CN1424173A

CN1424173A - 高铁铝基耐磨堆焊填充焊丝

Info

Publication number: CN1424173A
Application number: CN 03118427
Authority: CN
Inventors: 陈冰泉
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE; Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2003-06-18

Abstract

一种高铁铝基耐磨堆焊填充焊丝，其特征在于：为高铁铝基，其中的硅为共晶成分；其组成成分的质量分数(％)如下：Si：11～13，Cu：0.5～1.5，Mg：0.4～1.0，Mn：0.3～0.9，Fe：3～5，Ni：3～5，RE：0.2～0.4，余量为Al。其焊接性能良好，焊缝成分均匀，硬度较高，耐磨性好，堆焊金属加工性能良好，施焊时设备简单，易于操作，采用铸造方法浇铸而成，制造成本较低，适用于铝硅合金的表面耐磨堆焊强化焊接。

Description

高铁铝基耐磨堆焊填充焊丝

技术领域

本发明涉及一种新型铝基耐磨堆焊材料，特别是涉及主要用于铝硅合金表面以氩弧为热源的铝基耐磨堆焊材料。

背景技术

铸造铝硅合金由于具有良好的综合性能，已成为制造业中最受重视的结构材料之一，广泛用于活塞、气缸体、气缸头、制动器、变速器、操纵杆及阀门等其它操纵系统零部件的制造。然而这类零件由于其工作特点，在使用过程中往往因磨损过量而导致零部件失效。提高耐磨性是提高这类零件质量和寿命的关键之一。

20世纪80年代，前苏联、东欧等国家研究利用氩弧、激光、等离子、电子束等为热源，将铁、镍、铬、铜、钨、钼、钛、锆、钒、铌或是这些元素的合金、假合金或混合物制成焊丝，直接熔入铝合金中。前苏联在生产中已有应用。

20世纪90年代到本世纪初，对铝硅合金的表面强化，国内外最热门的是采用以激光为热源的各种表面强化技术。采用激光表面强化具有使普通材料获得高级合金性能、材料利用率高、热影响区小的优点。但激光表面的强化层较薄、设备昂贵，工艺复杂，限制了它在一些领域的使用。

铝合金表面氩弧堆焊技术不仅可以通过正确设计堆焊层的合金体系获得抗磨损、冲击、腐蚀等多种性能的堆焊层，还可以对已磨损的局部区域进行修复和再制造；堆焊层的厚度较大，抗磨损储备尺寸大；堆焊的熔敷效率高；堆焊层与基体结合强度高；堆焊所用设备简单、通用、易于推广。因而采用氩弧堆焊正好可弥补激光表面强化在这方面的不足。

选用铁作为铝硅合金堆焊金属中的强化元素，在国内是个创新。尽管前苏联、联邦德国KS公司等成功地用氩弧、激光、等离子、电子束等将铁作为热强元素熔入铸造铝合金的活塞环槽处，使其局部耐磨性提高。而由于铁在铝硅合金中会形成粗大的针状脆性β(Al₉Fe₂Si₂)化合物，恶化合金的机械性能尤其是塑性，国内一般对铝合金中的铁都是严加限制的，如国标规定必须保证活塞铝合金中的Fe≤0.7％。

但研究表明，铁可大大提高铝的蠕变强度。对铝硅系活塞合金，铁会使其高温短时抗拉强度提高，使合金的高温、室温硬度、高温持久硬度及长期时效硬度增加；但使室温抗拉强度下降，使冲击韧性下降。为抵消铁的有害作用，可通过制备适用的金属添加剂加入到合金中使铁相形态变化，可大大提高合金的耐磨性并使硬度增加，同时改善了加工性能。国内有人研究了铝合金铁相粒化剂或团球化溶剂，有的可使含铁量1％-4％的铝合金中的铁相完全变成颗粒状或团球状，并使σ_b和δ同时提高。然而这些研究都是针对如何消除铸造铝合金中铁的有害作用、改变铸造铝合金整体性能的。

目前，堆焊材料按其成份主要分为铁基、钴基、镍基、铜基合金和碳化物等五大类，铝基堆焊材料未见报道。

《国外内燃机》1989年第3期“发动机铝合金零件的局部硬化”一文介绍了前苏联、东欧等国家研究利用氩弧、激光、等离子、电子束等为热源，将铁、镍、铬、铜、钨、钼、钛、锆、钒、铌或是这些元素的合金、假合金或混合物制成焊丝，直接熔入铝合金活塞环槽部位，可以显著地提高局部强化区域的硬度和耐磨性。

其不足之处是，这些高熔点金属进入铝合金后往往来不及扩散而形成粗大的夹杂物或金属间化合物，使局部变脆。为解决这个问题，他们采用加大电流(750A)、增加焊速、分阶段堆焊的方法，对设备提出了更高的要求，焊接工艺也比较复杂。填充用的合金、假合金或混合物铁基焊丝中合金元素种类过多，给制造带来困难，提高了制造成本。由于铝合金的加工性能会随高熔点合金元素的加入显著变坏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：设计一种以铁、镍和硅为主要强化元素、含铁量较高，焊缝成分均匀，硬度较高，耐磨性好，堆焊金属加工性能良好，施焊时设备简单，易于操作，制造工艺简化，制造成本较低，用于铝硅合金的表面耐磨堆焊强化的铝基堆焊填充焊丝。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

高铁铝基耐磨堆焊填充焊丝，以铁、镍为主要强化元素，主要用于铸造铝硅合金表面氩弧耐磨堆焊。所发明的焊丝成分如表1。

表1 所发明的焊丝成分(质量分数，％)

Si	Cu	Mg	Mn	Fe	Ni	RE	Al
Si	Cu	Mg	Mn	Fe	Ni	RE	Al	11～13	0.5～1.5	0.4～1.0	0.3～0.9	3～5	3～5	0.2～0.4	余量

其中：RE为混合轻稀土，含Ce≥50％、其余为La、Nd。

本发明由于含铁较多，比不含铁的铝硅焊丝脆性大，可以采用铸造方法(重力铸造或压力铸造)制造。

若采用重力浇铸，则浇铸前应将金属型模预热至200℃～250℃，保证液态金属可充满型模。若采用压力铸造，则浇铸前的预热温度可降低。所浇铸的焊丝直径和长度可根据需要和浇铸工艺决定

与现有技术相比，本发明所具备的优点是：

1.焊缝成分均匀。在堆焊金属中形成均匀的网状的的金属间化合物硬化相(如图1、图2、图3所示，图1为铸态焊丝组织、图2为堆焊金属焊缝上部的组织、图3为堆焊金属焊缝中部的组织)(图1、图2的腐蚀剂为0.5％氢氟酸，图3的腐蚀剂为10％NaOH)，完全消除了粗大的针片状铁相和脆硬的夹杂物。

2.堆焊金属有优良的耐高温冲击磨损性能和良好的耐室温有润滑滑动磨损性能。

堆焊金属层在220℃高温下耐冲击磨损性能比对照组ZL108提高3倍左右(如图2所示)。在室温有润滑滑动磨损条件下，处于共晶成分的堆焊金属耐磨性相当于含硅27.16％的过共晶铝合金。

3.堆焊金属焊后未经任何热处理时的硬度在HB129左右，略高于活塞铝合金ZL108经T6处理后的硬度。与现有技术相比，堆焊层金属所含铁、镍等合金元素总量要小，硬度也相对低一些。但是焊缝的脆性大大降低，加工性能良好。

4.本发明焊接性能良好，由于硅处于共晶成分，焊接时无热裂倾向。如图3所示的活塞在第一道环槽处开坡口后(坡口深6mm，坡口根部圆弧半径R＝5mm，坡口角度90°)进行了耐磨堆焊。堆焊后的活塞经机加工，然后在垂直于环槽的截面上切开、打磨、抛光、腐蚀。截面上可清楚的看到焊缝的轮廓和在堆焊金属上加工出的环槽(如图4所示)，表明堆焊金属有良好的加工性能，焊丝有良好的焊接性能。

5.本发明施焊设备简单，只需采用一般工厂都有的普通手工钨极氩弧焊机。当采用自动钨极氩弧焊机时，只需配备自动填丝装置即可。操作简单，一般焊工都可掌握。

6.本发明采用铸造方法浇铸而成，制造过程比较简单。

7.本发明中强化元素的设计既考虑到提高耐磨性，特别是提高高温耐磨性，还考虑到降低成本。选用铁和镍为主要强化元素，镍虽然价格高但含量不高，铁的价格很低，因此制造成本相对而言比较便宜。

附图说明

图1为堆焊金属铸态焊丝组织的微观形态图；

图2为堆焊金属焊缝上部组织的微观形态图；

图3为堆焊金属铸态焊缝中部组织的微观形态图；

图4为堆焊金属与对照组ZL108在高温冲击磨损条件下磨损量随时间的变化曲线图；

图5为活塞的第一道活塞环槽处堆焊后的效果图；

图6为堆焊后经过加工的的活塞环槽横截面图；

图7为铸好的焊丝

具体实施方式

采用重力浇铸，按表2配方熔炼成液态金属，浇铸到金属焊丝型模中，浇铸前将金属型模预热至200℃～250℃。

表2 本发明具体实施的成分(质量分数，％)

其中：RE为混合轻稀土，含Ce≥50％、其余为La、Nd。

Claims

1、一种耐磨堆焊填充焊丝，其特征在于：为高铁铝基，其中的硅为共晶成分；其组成成分的质量分数(％)如下：Si：11～13，Cu：0.5～1.5，Mg：0.4～1.0，Mn：0.3～0.9，Fe：3～5，Ni：3～5，RE：0.2～0.4，余量为Al。