm。

制备的堆焊合金焊道，制备过程为单向多道焊，焊缝搭接率为 40％，焊缝的稀释率为18-24％，单道焊缝堆宽为8-11mm，焊缝堆高为3-4mm。对焊后表面进行磨平，保证焊层高于基体2mm以上。堆焊合金各元素含量在如下范围内：Cr:22-25wt.％；Ni:4-7.5wt.％；C:1.0-1.2wt％；N:0.1-0.4wt.％；Mn:4-5wt.％；Si:3.3-3.5wt.％； Mo:1-2wt.％；Nb:0.6-0.8wt.％；Fe余量。

与现有材料相比，本发明的优点是：

1、堆焊合金组织中，形成了大量亚微米级的NbN等硬质相，它们均匀分布在晶界处，起到第二相强化的作用，提高了基体的硬度，堆焊层显微硬度硬度达到400HV以上，在焊后和擦伤试验中无裂纹产生。

2、本发明的铁基堆焊层具有良好的的耐擦伤性能，常温下擦伤阈值应力为284.7MPa，接近对照组激光熔覆司太立6合金(擦伤阈值应力300MPa)，超过现有报道的Norem02材料(240Mpa)。300℃时本发明堆焊层擦伤阈值应力为264MPa，与激光熔覆司太立6合金 (294MPa)相近，远高于Norem02的擦伤阈值应力(70Mpa)，本发明堆焊层耐擦伤程度远高于现有商用铁基材料。原因是N的加入代替了一部分镍，提高了马氏体转变温度(Md₃₀)，使堆焊合金在300℃时仍具有加工应变强化能力。

3、堆焊工艺好，操作简单，焊前无需预热，焊后缓冷，铁基主要δ相塑性良好，擦伤时不出现裂纹，焊接过程飞溅小，且在高C含量下不易开裂，焊缝成形良好。

附图说明：

图1：本发明抗擦伤铁基丝材等离子弧堆焊焊缝组织。

图2：堆焊层SEM图片。

图3：堆焊层XRD图片。

图4：焊缝金属及母材硬度曲线图。

图5：几种堆焊合金擦伤阈值应力图。

具体实施方式：

本发明的药芯焊丝不受上述实例的限制，任何在本发明的权利要求书要求保护的范围内的改进和变化都在本发明的保护范围内。

下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著特点，本发明绝非仅局限于所陈述于所陈述的实施例。

各实施例中相同部分如下所述：

1、实施例中药芯焊丝外皮选用规格为12×0.4mm，(宽度为 12mm，厚度为0.4mm)的430钢带，碳化铬粉末、氮化铬粉末、电解锰粉、硅粉、还原铁粉、镍粉、铬粉、铌粉、钼粉配置成混合粉末，采用体积比浓度为5％的聚乙烯醇溶液(pva)以溶液与粉末质量比为 1：10的比例进行团聚，之后用真空管式炉500℃保温2小时进行排胶。用筛网选出粒径为100-200目的粉末，将混合粉末放进混粉机中混合40分钟，得到药粉。然后将其加入轧制为U形的430不锈钢 (Fe:82％,Cr:18％)钢带槽中，粉末占焊丝总质量的30％，将U形槽合口，使药粉包裹其中。然后使其分别通过直径为3.0mm, 2.8mm,2.6mm,2.4mm,2.2mm,2.0mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.0mm。

2、焊丝进行等离子弧堆焊过程中将工艺参数均设定为：等离子弧电流80-100A，稳弧电流：50A，电压30V，送丝速度： 900-1100mm/min，等离子气采用体积比为20％氮气与80％氩气混合后输出，等离子气流量：2-8L/min，保护气为纯氮气，保护气流量为 5-15L/min，焊枪距工件距离8-20mm。

具体实施例如下：

1、一种含氮的铁基耐擦伤堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为： Cr:22wt.％；Ni:7.5wt.％；C:1.2wt％；N:0.1wt.％；Mn:5wt.％；Si:3.3wt.％； Mo:2wt.％；Nb:0.8wt.％；Fe余量。药芯焊丝部分填充粉末，采用体积比浓度为5％的聚乙烯醇溶液(pva)以溶液与粉末质量比为1：10的比例进行团聚，再用真空管式炉500℃保温2小时进行排胶，用筛网选出粒径为100-200目的粉末，将混合粉末放进混粉机中混合40分钟，得到所需药粉，药芯占焊丝总质量的30％。采用等离子弧堆焊工艺参数为：等离子弧电流80A，稳弧电流50A，电压30V，送丝速度： 1000mm/min，等离子气采用体积比为20％氮气与80％氩气混合后输出，等离子气流量：5L/min，保护气为纯氮气，保护气流量为10L/min，焊枪距工件距离14mm。采用上述工艺制备堆焊合金成分为： Cr:20.75wt.％；Ni:6wt.％；Mn:3.4wt.％；Si:2.9wt.％；Mo:2.02wt.％； Nb:0.75wt.％；V:0.04wt.％；N:0.1％；Fe：余量。常温下擦伤阈值应力为250MPa，300℃下擦伤阈值应力为140MPa。

2、一种含氮的铁基耐擦伤堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为： Cr:23wt.％；Ni:6.5wt.％；C:1.2wt％；N:0.2wt.％；Mn:5wt.％；Si:3.5wt.％； Mo:2wt.％；Nb:0.8wt.％；Fe余量。药芯焊丝部分填充粉末，采用体积比浓度为5％的聚乙烯醇溶液(pva)以溶液与粉末质量比为1：10的比例进行团聚，再用真空管式炉500℃保温2小时进行排胶，用筛网选出粒径为100-200目的粉末，将混合粉末放进混粉机中混合40分钟，得到所需药粉，药芯占焊丝总质量的30％。采用等离子弧堆焊工艺参数为：等离子弧电流80A，稳弧电流50A，电压30V，送丝速度： 1000mm/min，等离子气采用体积比为20％氮气与80％氩气混合后输出，等离子气流量：5L/min，保护气为纯氮气，保护气流量为10L/min，焊枪距工件距离14mm。采用上述工艺制备堆焊合金成分为： Cr:21.2wt.％；Ni:5.08wt.％；Mn:3.54wt.％；Si:2.89wt.％；Mo:2.0wt.％； Nb:0.7wt.％；N:0.16％；Fe：余量。常温下擦伤阈值应力为256MPa，300℃下擦伤阈值应力为200MPa。

3、一种含氮的铁基耐擦伤堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为： Cr:24wt.％；Ni:5wt.％；C:1.2wt％；N:0.3wt.％；Mn:5wt.％；Si:3.5wt.％； Mo:2wt.％；Nb:0.8wt.％；Fe余量。药芯焊丝部分填充粉末，采用体积比浓度为5％的聚乙烯醇溶液(pva)以溶液与粉末质量比为1：10的比例进行团聚，再用真空管式炉500℃保温2小时进行排胶，用筛网选出粒径为100-200目的粉末，将混合粉末放进混粉机中混合40分钟，得到所需药粉，药芯占焊丝总质量的30％。采用等离子弧堆焊工艺参数为：等离子弧电流80A，稳弧电流50A，电压30V，送丝速度： 1000mm/min，等离子气采用体积比为20％氮气与80％氩气混合后输出，等离子气流量：5L/min，保护气为纯氮气，辅助气流量为10L/min，焊枪距工件距离14mm。采用上述工艺制备堆焊合金成分为： Cr:21.3wt.％；Ni:4.72wt.％；Mn:3.2wt.％；Si:2.7wt.％；Mo:2.0wt.％； Nb:0.74wt.％；N:0.22％；Fe：余量。常温下擦伤阈值应力为284MPa， 300℃下擦伤阈值应力为264MPa。

4、一种含氮的铁基耐擦伤堆焊药芯焊丝，焊丝成分重量比为： Cr:25wt.％；Ni:4wt.％；C:1.2wt％；N:0.4wt.％；Mn:5wt.％；Si:3.5wt.％； Mo:2wt.％；Nb:0.8wt.％；Fe余量。药芯焊丝部分填充粉末，采用体积比浓度为5％的聚乙烯醇溶液(pva)以溶液与粉末质量比为1：10的比例进行团聚，再用真空管式炉500℃保温2小时进行排胶，用筛网选出粒径为100-200目的粉末，将混合粉末放进混粉机中混合40分钟，得到所需药粉，药芯占焊丝总质量的30％。采用等离子弧堆焊工艺参数为：等离子弧电流80A，稳弧电流50A，电压30V，送丝速度： 1000mm/min，等离子气采用体积比为20％氮气与80％氩气混合后输出，等离子气流量：5L/min，保护气为纯氮气，辅助气流量为10L/min，焊枪距工件距离14mm。采用上述工艺制备堆焊合金成分为： Cr:22.8wt.％；Ni:4.1wt.％；Mn:3.49wt.％；Si:2.8wt.％；Mo:2.0wt.％； Nb:0.77wt.％；N:0.33％；Fe：余量。常温下擦伤阈值应力为280MPa， 300℃下擦伤阈值应力为240MPa。

对堆焊合金进行耐擦伤测试如下：

擦伤实验采用ASTM G98标准，结合ASTM G196标准，使用试样拉伸机，其能够在两个试样之间保持恒定的压缩载荷。下端样品固定，用扭矩扳手使上端样品相对于下端样品缓慢旋转360度。滑动后检查表面是否有擦伤。如果试样没有擦伤，则在增加的载荷下对试样继续测试，直到试样表面发生擦伤为止。确定发生擦伤时的临界磨损应力(TGS)，临界磨损应力阈值越高，耐擦伤性越好。擦伤试样尺寸如图5。测试表面光洁度应在0.25-1μm之间，将试样用砂纸打磨后抛光，在实验前清洗试样表面，用超声清洗在无水乙醇中的试样。试验中用激光熔覆制备的钴基司太立6合金作为对照样，对比常温下及300℃下的耐擦伤性能。测试结果如图5。

Claims

1.一种抗擦伤铁基堆焊材料的制备方法，其特征在于，所述的堆焊材料以药芯焊丝方式制备，药芯原料包括：碳化铬粉末、氮化铬粉末、电解锰粉、硅粉、还原铁粉、镍粉、铬粉、铌粉和钼粉；各元素成分范围如下：Cr:22-25wt.%； Ni:4-7.5wt.%； C:1.0-1.2wt%；N:0.1-0.4wt.%； Mn:4-5wt.%； Si:3.3-3.5wt.%；

Mo:1-2wt.%； Nb:0.6-0.8wt.%和 Fe 余量；

采用体积比浓度为 5%的聚乙烯醇溶液以溶液与药芯原料质量比为 1：10 的比例进行团聚，再用真空管式炉 500℃保温 2 小时进行排胶，用筛网选出粒径为 100-200 目的粉末，将混合粉末放进混粉机中混合 40 分钟，得到药芯；

药芯焊丝外皮为 430 不锈钢带，含 Fe:82%, Cr:18%，药芯占焊丝总质量的 25-35%；

采用等离子弧堆焊焊接方法，工艺参数为：等离子弧电流 80-100A，稳弧电流 50A，电压 30V，送丝速度：900-1100mm/min，等离子气采用体积比为20%氮气与 80%氩气混合气，气流量：2-8L/min，保护气为纯氮气，保护气流量为 5-15L/min，焊枪距工件距离 8-20mm。