CN113042934A - 一种高纯度、高致密度的钴基耐磨焊丝的制备方法 - Google Patents

一种高纯度、高致密度的钴基耐磨焊丝的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高纯度、高致密度的钴基耐磨焊丝的制备方法，包括以下步骤：真空感应熔炼→真空重熔→水平连铸→定尺切割→区域熔炼→磨削光亮化→清洗、烘干；水平连铸工序，在坩埚重熔时充入氩气，拉坯直径为1～5mm，拉坯速度为0.1～100mm/min；区域熔炼工序，区熔温度为1400～1600℃，区熔速度为0.5～100mm/min，真空度为2～8Pa。优点在于，解决了目前传统轧制、冷拉拔难于生产难变形钴基耐磨焊丝的问题，可制备的钴基耐磨焊丝成分范围宽、适合多品种、小批量生产，且纯度、致密度及强度较传统方法制备的焊丝更高，组织均匀性更好，极大了改善了堆焊性能。

Description

一种高纯度、高致密度的钴基耐磨焊丝的制备方法
技术领域
本发明属于金属加工技术领域，特别是涉及一种高纯度、高致密度的钴基耐磨焊丝的制备方法。
背景技术
钴基耐磨焊丝是以钴作为主要成分，添加铬、钨、钼等合金熔炼而成的合金。具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特点，即使在1000～1300℃温度范围内仍具有足够的强度、抗热腐蚀和抗热冲击性能。因此，长期以来此类合金焊丝主要用于发动机气门、高温高压阀门、涡轮机叶片等表面堆焊，增强其耐高温磨损、腐蚀性能，延长工作寿命。
此类合金存在的脆性相和金属间化合物相虽然提高了合金的硬度，但同时也降低了合金塑性，使其特别容易受加工硬化的影响，塑性加工成形非常困难，所以此类合金焊丝不能采用传统轧制、冷拉拔等工艺生产。
目前制备钴基耐磨焊丝的几种传统方法如粉末烧结、药芯焊丝、3D打印及单一水平连铸法都有各自的缺点。其中粉末烧结法制备的焊丝强度、致密度差，气体含量高；药芯焊丝法的缺点是制备焊丝过程复杂、焊丝易吸潮、锈蚀；3D打印法制备的焊丝强度较差，制备效率低，成本极高；单一水平连铸法制备的焊丝内部缩孔、疏松等冶金缺陷较多，影响堆焊性能，大大限制了其应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高纯度、高致密度的钴基耐磨焊丝的制备方法，解决了目前传统轧制、冷拉拔法难于生产难变形钴基耐磨焊丝，且生产出的焊丝纯度较低，内部缺陷较多等问题；该方法制备出的钴基耐磨焊丝纯度、致密度及强度更高，组织均匀性更好，具有很好的应用前景。
本发明所述的所述难变形钴基耐磨焊丝的合金元素主要包括Co、Cr、Mo、Si、Ni、Fe、C等，工艺包括：真空感应熔炼→真空重熔→水平连铸→定尺切割→区域熔炼→磨削光亮化→清洗、烘干。具体步骤及控制的技术参数如下：
步骤一、真空感应熔炼：将合金元素Si加入到料斗中，将除Si以外的合金元素加入到坩埚中，然后对真空感应熔炼炉进行抽真空处理，待炉内压力降至0.2～0.5Pa，利用感应线圈加热物料，待物料全部熔化后，精炼15min后停电10min，接着将料斗中的Si加入到坩埚中，向真空感应炉充入氩气至炉内压力为0.08～0.09MPa为止，之后继续利用感应线圈加热物料5～10min，之后调整温度精炼2～5min后停止加热，最后将坩埚内的熔融物浇铸到铸模中，冷却后脱模，得到Φ60～80mm的铸棒。
步骤二、真空重熔：将步骤一所述的铸棒切块后加入到坩埚中，然后将直径为1～5mm的结晶器与冷却水系统、耐高温的氮化硼分离环相连，然后将结晶器与坩埚下端的出钢口紧密连接，另外，将引锭杆与分离环紧密相连。接着对20kg小型真空感应炉进行抽真空处理，待炉内压力降至2～5Pa后，打开冷却水系统，利用感应线圈加热物料，待物料熔融后停止加热，向真空感应炉充入氩气至炉内压力为0.05～0.07MPa为止，之后继续利用感应线圈加热物料直至完全融化，得到合金熔液。
步骤三、水平连铸：打开电磁继电器，设置好相应的拉坯工艺参数开始拉坯，拉坯速度为0.1～100mm/min，拉坯过程中通过向真空感应炉充入氩气使内部压力始终维持在0.05～0.07MPa。
步骤四、定尺切割：利用定尺切割机对步骤三得到的直径为1～5mm的线坯定尺切割为长度200～600mm长。
步骤五、区域熔炼：将步骤四得到的200～600mm长的线坯装入区域熔炼炉中进行区域熔炼，利用真空泵对其抽真空至压力为2～8Pa，通过移动感应线圈加热线坯，利用杂质在固液相的浓度差，使杂质向线坯端部移动，从而达到提纯、消除内部缺陷的效果。其中区熔温度为1400～1600℃，区熔速度为0.5～100mm/min，区熔次数为1～10次。
步骤六、磨削光亮化：将步骤五得到的焊丝在无心磨床进行磨削，每道次径向减径量为0.05～0.2mm，消除表面缺陷，使焊丝光亮化。
步骤七、清洗、烘干：将步骤六得到的磨削光亮化后的焊丝进行超声波清洗、烘干，得到焊丝成品。
真空感应熔炼，真空重熔以及区域熔炼三个工序均是在真空条件下进行的共三次或以上熔炼，更加提高了钴基耐磨焊丝的纯度。
本发明的优点：本发明解决了目前传统轧制、冷拉拔法难于生产难变形钴基耐磨焊丝的问题，可制备的钴基耐磨焊丝成分范围宽、适合多品种、小批量生产，且纯度、致密度及强度较传统方法制备的焊丝更高，组织均匀性更好，极大了改善了堆焊性能。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。其中，真空感应熔炼1、真空重熔、水平连铸2、定尺切割3、区域熔炼4、磨削光亮化5、清洗、烘干6。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例所制备的高纯度、高致密度的钴基耐磨焊丝的成分及质量百分比为：C：0.10％，Cr：17.5％，Mo：29.5％，Si：3.55％，Ni：1.3％，Fe：1.2％，Co：余量。制备方法具体包括以下步骤：
步骤一、真空感应熔炼：将质量分数为3.55％的合金元素Si加入到料斗中，将除Si以外的合金元素加入到坩埚中，然后对真空感应熔炼炉进行抽真空处理，待炉内压力降至0.3Pa，利用感应线圈加热物料，精炼15min后停电10min，接着将料斗中的Si加入到坩埚中，向真空感应炉充入氩气至炉内压力为0.08MPa为止，之后继续利用感应线圈加热物料10min，之后调整温度精炼4min后停止加热，最后将坩埚内的熔融物浇铸到铸模中，冷却后脱模，得到Φ80mm的铸棒。
步骤二、真空重熔：将步骤一所述的Φ80mm铸棒切块后加入到坩埚中，然后将直径为2.2mm的结晶器与冷却水系统、耐高温的氮化硼分离环相连，然后将结晶器与坩埚下端的出钢口紧密连接，另外，将引锭杆与分离环紧密相连。接着对20kg小型真空感应炉进行抽真空处理，待炉内压力降至4Pa后，打开冷却水系统，利用感应线圈加热物料，待物料熔融后停止加热，向真空感应炉充入氩气至炉内压力为0.07MPa为止，之后继续利用感应线圈加热物料直至完全融化，得到合金熔液。
步骤三、水平连铸：打开电磁继电器，设置好拉坯工艺参数开始拉坯，拉坯速度为20mm/min，拉坯过程中通过向真空感应炉充入氩气使内部压力始终维持在0.07MPa。
步骤四、定尺切割：利用定尺切割机对步骤三得到的直径为2.2mm的线坯定尺切割为600mm长。
步骤五、区域熔炼：将步骤四得到的Φ2.2×600mm长的线坯装入区域熔炼炉中进行区域熔炼，利用真空泵对其抽真空至压力为6Pa，通过移动感应线圈加热线坯至1550℃，以10mm/min的速度区熔重复3次。
步骤六、磨削光亮化：将步骤五得到的区熔后的Φ2.2×600mm焊丝在无心磨床进行磨削，每道次径向减径量为0.05mm，磨削道次为4次，得到Φ2.0×600mm焊丝。
步骤七、清洗、烘干：将步骤六得到的磨削光亮化后的焊丝进行超声波清洗、烘干，得到Φ2.0×600mm焊丝成品。
结果评价：焊丝表面光亮平滑，无内部缩孔疏松等缺陷，硬度为58HRC，且焊丝内部杂质元素为：O：5ppm，N：10ppm；堆焊过程焊丝熔化速率快，分散均匀，得到的焊缝平整光滑，与基体结合良好。
实施例2
本实施例所制备的高纯度、高致密度的钴基耐磨焊丝的成分及质量百分比为：C：0.08％，Cr：16.5％，Mo：27.5％，Si：3.1％，Ni：1.0％，Fe：1.5％，Co：余量。按所述的一种高纯度、高致密度的钴基耐磨焊丝的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一、真空感应熔炼：将质量分数为3.1％的合金元素Si加入到料斗中，将除Si以外的合金元素加入到坩埚中，然后对真空感应熔炼炉进行抽真空处理，待炉内压力降至0.4Pa，利用感应线圈加热物料，精炼15min后停电10min，接着将料斗中的Si加入到坩埚中，向真空感应炉充入氩气至炉内压力为0.09MPa为止，之后继续利用感应线圈加热物料8min，之后调整温度精炼3min后停止加热，最后将坩埚内的熔融物浇铸到铸模中，冷却后脱模，得到Φ65mm的铸棒。
步骤二、真空重熔：将步骤一所述的Φ65mm铸棒切块后加入到坩埚中，然后将直径为1.8mm的结晶器与冷却水系统、耐高温的氮化硼分离环相连，然后将结晶器与坩埚下端的出钢口紧密连接，另外，将引锭杆与分离环紧密相连。接着对20kg小型真空感应炉进行抽真空处理，待炉内压力降至5Pa后，打开冷却水系统，利用感应线圈加热物料，待物料熔融后停止加热，向真空感应炉充入氩气至炉内压力为0.06MPa为止，之后继续利用感应线圈加热物料直至完全融化，得到合金熔液。
步骤三、水平连铸：打开电磁继电器，设置好拉坯工艺参数开始拉坯，拉坯速度为30mm/min，拉坯过程中通过向真空感应炉充入氩气使内部压力始终维持在0.06MPa。
步骤四、定尺切割：利用定尺切割机对步骤三得到的直径为1.8mm的线坯定尺切割为400mm长。
步骤五、区域熔炼：将步骤四得到的Φ1.8×400mm长的线坯装入区域熔炼炉中进行区域熔炼，利用真空泵对其抽真空至压力为8Pa，通过移动感应线圈加热线坯至1600℃，以20mm/min的区熔速度重复2次。
步骤六、磨削光亮化：将步骤五得到的区熔后的Φ1.8×400mm焊丝在无心磨床进行磨削，每道次径向减径量为0.04mm，磨削道次为5次，得到Φ1.6×400mm焊丝。
步骤七、清洗、烘干：将步骤六得到的磨削光亮化后的焊丝进行超声波清洗、烘干，得到Φ1.6×400mm焊丝成品。
结果评价：焊丝表面光亮平滑，无内部缩孔疏松缺陷，硬度为59HRC，且焊丝内部杂质元素为：O：4ppm，N：9ppm；堆焊过程焊丝熔化速率快，分散均匀，得到的焊缝平整光滑，与基体结合良好。
实施例3
本实施例所制备的高纯度、高致密度的钴基耐磨焊丝的成分及质量百分比为：C：0.10％，Cr：18.0％，Mo：28.0％，Si：3.7％，Ni：0.8％，Fe：1.8％，Co：余量。按所述的一种高纯度、高致密度的钴基耐磨焊丝的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一、真空感应熔炼：将质量分数为3.7％的合金元素Si加入到料斗中，将除Si以外的合金元素加入到坩埚中，然后对真空感应熔炼炉进行抽真空处理，待炉内压力降至0.25Pa，利用感应线圈加热物料，精炼15min后停电10min，接着将料斗中的Si加入到坩埚中，向真空感应炉充入氩气至炉内压力为0.08MPa为止，之后继续利用感应线圈加热物料10min，之后调整温度精炼3min后停止加热，最后将坩埚内的熔融物浇铸到铸模中，冷却后脱模，得到Φ75mm的铸棒。
步骤二、真空重熔：将步骤一所述的Φ75mm铸棒切块后加入到坩埚中，然后将直径为3.0mm的结晶器与冷却水系统、耐高温的氮化硼分离环相连，然后将结晶器与坩埚下端的出钢口紧密连接，另外，将引锭杆与分离环紧密相连。接着对20kg小型真空感应炉进行抽真空处理，待炉内压力降至3Pa后，打开冷却水系统，利用感应线圈加热物料，待物料熔融后停止加热，向真空感应炉充入氩气至炉内压力为0.07MPa为止，之后继续利用感应线圈加热物料直至完全融化，得到合金熔液。
步骤三、水平连铸：打开电磁继电器，设置好拉坯工艺参数开始拉坯，拉坯速度为15mm/min，拉坯过程中通过向真空感应炉充入氩气使内部压力始终维持在0.07MPa。
步骤四、定尺切割：利用定尺切割机对步骤三得到的直径为3.0mm的线坯定尺切割为350mm长。
步骤五、区域熔炼：将步骤四得到的Φ3.0×350mm长的线坯装入区域熔炼炉中进行区域熔炼，利用真空泵对其抽真空至压力为6Pa，通过移动感应线圈加热线坯至1500℃，以8mm/min的区熔速度重复3次。
步骤六、磨削光亮化：将步骤五得到的区熔后的Φ3.0×350mm焊丝在无心磨床进行磨削，每道次径向减径量为0.1mm，磨削道次为5次，得到Φ2.5×350mm焊丝。
步骤七、清洗、烘干：将步骤六得到的磨削光亮化后的焊丝进行超声波清洗、烘干，得到Φ2.5×350mm焊丝成品。
结果评价：焊丝表面光亮平滑，无内部缩孔疏松缺陷，硬度为58HRC，且焊丝内部杂质元素为：O：5ppm，N：9ppm；堆焊过程焊丝熔化速率快，分散均匀，得到的焊缝平整光滑，与基体结合良好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高纯度、高致密度的钴基耐磨焊丝的制备方法，工艺包括：真空感应熔炼→真空重熔→水平连铸→定尺切割→区域熔炼→磨削光亮化→清洗、烘干；其特征在于，具体步骤及控制的技术参数如下：
步骤一、真空感应熔炼：将合金元素Si加入到料斗中，将除Si以外的合金元素加入到坩埚中，然后对真空感应熔炼炉进行抽真空处理，待炉内压力降至0.2～0.5Pa，利用感应线圈加热物料，待物料全部熔化后，精炼15min后停电10min，接着将料斗中的Si加入到坩埚中，向真空感应炉充入氩气至炉内压力为0.08～0.09MPa为止，之后继续利用感应线圈加热物料5～10min，之后调整温度精炼2～5min后停止加热，最后将坩埚内的熔融物浇铸到铸模中，冷却后脱模，得到Φ60～80mm的铸棒；
步骤二、真空重熔：将步骤一所述的铸棒切块后加入到坩埚中，然后将直径为1～5mm的结晶器与冷却水系统、耐高温的氮化硼分离环相连，然后将结晶器与坩埚下端的出钢口紧密连接，另外，将引锭杆与分离环紧密相连；接着对20kg小型真空感应炉进行抽真空处理，待炉内压力降至2～5Pa后，打开冷却水系统，利用感应线圈加热物料，待物料熔融后停止加热，向真空感应炉充入氩气至炉内压力为0.05～0.07MPa为止，之后继续利用感应线圈加热物料直至完全融化，得到合金熔液；
步骤三、水平连铸：打开电磁继电器，设置好相应的拉坯工艺参数开始拉坯，拉坯速度为0.1～100mm/min，拉坯过程中通过向真空感应炉充入氩气使内部压力始终维持在0.05～0.07MPa；
步骤四、定尺切割：利用定尺切割机对步骤三得到的直径为1～5mm的线坯定尺切割为长度200～600mm长；
步骤五、区域熔炼：将步骤四得到的200～600mm长的线坯装入区域熔炼炉中进行区域熔炼，利用真空泵对其抽真空至压力为2～8Pa，通过移动感应线圈加热线坯，利用杂质在固液相的浓度差，使杂质向线坯端部移动，从而达到提纯、消除内部缺陷的效果；其中区熔温度为1400～1600℃，区熔速度为0.5～100mm/min，区熔次数为1～10次；
步骤六、磨削光亮化：将步骤五得到的焊丝在无心磨床进行磨削，每道次径向减径量为0.05～0.2mm，消除表面缺陷，使焊丝光亮化；
步骤七、清洗、烘干：将步骤六得到的磨削光亮化后的焊丝进行超声波清洗、烘干，得到焊丝成品。
2.根据权利要求书1所述的高纯度、高致密度的钴基耐磨焊丝的制备方法，其特征在于，真空感应熔炼，真空重熔以及区域熔炼三个工序均是在真空条件下进行的共三次或以上熔炼，更加提高了钴基耐磨焊丝的纯度。
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