CN113059294A - 激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：C粉0.5～1.0％，Cr粉10.0～30.0％，硅铁粉5.0～10.0％，B粉3.0～9.0％，ZrO2粉5.0～10.0％，Ce2O3粉1.0～3.0％，余量为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。该焊丝专门用于送丝激光熔覆系统，使用该药芯焊丝的熔覆层硬度高，耐磨性好。还公开了一种激光熔覆用ZrC+Ce2C3增强镍基焊丝的制备方法。

Description

激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝及制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝，还涉及该种激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝的制备方法。
背景技术
激光熔覆可显著改善材料的表面性能，恢复工件尺寸或对磨损的材料进行修复，具有效率高、速度快、绿色环保等特点，广泛应用到几乎整个机械加工行业。激光熔覆材料很大程度决定了熔覆层的性能，激光熔覆材料根据不同形状可分为粉末状、丝材和棒材，现如今激光熔覆用的几乎都是粉末状材料。激光熔覆根据送粉的方式不同可分为预制式送粉和送粉式熔覆，预制式粉末比送粉式熔覆工序繁琐，很少应用在工程实践中。送粉式激光熔覆对粉末要求很高，要求粉末具有一定的颗粒度、球形度和流动性，否则会影响到送粉的顺畅性，从而影响到熔覆过程的稳定性，激光熔覆对粉末的高要求固然会增加粉末的制造成本。
丝材的激光熔覆技术与送粉式激光熔覆技术相比，送丝过程可精确控制，材料送料精度高，材料利用率高，金属丝材比金属粉末成本低，所以丝材激光熔覆技术有很大的发展空间。目前，大多采用侧向送丝系统进行激光熔覆，没有专门针对送丝激光熔覆系统使用的焊丝，大多使用现有的熔化焊接用焊丝。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝，专门用于送丝激光熔覆系统，使用该药芯焊丝的熔覆层硬度高，耐磨性好。
本发明的目的是提供一种激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：C粉0.5～1.0％，Cr粉10.0～30.0％，硅铁粉5.0～10.0％，B粉3.0～9.0％，ZrO2粉5.0～10.0％，Ce2O3粉1.0～3.0％，余量为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
组成药芯的各原料粉的粒度均为100～200目。
焊皮为纯镍带，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm；该药芯焊丝的填充率为25wt.％～30wt.％。
本发明所采用的第二个技术方案是，激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取以下原料药粉：C粉0.5～1.0％，Cr粉10.0～30.0％，硅铁5.0～10.0％，B粉3.0～9.0％，ZrO2粉5.0～10.0％，Ce2O3粉1.0～3.0％，余量为Ni，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的原料药粉，置于真空加热炉内加热，加热温度为260～320℃，保温时间为3-4h；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2-3h；
步骤3：焊皮为纯镍带，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的原料药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
本发明的特征还在于，
步骤1中，称取的各原料药粉的粒度均为100～200目。
步骤3中，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm；该药芯焊丝的填充率为25wt.％～30wt.％。
本发明的有益效果是：
(1)相比于粉末激光熔覆，本发明激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝，使用药芯焊丝作为耗材进行激光熔覆，药芯焊丝激光熔覆成本低，材料利用率高，送丝精度高；药芯焊丝里的粉末只需要流动性好确保拉丝过程中成分均匀即可，对颗粒度和球形度要求没有粉末激光熔覆高，因此制造成本相对较低。
(2)本发明激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝的制备方法，通过药粉可以灵活的调整激光熔覆用镍基焊丝的成本，拓宽了丝材激光熔覆的使用范围。相比于实心焊丝激光熔覆，药芯焊丝熔覆效率更高；通过调配药粉可实现实心焊丝难以实现的高硬度、高耐磨熔覆层。
附图说明
图1为实施案例2制备的药芯焊丝，在低碳钢板(Q235)上进行激光熔覆时所得到的熔覆层的低倍扫描电镜组织形貌图；
图2为实施案例2制备的药芯焊丝，在低碳钢板(Q235)上进行激光熔覆时所得到的熔覆层的高倍扫描电镜组织形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：C粉0.5～1.0％，Cr粉10.0～30.0％，硅铁粉5.0～10.0％，B粉3.0～9.0％，ZrO2粉5.0～10.0％，Ce2O3粉1.0～3.0％，余量为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
其中，组成药芯的各原料粉(C粉、Cr粉、硅铁粉、B粉、ZrO2粉、Ce2O3粉及Ni粉)的粒度均为100～200目。焊皮为纯镍带，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm。该药芯焊丝的填充率为25wt.％～30wt.％。
该药芯焊丝中主要合金组分的作用和功能如下：
Ni元素作为药芯焊丝的主要合金元素，具有非常高的扩散激活能，导致最外层电子难以迁移，这使得Ni具有更好地抗高温特性。而且Ni的化学稳定性较好，因此它的耐腐蚀性和耐高温氧化性更胜一筹。最重要的，由于Ni的最外层特殊的电子的分布特点，可以使它在接受了大量的强化原子之后仍然可以维持很好的组织稳定性。
Cr元素作为药芯焊丝的主要合金元素，添加Cr元素后，Cr与B反应将生成CrB和Cr2B，Cr与C反应将生成Cr23C6和Cr7C3等硬质化合物，可提高熔覆层金属的硬度和耐磨性。
B元素作为药芯焊丝的主要合金元素，B元素为强脱氧元素，B元素和Si元素联合作用可以降低熔覆层金属的熔点，提高熔覆层金属的流动性，改善与基体材料的润湿性。
ZrO2可与C原位生成ZrC增强相，起到固溶强化的作用，从而有效提高镍基熔覆层的抗塑性变形的能力和耐磨性。Zr元素同时还可以细化熔覆层的显微组织，抑制初生相以及共晶组织的进一步长大。
CeO2不但可以细化镍基熔覆层的显微组织，减少裂纹和气孔，促进熔池中的ZrC形核，还可与C原位反应生成碳化物(Ce2C3)硬质颗粒，提高镍基熔覆层的强韧性。
本发明还提供一种激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取以下原料药粉：C粉0.5～1.0％，Cr粉10.0～30.0％，硅铁5.0～10.0％，B粉3.0～9.0％，ZrO2粉5.0～10.0％，Ce2O3粉1.0～3.0％，余量为Ni，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤1中，称取的各原料药粉(C粉、Cr粉、硅铁粉、B粉、ZrO2粉、Ce2O3粉及Ni粉)的粒度均为100～200目；
步骤2：将步骤1称取的原料药粉，置于真空加热炉内加热，加热温度为260～320℃，保温时间为3-4h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2-3h；
步骤3：焊皮为纯镍带，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的原料药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm；该药芯焊丝的填充率为25wt.％～30wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取以下原料药粉：C粉0.5％，Cr粉10.0％，硅铁5.0％，B粉3.0％，ZrO2粉5.0％，CeO2粉1.0％，余量为Ni，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤1中，称取的各原料药粉(C粉、Cr粉、硅铁粉、B粉、ZrO2粉、Ce2O3粉及Ni粉)的粒度均为100目；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为260℃，保温时间为3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2h；
步骤3：焊皮为纯镍带，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm；该药芯焊丝的填充率为25％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例1制备的激光熔覆用铁基药芯焊丝在Q235钢板上进行激光熔覆，激光功率3000W，光斑直径2mm，扫描速度3m/min，送丝速度0.8m/min。
经测试，熔覆层金属的洛氏硬度为48HRC。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取以下原料药粉：C粉1.0％，Cr粉30.0％，硅铁10.0％，B粉9.0％，ZrO2粉10.0％，CeO2粉3.0％，余量为Ni，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，称取的各原料药粉(C粉、Cr粉、硅铁粉、B粉、ZrO2粉、Ce2O3粉及Ni粉)的粒度均为200目；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为300℃，保温时间为3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2h；
步骤3：焊皮为纯镍带，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm；该药芯焊丝的填充率为30％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例2制备的激光熔覆用铁基药芯焊丝在Q235钢板上进行激光熔覆，激光功率3000W，光斑直径2mm，扫描速度3m/min，送丝速度0.8m/min。
经测试，熔覆层金属的洛氏硬度为65HRC。
实施例2制备得到的激光熔覆铁基药芯焊丝在Q235钢板上熔覆，熔覆层焊缝的低倍金相组织见图1所示，图2是熔覆层的高倍金相组织图片。从低倍扫描电镜图片上可以看出，熔覆层与Q235基体之间衔接良好，无宏观裂纹等焊接缺陷。熔覆层主要由胞状树枝晶组成，其内部无气孔、裂纹等常见缺陷。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取以下原料药粉：C粉0.6％，Cr粉20.0％，硅铁7.0％，B粉6.0％，ZrO2粉7.0％，CeO2粉1.0％，余量为Ni，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，称取的各原料药粉(C粉、Cr粉、硅铁粉、B粉、ZrO2粉、Ce2O3粉及Ni粉)的粒度均为100目；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为280℃，保温时间为4h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为3h；
步骤3：焊皮为纯镍带，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm；该药芯焊丝的填充率为28％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例3制备的激光熔覆用铁基药芯焊丝在Q235钢板上进行激光熔覆，激光功率3000W，光斑直径2mm，扫描速度3m/min，送丝速度0.8m/min。
经测试，熔覆层金属的洛氏硬度为57HRC。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取以下原料药粉：C粉0.8％，Cr粉15.0％，硅铁8.0％，B粉5.0％，ZrO2粉10.0％，CeO2粉1.5％，余量为Ni，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，称取的各原料药粉(C粉、Cr粉、硅铁粉、B粉、ZrO2粉、Ce2O3粉及Ni粉)的粒度均为200目；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为320℃，保温时间为3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2h；
步骤3：焊皮为纯镍带，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm；该药芯焊丝的填充率为25％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例4制备的激光熔覆用铁基药芯焊丝在Q235钢板上进行激光熔覆，激光功率3000W，光斑直径2mm，扫描速度3m/min，送丝速度0.8m/min。
经测试，熔覆层金属的洛氏硬度为50HRC。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取以下原料药粉：C粉0.5％，Cr粉30.0％，硅铁5.0％，B粉9.0％，ZrO2粉8.0％，CeO2粉2.5％，余量为Ni，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤1中，称取的各原料药粉(C粉、Cr粉、硅铁粉、B粉、ZrO2粉、Ce2O3粉及Ni粉)的粒度均为100目；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为290℃，保温时间为3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2h；
步骤3：焊皮为纯镍带，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤3中，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm；该药芯焊丝的填充率为30％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例5制备的激光熔覆用铁基药芯焊丝在Q235钢板上进行激光熔覆，激光功率3000W，光斑直径2mm，扫描速度3m/min，送丝速度0.8m/min。
经测试，熔覆层金属的洛氏硬度为48HRC。

Claims (6)

1.激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝，其特征在于，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：C粉0.5～1.0％，Cr粉10.0～30.0％，硅铁粉5.0～10.0％，B粉3.0～9.0％，ZrO2粉5.0～10.0％，Ce2O3粉1.0～3.0％，余量为Ni粉，以上组分质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝，其特征在于，组成药芯的各原料粉的粒度均为100～200目。
3.根据权利要求1所述的激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝，其特征在于，焊皮为纯镍带，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm；该药芯焊丝的填充率为25wt.％～30wt.％。
4.激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取以下原料药粉：C粉0.5～1.0％，Cr粉10.0～30.0％，硅铁5.0～10.0％，B粉3.0～9.0％，ZrO2粉5.0～10.0％，Ce2O3粉1.0～3.0％，余量为Ni，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的原料药粉，置于真空加热炉内加热，加热温度为260～320℃，保温时间为3-4h；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为2-3h；
步骤3：焊皮为纯镍带，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的原料药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝。
5.根据权利要求4所述的激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝的制备方法，其特征在于，步骤1中，称取的各原料药粉的粒度均为100～200目。
6.根据权利要求4所述的激光熔覆用碳化物增强镍基焊丝的制备方法，其特征在于，步骤3中，纯镍带的厚度为0.4mm，宽度为7mm；该药芯焊丝的填充率为25wt.％～30wt.％。
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