CN115740838B - 一种堆焊高硼合金的复合粉粒及应用方法 - Google Patents
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Abstract
一种堆焊高硼合金的复合粉粒，采用粉末组分过筛称量、粉末干混、添加水玻璃湿混、湿粉体旋转造粒、低温烧结、筛分选粒的步骤而制成粒度7目～10目的复合粉粒；焊前将复合粉粒预置于焊道，以直径Φ2.5mm的H08A实心焊丝作为电弧载体，采用直流电源反接法进行自保护明弧堆焊，使复合粉粒熔体和实心焊丝熔滴熔合为一体化堆焊熔池，凝固形成包含显微硬度均值1781HV的初生Mo2FeB2相的高硼合金。该合金中由初生方块状Mo2FeB2相和块状Fe2B相组成的主耐磨相的体积分数可达70％，合金层的显微硬度可达1436HV。该复合粉粒可应用于耐高温低应力磨粒磨损工况的零部件堆焊耐磨合金层，如冶金厂排尘风机叶片表层的耐磨合金。
Description
技术领域
本发明属于耐磨堆焊技术领域，具体涉及一种堆焊高硼合金的复合粉粒及其应用方法。
背景技术
堆焊耐磨合金主要有两种形式：高铬和高硼合金，其中高硼合金兼具较好的耐磨性和经济性，适宜用作低应力磨粒磨损工况下的耐磨材料。在高硼合金，主要起增强合金耐磨性作用的物相有：Fe2B和 FeB。其中，FeB相析出所需硼含量高，多析出于渗硼层，堆焊与铸造高硼合金难以析出，原因在于这两种合金可达到的硼含量有限。此外，以堆焊和铸造形式制备的高硼合金热应力往往偏大，较易开裂而使耐磨件过早失效。
与高铬合金只有(Fe,Cr)7C3、(Fe,Cr)23C6型碳化物等耐磨相相比，高硼合金除了析出复合M2B型硼化物，其中M为包括Cr、Mn、V等过渡簇金属元素，还可以形成M3B2、M5B3等新型硼化物相而改善合金耐磨性，其中M为如Mo、W和V等过渡簇合金元素。通常，这些M3B2、M5B3相可作为陶瓷涂层的高温强化相，用于增强硼合金的耐热性而改善其耐磨粒磨损性，这是M2B相所不具有的突出特点。
然而，目前M3B2、M5B3等新型硼化物增强的陶瓷或者耐磨涂层多以粉末烧结方式为主。药芯焊丝堆焊制备上述新型硼化物增强的高硼合金极度偏少；粉块堆焊虽然可以制备上述硼化物，多用碳极熔敷，电弧燃烧稳定性差，这使包含大量合金粉末的粉块熔化往往不充分，焊缝成型差，残渣多，焊后需要清理工作量大。不仅如此，粉块碳极堆焊的粉料利用率偏低，合金组分浪费较多。况且，钼铁、钨铁等合金组分价格昂贵，制备成本和材料消耗均高。
发明内容
本发明的目的之一在于针对目前高硼堆焊材料存在的上述缺陷，提供一种堆焊高硼合金的复合粉粒。
本发明上述目的通过下述技术方案实现：一种堆焊高硼合金的复合粉粒，采用粉末组分过筛称量、干混、添加水玻璃湿混、湿粉体旋转造粒、低温烧结、筛分选粒的步骤而制成粒度7目～10目的复合粉粒；
所述复合粉粒所含粉末组分的重量百分含量分别为：40～50％的含钼量50％的钼铁(FeMo50-A)；14～15％的碳化硼含量99％以上的碳化硼(B4C)；3～5％的含硅量40～47％的硅铁(FeSi45-A)；1.5～3％的含钛量为68～72％的钛铁(FeTi70-A)；3～4.5％的含铝量不低于99％的铝粉(Al)；余量为含铁量不低于98％的还原铁粉(Fe)。
进一步，复合粉粒所含粉末组分中的钼铁、碳化硼、硅铁、钛铁、还原铁粉的粉末过60目筛，铝粉过300目筛后称量。
进一步，向混合粉末添加的水玻璃为波美度30～40和模数3.0～ 3.3的硅酸钠型水玻璃。
进一步，硅酸钠型水玻璃以15～20ml水玻璃/100g混合粉末的方式添加入混合粉末进行湿混。
进一步，复合粉粒在250～300℃低温烧结并保温3～4小时后出炉。
本发明目的之二在于提供上述堆焊高硼合金的复合粉粒的应用方法，即：焊前将复合粉粒预置于焊道，以直径Φ2.5mm的H08A实心焊丝作为电弧载体，采用直流电源反接法进行自保护明弧堆焊，使复合粉粒熔体和实心焊丝熔滴熔合为一体化堆焊熔池，凝固形成包含显微硬度均值1781HV的初生Mo2FeB2相的高硼合金；所述高硼合金的填粉率(填粉率＝复合粉粒重量/(复合粉粒重量+H08A实心焊丝熔化重量))为0.45～0.47。
进一步，堆焊电流控制值为400～410A，小车行走速度16～17m/h。
本发明的一种堆焊高硼合金的复合粉粒及其应用方法，所制备高硼合金的主耐磨相包含初生方块状Mo2FeB2相和块状Fe2B相。该高硼合金组织为典型的过共晶结构，可应用于耐高温低应力磨粒磨损工况的零部件堆焊耐磨合金，如冶金厂排尘风机叶片表层的耐磨合金。
与现有技术相比，本发明具有如下创新点和有益效果：
(1)主耐磨相包含初生Mo2FeB2相：目前的研究结果表明， Mo2FeB2相在粉末冶金制备的硼合金和铸造高温含硼合金文献涉及较多，但均为2μm以下的小颗粒的二次析出强化相。对六边形块状 Mo2FeB2相的显微硬度测试显示其均值1781HV，高于一般高硼合金的初生(Fe,Cr)2B相显微硬度值900～1300HV。该型化合物是在堆焊条件下快速制备而成，而非铸造成型和粉末冶金成型。与之相比，复合粉粒堆焊制备工艺更为简单且快速，提供了一种制备初生Mo2FeB2相的新方法。
(2)初生Mo2FeB2相的尺寸大：从背散射电子扫描图显示块状 Mo2FeB2相呈白色，尺寸10～50μm，比一般高温合金2μm以下的 Mo2FeB2强化相要大得多；其中，Fe2B相呈灰色，与一般高硼合金的初生Fe2B相类似；尺寸较大的初生Mo2FeB2相可确保该高硼合金具有较为优异的耐磨性。
(3)主耐磨相包括初生Mo2FeB2相和初生Fe2B相：与传统高硼合金的主耐磨相仅有(Fe,Cr)2B相所不同的是，该高硼合金包括初生 Mo2FeB2相和初生Fe2B相，两者组成的主耐磨相体积分数可达70％以上，其中初生Mo2FeB2相的体积分数可达30％以上，明显高于已知粉块堆焊合金的高硼合金所制备该相20％左右的体积分数；初生 Mo2FeB2相和初生Fe2B相形成双主耐磨相强化的高硼合金，这使之具有优良的耐磨性。
(4)高硼合金层的显微硬度高：对堆焊高硼合金层的显微硬度显示其第二层的显微硬度均值可达1436HV，大于只加入少量钼铁的同类高硼合金的1302HV，整个合金的显微硬度得到明显的提升，已经可达到硬质合金YG8的水准，但材料成本与之相比明显要低，且制备速度快。
(5)该复合粉粒堆焊焊缝平整度高：与高铬合金不同的是，该高硼合金堆焊熔体的流动性较好，自保护明弧堆焊，可顺利获得表面平整度高的堆焊焊缝，焊后打磨工作量减小。
附图说明
图1为本发明实施例1所示复合粉粒堆焊合金的组织形态图。
图2为图1所示复合粉粒堆焊高硼合金的相组成图。
图3为对比例1所示复合粉粒堆焊高硼合金的组织形态图。
图4为图3所示复合粉粒堆焊高硼合金的相组成图。
图5为图1和图3所示实施例1和对比例1的复合粉粒堆焊高硼合金层的显微硬度分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
本发明的一种堆焊高硼合金的复合粉粒，采用粉末组分过筛称量、干混、添加水玻璃湿混、湿粉体旋转造粒、低温烧结、筛分选粒的步骤而制成粒度7目～10目的复合粉粒；焊前将复合粉粒预置于焊道，以直径Φ2.5mm的H08A实心焊丝作为电弧载体，采用直流电源反接法进行自保护明弧堆焊，使复合粉粒熔体和实心焊丝熔滴熔合为一体化堆焊熔池，凝固形成包含显微硬度1781HV的初生Mo2FeB2相的高硼合金；
所述复合粉粒所含粉末组分的重量百分含量分别为：40～50％的含钼量50％的钼铁(FeMo50-A)；14～15％的碳化硼含量99％以上的碳化硼(B4C)；3～5％的含硅量40～47％的硅铁(FeSi45-A)；1.5～3％的含钛量为68～72％的钛铁(FeTi70-A)；3～4.5％的含铝量不低于99％的铝粉(Al)；余量为含铁量不低于98％的还原铁粉(Fe)；
在称量混合粉末组分之前，先将钼铁、碳化硼、硅铁、钛铁、还原铁粉等粉末组分过60目筛，铝粉过300目筛；然后按照复合粉粒的组成配比进行称量，随后将所有称量好的粉末组分放入同一容器内，充分搅拌，以使之均匀混合，形成混合粉末。
接着，以每次5ml硅酸钠型水玻璃的方式，向上述混合粉末中添加波美度30～40和模数3.0～3.3的硅酸钠型水玻璃，不断搅拌，使水玻璃和混合粉末均匀浸润，直至每100g混合粉末添加15～20ml硅酸钠型水玻璃，静置10～15分钟，形成水玻璃浸润均匀的湿粉体；然后以3～5转/秒的转动容器，使该湿粉体中各种粉末粘合为复合粉粒。同时，捣碎大的颗粒，随后不断转动容器，直至粉粒尺寸基本一致，形态类似球形。
继续，将盛有湿复合粉粒的容器放入烧结炉中升温至250～300℃，保温3～4小时后出炉。将出炉后的复合粉粒过7目筛，去除大于7 目的粉粒；再将之过10目筛，去除小于10目的粉粒，最终获得粒度 7目～10目的复合粉粒。
然后，在长度160mm×宽度75mm×厚度16mm的Q235A钢板上，设置自动焊机堆焊工艺参数，并使每次堆焊参数不变；采用直径Φ2.5mm的H08A实心焊丝作为电弧载体；在焊道上，预置上述烧结筛分后的复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，并使之均匀堆放，调控该堆焊合金的填粉率为0.45～0.47。
堆焊之前，将自动焊机ZD5-1000E的接线和极性设置为直流反接，电流设置值为400～410A，电弧电压25～30V，焊丝干伸长25～ 30mm，焊机小车行走速度16～17m/h，每次每层堆焊工艺参数不变。
以复合粉粒和H08A实心焊丝为焊接材料进行自保护明弧堆焊，使该复合粉粒熔体和H08A实心焊丝熔滴熔合为一体化堆焊熔池，待堆焊熔池空冷凝固后形成第一层焊缝；无需清渣，以同样的方式堆焊第二层。
基于此，一种堆焊高硼合金的复合粉粒及其应用方法的设计原理可概括为：先制备粒度7～10目的复合粉粒，然后以该复合粉粒和实心焊丝作为填充材料；不断优化配置复合粉粒配方各种粉末组分及含量，使该高硼复合粉粒堆焊合金析出包括初生Mo2FeB2相和初生Fe2B 相两者组成的主耐磨相、且其体积分数高达70％以上的组织结构的高硼合金。
实施例1
称量之前，先将钼铁、碳化硼、硅铁、钛铁和还原铁粉等粉末组分均过60目筛，铝粉过300目筛。该复合粉粒所含粉末组分的组成配比(重量百分比)为：钼铁40％、碳化硼15％、硅铁5％、钛铁2％、铝粉3％、还原铁粉35％。按上述复合粉粒所含粉末组分的配比要求称取钼铁、碳化硼、硅铁、钛铁、铝粉和还原铁粉等粉末组分；然后将所有称量好的上述粉末组分放入同一容器内，充分搅拌以使之均匀混合，形成混合粉末。
接着，以每次5ml硅酸钠型水玻璃的方式，向上述混合粉末中添加波美度40和模数3.0的硅酸钠型水玻璃，不断搅拌，使水玻璃和混合粉末均匀浸润，直至每100g混合粉末添加20ml硅酸钠型水玻璃，静置12分钟，形成湿粉体；然后将该容器以每秒3～5转的速度转动，使其中各种组分的湿粉末粘合为复合粉粒。同时，捣碎大的颗粒，并不断转动容器，直至所有颗粒尺度基本一致，形态类似球形。
继续，将上述复合粉粒放入烧结炉中升温至280℃，保温3.5小时后出炉。然后，该烧结好的复合粉粒先过7目筛，去除大于7目的大颗粒；再过10目筛，去除小于10目的小颗粒，最终获得粒度7～ 10目的复合粉粒。
最后，在长度160mm×宽度75mm×厚度16mm的Q235A钢板上，采用直径Φ2.5的H08A实心焊丝作为电弧载体；预置上述筛分后的复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，使之均匀堆放以及控制该堆焊合金填粉率为0.46。
堆焊之前，将自动焊机ZD5-1000E的接线和极性设置为直流反接，堆焊工艺参数如表1所示。
表1复合粉粒和实心焊丝埋弧堆焊工艺参数
以该复合粉粒和实心焊丝作为焊接材料进行埋弧焊，使复合粉粒熔体和实心焊丝熔滴熔合为一体化熔池；该熔池冷却凝固形成第一层焊缝，空冷，敲渣；然后以同样的方式堆焊第二层。
将堆焊试样用线切割方法加工制备为57mm×25.5mm×6mm耐磨性试样，HR-150洛氏硬度计测试其表面宏观硬度。
耐磨性试验采用MLS-225B型湿砂橡胶轮式磨损试验机，试验条件如下：橡胶轮直径176mm、硬度为60邵尔，所加砝码重1.5千克，橡胶轮转速240转/分钟，砂浆比例为40～60目1500克石英砂配1000 克自来水。试样先预磨1000转，冲洗干净，吹干，称初重M0，然后正式试验1000转后清洗吹干，称重M1，试样磨损绝对失重量ΔM ＝M0-M1。
以下面对比例1所述的1#堆焊试样作为标准试样，相对磨损系数ε＝标准试样绝对失重量/试样绝对失重量，试验结果见表2。
本实施例1所制备的高硼合金的组织形态(背散射条件下)及相组成分别如图1和图2所示；该实施例1所堆焊的高硼合金层的显微硬度分布曲线如图5所示。
实施例2
称量之前，先将钼铁、碳化硼、硅铁、钛铁和还原铁粉等粉末组分均过60目筛，铝粉过300目筛。该复合粉粒所含粉末组分的组成配比(重量百分比)为：钼铁45％、碳化硼14.5％、硅铁4％、钛铁 1.5％、铝粉4.5％、还原铁粉30.5％。按上述复合粉粒所含粉末组分的配比要求称取钼铁、碳化硼、硅铁、钛铁、铝粉和还原铁粉等粉末组分；然后将所有称量好的上述粉末组分放入同一容器内，充分搅拌以使之均匀混合，形成混合粉末。
接着，以每次5ml硅酸钠型水玻璃的方式，向上述混合粉末中添加波美度35和模数3.2的硅酸钠型水玻璃，不断搅拌，使水玻璃和混合粉末均匀浸润，直至每100g混合粉末添加18ml硅酸钠型水玻璃，静置15分钟，形成湿粉体；然后将该容器以每秒3～5转的速度转动，使其中各种组分的湿粉末粘合为复合粉粒。同时，捣碎大的颗粒，并不断转动容器，直至所有颗粒尺度基本一致，形态类似球形。
继续，将上述复合粉粒放入烧结炉中升温至300℃，保温3小时后出炉。然后，该烧结好的复合粉粒先过7目筛，去除大于7目的大颗粒；再过10目筛，去除小于10目的小颗粒，最终获得粒度7～10 目的复合粉粒。
最后，在长度160mm×宽度75mm×厚度16mm的Q235A钢板上，采用直径Φ2.5的H08A实心焊丝作为电弧载体；预置上述筛分后的复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，使之均匀堆放以及控制该堆焊合金填粉率为0.47。
其余步骤和耐磨性试验内容同实施例1。
实施例3
称量之前，先将钼铁、碳化硼、硅铁、钛铁和还原铁粉等粉末组分均过60目筛，铝粉过300目筛。该复合粉粒所含粉末组分的组成配比(重量百分比)为：钼铁50％、碳化硼15％、硅铁3％、钛铁2％、铝粉4％、还原铁粉26％。按上述复合粉粒所含粉末组分的配比要求称取钼铁、碳化硼、硅铁、钛铁、铝粉和还原铁粉等粉末组分；然后将所有称量好的上述粉末组分放入同一容器内，充分搅拌以使之均匀混合，形成混合粉末。
接着，以每次5ml硅酸钠型水玻璃的方式，向上述混合粉末中添加波美度30和模数3.3的硅酸钠型水玻璃，不断搅拌，使水玻璃和混合粉末均匀浸润，直至每100g混合粉末添加15ml硅酸钠型水玻璃，静置10分钟，形成湿粉体；然后将该容器以每秒3～5转的速度转动，使其中各种组分的湿粉末粘合为复合粉粒。同时，捣碎大的颗粒，并不断转动容器，直至所有颗粒尺度基本一致，形态类似球形。
继续，将上述复合粉粒放入烧结炉中升温至250℃，保温4小时后出炉。然后，该烧结好的复合粉粒先过7目筛，去除大于7目的大颗粒；再过10目筛，去除小于10目的小颗粒，最终获得粒度7～10 目的复合粉粒。
最后，在长度160mm×宽度75mm×厚度16mm的Q235A钢板上，采用直径Φ2.5的H08A实心焊丝作为电弧载体；预置上述筛分后的复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，使之均匀堆放以及控制该堆焊合金填粉率为0.45。
其余步骤和耐磨性试验内容同实施例1。
对比例1
称量之前，先将钼铁、碳化硼、硅铁、钛铁和还原铁粉等粉末组分均过60目筛，铝粉过300目筛。该复合粉粒所含粉末组分的组成配比(质量百分比)为：钼铁14％、碳化硼15％、硅铁4％、钛铁2％、铝粉3％、还原铁粉62％。按上述复合粉粒所含粉末组分的组成配比要求称取钼铁、碳化硼、硅铁、钛铁、铝粉和还原铁粉等粉末组分；然后将所有称量好的上述粉末组分放入同一容器内，充分搅拌以使之混合均匀，形成混合粉末。
其余步骤和耐磨性试验内容同实施例1。
对比例1所制备的高硼合金的组织形态(背散射条件下)及相组成分别如图3和图4所示；对比例1所堆焊的高硼合金层的显微硬度分布曲线如图5所示；以对比例1所制备的高硼合金作为1#对比试样。
从表2可以看出，本发明方法所制备高硼合金的相对磨损系数ε是对比例1的复合粉粒所制备高硼合金的3.23～4.68倍，这说明该发明方法所制备的高硼合金具有优良的耐磨性。
表2对比例1和实施例1所制备合金的耐磨粒磨损性能
通过图1和图2可知，本发明以复合粉粒和H08A实心焊丝作为焊接材料而自保护堆焊高硼合金的组织主要由铁素体、Mo2FeB2相、 Fe2B相、Fe3(B,C)相和(Mo,Ti)C相等组成。由图2还可知，本发明方法所制备的高硼合金包含由Mo2FeB2相和Fe2B相组成的主耐磨相的体积分数可达70％以上，测试结果显示方块状Mo2FeB2相的显微硬度均值为1781HV0.2；块状Fe2B相的显微硬度均值该区域的显微硬度均值为1517HV0.2，显著高于普通高硼合金的对应相的显微硬度；另外，图5显示高硼合金堆焊第二层(受Q235基板成分稀释效率小) 的显微硬度均值达到1436HV，已经达到硬质合金的显微硬度水准。
对比例1在焊道上所预置的复合粉粒除钼铁组分相差较大外，其余组成与实施例1相差不大，堆焊工艺完全相同。由图3和图4可知，对比例1所制备的高硼合金组织也是由铁素体、Fe2B相和Fe3(B, C)相组成。该合金块状Fe2B相的显微硬度均值为1369HV0.2，未看到白色的初生块状相，说明其未析出初生Mo2FeB2相；图5显示该高硼合金堆焊第二层的显微硬度均值为1302HV，明显低于实施例1所示的高硼合金层的显微硬度。
Claims (7)
1.一种堆焊高硼合金的复合粉粒，采用粉末组分过筛称量、干混、添加水玻璃湿混、湿粉体旋转造粒、低温烧结、筛分选粒的步骤而制成粒度7目～10目的复合粉粒；
所述复合粉粒所含粉末组分的重量百分含量分别为：40～50％的含钼量50％的钼铁；14～15％的碳化硼含量99％以上的碳化硼；3～5％的含硅量40～47％的硅铁；1.5～3％的含钛量68～72％的钛铁；3～4.5％的含铝量不低于99％的铝粉；余量为含铁量不低于98％的还原铁粉。
2.根据权利要求1所述的一种堆焊高硼合金的复合粉粒，其特征在于：复合粉粒所含粉末组分中的钼铁、碳化硼、硅铁、钛铁、还原铁粉的粉末过60目筛，铝粉过300目筛后称量。
3.根据权利要求1所述的一种堆焊高硼合金的复合粉粒，其特征在于：向混合粉末添加的水玻璃为波美度30～40和模数3.0～3.3的硅酸钠型水玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种堆焊高硼合金的复合粉粒，其特征在于：硅酸钠型水玻璃以15～20ml水玻璃/100g混合粉末的方式添加入混合粉末进行湿混。
5.根据权利要求1所述的一种堆焊高硼合金的复合粉粒，其特征在于：复合粉粒在250～300℃低温烧结并保温3～4小时后出炉。
6.一种如权利要求1所述堆焊高硼合金的复合粉粒的应用方法，其特征在于：焊前将复合粉粒预置于焊道，以直径Φ2.5mm的H08A实心焊丝作为电弧载体，采用直流电源反接法进行自保护明弧堆焊，使复合粉粒熔体和实心焊丝熔滴熔合为一体化堆焊熔池，凝固形成包含显微硬度均值1781HV的初生Mo2FeB2相的高硼合金；所述高硼合金的填粉率为0.45～0.47。
7.根据权利要求6所述所述堆焊高硼合金的复合粉粒的应用方法，其特征在于：堆焊电流控制值为400～410A，小车行走速度16～17m/h。
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