一種多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條及其製備方法
2023-05-17 16:01:16
專利名稱：一種多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條及其製備方法
技術領域：
本發明涉及多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條及其製備方法，屬無機材料技術和有色金屬冶金領域。尤其是涉及利用Ni、Co、Cr、B、C、稀土元素的單質或合金或化合物為原料，採用冷粘、燒結製備耐磨耐熱堆焊焊條的技術方法。
背景技術：
多組元Ni基耐磨耐熱堆焊焊條是製備以Ni-Cr-Co-B-C稀土為合金體系工作層的堆焊材料。以該種焊條製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。
目前我國許多設備的製造，特別是用於高溫環境下的工件，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、高溫組織熱穩定性和紅硬性等高溫性能。如果採用整體材料製造，將使工件成本極高；而採用含貴金屬元素量較少的一般鐵基合金材料整體製造，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、時效沉澱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。國內外目前已經開發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採用H08A，H08E或各種不鏽鋼焊絲以及其它焊絲作為焊芯，外塗較多的合金元素，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，並能夠在較高的溫度環境下服役(一般長時間服役的工作溫度不超過600℃)。趙寶君，吳雲華(自製耐高溫堆焊焊條高溫時效性能.趙寶君，吳雲華.焊接，No.4，26～27，1999.)，開發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生回火脆化，易使工件表面形成氧化層(FeO，Fe3O4，Fe2O3)而被嚴重氧化。
鈷基堆焊焊條可採用鑄造鈷鉻鎢合金作為焊芯，外塗鈦鈣型等類型的藥皮製成，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了一種鈷基硬質合金堆焊焊條，採用金紅石型的優質藥皮不但保證了該焊條具有優良的工藝性能，而且堆焊合金的熔敷係數高(150％)，從而使堆焊時的熔敷金屬的重量大於焊芯的重量，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422)焊條相近。對被焊件不需除鏽、不需預熱，交、直流弧焊機通用。對形狀複雜的異形工件補加耐磨層尤為方便，根據耐磨件的不同使用要求，通過化學組分的調整，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)，用於鋼齒牙輪鑽頭的齒面強化，以及牙輪鑽頭的掌尖強化，也可用於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碳化鎢顆粒、鑄造碳化鎢顆粒、合金粉和有機粘結劑，各組分的含量按重量計為燒結碳化鎢顆粒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餘量。在堆焊過程中，能夠有效降低粘結金屬的熔點，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。
發明人董憲忠、董煜申請了複合型系列耐磨合金堆焊焊條的專利，一種複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(重量分數比)是純鹼4-5份、鎳粉18-20份、中碳錳鐵18-20份、矽鐵20-22份、鈦白粉26-30份、氟矽酸鈣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。本發明的焊條電弧穩定，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、抗氣孔和抗衝擊性能。公開號1565789，申請號03132432.0。
黃文哲，王澤萬等(鎳基1號焊條的性能及其應用研究.焊接，1981，(3)8～12.)發明了一種鎳基堆焊焊條(Cr15Ni70Mo10Nb)，這是一種採用Cr20Ni80型鎳鉻電阻絲(即電爐絲)作為焊芯，外塗鹼性渣系藥皮而開發出的焊條。
姚光華申請了一種耐熱耐磨堆焊焊條的製備方法(CN86106019)，用於各類金屬礦山直接接觸礦石的磨損件及設備的耐熱耐磨堆焊焊條，是由焊芯和藥皮組成，本發明的特徵是，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％，鉻鐵粉餘量；焊芯的材質是低碳鋼即H08類鋼；藥皮重量係數為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製造方法(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％，其餘為Fe。該焊條用鑄造方法製造。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，而且使焊接質量易於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生，提高錘頭的使用壽命；不帶藥皮，可直接鑄造而成，生產工序簡單，免去了藥皮配方、設計等麻煩，生產和使用成本低。
上述耐磨耐熱堆焊焊條都有各自的優缺點。通過研究發現，還未見報導將原材料粉末通過機械球磨，原材料可以是單質或合金，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。混合粘結劑和助劑後在液壓機上壓制，800～1200℃燒結製備無藥皮的耐磨耐熱堆焊焊條的方法。
發明內容
本發明的目的是提出一種冷粘、燒結方法製備多組元Ni基耐磨耐熱堆焊焊條及其製備的方法，通過控制焊條中Ni、Co、Cr、B、C和稀土元素含量，發揮各種金屬元素在焊層中的作用，以金屬單質、碳化物、硼化物、氧化物或這幾種材料的組合為原料製備耐磨耐熱堆焊焊條。
本發明的目的還在於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。
本發明的技術解決方案是多組元Ni基耐磨耐熱堆焊焊條及其製備的方法，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％、其餘為Ni。其製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。本發明的製備方法是採用冷粘、燒結工藝製備，粘結劑可以是有機物質，還有部分添加劑和助劑混合。按比例機械球磨混合，加入粘結劑、添加劑或/和助劑，在液壓機上壓制，然後在高溫條件下，當溫度達到800～1200℃時進行燒結得到最終產品。
本發明具體內容如下1、以金屬或非金屬單質或含有合金成分的化合物為原料，機械球磨混合，用粘結劑把各種粉末粘結在一起，壓製成形然後高溫下燒結得到耐磨耐熱堆焊焊條。根據原料和粘結劑不同，控制不同的配比和燒結溫度，原料可以一次性加入，也可以分次或連續加入。
2、用上述發明內容1所述的內容和方法，原料可以是Ni、Co、Cr單質粉末，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、用上述發明內容1所述的內容和方法，粘結劑可以是有機物質，還有部分添加劑和助劑混合。
4、用上述發明內容1所述的內容和方法，燒結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。
本發明在爐內加熱燒結，部分金屬元素部分合金化，粘結劑中的水分或有機物揮發，使焊條本身更加緻密，利於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象的發生，並且焊層中不會有雜質引入。
本發明的特點是採用以含Ni、Co、Cr、B、C、稀土的單質或化合物為原料，冷粘、燒結製備多組分耐磨耐熱堆焊焊條。本發明技術方法原料來源廣，不需要特殊的原料和設備，生產工藝流程短，操作條件簡單，生產過程易於控制。本發明製備的耐磨耐熱堆焊焊條有許多優點，目前其主要的應用包括礦山、冶金、農用機械、建築、電站、鐵路、車輛、石油、化工設備、輪船機組、工具、模具等的製造和維修。
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的動力學曲線圖。
具體實施例方式
實施例1
以金屬Ni、Co、Cr單質粉末和C、B單質粉末與稀土氧化物按照一定的比例，其中優選Cr20.0±5.0％、Co10.0±5.0％、B3±0.5％、C3±0.5％、稀土氧化物2±0.5％、其餘為Ni。將上述各種原料，進行機械球磨混合，均勻後加入丁鈉膠、聚乙烯醇、或二醇為粘結劑、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)，成形後置於託盤中，放在爐內，加蓋密封，由程序控溫儀來實現升溫速度的自動控制。當升溫至800～1200℃，保持恆溫一段時間(1-5小時)，合金成分部分熔化，粘結劑和助劑中的成分揮發，使焊條緻密化。附圖1為加工過程的流程圖。
用本發明製品進行鎢極氬弧焊，採用一定的電流、電壓、焊接速度和氬氣流量，在高溫鑄造合金上進行堆焊，製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)，經試驗和測定表明，焊層的硬度在HRC50以上，並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，均勻後加入有機矽橡膠、固化劑和偶聯劑，在液壓機上進行壓制，成形後置於爐內，抽真空。升溫至800～1200℃，恆溫一段時間內後，得到焊條。
氣體保護堆焊，在一定的焊接參數條件下，不鏽鋼上堆焊，實驗表明，焊層的硬度為HRC55～57，SEM表徵焊層表面的裂紋狀況，無裂紋產生，並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，均勻後加入纖維素、甘油作為粘結劑，液壓機壓制，成形後置於爐內，抽真空後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，製備耐磨耐熱堆焊焊條。
以普通碳鋼為基材進行堆焊，調整堆焊參數，製備堆焊層。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異。
權利要求
1.一種多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條及其製備方法，其特徵是含有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％、其餘為Ni。選用Ni、Co、Cr的單質或合金；稀土是單質也可以是氧化物或混合物；或是這幾種材料的組合，上述組分的粉末採用冷粘、燒結工藝製備。
2.根據權利要求1所述的多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條，其特徵是其中Cr15.0～35.0％、Co5.0～20.0％、B0.1～5.0％、C0.1～5.0％、Re0.0～5.0％、其餘為Ni。
3.根據權利要求1或2所述的多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條，其特徵是將上述原料加入丁鈉膠、聚乙烯醇、二醇、纖維素、甘油或有機矽橡膠為粘結劑，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製備方法，其特徵是根據權利要求1或者的材料配比，採用冷粘、燒結工藝製備；先按比例機械球磨混合，加入粘結劑、添加劑或/和助劑混合；在液壓機上壓製成形，然後在高溫條件下，當溫度達到800～1200℃時進行燒結，升溫至800～1200℃，保持恆溫1-5小時。
5.根據權利要求4所述的多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條的製備方法，其特徵是在液壓機上進行壓制的壓力是40-60MPa，成形後置於託盤中，放在爐內，加蓋密封，升溫燒結。
全文摘要
本發明涉及一種多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條及其製備方法。多組元鎳基耐磨耐熱堆焊焊條及其製備方法，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％、其餘為Ni。選用Ni、Co、Cr的單質或合金；稀土是單質也可以是氧化物或混合物；或是這幾種材料的組合，上述組分的粉末採用冷粘、燒結工藝製備。通過機械球磨、冷粘、燒結的方法，製備了堆焊工藝適應性好的焊條。該焊條製備的焊層具有硬度大、良好的抗裂紋敏感性、優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 優先權日2006年12月18日
發明者馬江虹, 任先京, 薛文濤, 王磊, 於月光 申請人:北京礦冶研究總院