一種含Si、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金及其製備工藝的製作方法
2023-08-09 00:06:21
一種含Si、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金及其製備工藝的製作方法
【專利摘要】一種含Si、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金及其製備工藝，其特點是該合金的成分為：Cr10-20%，Si0.5-5%，Ni1-4%，C5-10%，餘量為Fe及不可避免的雜質；該製備工藝為：將按元素質量百分比計算後的鉻鐵粉、鉬粉、鎳粉、石墨及還原鐵粉機械混合後，採用球磨機乾式球磨的方法混合均勻，粒度達到60-160目取出；將粉末在烘乾爐內烘乾1-2h，爐內冷卻至室溫；將粉末添加到送粉器中，進而進行等離子弧堆焊形成耐磨堆焊層。本發明的製備工藝和操作方法簡單，添加的合金種類少，成本低廉，所獲得的合金堆焊層硬質相與基材結合性能好，不易脫落，具有高硬度、高耐磨性、抗高溫氧化性的特點。
【專利說明】一種含S1、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金及其製備工藝
【技術領域】
[0001]本發明應用於材料科學領域，特別涉及一種含S1、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金及其製備工藝。
【背景技術】
[0002]伴隨全球工業的大發展，世界範圍內已經出現資源短缺問題，節約資源變得越發重要。磨損作為材料損耗的最主要原因之一，對資源的消耗極大，為此如何提高材料的耐磨性就成為世界性關注的課題。作為汽車安全的保障，制動系統一直是人們研究和關注的重點。由於交通工具運行速度的快速提升，對制動系統的安全穩定性和使用壽命要求更高。作為制動系統心臟的剎車片的耐磨性和抗高溫氧化性的能力務必需要提升，由此可見，剎車片的耐磨材料合金體系的優化設計前景看好，耐磨堆焊合金在剎車片上的應用研究潛力巨大。
[0003]中國申請專利「耐磨合金」(CN1772941A)，由如下重量比例的元素熔煉而成:C:
0.2%, Si:0.3%, Mn:1.6%, N1:1.35%, Cr:0.7%, T1:1.7%, Ag:0.9%, Cu:0.3%，餘量為 Fe。該
耐磨合金其優點耐磨性好，使用壽命長，比普通的合金提高耐磨性能30-40%，。但其中需要熔煉，能源消耗大,並且加入的合金元素種類較多,促使成本增加。
[0004]中國申請專利「耐磨合金」(CN1036993A)，該發明涉及冶金領域。含有碳、矽、錳、鉻、鈦、鋯和鐵的耐磨合金，其質量百分比:C 2.38-3.50%, Si 0.01-2.50%，Mn 0.20-5.50%，Cr 18.50-40.00%, Ti 0.03-0.20%, Zr 0.02-0.48%, Nb 0.05-0.16%，餘量為 Fe。本發明雖然具有很高的耐磨性能，但由於元素加入種類過多，並且其中某些元素的加入量過高，致使成本較高。
[0005]中國申請專利「硬質耐磨鐵合金」(CN86102537B)，該發明涉及一種硬質耐磨鐵合金，其化學成分按重量百分比為:C 2.5-3%, Mn 0.5-1.3%, Si0.3-1.3%, Cr 25-30%，Mo2-2.5%, V 0.4-1%, B 3-4%，S、P小於0.05%，餘量為Fe。本發明中雖然合金元素的加入量以有所減少，但其應用範圍主要在油井和石油化工設備上，並且其製備工藝相對複雜，成本升聞。
[0006]綜上，雖然一系列的發明都具有很好的耐磨性，但公布的耐磨堆焊合金材料或者加入的合金元素種類眾多，或者加入的合金元素昂貴，再或者堆焊合金的製備工藝較為複雜，這些都會增加生產成本。由此可見，一種添加合金元素少、製備工藝簡單、成本低並且耐磨性能好的耐磨堆焊合金一直被人們所期待，由此可見本發明具有相當大的實際價值。
【發明內容】
[0007]本發明的目的就在於解決現有技術存在的上述不足，經過大量試驗和反覆研究，提供一種添加合金元素少、製備工藝簡單、成本低並且耐磨性能好的耐磨堆焊合金。不是簡單的添加硬質相而是通過等離子堆焊原位自生一種含S1、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金。
[0008]本發明給出的技術方案是:這種含S1、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金，其特點是該合金的元素成分按質量百分比為:Cr 10-20%, Si 0.5-5%,Ni 1-4%, C 5?10%，餘量為Fe及不可避免的雜質。
[0009]本發明中的Cr元素的添加採用高碳鉻鐵粉、Si元素的添加採用矽鐵粉、Fe元素採用純度大於99%的還原鐵粉、Ni元素的添加採用純鎳粉、C元素採用片狀石墨，粉末粒度在60?160目之間,將以上粉末米用機械方式均勻混合。
[0010]本發明給出的這種含S1、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金的製備工藝，其特點是。
[0011]將按元素質量百分比計算後的鉻鐵粉、鑰粉、鎳粉、石墨及還原鐵粉機械混合後，採用球磨機乾式球磨的方法混合均勻，球磨轉速在100?200 r/min,球磨時間2?3小時，粒度達到60-160目，然後取出。
[0012]將粉末在烘乾爐內在200°C條件下烘乾l_2h，爐內冷卻至室溫。
[0013]將粉末添加到送粉器中，進而進行等離子弧堆焊形成耐磨堆焊層，具體等離子弧堆焊工藝為:焊接電流150-200A，焊接電壓20-30V，電極直徑4mm，電弧縱向移動速度3_6cm/min,電弧橫向擺動頻率40-50次/分，電弧橫向擺動寬度3_4 cm。
[0014]本發明是在保證堆焊合金的硬度及耐磨性的同時，減少貴重合金元素的加入量，減少加入合金元素的種類，形成一種成本低廉、製備方法簡單的耐磨合金。該耐磨合金伴隨Si含量的增加，其硬度得到顯著的提高，但當Si含量增大到一定程度，其韌性必然下降，使脆性大增。Ni的加入能夠有效改善了基體的韌性，使由於Si的增加帶來的脆性下降。使基材與硬質相的結合性得到了提高，增加了陶瓷硬質相與基體的結合強度。
[0015]同現有耐磨堆焊合金相比，本發明的有益效果主要體現在。
[0016]1、現有的耐磨堆焊合金中大多元素構成種類繁多，同時合金元素的加入量偏大，甚至加入一些相當貴重的稀有金屬，這樣必將使生產成本增加。而本發明採用成本低廉的工業鉻鐵粉、矽鐵、純鎳粉和石墨作為主要添加元素，同時加入量也相對較少，降低了成本。
[0017]2、現有的耐磨堆焊合金大多採用直接加入碳化物、氮化物乃至硼化物作為提高材料硬度的硬質相，然後通過鑄造或高溫燒結而成。通過鑄造方式一般無法進行表面強化，只能鑄成整體，浪費材料；通過高溫燒結則使其增強相顆粒粗大，增強相與基體、堆焊層與母材的結合強度不高。本發明採用原位自生的手段，通過堆焊過程中的化學反應直接形成顆粒細小、彌散程度大、均勻分布的陶瓷硬質相，增加了硬質相與基體的結合強度，陶瓷硬質相之間相互結合，提高了堆焊合金的耐磨性。
[0018]3、本發明中Si元素的添加使陶瓷相能夠更好的硬度，Ni的加入使加矽後的脆性下降，同時阻礙了(Fe，CiO7C3相的過分長大，有利於堆焊合金與母材的結合強度，增加了堆焊合金的硬度同時又不會增加脆性，達到更好的抗磨損的性能，同時Si在耐磨合金中還具有很強的抗高溫氧化的能力。
[0019]4、本發明中加入的Ni元素降低了該耐磨合金熔池金屬的粘度，提高堆焊合金液的流動性，改善該合金的成型性，能夠抵消因Si的加入引起的脆性增加，對基體的韌性的提聞有所幫助。
[0020]5、本發明中採用等離子弧進行粉末堆焊進而獲得耐磨合金，其製備工藝流程相對以往簡單易行，成本低廉，生產效率高，堆焊層成型好、硬度高，原位合成的陶瓷硬質相細小、彌散、均勻的分布在堆焊層中，與基體結合強度大，具有很高抗磨損性能。同時對能源消耗少,對環境汙染相對小。【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1-圖4均為200倍堆焊合金顯微組織圖，分別為實施例1 一實施例4的顯微組織形貌。
【具體實施方式】
[0022]本發明實施例中採用工業中常用的60-160目的鉻鐵、矽鐵、還原鐵粉和片狀石墨為初級原料粉末。實施例1中一實施例4中採用球磨機乾式球磨的方法均勻混合，然後將其放入烘乾爐，50°C烘乾10 -20min, 100°C保溫10-20 min，，200°C烘乾1_2小時，然後爐內冷卻後將其置入等離子堆焊設備的送粉器中，進行等離子弧堆焊。等離子弧堆焊焊接工藝如下:焊接電流150-200A，焊接電壓20-30V，電極直徑4mm，電弧縱向移動速度3_6 cm/min,電弧橫向擺動頻率40-50次/分，電弧橫向擺動寬度3-4 cm。
[0023]實施例1。
[0024]一種含S1、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金，按元素質量百分比，Cr 20%, Si 0.5%，Nil%, C 6%,餘量為鐵元素及其他不可避免的雜質。
[0025]採用上述合金體系及製備方法進行等離子堆焊，堆焊層的硬度為55?62HRC，採用MMU-5G材料端面高溫摩擦磨損試驗機進行插銷磨損試驗，磨損試驗參數:轉速300r/min,試驗力200N,磨損時間3min,堆焊層的磨損量為0.0Ollg,堆焊合金顯微組織見圖1。
[0026]實施例2。
[0027]一種含S1、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金，按元素質量百分比，Cr 15%，Si2%，Ni1%，C 8%，餘量為鐵元素及其他不可避免的雜質。
[0028]採用上述合金材料等進行等離子堆焊，堆焊層的硬度為50?58HRC，採用MMU-5G材料端面高溫摩擦磨損試驗機進行插銷磨損試驗，磨損試驗參數為旋轉頻率300r/min，試驗力200N，磨損時間3min，堆焊層的磨損量為0.0012g，堆焊合金顯微組織見圖2。
[0029]實施例3。
[0030]一種含S1、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金，按元素質量百分比，Cr 10%, Si 3%，Ni3%, C 8%餘量為鐵元素及其他不可避免的雜質。
[0031]採用上述合金材料等進行等離子堆焊，堆焊層的硬度為50?55HRC，採用MMU-5G材料端面高溫摩擦磨損試驗機進行插銷磨損試驗，磨損試驗參數為旋轉頻率300r/min，試驗力200N，磨損時間3min，堆焊層的磨損量為0.0019g，堆焊合金顯微組織見圖3。
[0032]實施例4。
[0033]一種含S1、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金，按元素質量百分比，Cr 15%，Si 2.5%，Ni 4%, C 7%,餘量為鐵元素及其他不可避免的雜質。
[0034]採用上述合金材料等進行等離子堆焊，堆焊層的硬度為56?60HRC，採用MMU-5G材料端面高溫摩擦磨損試驗機進行插銷磨損試驗，磨損試驗參數為旋轉頻率300r/min，試驗力200N，磨損時間3min，堆焊層的磨損量為0.0Ollg，堆焊合金顯微組織見圖4。
[0035]以上選用的實施例為本發明優選的實施例，本發明的一種含S1、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金的硬度並不算很高，但因為是金屬間與金屬件磨損，硬質相與基體的結合性對磨損性能影響重大，因此該配方耐磨性能很好，成型效果理想，選材簡單，成本低廉。同時該合金粉末的製備工藝相對簡單，操作容易。
[0036]圖1-圖4是以上實施例中的等離子堆焊的含S1、Cr元素陶瓷相的耐磨堆焊合金堆焊層的顯微組織形貌。由於本發明中各實施例中的合金元素種類相同，只是在合金成分添加量上不同，因此，其顯微組織宏觀上大體相同，但其在微觀細微之處顯微組織形貌有所區別。
【權利要求】
1.一種含S1、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金，其特徵在於該合金的成分按質量百分比為:Cr 10-20%, Si 0.5-5%, Ni 1-4%, C 5?10%，餘量為Fe及不可避免的雜質。
2.根據權利要求1所述的含S1、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金，其特徵在於該合金的具體添加物質為高碳鉻鐵、矽鐵、純鎳粉、石墨和還原鐵粉，其粉末粒度為60-160目。
3.根據權利要求1所述的含S1、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金，其特徵在於優選的合金的成分按質量百分比為=Cr 20%, Si 0.5%，Nil%，C 6%,餘量為鐵元素及其他不可避免的雜質。
4.根據權利要求1所述的含S1、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金，其特徵在於優選的合金的成分按質量百分比為=Cr 15%，Si2%，Ni 1%，C 8%，餘量為鐵元素及其他不可避免的雜質。
5.根據權利要求1所述的含S1、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金，其特徵在於優選的合金的成分按質量百分比為=Cr 10%, Si 3%, Ni 3%, C 8%餘量為鐵元素及其他不可避免的雜質。
6.根據權利要求1所述的含S1、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金，其特徵在於優選的合金的成分按質量百分比為=Cr 15%, Si 2.5%, Ni 4%，C 7%，餘量為鐵元素及其他不可避免的雜質。
7.—種含S1、Cr複合陶瓷相的耐磨堆焊合金合金材料的製備工藝，其特徵在於: 將粒度在60-160目的高碳鉻鐵、矽鐵、純鎳粉、石墨和還原鐵粉按質量百分比混合均勻，然後採用球磨機乾式球磨的方法混合均勻，球磨轉速在100?200 r/min,球磨時間2?3小時； 將粉末在烘乾爐內在200°C條件下烘乾l_2h，爐內冷卻至室溫； 將粉末添加到送粉器中，進而進行等離子弧堆焊形成耐磨堆焊層，具體等離子弧堆焊工藝為:焊接電流150-200A，焊接電壓20-30V，電極直徑4mm，電弧縱向移動速度3_6 cm/min,電弧橫向擺動頻率40-50次/分，電弧橫向擺動寬度3_4 cm。
【文檔編號】B23K35/30GK103737196SQ201210393074
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年10月17日 優先權日:2012年10月17日
【發明者】蘇允海, 吳德廣, 劉政軍 申請人:瀋陽工業大學