CN113478121B - 陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝及低碳钢表面改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：镍粉35％～45％，钛粉2％～6％，硼粉2％～6％，铬粉4％～8％，碳化硅5％～15％，其余为铜，以上组分质量百分比之和为100％。该药芯焊丝能够改善耐蚀性、耐磨性，提高铜‑钢复合件的使用寿命。本发明还提供一种使用陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝对低碳钢进行表面改性的方法。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝，本发明还涉及一种使用陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝对低碳钢进行表面改性的方法。
背景技术
随着经济的迅速发展，人类对海洋的开发利用越来越深入，海上基础设施和船舶的建造数量也越来越多。目前我国已经成为全球造船业第一大国，同时跨海大桥、海洋石油平台、港口设施等海上基础设施的建设也如火如荼，对钢材的需求量越来越大。低碳钢由于其价格低廉、力学性能和焊接性良好的优点，广泛应用在船舶和海上基础设施的建造中。但低碳钢的耐腐蚀性较差，在海水中极易被腐蚀从而失效，造成资源浪费甚至灾难性事故，因此提高钢材的耐腐蚀性具有极高的经济和环保价值。
铜及铜合金具有良好的耐腐蚀性，在海洋工业中应用广泛，如制造船舶的重要阀门、管道等。但铜价格昂贵，大量采用纯铜构件不利于建设项目的成本控制。为了解决这个问题，可对低碳钢进行表面改性，在钢表面熔覆一层铜，制成的铜-钢复合件可在大大改善低碳钢表面耐腐蚀性的同时降低成本。但铜的硬度较低，在长期使用过程中易产生磨损，从而导致铜-钢复合件的使用寿命降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝，该药芯焊丝能够改善耐蚀性、耐磨性，提高铜-钢复合件的使用寿命。
本发明的另一个目的是提供一种使用陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝对低碳钢进行表面改性的方法。
本发明所采用的技术方案是，一种陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：镍粉35％～45％，钛粉2％～6％，硼粉2％～6％，铬粉4％～8％，碳化硅5％～15％，其余为铜，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
药芯的填充率控制在22wt.％-26wt.％；焊皮为纯铜带。
本发明所采用的第二个技术方案是，一种使用陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝对低碳钢进行表面改性的方法，具体操作步骤如下：
步骤1：根据所需要的配比按质量百分比分别称取药芯粉末：镍粉35％～45％，钛粉2％～6％，硼粉2％～6％，铬粉4％～8％，碳化硅5％～15％，其余为铜，以上组分质量百分比之和为100％；
将上述金属粉末和陶瓷粉末充分混合后作为焊丝药芯，以纯铜带作为焊丝外皮，在焊丝自动成型机上制成药芯焊丝；
步骤2：对低碳钢基板进行机械清理，除去表面氧化皮，然后用无水乙醇充分清洗，除去表面油污，晾干后放入真空箱式炉中预热；
步骤3：用无水乙醇对步骤1制得的药芯焊丝进行表面清理并烘干；
步骤4：采用药芯焊丝气体保护焊(FCAW)技术在低碳钢基板表面进行单层电弧熔覆，直至熔覆层铺满整个基板，得到熔覆完成后的铜-钢复合板；
步骤5：对熔覆完成后的铜-钢复合板进行热处理和表面处理，以达到实际使用要求。
本发明的特征还在于，
步骤1中，制备的药芯焊丝的药芯填充率控制在22wt.％-26wt.％。
步骤2中低碳钢材料选用Q235板材。
步骤2中，低碳钢基板的预热温度为200℃～300℃。
步骤3中，药芯焊丝的烘干温度为100℃～150℃。
步骤4中，电弧熔覆工艺参数为：焊接电流210A～240A，焊接电压23V～26V，熔覆速度0.2m/min～0.4m/min，摆弧宽度2.4mm～2.8mm，摆弧频率3.8Hz～4.2Hz，保护气体为体积分数为99％的纯氩气，焊丝伸出长度10mm～15mm。
步骤5中，热处理的参数具体为：热处理温度为320℃～380℃，保温时间2h～3h，空冷。
步骤5中，表面处理为：对热处理后的熔覆完成后的铜-钢复合板表面进行磨削，表面处理后熔覆层的粗糙度为Ra 3.2～Ra 6.4。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝能够在较大程度上改善低碳钢表面的耐腐蚀性、耐磨性、导电性等性能，拓展低碳钢材料的使用场景。
(2)本发明的陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝以碳化硅陶瓷颗粒作为增强相，可大大提高铜基熔覆层的硬度，改善耐磨性能，提高铜-钢复合件的使用寿命。
(3)本发明的陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝中的镍可与铜、铁无限固溶，增强铜-钢界面的结合能力；同时镍还可改善陶瓷颗粒和铜基体之间的润湿性，增强铜基体和陶瓷颗粒之间的结合力。
(4)本发明的陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝制备方法简单，能够适应自动焊接设备，并且可根据实际情况灵活调整药芯中各成分的含量。
(5)本发明的低碳钢表面改性方法为电弧熔覆，具有较高的成型效率、致密度和界面结合强度，且操作简便、成本低廉，可自动化大批量生产。
(6)本发明的低碳钢表面改性方法中的焊后热处理，可降低铜-钢复合件的残余应力并细化晶粒，改善力学性能。
附图说明
图1是本发明实施例2制备的铜-钢结合界面的微观组织图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：镍粉35％～45％，钛粉2％～6％，硼粉2％～6％，铬粉4％～8％，碳化硅5％～15％，其余为铜，以上组分质量百分比之和为100％。
药芯的填充率控制在22wt.％-26wt.％；焊皮为纯铜带。
该药芯焊丝中各组分的作用如下：
(1)焊丝中的镍元素与铜、铁元素可无限固溶，且不产生脆性金属间化合物，可改善铜、钢的熔合性，提高界面结合力；同时镍还可改善陶瓷颗粒和铜基体之间的润湿性，增强铜基体和陶瓷颗粒之间的结合力。
(2)焊丝中的硼元素为脱氧剂，有助于除去熔池中的氧、硫、磷等有害杂质，防止接头部位氧化，保证接头性能。
(3)焊丝中的钛元素可与氮元素进行反应，减少接头中的氮气孔，同时还可细化晶粒、提高接头的强度和硬度。
(4)铬元素可提高接头的强度和耐磨性，同时具有脱氧作用。
(5)焊丝中的碳化硅陶瓷颗粒作为增强相弥散分布在铜基体中，起到弥散强化作用，可阻碍铜表面的塑性变形，提高硬度和耐磨性。
本发明还提供一种使用陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝对低碳钢进行表面改性的方法，具体操作步骤如下：
步骤1：根据所需要的配比按质量百分比分别称取药芯粉末：镍粉35％～45％，钛粉2％～6％，硼粉2％～6％，铬粉4％～8％，碳化硅5％～15％，其余为铜，以上组分质量百分比之和为100％；
将上述金属粉末和陶瓷粉末充分混合后作为焊丝药芯，以纯铜带作为焊丝外皮，在焊丝自动成型机上制成药芯焊丝；
步骤1中，制备的药芯焊丝的药芯填充率控制在22wt.％-26wt.％。
步骤2：对低碳钢基板进行机械清理，除去表面氧化皮，然后用无水乙醇充分清洗，除去表面油污，晾干后放入真空箱式炉中预热；
步骤2中低碳钢材料选用Q235板材。
步骤2中，低碳钢基板的预热温度为200℃～300℃。
步骤3：用无水乙醇对步骤1制得的药芯焊丝进行表面清理并烘干；
步骤4：采用药芯焊丝气体保护焊(FCAW)技术在低碳钢基板表面进行单层电弧熔覆，直至熔覆层铺满整个基板，得到熔覆完成后的铜-钢复合板；
步骤5：对熔覆完成后的铜-钢复合板进行热处理和表面处理，以达到实际使用要求。
步骤3中，药芯焊丝的烘干温度为100℃～150℃。
步骤4中，电弧熔覆工艺参数为：焊接电流210A～240A，焊接电压23V～26V，熔覆速度0.2m/min～0.4m/min，摆弧宽度2.4mm～2.8mm，摆弧频率3.8Hz～4.2Hz，保护气体为体积分数为99％的纯氩气，焊丝伸出长度10mm～15mm。
步骤5中，热处理的参数具体为：热处理温度为320℃～380℃，保温时间2h～3h，空冷。
步骤5中，表面处理为：对热处理后的熔覆完成后的铜-钢复合板表面进行磨削，表面处理后熔覆层的粗糙度为Ra 3.2～Ra 6.4。
实施例1
步骤1：按照如下配比称取药芯粉末：镍粉40％，钛粉4％，硼粉4％，铬粉6％，碳化硅5％，其余为铜，以上组分质量百分比之和为100％。
将上述金属粉末和陶瓷粉末充分混合后作为焊丝药芯，以纯铜带作为焊丝外皮，在焊丝自动成型机上制成药芯焊丝，药芯焊丝粉末的填充率控制在22wt.％；
步骤2：对Q235低碳钢基板进行机械清理，除去表面氧化皮，然后用无水乙醇充分清洗，除去表面油污，晾干后放入真空箱式炉中预热，预热温度为250℃；
步骤3：用无水乙醇对步骤1制得的药芯焊丝进行表面清理，除去焊丝表面的灰尘、油污等杂质，并在120℃下烘干；
步骤4：采用药芯焊丝气体保护焊(FCAW)技术在低碳钢基板表面进行单层电弧熔覆，直至熔覆层铺满整个基板，工艺参数为：焊接电流210A，焊接电压23V，熔覆速度0.2m/min，摆弧宽度2.4mm，摆弧频率3.8Hz，保护气体为体积分数为99％的纯氩气，焊丝伸出长度10mm；
步骤5：将熔覆完成后的铜-钢复合板放置在真空箱式炉中进行热处理，热处理温度为320℃，保温时间2h，空冷；之后进行表面处理，使得熔覆层的表面粗糙度为Ra 6.4，以达到实际使用要求。
实施例1中采用一种陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝对低碳钢进行表面改性的方法制备的铜基熔覆层，经力学性能测试，熔覆层平均硬度为160.8HV0.1，并且焊接过程中熔覆层成型性好，无裂纹及夹渣等缺陷。
实施例2
步骤1：按照如下配比称取药芯粉末：镍粉40％，钛粉4％，硼粉4％，铬粉6％，碳化硅7％，其余为铜，以上组分质量百分比之和为100％。
将上述金属粉末和陶瓷粉末充分混合后作为焊丝药芯，以纯铜带作为焊丝外皮，在焊丝自动成型机上制成药芯焊丝，药芯焊丝粉末的填充率控制在23wt.％；
步骤2：对Q235低碳钢基板进行机械清理，除去表面氧化皮，然后用无水乙醇充分清洗，除去表面油污，晾干后放入真空箱式炉中预热，预热温度为250℃；
步骤3：用无水乙醇对步骤1制得的药芯焊丝进行表面清理，除去焊丝表面的灰尘、油污等杂质，并在120℃下烘干；
步骤4：采用药芯焊丝气体保护焊(FCAW)技术在低碳钢基板表面进行单层电弧熔覆，直至熔覆层铺满整个基板，工艺参数为：焊接电流220A，焊接电压24V，熔覆速度0.25m/min，摆弧宽度2.5mm，摆弧频率3.9Hz，保护气体为体积分数为99％的纯氩气，焊丝伸出长度10mm；
步骤5：将熔覆完成后的铜-钢复合板放置在真空箱式炉中进行热处理，热处理温度为350℃，保温时间2.5h，空冷；之后进行表面处理，使得熔覆层的表面粗糙度为Ra 6.4，以达到实际使用要求。
实施例2中采用一种陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝对低碳钢进行表面改性的方法制备的铜基熔覆层，其与钢结合界面的微观组织如图1所示，可见铜与钢发生了充分的冶金结合。经力学性能测试，熔覆层平均硬度为166.2HV0.1，并且焊接过程中熔覆层成型性好，无裂纹及夹渣等缺陷。
实施例3
步骤1：按照如下配比称取药芯粉末：镍粉40％，钛粉4％，硼粉4％，铬粉6％，碳化硅10％，其余为铜，以上组分质量百分比之和为100％。
将上述金属粉末和陶瓷粉末充分混合后作为焊丝药芯，以纯铜带作为焊丝外皮，在焊丝自动成型机上制成药芯焊丝，药芯焊丝粉末的填充率控制在24wt.％；
步骤2：对Q235低碳钢基板进行机械清理，除去表面氧化皮，然后用无水乙醇充分清洗，除去表面油污，晾干后放入真空箱式炉中预热，预热温度为250℃；
步骤3：用无水乙醇对步骤1制得的药芯焊丝进行表面清理，除去焊丝表面的灰尘、油污等杂质，并在120℃下烘干；
步骤4：采用药芯焊丝气体保护焊(FCAW)技术在低碳钢基板表面进行单层电弧熔覆，直至熔覆层铺满整个基板，工艺参数为：焊接电流230A，焊接电压25V，熔覆速度0.3m/min，摆弧宽度2.6mm，摆弧频率4Hz，保护气体为体积分数为99％的纯氩气，焊丝伸出长度10mm；
步骤5：将熔覆完成后的铜-钢复合板放置在真空箱式炉中进行热处理，热处理温度为380℃，保温时间3h，空冷；之后进行表面处理，使得熔覆层的表面粗糙度为Ra 6.4，以达到实际使用要求。
实施例3中采用一种陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝对低碳钢进行表面改性的方法制备的铜基熔覆层，经力学性能测试，熔覆层平均硬度为172.8HV0.1，并且焊接过程中熔覆层成型性好，无裂纹及夹渣等缺陷。
实施例4
步骤1：按照如下配比称取药芯粉末：镍粉40％，钛粉4％，硼粉4％，铬粉6％，碳化硅12％，其余为铜，以上组分质量百分比之和为100％。
将上述金属粉末和陶瓷粉末充分混合后作为焊丝药芯，以纯铜带作为焊丝外皮，在焊丝自动成型机上制成药芯焊丝，药芯焊丝粉末的填充率控制在25wt.％；
步骤2：对Q235低碳钢基板进行机械清理，除去表面氧化皮，然后用无水乙醇充分清洗，除去表面油污，晾干后放入真空箱式炉中预热，预热温度为250℃；
步骤3：用无水乙醇对步骤1制得的药芯焊丝进行表面清理，除去焊丝表面的灰尘、油污等杂质，并在120℃下烘干；
步骤4：采用药芯焊丝气体保护焊(FCAW)技术在低碳钢基板表面进行单层电弧熔覆，直至熔覆层铺满整个基板，工艺参数为：焊接电流240A，焊接电压25V，熔覆速度0.35m/min，摆弧宽度2.7mm，摆弧频率4.1Hz，保护气体为体积分数为99％的纯氩气，焊丝伸出长度10mm；
步骤5：将熔覆完成后的铜-钢复合板放置在真空箱式炉中进行热处理，热处理温度为350℃，保温时间2h，空冷；之后进行表面处理，使得熔覆层的表面粗糙度为Ra 6.4，以达到实际使用要求。
实施例4中采用一种陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝对低碳钢进行表面改性的方法制备的铜基熔覆层，经力学性能测试，熔覆层平均硬度为180.5HV0.1，并且焊接过程中熔覆层成型性好，无裂纹及夹渣等缺陷。
实施例5
步骤1：按照如下配比称取药芯粉末：镍粉40％，钛粉4％，硼粉4％，铬粉6％，碳化硅15％，其余为铜，以上组分质量百分比之和为100％。
将上述金属粉末和陶瓷粉末充分混合后作为焊丝药芯，以纯铜带作为焊丝外皮，在焊丝自动成型机上制成药芯焊丝，药芯焊丝粉末的填充率控制在26wt.％；
步骤2：对Q235低碳钢基板进行机械清理，除去表面氧化皮，然后用无水乙醇充分清洗，除去表面油污，晾干后放入真空箱式炉中预热，预热温度为250℃；
步骤3：用无水乙醇对步骤1制得的药芯焊丝进行表面清理，除去焊丝表面的灰尘、油污等杂质，并在120℃下烘干；
步骤4：采用药芯焊丝气体保护焊(FCAW)技术在低碳钢基板表面进行单层电弧熔覆，直至熔覆层铺满整个基板，工艺参数为：焊接电流230A，焊接电压26V，熔覆速度0.4m/min，摆弧宽度2.8mm，摆弧频率4.2Hz，保护气体为体积分数为99％的纯氩气，焊丝伸出长度10mm；
步骤5：将熔覆完成后的铜-钢复合板放置在真空箱式炉中进行热处理，热处理温度为380℃，保温时间3h，空冷；之后进行表面处理，使得熔覆层的表面粗糙度为Ra 6.4，以达到实际使用要求。
实施例5中采用一种陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝对低碳钢进行表面改性的方法制备的铜基熔覆层，经力学性能测试，熔覆层平均硬度为184.1HV0.1，并且焊接过程中熔覆层成型性好，无裂纹及夹渣等缺陷。
Claims (8)
1.一种陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝，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：镍粉35％～45％，钛粉2％～6％，硼粉2％～6％，铬粉4％～8％，碳化硅5％～15％，其余为铜，以上组分质量百分比之和为100％；
药芯的填充率控制在22wt.％-26wt.％；焊皮为纯铜带。
2.一种使用陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝对低碳钢进行表面改性的方法，其特征在于，具体操作步骤如下：
步骤1：根据所需要的配比按质量百分比分别称取药芯粉末：镍粉35％～45％，钛粉2％～6％，硼粉2％～6％，铬粉4％～8％，碳化硅5％～15％，其余为铜，以上组分质量百分比之和为100％；
将上述镍粉、钛粉、硼粉、铬粉、碳化硅及铜粉充分混合后作为焊丝药芯，以纯铜带作为焊丝外皮，在焊丝自动成型机上制成药芯焊丝；
步骤1中，制备的药芯焊丝的药芯填充率控制在22wt.％-26wt.％；
步骤2：对低碳钢基板进行机械清理，除去表面氧化皮，然后用无水乙醇充分清洗，除去表面油污，晾干后放入真空箱式炉中预热；
步骤3：用无水乙醇对步骤1制得的药芯焊丝进行表面清理并烘干；
步骤4：采用药芯焊丝气体保护焊技术在低碳钢基板表面进行单层电弧熔覆，直至熔覆层铺满整个基板，得到熔覆完成后的铜-钢复合板；
步骤5：对熔覆完成后的铜-钢复合板进行热处理和表面处理，以达到实际使用要求。
3.根据权利要求2所述的一种使用陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝对低碳钢进行表面改性的方法，其特征在于，步骤2中低碳钢材料选用Q235板材。
4.根据权利要求2所述的一种使用陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝对低碳钢进行表面改性的方法，其特征在于，步骤2中，低碳钢基板的预热温度为200℃～300℃。
5.根据权利要求2所述的一种使用陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝对低碳钢进行表面改性的方法，其特征在于，步骤3中，药芯焊丝的烘干温度为100℃～150℃。
6.根据权利要求2所述的一种使用陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝对低碳钢进行表面改性的方法，其特征在于，步骤4中，电弧熔覆工艺参数为：焊接电流210A～240A，焊接电压23V～26V，熔覆速度0.2m/min～0.4m/min，摆弧宽度2.4mm～2.8mm，摆弧频率3.8Hz～4.2Hz，保护气体为体积分数为99％的纯氩气，焊丝伸出长度10mm～15mm。
7.根据权利要求2所述的一种使用陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝对低碳钢进行表面改性的方法，其特征在于，步骤5中，热处理的参数具体为：热处理温度为320℃～380℃，保温时间2h～3h，空冷。
8.根据权利要求2所述的一种使用陶瓷颗粒增强Cu基药芯焊丝对低碳钢进行表面改性的方法，其特征在于，步骤5中，表面处理为：对热处理后的熔覆完成后的铜-钢复合板表面进行磨削，表面处理后熔覆层的粗糙度为Ra 3.2～Ra 6.4。
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