CN114346516A - 增强低碳钢表面性能的药芯焊丝及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的增强低碳钢表面性能的药芯焊丝，包括药芯和焊皮,药芯按质量百分比由以下组分组成：CeO2粉：1～2％；WC粉：12～15％；Ni粉：20％～22％；Si粉：1％～2％；Mn粉：1～2％；Fe粉：2～4％；Cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％。该焊丝用于在提高铜/钢复合材料的耐磨性和硬度的同时，提高其断裂韧性。本发明还公开的增强低碳钢表面性能的方法。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种增强低碳钢表面性能的药芯焊丝，还涉及一种增强低碳钢表面性能的药芯焊丝的方法。
背景技术
在航空工业和兵器制造业快速发展的背景下，零件所受的载荷也越来越大，如重型工程车、装甲车轴处，要承受很大的载荷产生严重的摩擦磨损，在这种低转速、重载荷的情况下，所以采用滑动轴承代替滚动轴承。通常情况下，选择具有良好导热性、摩擦系数小的铜合金作为滑动轴承的轴套，轴套一般采用铜/钢复合材料，材料内部为铜，铜合金附着于钢表面。
而熔覆在钢表面的铜合金本身硬度、耐磨性较差，容易在大的载荷下变形，致零件的失效。另外，在滑动轴承在反复使用过程中会导致疲劳剥落，一旦产生裂纹，裂纹扩散速度较快，容易使得熔覆层脱落，增加了零件的维修成本，陶瓷增强相WC具有很高的硬度和耐磨性，但由于其硬度过高，，稀土CeO2会抑制W2C脆性相的形成以及抑制晶粒的长大，两者相结合可以同时得到较高的硬度和耐磨性、以及结合强度；其次在熔覆结束后，利用激光冲击技术对熔覆层晶粒进行改善，从而提高其表面强度。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种增强低碳钢表面性能的药芯焊丝，该焊丝用于在提高铜/钢复合材料的耐磨性和硬度的同时，提高其断裂韧性。
本发明的第二个目的是提供一种增强低碳钢表面性能的方法。
本发明所采用的第一个技术方案是，增强低碳钢表面性能的药芯焊丝，包括药芯和焊皮,药芯按质量百分比由以下组分组成：CeO2粉：1～2％；WC粉：12～15％；Ni粉：20％～22％；Si粉：1％～2％；Mn粉：1～2％；Fe粉：2～4％；Cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
焊皮为T2纯铜带。
药芯焊丝中药芯粉末的填充率为30wt.％-32wt.％；药芯焊丝的直径为1.42～1.60mm。
本发明所采用的第二个技术方案是，增强低碳钢表面性能的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：按质量百分比分别称取以下粉末：CeO2粉：1～2％；WC粉：12～15％；Ni粉：20％～22％；Si粉：1％～2％；Mn粉：1～2％；Fe粉：2～4％；Cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将上述称取好的粉末作为药芯，以T2纯铜带作为焊丝外皮，通过拉丝机制成所需的焊丝，焊丝制备完成后存放在恒温箱中，温度为17～20℃；
步骤3：采用机械清理的方法处理低碳钢表面杂质，然后进行预热处理；
步骤4：设计电弧熔覆工艺，利用步骤2制备的药芯焊丝进行低碳钢板材表面的熔覆层制备；
步骤5：待步骤4中的试样冷却至室温，用机械清理的方式打磨平整；
步骤6：对步骤5中的熔覆层上放上铝箔，表面进行激光冲击处理。
本发明的特征还在于，
步骤3中的预热处理温度为260～300℃。
步骤4中具体的熔覆工艺参数为：采用TIG焊作为熔覆方法，熔覆电压为20～25V，熔覆电流为140～160A，保护气体采用体积分数为99.99％的氩气，气体流量为10～15L/min。
步骤6中的激光冲击处理的具体参数为：工作气体：Ar气，功率：3.4～3.5kW，光斑直径：3mm，扫描速率200mm/min，激光束能量：5J；脉宽：10ns，吸收层厚度0.1mm，搭接率：45％～50％。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的药芯焊丝采用稀土CeO2作为提高铜熔覆层断裂韧性的主要成分，在熔覆过程由于Ce2+趋向于吸附在晶界表面导致晶界的表面能降低，抑制晶粒生长，被吸附的离子在晶界处发挥钉扎作用，提高熔覆层的断裂韧度；同时WC作为陶瓷相，可以提高熔覆层的强度和耐磨性。
(2)本发明中的药芯焊丝可用于各类低碳钢，根据具体的低碳钢可以对成分具体调整，适应范围广。
(3)本发明的药芯焊丝在焊接过程中产生的飞溅和夹渣少，可以得到宏观形貌优良的焊接接头。
(4)本发明方法采用激光冲击的方法对熔覆层进行强化，对熔覆层的硬度、耐磨性都有所提高。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的铜-钢结合界面的显微组织图。
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。
本发明提供一种增强低碳钢表面性能的药芯焊丝，包括药芯和焊皮,药芯按质量百分比由以下组分组成：CeO2粉：1～2％；WC粉：12～15％；Ni粉：20％～22％；Si粉：1％～2％；Mn粉：1～2％；Fe粉：2～4％；Cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％。
焊皮为T2纯铜带。
药芯焊丝中药芯粉末的填充率为30wt.％-32wt.％；药芯焊丝的直径为1.42～1.60mm。
本发明还提供一种增强低碳钢表面性能的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：按质量百分比分别称取以下粉末：CeO2粉：1～2％；WC粉：12～15％；Ni粉：20％～22％；Si粉：1％～2％；Mn粉：1～2％；Fe粉：2～4％；Cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将上述称取好的粉末作为药芯，以T2纯铜带作为焊丝外皮，通过拉丝机制成所需的焊丝，焊丝制备完成后存放在恒温箱中，温度为17～20℃；
步骤2中药芯焊丝的制备选择机械拉拔的方式；其中，药芯焊丝焊皮选用规格为7×0.2mm的T2铜带。
步骤3：采用机械清理的方法处理低碳钢表面杂质，然后进行预热处理；
步骤3中的低碳钢为Q235、Q345或20Mn，本发明实施例采用Q235进行工艺探索试验，规格为100mm×100mm×15mm。步骤3中的预热处理温度为260～300℃。
步骤4：设计电弧熔覆工艺，利用步骤2制备的药芯焊丝进行低碳钢板材表面的熔覆层制备；
步骤4中具体的熔覆工艺参数为：采用TIG焊作为熔覆方法，熔覆电压为20～25V，熔覆电流为140～160A，保护气体采用体积分数为99.99％的氩气，气体流量为10～15L/min。
步骤5：待步骤4中的试样冷却至室温，用机械清理的方式打磨平整，并用砂纸对熔覆层进行精磨；
步骤6：对步骤5中的熔覆层上放上铝箔，表面进行激光冲击处理。
步骤6中的激光冲击处理的具体参数为：工作气体：Ar气，功率：3.4～3.5kW，光斑直径：3mm，扫描速率200mm/min，激光束能量：5J；脉宽：10ns，吸收层厚度0.1mm，搭接率：45％～50％。
实施例1
步骤1：药芯焊丝的制备，按质量百分比分别称取粉末：CeO2粉：1.0％；WC粉：12％；Ni粉：20％；Si粉：1.5％；Mn粉：1％；Fe粉：2％；Cu粉：62.5％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将上述称取好的粉末作为药芯，以纯铜带作为焊丝外皮通过拉丝机制成所需的焊丝，制备好的焊丝存放在恒温箱中；药芯焊丝的直径为1.6mm；步骤2中药芯焊丝的制备选择机械拉拔的方式；其中，药芯焊丝焊皮选用规格为7×0.2mm的T2铜带。
步骤3：采用机械清理的方法处理低碳钢表面，去除表面杂质，然后进行预热处理，预热处理的温度为260℃；采用Q235进行工艺探索试验，规格为100mm×100mm×15mm。
步骤4：设计熔覆工艺，利用步骤2制备的药芯焊丝进行低碳钢表面的熔覆层制备；采用GTAW为熔覆方法，其中熔覆电压为20V，熔覆电流为140A，保护气体采用体积分数为99.99％的氩气，气体流量为15L/min。
步骤5：待步骤4中的试样冷却至室温，用机械清理的方式打磨平整，并用砂纸精磨熔覆层。
步骤6：对步骤5中的熔覆层上放上铝箔，表面进行激光冲击处理。激光冲击具体参数为，工作气体：Ar气，功率：3.4kW，光斑直径：3mm，扫描速率200mm/min，激光束能量：5J；脉宽：10ns，吸收层厚度0.1mm，搭接率：50％。
实施例1中采用一种增强低碳钢表面性能的方法制备的铜基熔覆层，经磨擦磨损试验，平均摩擦系数为0.492，具有良好的耐磨性；断裂韧性为较未添加CeO2的熔覆材料提高了23.15％，如图1所示，图中的铜侧靠近熔合线附近组织分布均匀，可以看到界面没有裂纹等缺陷，得到界面结合良好的熔覆层试样。
实施例2
步骤1：药芯焊丝的制备，按质量百分比分别称取粉末：CeO2粉：1.2％；WC粉：12％；Ni粉：20％；Si粉：1.5％；Mn粉：1％；Fe粉：2％；Cu粉：62.3％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将上述称取好的粉末作为药芯，以纯铜带作为焊丝外皮通过拉丝机制成所需的焊丝，制备好的焊丝存放在恒温箱中；药芯焊丝的直径为1.6mm；步骤2中药芯焊丝的制备选择机械拉拔的方式；其中，药芯焊丝焊皮选用规格为7×0.2mm的T2铜带。药芯焊丝中药芯粉末的填充率为30wt.％；
步骤3：采用机械清理的方法处理低碳钢表面，去除表面杂质，然后进行预热处理，预热处理的温度为260℃；采用Q235进行工艺探索试验，规格为100mm×100mm×15mm。
步骤4：设计熔覆工艺，利用步骤2制备的药芯焊丝进行低碳钢表面的熔覆层制备；采用GTAW为熔覆方法，其中熔覆电压为20V，熔覆电流为150A，保护气体采用体积分数为99.99％的氩气，气体流量为15L/min。
步骤5：待步骤4中的试样冷却至室温，用机械清理的方式打磨平整，并用砂纸精磨熔覆层。
步骤6：对步骤5中的熔覆层上放上铝箔，表面进行激光冲击处理。激光冲击具体参数为，工作气体：Ar气，功率：3.4kW，光斑直径：3mm，扫描速率200mm/min，激光束能量：5J；脉宽：10ns，吸收层厚度0.1mm，搭接率：50％。
实施例2中采用一种增强低碳钢表面性能的方法制备的铜基熔覆层，经磨擦磨损试验，平均摩擦系数为0.562，具有良好的耐磨性；断裂韧性为较未添加CeO2的熔覆材料提高了25.20％。
实施例3
步骤1：药芯焊丝的制备，按质量百分比分别称取粉末粉末：CeO2粉：1.4％；WC粉：12％；Ni粉：20％；Si粉：1.5％；Mn粉：1％；Fe粉：2％；Cu粉：62.1％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将上述称取好的粉末粉末作为药芯，以纯铜带作为焊丝外皮通过拉丝机制成所需的焊丝，制备好的焊丝存放在恒温箱中；药芯焊丝的直径为1.6mm；步骤2中药芯焊丝的制备选择机械拉拔的方式；其中，药芯焊丝焊皮选用规格为7×0.2mm的T2铜带。药芯焊丝中药芯粉末的填充率为32wt.％；
步骤3：采用机械清理的方法处理低碳钢表面，去除表面杂质，然后进行预热处理，预热处理的温度为260℃；采用Q235进行工艺探索试验，规格为100mm×100mm×15mm。
步骤4：设计熔覆工艺，利用步骤2制备的药芯焊丝进行低碳钢表面的熔覆层制备；采用GTAW为熔覆方法，其中熔覆电压为20V，熔覆电流为160A，保护气体采用体积分数为99.99％的氩气，气体流量为10L/min。
步骤5：待步骤4中的试样冷却至室温，用机械清理的方式打磨平整，并用砂纸精磨熔覆层。
步骤6：对步骤5中的熔覆层上放上铝箔，表面进行激光冲击处理。激光冲击具体参数为，工作气体：Ar气，功率：3.5kW，光斑直径：3mm，扫描速率200mm/min，激光束能量：5J；脉宽：10ns，吸收层厚度0.1mm，搭接率：45％。
实施例3中采用一种增强低碳钢表面性能的方法制备的铜基熔覆层，经磨擦磨损试验，平均摩擦系数为0.492，具有良好的耐磨性；断裂韧性为较未添加CeO2的熔覆材料提高了25.8％。
实施例4
步骤1：药芯焊丝的制备，按质量百分比分别称取粉末粉末：CeO2粉：1.6％；WC粉：10％；Ni粉：20％；Si粉：1.5％；Mn粉：1％；Fe粉：2％；Cu粉：60.9％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将上述称取好的粉末粉末作为药芯，以纯铜带作为焊丝外皮通过拉丝机制成所需的焊丝，制备好的焊丝存放在恒温箱中；药芯焊丝的直径为1.6mm；步骤2中药芯焊丝的制备选择机械拉拔的方式；其中，药芯焊丝焊皮选用规格为7×0.2mm的T2铜带。药芯焊丝中药芯粉末的填充率为31wt.％；
步骤3：采用机械清理的方法处理低碳钢表面，去除表面杂质，然后进行预热处理，预热处理的温度为260℃；采用Q235进行工艺探索试验，规格为100mm×100mm×15mm。
步骤4：设计熔覆工艺，利用步骤2制备的药芯焊丝进行低碳钢表面的熔覆层制备；采用GTAW为熔覆方法，其中熔覆电压为22V，熔覆电流为150A，保护气体采用体积分数为99.99％的氩气，气体流量为12L/min。
步骤5：待步骤4中的试样冷却至室温，用机械清理的方式打磨平整，并用砂纸精磨熔覆层。
步骤6：对步骤5中的熔覆层上放上铝箔，表面进行激光冲击处理。激光冲击具体参数为，工作气体：Ar气，功率：3.4kW，光斑直径：3mm，扫描速率200mm/min，激光束能量：5J；脉宽：10ns，吸收层厚度0.1mm，搭接率：48％。
实施例4中采用一种增强低碳钢表面性能的方法制备的铜基熔覆层，经磨擦磨损试验，平均摩擦系数为0.492，具有良好的耐磨性；断裂韧性为较未添加CeO2的熔覆材料提高了21.20％。
实施例5
步骤1：药芯焊丝的制备，按质量百分比分别称取粉末粉末：CeO2粉：1.8％；WC粉：12％；Ni粉：20％；Si粉：1.5％；Mn粉：1％；Fe粉：2％；Cu粉：60.7％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将上述称取好的粉末作为药芯，以纯铜带作为焊丝外皮通过拉丝机制成所需的焊丝，制备好的焊丝存放在恒温箱中；药芯焊丝的直径为1.42mm；步骤2中药芯焊丝的制备选择机械拉拔的方式；其中，药芯焊丝焊皮选用规格为7×0.2mm的T2铜带。药芯焊丝中药芯粉末的填充率为30wt.％；
步骤3：采用机械清理的方法处理低碳钢表面，去除表面杂质，然后进行预热处理，预热处理的温度为300℃；采用Q235进行工艺探索试验，规格为100mm×100mm×15mm。
步骤4：设计熔覆工艺，利用步骤2制备的药芯焊丝进行低碳钢表面的熔覆层制备；采用GTAW为熔覆方法，其中熔覆电压为20V，熔覆电流为180A，保护气体采用体积分数为99.99％的氩气，气体流量为15L/min。
步骤5：待步骤4中的试样冷却至室温，用机械清理的方式打磨平整，并用砂纸精磨熔覆层。
步骤6：对步骤5中的熔覆层上放上铝箔，表面进行激光冲击处理。激光冲击具体参数为，工作气体：Ar气，功率：3.4kW，光斑直径：3mm，扫描速率200mm/min，激光束能量：5J；脉宽：10ns，吸收层厚度0.1mm，搭接率：50％。
实施例5中采用一种增强低碳钢表面性能的方法制备的铜基熔覆层，经磨擦磨损试验，平均摩擦系数为0.541，具有良好的耐磨性；断裂韧性为较未添加CeO2的熔覆材料提高了19.5％。
Claims (7)
1.增强低碳钢表面性能的药芯焊丝，其特征在于，包括药芯和焊皮,药芯按质量百分比由以下组分组成：CeO2粉：1～2％；WC粉：12～15％；Ni粉：20％～22％；Si粉：1％～2％；Mn粉：1～2％；Fe粉：2～4％；Cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的增强低碳钢表面性能的药芯焊丝，其特征在于，焊皮为T2纯铜带。
3.根据权利要求1所述的可增强铜/钢界面结合强度的药芯焊丝，其特征在于，药芯焊丝中药芯粉末的填充率为30wt.％-32wt.％；药芯焊丝的直径为1.42～1.60mm。
4.增强低碳钢表面性能的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：按质量百分比分别称取以下粉末：CeO2粉：1～2％；WC粉：12～15％；Ni粉：20％～22％；Si粉：1％～2％；Mn粉：1～2％；Fe粉：2～4％；Cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将上述称取好的粉末作为药芯，以T2纯铜带作为焊丝外皮，通过拉丝机制成所需的焊丝，焊丝制备完成后存放在恒温箱中，温度为17～20℃；
步骤3：采用机械清理的方法处理低碳钢表面杂质，然后进行预热处理；
步骤4：设计电弧熔覆工艺，利用步骤2制备的药芯焊丝进行低碳钢板材表面的熔覆层制备；
步骤5：待步骤4中的试样冷却至室温，用机械清理的方式打磨平整；
步骤6：对步骤5中的熔覆层上放上铝箔，表面进行激光冲击处理。
5.根据权利要求3所述的增强低碳钢表面性能的方法，其特征在于，步骤3中的预热处理温度为260～300℃。
6.根据权利要求3所述的增强低碳钢表面性能的方法，其特征在于，步骤4中具体的熔覆工艺参数为：采用TIG焊作为熔覆方法，熔覆电压为20～25V，熔覆电流为140～160A，保护气体采用体积分数为99.99％的氩气，气体流量为10～15L/min。
7.根据权利要求3所述的增强低碳钢表面性能的方法，其特征在于，步骤6中的激光冲击处理的具体参数为：工作气体：Ar气，功率：3.4～3.5kW，光斑直径：3mm，扫描速率200mm/min，激光束能量：5J；脉宽：10ns，吸收层厚度0.1mm，搭接率：45％～50％。
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Legal Events
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