專利名稱：一種多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條及其制備方法，屬無機材料技術(shù)和有色金屬冶金領(lǐng)域。尤其是涉及利用Ni、Co、Cr、B、C、稀土元素的單質(zhì)或合金或化合物為原料，采用冷粘、燒結(jié)制備耐磨耐熱堆焊焊條的技術(shù)方法。
背景技術(shù)：
多組元Ni基耐磨耐熱堆焊焊條是制備以Ni-Cr-Co-B-C稀土為合金體系工作層的堆焊材料。以該種焊條制備的堆焊層具有高硬度、良好的耐磨性、抗裂性、高溫抗氧化和抗腐蝕性能。
目前我國許多設(shè)備的制造，特別是用于高溫環(huán)境下的工件，一般都需要加入大量的Cr、W、Mo、Ti、V、Ni、Co等合金元素來提高工件的抗高溫氧化性、高溫組織熱穩(wěn)定性和紅硬性等高溫性能。如果采用整體材料制造，將使工件成本極高；而采用含貴金屬元素量較少的一般鐵基合金材料整體制造，合金的高溫機械性能較差，工件的耗損很大，壽命很短。
高溫耐磨堆焊材料一般都含有較多種類的合金元素，高溫耐磨合金常常通過所加入合金元素的固溶強化、時效沉淀強化和彌散強化等方式來保證合金具有足夠的高溫強度和其它的綜合性能。國內(nèi)外目前已經(jīng)開發(fā)的高溫耐磨堆焊材料的品種較多，主要分為鐵基高溫耐磨堆焊材料、鈷基高溫耐磨堆焊材料和鎳基高溫耐磨堆焊材料三大類。
鐵基高溫耐磨堆焊材料一般采用H08A，H08E或各種不銹鋼焊絲以及其它焊絲作為焊芯，外涂較多的合金元素，通過藥皮或焊芯向焊縫過渡合金元素，從而使焊縫具有高的硬度、好的耐磨性，并能夠在較高的溫度環(huán)境下服役(一般長時間服役的工作溫度不超過600℃)。趙寶君，吳云華(自制耐高溫堆焊焊條高溫時效性能.趙寶君，吳云華.焊接，No.4，26～27，1999.)，開發(fā)出高溫時效耐磨堆焊焊條，加入了較多量的Cr，Mo，W，V，Ti，Nb，Mn等強碳化物形成元素，但這些合金在高溫高壓下長期工作時會產(chǎn)生回火脆化，易使工件表面形成氧化層(FeO，F(xiàn)e3O4，F(xiàn)e2O3)而被嚴重氧化。
鈷基堆焊焊條可采用鑄造鈷鉻鎢合金作為焊芯，外涂鈦鈣型等類型的藥皮制成，焊條具有較好的工藝性能。鈷基堆焊合金的堆敷金屬硬度一般較低(HRC 35～50)。Bemst A(A New Type of Cobalt-based Cement Harding0facing High Quality CoatingElectrode.Derlikon Schweissmitt，1988，(36)4～22.)用不具有脆性的Co和Ti的合金絲作為焊芯開發(fā)了一種鈷基硬質(zhì)合金堆焊焊條，采用金紅石型的優(yōu)質(zhì)藥皮不但保證了該焊條具有優(yōu)良的工藝性能，而且堆焊合金的熔敷系數(shù)高(150％)，從而使堆焊時的熔敷金屬的重量大于焊芯的重量，同時還使熔敷金屬具有較高的硬度(NRC55)，較大地提高了堆敷金屬的耐磨性。
申成日申請的一種硼、鐵、鉻耐磨堆焊焊條專利(CN89100430.0)，它是由鐵、鉻、硼、錳、鉬、鈦等成分組成，藥皮各成分的重量百分比為Cr，0.16～0.24％；B，0.10～.018％；Mo，0.03～0.06％；Mn，0.08～0.12％；Ti，0.03～0.06％。與各種鋼質(zhì)母材的工件均可很好的溶和，在使用方法，脫渣、弧光、煙氣上的效果均與普通(結(jié)422)焊條相近。對被焊件不需除銹、不需預(yù)熱，交、直流弧焊機通用。對形狀復(fù)雜的異形工件補加耐磨層尤為方便，根據(jù)耐磨件的不同使用要求，通過化學(xué)組分的調(diào)整，耐磨層的硬度可達HRa86以上，耐磨性能比45。
吳建、張烈華、肖岸申請的一種耐磨管狀碳化鎢焊條(CN200410012950.2)，用于鋼齒牙輪鉆頭的齒面強化，以及牙輪鉆頭的掌尖強化，也可用于其它鋼件的表面強化。它包括有焊管和填料，所述的填料包括燒結(jié)碳化鎢顆粒、鑄造碳化鎢顆粒、合金粉和有機粘結(jié)劑，各組分的含量按重量計為燒結(jié)碳化鎢顆粒60～95％，鑄造碳化鎢顆粒0～35％，合金粉2～6％，有機樹脂0.5～2％，所述合金粉的組份含量按重量百分比計為Cr 7～40％；Si，4～14％；B，2.5～9％；Mn，0～15％；Ni余量。在堆焊過程中，能夠有效降低粘結(jié)金屬的熔點，從而減少對耐磨顆粒的燒損，使耐磨堆焊層的整體耐磨性得到有效的提高。
發(fā)明人董憲忠、董煜申請了復(fù)合型系列耐磨合金堆焊焊條的專利，一種復(fù)合型系列耐磨合金堆焊焊條，是由焊芯及藥皮組成，藥皮的配方及配比(重量分數(shù)比)是純堿4-5份、鎳粉18-20份、中碳錳鐵18-20份、硅鐵20-22份、鈦白粉26-30份、氟硅酸鈣26-30份、石英30-35份、鉬鐵50-55份、釩鐵50-55份、鈦鐵70-75份、金屬鉻90-100份、氟化鈣150-180份、碳素鉻150-200份、碳酸鈣150-200份、鉀鈉水玻璃260-300份。本發(fā)明的焊條電弧穩(wěn)定，成型好，飛濺小，易脫渣，其堆焊金屬具有獨特的堅韌、耐磨、耐熱、耐腐蝕、抗裂、抗氣孔和抗沖擊性能。公開號1565789，申請?zhí)?3132432.0。
黃文哲，王澤萬等(鎳基1號焊條的性能及其應(yīng)用研究.焊接，1981，(3)8～12.)發(fā)明了一種鎳基堆焊焊條(Cr15Ni70Mo10Nb)，這是一種采用Cr20Ni80型鎳鉻電阻絲(即電爐絲)作為焊芯，外涂堿性渣系藥皮而開發(fā)出的焊條。
姚光華申請了一種耐熱耐磨堆焊焊條的制備方法(CN86106019)，用于各類金屬礦山直接接觸礦石的磨損件及設(shè)備的耐熱耐磨堆焊焊條，是由焊芯和藥皮組成，本發(fā)明的特征是，藥皮的主要成分是碳化鎢、碳化硼、石墨和鉻鐵粉等，它們的重量百分比是碳化鎢，5～10％，B↓(4)C2，～10％，石墨，2～6％，鉻鐵粉余量；焊芯的材質(zhì)是低碳鋼即H08類鋼；藥皮重量系數(shù)為115～130％。
馬仕興、劉興俊、唐銀生、王新已申請的一種無藥皮耐熱耐磨鑄鐵合金堆焊焊條及其制造方法(CN03117493.0)，焊條沒有藥皮，只有焊芯，焊芯的成分為(wt％)C2.5～6.5％、Si0.8～2.5％、Mn0.4～1.5％、Cr16～35％、Nb0.0～1.5％、Mo0.0～3.5％、Ni0.0～2.0％、W0.0～2.5％、V0.1～2.0％、Ti0.0～0.8％、Cu0.0～1.00％、S≤0.08％、P≤0.10％、O≤0.08％、N≤0.08％、Al≤0.10％，其余為Fe。該焊條用鑄造方法制造。該焊條常溫下堆焊層硬度HRC≥42，堆焊層允許有裂紋，備件的堆焊層表面除磨削外，一般不進行機械加工。
發(fā)明人林劍東申請的一種堆焊焊條(200410022615.0)，旨在提供一種不僅能提高錘體的硬度和耐磨性，從而增加錘頭的使用壽命，而且使焊接質(zhì)量易于得到保證的堆焊焊條。它只有焊芯，不帶有藥皮，焊芯按重量百分比含有C，3.2％～6.5％；Si，0.4％～2.5％；Mn，0.4％～2.0％；Cr，10％～35％；Nb，0.01％～1.50％。堆焊燒結(jié)出的錘體硬度高、耐磨性好，晶粒尺寸小，錘體金屬的韌性較好；焊接過程中不用清理焊渣；焊接過程中可有效防止或減少錘體中裂紋的產(chǎn)生，提高錘頭的使用壽命；不帶藥皮，可直接鑄造而成，生產(chǎn)工序簡單，免去了藥皮配方、設(shè)計等麻煩，生產(chǎn)和使用成本低。
上述耐磨耐熱堆焊焊條都有各自的優(yōu)缺點。通過研究發(fā)現(xiàn)，還未見報道將原材料粉末通過機械球磨，原材料可以是單質(zhì)或合金，也可以是碳化物、硼化物、稀土氧化物或混合物，這幾種原料的組合?；旌险辰Y(jié)劑和助劑后在液壓機上壓制，800～1200℃燒結(jié)制備無藥皮的耐磨耐熱堆焊焊條的方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種冷粘、燒結(jié)方法制備多組元Ni基耐磨耐熱堆焊焊條及其制備的方法，通過控制焊條中Ni、Co、Cr、B、C和稀土元素含量，發(fā)揮各種金屬元素在焊層中的作用，以金屬單質(zhì)、碳化物、硼化物、氧化物或這幾種材料的組合為原料制備耐磨耐熱堆焊焊條。
本發(fā)明的目的還在于控制焊條中各種合金元素的成分，使堆焊層表面要有較高的硬度、耐磨性，而且同時還要求具有較好的抗開裂性。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是多組元Ni基耐磨耐熱堆焊焊條及其制備的方法，含有Ni、Cr、Co、B、C和稀土元素，其中Cr15.0～35.0％、Co5.0～20.0％、B0.1～5.0％、C0.1～5.0％、Re0.0～5.0％、其余為Ni。其制備方法是在室溫條件下將上述各種原料，可以是Ni、Co、Cr單質(zhì)粉末，也可以是合金；碳化物可以是一種或多種；硼化物可以是一種或多種；稀土可以是單質(zhì)也可以是氧化物或混合物；也可以是這幾種材料的組合。本發(fā)明的制備方法是采用冷粘、燒結(jié)工藝制備，粘結(jié)劑可以是有機物質(zhì)，還有部分添加劑和助劑混合。按比例機械球磨混合，加入粘結(jié)劑、添加劑或/和助劑，在液壓機上壓制，然后在高溫條件下，當溫度達到800～1200℃時進行燒結(jié)得到最終產(chǎn)品。
本發(fā)明具體內(nèi)容如下1、以金屬或非金屬單質(zhì)或含有合金成分的化合物為原料，機械球磨混合，用粘結(jié)劑把各種粉末粘結(jié)在一起，壓制成形然后高溫下燒結(jié)得到耐磨耐熱堆焊焊條。根據(jù)原料和粘結(jié)劑不同，控制不同的配比和燒結(jié)溫度，原料可以一次性加入，也可以分次或連續(xù)加入。
2、用上述發(fā)明內(nèi)容1所述的內(nèi)容和方法，原料可以是Ni、Co、Cr單質(zhì)粉末，也可以是合金；碳化物可以是一種或多種；硼化物可以是一種或多種；稀土可以是單質(zhì)也可以是氧化物或混合物；也可以是這幾種材料的組合。
3、用上述發(fā)明內(nèi)容1所述的內(nèi)容和方法，粘結(jié)劑可以是有機物質(zhì)，還有部分添加劑和助劑混合。
4、用上述發(fā)明內(nèi)容1所述的內(nèi)容和方法，燒結(jié)過程中可以抽真空也可以適當通入一定量的惰性氣體或/與還原性氣體。
本發(fā)明在爐內(nèi)加熱燒結(jié)，部分金屬元素部分合金化，粘結(jié)劑中的水分或有機物揮發(fā)，使焊條本身更加致密，利于堆焊過程中合金成分熔化充分、均勻。焊條沒有藥皮，避免了堆焊過程中飛濺等現(xiàn)象的發(fā)生，并且焊層中不會有雜質(zhì)引入。
本發(fā)明的特點是采用以含Ni、Co、Cr、B、C、稀土的單質(zhì)或化合物為原料，冷粘、燒結(jié)制備多組分耐磨耐熱堆焊焊條。本發(fā)明技術(shù)方法原料來源廣，不需要特殊的原料和設(shè)備，生產(chǎn)工藝流程短，操作條件簡單，生產(chǎn)過程易于控制。本發(fā)明制備的耐磨耐熱堆焊焊條有許多優(yōu)點，目前其主要的應(yīng)用包括礦山、冶金、農(nóng)用機械、建筑、電站、鐵路、車輛、石油、化工設(shè)備、輪船機組、工具、模具等的制造和維修。
圖1為耐磨耐熱堆焊焊條的加工過程流程圖。
圖2為耐磨耐熱堆焊焊層的掃描電子顯微鏡SEM照片。
圖3為耐磨耐熱堆焊焊層在1000℃下氧化100h的氧化動力學(xué)曲線圖。
圖4為耐磨耐熱堆焊焊層在1000℃下熱腐蝕50h的動力學(xué)曲線圖。
具體實施例方式
實施例1
以金屬Ni、Co、Cr單質(zhì)粉末和C、B單質(zhì)粉末與稀土氧化物按照一定的比例，其中優(yōu)選Cr20.0±5.0％、Co10.0±5.0％、B3±0.5％、C3±0.5％、稀土氧化物2±0.5％、其余為Ni。將上述各種原料，進行機械球磨混合，均勻后加入丁鈉膠、聚乙烯醇、或二醇為粘結(jié)劑、也可再添加聶伏拉斯為助劑再進行混合(或同時進行球磨混合)，粘結(jié)劑或助劑的比例為5.0-10.0％，所述比例均為重量比。在液壓機上進行壓制(40-60MPa)，成形后置于托盤中，放在爐內(nèi)，加蓋密封，由程序控溫儀來實現(xiàn)升溫速度的自動控制。當升溫至800～1200℃，保持恒溫一段時間(1-5小時)，合金成分部分熔化，粘結(jié)劑和助劑中的成分揮發(fā)，使焊條致密化。附圖1為加工過程的流程圖。
用本發(fā)明制品進行鎢極氬弧焊，采用一定的電流、電壓、焊接速度和氬氣流量，在高溫鑄造合金上進行堆焊，制備的焊層表面無裂紋，用掃描電子顯微鏡(SEM)分析焊層的表面形貌(附圖2)，經(jīng)試驗和測定表明，焊層的硬度在HRC50以上，并具有良好的高溫抗氧化性能(附圖3)和高溫抗腐蝕性能(附圖4)。高溫鑄造合金是比較難焊接的一種材料，本身硬度大，一般堆焊時易開裂。本發(fā)明選擇此種材料為其中之一的基材。
實施例2以Ni、Co、Cr、B、Cr3C2和混合稀土為原料，按照一定比例機械球磨混合，均勻后加入有機硅橡膠、固化劑和偶聯(lián)劑，在液壓機上進行壓制，成形后置于爐內(nèi)，抽真空。升溫至800～1200℃，恒溫一段時間內(nèi)后，得到焊條。
氣體保護堆焊，在一定的焊接參數(shù)條件下，不銹鋼上堆焊，實驗表明，焊層的硬度為HRC55～57，SEM表征焊層表面的裂紋狀況，無裂紋產(chǎn)生，并且具有較好的高溫抗氧化性能和抗高溫腐蝕性能。
實施例3以Ni、Co、Cr3C2、CrB2和混合稀土為原料，按照一定配比機械球磨混合，均勻后加入纖維素、甘油作為粘結(jié)劑，液壓機壓制，成形后置于爐內(nèi)，抽真空后通入一定量的惰性氣體(氮氣或氬等)或和還原性氣體(少量CO或H2)，升溫至980℃左右，制備耐磨耐熱堆焊焊條。
以普通碳鋼為基材進行堆焊，調(diào)整堆焊參數(shù)，制備堆焊層。焊層的硬度HRC50以上，表面無裂紋，高溫抗氧化和抗腐蝕性能優(yōu)異。
權(quán)利要求
1.一種多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條及其制備方法，其特征是含有Ni、Cr、Co、B、C和稀土元素，其中Cr15.0～35.0％、Co5.0～20.0％、B0.1～5.0％、C0.1～5.0％、Re0.0～5.0％、其余為Ni。選用Ni、Co、Cr的單質(zhì)或合金；稀土是單質(zhì)也可以是氧化物或混合物；或是這幾種材料的組合，上述組分的粉末采用冷粘、燒結(jié)工藝制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條，其特征是其中Cr15.0～35.0％、Co5.0～20.0％、B0.1～5.0％、C0.1～5.0％、Re0.0～5.0％、其余為Ni。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條，其特征是將上述原料加入丁鈉膠、聚乙烯醇、二醇、纖維素、甘油或有機硅橡膠為粘結(jié)劑，也可添加助劑，其重量百分比是5.0-10.0％。
4.多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條的制備方法，其特征是根據(jù)權(quán)利要求1或者的材料配比，采用冷粘、燒結(jié)工藝制備；先按比例機械球磨混合，加入粘結(jié)劑、添加劑或/和助劑混合；在液壓機上壓制成形，然后在高溫條件下，當溫度達到800～1200℃時進行燒結(jié)，升溫至800～1200℃，保持恒溫1-5小時。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條的制備方法，其特征是在液壓機上進行壓制的壓力是40-60MPa，成形后置于托盤中，放在爐內(nèi)，加蓋密封，升溫?zé)Y(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條及其制備方法。多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條及其制備方法，含有Ni、Cr、Co、B、C和稀土元素，其中Cr15.0～35.0％、Co5.0~20.0％、B0.1～5.0％、C0.1～5.0％、Re0.0～5.0％、其余為Ni。選用Ni、Co、Cr的單質(zhì)或合金；稀土是單質(zhì)也可以是氧化物或混合物；或是這幾種材料的組合，上述組分的粉末采用冷粘、燒結(jié)工藝制備。通過機械球磨、冷粘、燒結(jié)的方法，制備了堆焊工藝適應(yīng)性好的焊條。該焊條制備的焊層具有硬度大、良好的抗裂紋敏感性、優(yōu)異的高溫抗氧化性能和抗高溫腐蝕性能。
文檔編號B23K35/00GK1974106SQ20061016126
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月18日
發(fā)明者馬江虹, 任先京, 薛文濤, 王磊, 于月光 申請人:北京礦冶研究總院