CN109365957B

CN109365957B - 一种多层复合粉粒及自保护明弧堆焊高铬合金的方法

Info

Publication number: CN109365957B
Application number: CN201811577238.5A
Authority: CN
Inventors: 龚建勋; 姚惠文; 程诗尧; 马蓦
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2018-12-24
Filing date: 2018-12-24
Publication date: 2020-10-02
Anticipated expiration: 2038-12-24
Also published as: CN109365957A

Abstract

本发明采用一种多层复合粉粒及自保护明弧堆焊高铬合金的方法，采用包括由各种粉末组分经各层粉末分别混合、内层粘结、中间层粘结、外层粘结、烧结、过筛等步骤形成特定颗粒度的多层复合粉粒以及充当电弧载体的H08A实心焊丝作为堆焊材料，进行自保护明弧焊，使复合粉粒熔体和H08A实心焊丝熔滴熔合为一体化熔池，形成初生M₇C₃相为主耐磨相的高铬合金组织。该方法不仅制备工艺简单和熔敷效率高，而且所制备的高铬合金具有良好的耐磨性，完全满足实用要求，可用于磨粒磨损工况下零部件自保护明弧堆焊耐磨层。

Description

一种多层复合粉粒及自保护明弧堆焊高铬合金的方法

技术领域

本发明属于耐磨堆焊技术领域，具体涉及一种多层复合粉粒及自保护明弧堆焊高铬合金的方法。

背景技术

合金的耐磨粒磨损性能与其所含碳化物尺寸、形态、分布、数量甚至位向等因素相关，其中初生碳化物颗粒因尺度大，作为主耐磨相，可有效抵抗磨粒磨损，对合金耐磨性起主要作用。

耐磨合金中应用较多的有高铬与高硼合金。高铬合金因其含较多数量的 M₇C₃相(1300～1800HV)和M₂₃C₆相(1140HV)而广泛应用于机械零部件的耐磨件制造，如水泥磨辊、衬板和混凝土输送管等；高硼合金因硼在奥氏体、铁素体等基体中的溶解度低而易形成较多硼化物耐磨相，具有经济性好的优点，近年来得到较多研究和应用。

目前，耐磨合金的制备除了铸造成型外，应用较多有堆焊成型。堆焊生产通常采用药皮焊条、实心焊丝、药芯焊丝等焊接材料来进行埋弧或者自保护明弧堆焊耐磨合金层。药皮焊条因熔敷效率偏低，所占比例逐渐下降。实心焊丝因其中可容纳的合金元素量极为有限，并受限于拉拔减径等工艺要求，仅能制备少数几种低合金含量的耐磨钢。药芯焊丝由低碳塑性钢带包裹粉末组分，经闭合为搭接“O型”截面结构，再经轧制减径成型，通过改变粉末组分组成配比而制备系列成分各异的堆焊合金，但其主要缺点在于轧制成型设备较贵，养护较为繁琐。此外，上述焊接材料在要求改变堆焊合金成分和性能时，反馈调整和研究时间过长，与现行堆焊合金成分多样化和快速供货要求逐渐不相适应，期待开发新型堆焊材料。

不仅如此，由于环保要求日趋苛刻，致使铁合金等组分价格上涨过快。提高堆焊合金组分的利用率，减少其氧化烧损率，从而降低原料成本，成为急需解决的一项难题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有堆焊材料及方法存在的上述缺陷，提供一种制备工艺简单且供货迅速的高铬合金堆焊材料及堆焊方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种多层复合粉粒及自保护明弧堆焊高铬合金的方法，包括如下顺序备步骤：

(1)多层复合粉粒的内层、中间层和外层粉末组分组成混合：将金属、合金或者其他粉末组分过筛，按照多层复合粉粒的粉末组分组成配比称量，并根据多层复合粉粒的内层、中间层和外层的粉末组分组成要求，再将所属各层的组成粉末分别倒入三个单独容器内，充分搅拌使之均匀混合，形成复合粉粒的各层相应混合粉末；

所述多层复合粉粒的粉末组分组成配比为：重量百分含量为50～60％的含铬量为68～72％、含碳量为8％的高碳铬铁/FeCr70C8.0；重量百分含量为1～ 14％的含钒量为50％的钒铁/FeV50-A；重量百分含量为10～15％的含碳量不低于98％的鳞片石墨/C；重量百分含量为5～12％的含硼为18％的硼铁 /FeB18C0.5；重量百分含量为2～4％的含硅量40～47％的硅铁/FeSi45；重量百分含量为0.5～2.0％的含铝量不低于99％的超细化铝粉/Al；重量百分含量为 1～3％的含碳量不低于98％的超细化石墨/C；余量为含铁量不低于98％的还原铁粉/Fe；

其中高碳铬铁、钒铁为复合粉粒的内层粉末组分组成；鳞片石墨为复合粉粒的中间层粉末组分组成；硼铁、硅铁、超细化石墨、超细化铝粉、还原铁粉为复合粉粒的外层粉末组分组成；

(2)多层复合粉粒的内层制备：向盛有步骤(1)所得的高碳铬铁、钒铁的复合粉粒的内层粉末容器内添加液类粘附剂，添加期间不停搅拌，并使内层粉末转动，形成湿复合粉粒，静置1～2小时以定型，用热风蒸干湿复合粉粒表层水分；接着，将该复合粉粒过20目筛，去除大于20目的粉粒，再将之过 30目筛，去除小于30目的粉粒，最终得到20～30目的复合粉粒；

(3)多层复合粉粒的中间层制备：将步骤(2)所得的复合粉粒摊开，使其堆积高度小于5mm，并向该复合粉粒表面喷撒液类粘结剂，并轻轻翻动复合粉粒，使其表面均匀粘附一层液类粘结剂；接着，将盛有步骤(1)所得的中间层容器内的鳞片石墨组分均匀撒在湿粉粒表面，期间轻轻翻动，使复合粉粒表面均匀粘附一层鳞片石墨；然后，在室温静置1～2小时，并将盛有双层复合粉粒的容器放入烘干炉中，升温至100～200℃，保温2小时出炉冷却至室温；

(4)多层复合粉粒的外层制备：将步骤(3)所得的双层复合粉粒摊开，使其堆积高度小于10mm，向其表面喷撒液类粘结剂，轻轻翻动双层复合粉粒，使之表面粘附一层液类粘结剂；接着，根据步骤(1)所得的复合粉粒的外层组分容器内的粉末组分均匀撒在该双层复合粉粒表面，再轻轻翻动粉粒，使之表面粘附一层复合粉粒外层组分粉末；然后，静置1～2小时以定型，完成多层复合粉粒的制备工序；

(5)多层复合粉粒烧结：将盛有步骤(4)所得的多层复合粉粒的容器放入烧结炉中，升温至烧结温度250～400℃，保温2～4小时，随炉冷却至室温后出炉；

(6)多层复合粉粒过筛分类：出炉后的粉粒先过5目筛，去除大于5目的大颗粒，再将之过20目筛，去除小于20目的小颗粒，获得粒度为5～20目的复合粉粒；

(7)以多层复合粉粒和H08A实心焊丝作为堆焊材料自保护明弧堆焊高铬合金：设置自动焊机堆焊工艺参数，并使每次堆焊参数不变；在低碳钢基体上，预置步骤(6)所得的多层复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，使单位长度焊道上多层复合粉粒预置重量与该焊道上实心焊丝熔化重量的比值满足设定要求；

按上述要求以该多层复合粉粒和H08A实心焊丝作为堆焊材料进行自保护明弧堆焊，使多层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；再以同样的方式分别堆焊第二层和第三层。

具体的，步骤(1)中，所述高碳铬铁、钒铁、硅铁、硼铁、鳞片石墨、还原铁粉的粉末组分过60目筛，所述超细化铝粉和超细化石墨过300目筛。

具体的，步骤(2)中，所述液态粘结剂为波美度为20～40、模数为3.0～ 3.3的硅酸钠型水玻璃；所述液态粘结剂的掺杂量与混合粉末重量的比值为 10～20ml硅酸钠型水玻璃/100g混合粉末。

具体的，步骤(3)中，所述液态粘结剂为波美度为20～40、模数为3.0～ 3.3的硅酸钠型水玻璃；所述液态粘结剂的掺杂量与步骤(2)所得复合粉粒所含干混合粉末重量的比值为10～20ml硅酸钠型水玻璃/100g混合粉末。

具体的，步骤(4)中，所述液态粘结剂为波美度为20～40、模数为3.0～ 3.3的硅酸钠型水玻璃；所述液态粘结剂的掺杂量与步骤(3)所得复合粉粒所含干混合粉末重量的比值为10～20ml硅酸钠型水玻璃/100g混合粉末。

具体的，步骤(7)中，所述堆焊工艺参数为：极性为直流反接，电流为 380～450A，小车行走速度为10～15m/h，电压值26～35V。

具体的，步骤(7)中，所述单位长度焊道上多层复合粉粒预置重量与该焊道上实心焊丝熔化重量的比值为0.70～1.00。

具体的，步骤(7)中，所述H08A实心焊丝直径为Φ2.5mm～Φ3.0mm。

本发明一种多层复合粉粒及自保护明弧堆焊高铬合金的方法，采用包括由各种粉末组分经各层粉末混合、内层粘结、中间层粘结、外层粘结、烧结、过筛等步骤形成特定颗粒度的多层复合粉粒以及充当电弧载体的H08A实心焊丝作为堆焊材料，进行自保护明弧焊，使复合粉粒熔体和H08A实心焊丝熔滴熔合为一体化熔池，形成初生三碳化七金属元素/M₇C₃相为主耐磨相的高铬合金组织，其中M包括Fe、Cr、V等元素。

与现有技术相比，本发明具有如下创新点和有益效果：

(1)材料结构和设计思想不同：本发明多层复合粉粒由内层、中间层和外层等三层组成，层次组分特征明显突出，这与堆焊材料如药皮焊条、药芯焊丝的结构明显不同；此外，思想上粉粒每层成分均引入了减小贵重合金组分的损耗设计，使核心贵重组分得到高效集约利用。

(2)堆焊时烟尘量小：本发明粉粒由内层、中间层和外层组成，其中外层由硼铁、硅铁、超细化石墨、还原铁粉和超细化铝粉组成，其中超细化铝粉可先期脱氧，超细化石墨可先氧化保护为CO或者CO₂，起到保护作用，后期硼铁和硅铁等组分可起到自脱氧作用，并降低复合粉粒的熔化温度，改善焊缝成型。从自保护明弧堆焊效果来看，由于堆焊材料受到电弧的被动加热作用，熔滴***所导致烟尘量明显减小，其烟尘量明显小于同类药芯焊丝堆焊烟尘量，改善了焊工操作环境。

(3)合金组分利用效率高：从烟尘量来看，明显低于同类自保护药芯焊丝，这说明该型焊材合金元素的烧损率明显减小；此外，外层由价格便宜的硅铁、硼铁、铝粉、超细化石墨组分组成，有效减小内层高碳铬铁、钒铁等组分的烧损率；上述两方面均提高了核心贵重合金组分的利用率，从而降低原料成本。

(4)初生耐磨相数量多：对于粉末和实心焊丝自保护明弧堆焊方法来说，其最大难题是堆焊时热量散失过多，必须更高的热能输入量才能熔敷成完整焊缝，这致使碳组分烧损过多，并使低合金母材成分稀释过大而无法形成过共晶结构的高铬合金。本发明的复合粉粒采用多层结构形式，有效减小内层组分氧化烧损，尤其高碳铬铁粉末组分中的碳烧损；外层加入的硅铁组分反向迫使碳量集中，这有利于初生M₇C₃的析出，获得了数量较多的初生M₇C₃相，从而改善了堆焊合金的耐磨性。

(5)堆焊材料制备工艺经济且简单：本发明多层复合粉粒通过将所需合金粉末组分进行分层组分混合、多层粘结造粒、烧结、过筛等工序形成特定颗粒度的多层结构的复合粉粒，克服药芯焊丝异类组分不能分类构造的缺点，所使用的设备简单，易维护，使之具有经济性优良的突出优点。

附图说明

图1为本发明方法所制备高铬合金表层的组织形态图。

图2为图1所示本发明方法所制备高铬合金的相组成图。

图3为对比例1中粉末明弧堆焊高铬合金表层的组织形态图。

图4为图3所示对比例1中粉末明弧堆焊高铬合金的相组成图。

图5为图1所示本发明方法所制备高铬合金的磨损形貌图。

图6为图3所示对比例1中粉末明弧堆焊合金的磨损形貌图。

图7为本发明方法的多层复合粉粒结构示意图

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，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

将高碳铬铁、钒铁、硅铁、硼铁、鳞片石墨、还原铁粉的粉末组分过60目筛，超细化铝粉和超细化石墨过300目筛，按照多层复合粉粒的粉末组分组成配比称量，并根据多层复合粉粒的内层、中间层和外层的粉末组分组成要求，再将所属各层的组成粉末分别倒入三个单独容器内，充分搅拌使之均匀混合，形成各层相应混合粉末；

所述多层复合粉粒的粉末组成配比(重量百分含量)为：高碳铬铁54％、钒铁4％；鳞片石墨14.5％、硼铁11％；硅铁3.5％、超细化铝粉1.5％、超细化石墨3％，还原铁粉8.5％；

其中高碳铬铁、钒铁为多层复合粉粒的内层粉末组分组成；鳞片石墨为多层复合粉粒的中间层粉末组分组成；硼铁、硅铁、超细化石墨、超细化铝粉、还原铁粉为多层复合粉粒的外层粉末组分组成；

首先，向盛有高碳铬铁、钒铁的多层复合粉粒的内层粉末容器内添加波美度为25、模数为3.3的硅酸钠型水玻璃，使该水玻璃掺杂量与混合粉末重量的比值为15ml硅酸钠型水玻璃/100g混合粉末；添加期间不停搅拌，并使内层粉末转动，形成湿复合粉粒，静置1.5小时以定型，用热风蒸干湿复合粉粒表层水分；接着，将该复合粉粒过20目筛，去除大于20目的粉粒，再将之过30 目筛，去除小于30目的粉粒，最终得到20～30目的复合粉粒；

接着，将上述所得的单层复合粉粒摊开，并使其堆积高度小于5mm，向该复合粉粒喷撒波美度为28、模数为3.0的硅酸钠型水玻璃，使得该水玻璃掺杂量与所得单层复合粉粒所含干混合粉末重量的比值为20ml硅酸钠型水玻璃 /100g混合粉末，并轻轻翻动复合粉粒，使其表面均匀粘附一层该型水玻璃；接着，将多层复合粉粒的中间层鳞片石墨组分均匀撒在湿粉粒表面，期间轻轻翻动，使复合粉粒表面均匀粘附一层鳞片石墨；然后，在室温静置1.5小时，并将盛有该双层复合粉粒的容器放入烘干炉中，升温至200℃，保温2小时出炉冷却至室温；

接上一步，将上述所得粘附中层石墨组分的双层复合粉粒摊开，使其堆积高度小于10mm，向其表面喷撒波美度为35、模数为3.3的硅酸钠型水玻璃，使该水玻璃掺杂量与所得双层复合粉粒所含干混合粉末重量的比值为15ml硅酸钠型水玻璃/100g混合粉末，轻轻翻动双层复合粉粒，使之表面粘附一层该型水玻璃；然后，将多层复合粉粒的外层混合粉末组分均匀撒在该双层复合粉粒表面，再翻动粉粒，使之表面粘附一层复合粉粒的外层组分粉末；静置2小时以定型，完成多层复合粉粒的制备工序；

接上一步，将上述盛有多层复合粉粒的容器放入烧结炉中，升温至烧结温度270℃，保温3小时，随炉冷却至室温后出炉；出炉后的粉粒先过5目筛，去除大于5目的大颗粒，再过20目筛，去除小于20目的小颗粒，获得粒度为 5～20目的多层复合粉粒；

然后，在长度160mm×宽度75mm×厚度16mm的Q235A钢板上，在焊道上预置该烧结过筛的多层复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，使之单位焊缝长度上该复合粉粒重量与经过该焊道的直径Φ2.5mm的H08A实心焊丝熔化重量的比值保持在0.85～0.90范围内，且每次堆焊工艺参数不变；

堆焊之前，将自动焊机ZD5-1000E的极性选择为直流反接，堆焊工艺参数如表1所示；

启动焊机，以该多层复合粉粒和H08A实心焊丝进行自保护明弧堆焊，使复合粉粒熔体和H08A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，空冷至150℃以下；然后以同样的方式分别堆焊第二层和第三层，空冷至室温，获得无裂纹和气孔等缺陷的堆焊焊缝。

将堆焊试样用线切割机床加工制备为57mm×25.5mm×6mm耐磨性试样，并用HR-150洛氏硬度计测试其表面宏观硬度。

表1多层复合粉粒和实心焊丝自保护明弧堆焊工艺参数

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178mm、硬度为60邵尔，所加砝码重2.5千克，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的高铬合金层表层的组织形态及其相组成分如图1和图2所示，实施例1所制备的高铬堆焊合金的磨损形貌图如图5所示。所述多层复合粉粒结构示意图如图7所示。

实施例2

所述多层复合粉粒的粉末组成配比(重量百分含量)为：高碳铬铁60％、钒铁2％；鳞片石墨12％、硼铁11％；硅铁3％、超细化铝粉1％、超细化石墨 3％，还原铁粉8％；

首先，向盛有高碳铬铁、钒铁的多层复合粉粒的内层粉末容器内添加波美度为20、模数为3.0的硅酸钠型水玻璃，使该型水玻璃掺杂量与混合粉末重量的比值为20ml硅酸钠型水玻璃/100g混合粉末；添加期间不停搅拌，并使内层粉末转动，形成湿复合粉粒，静置1.2小时以定型，用热风蒸干湿复合粉粒表层水分；然后将该复合粉粒过20目筛，去除大于20目的粉粒，接着再过30 目筛，去除小于30目的粉粒，最终得到20～30目的复合粉粒；

接着，将上述所得的单层复合粉粒摊开，并使其堆积高度小于5mm，向该复合粉粒喷撒波美度为25、模数为3.0的硅酸钠型水玻璃，使得该型水玻璃掺杂量与所得单层复合粉粒所含干混合粉末重量的比值为13ml硅酸钠型水玻璃 /100g混合粉末，并轻轻翻动复合粉粒，使其表面均匀粘附一层该型水玻璃；再将多层复合粉粒的中间层鳞片石墨组分均匀撒在湿粉粒表面，期间轻轻翻动，使该复合粉粒表面均匀粘附一层鳞片石墨；然后，在室温静置2小时，并将盛有双层复合粉粒的容器放入烘干炉中，升温至180℃，保温2小时出炉冷却至室温；

接上一步，将上述所得粘附中间层石墨组分的双层复合粉粒摊开，使其堆积高度小于10mm，向其表面喷撒波美度为30、模数为3.0的硅酸钠型水玻璃，使该水玻璃掺杂量与所得双层复合粉粒所含干混合粉末重量的比值为15ml硅酸钠型水玻璃/100g混合粉末，轻轻翻动双层复合粉粒，使之表面粘附一层该型水玻璃；再根据所得的复合粉粒外层组分均匀撒在该双层复合粉粒表面，再翻动粉粒，使之表面粘附一层复合粉粒外层组分粉末；静置1.6小时以定型，完成多层复合粉粒的制备工序；

接上一步，将上述盛有多层复合粉粒的容器放入烧结炉中，升温至烧结温度300℃，保温3小时，随炉冷却至室温后出炉；出炉后的多层复合粉粒先过 5目筛，去除大于5目的大颗粒；再过20目筛，去除小于20目的小颗粒，获得粒度为5～20目的多层复合粉粒；

最后，在长度160mm×宽度75mm×厚度16mm的Q235A钢板焊道上，预置该烧结过筛后的多层复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，使之单位焊缝长度上该复合粉粒重量与经过该焊道的直径Φ2.5mm的H08A实心焊丝熔化重量的比值保持在0.90～0.95范围内，且每次堆焊工艺参数不变。

其余步骤和耐磨性试验内容同实施例1。

实施例3

将高碳铬铁、钒铁、硅铁、硼铁、鳞片石墨、还原铁粉的粉末组分过60目筛，超细化铝粉和超细化石墨过300目筛过筛，按照多层复合粉粒的粉末组分组成配比称量，并根据多层复合粉粒的内层、中间层和外层的粉末组分组成要求，再将所属各层的组成粉末分别倒入三个单独容器内，充分搅拌使之均匀混合，形成各层相应混合粉末；

所述多层复合粉粒的粉末组成配比(重量百分含量)为：高碳铬铁52％、钒铁12％；鳞片石墨15％、硼铁10％；硅铁2％、超细化铝粉2％、超细化石墨2％，还原铁粉5％；

首先，向盛有高碳铬铁、钒铁的复合内层粉末容器内添加波美度为30、模数为3.3的硅酸钠型水玻璃，使得该型水玻璃掺杂量与混合粉末重量的比值为 16ml硅酸钠型水玻璃/100g混合粉末；添加期间不停搅拌，并使内层粉末转动，形成湿复合粉粒，静置2小时以定型，用热风蒸干湿复合粉粒表层水分；然后，将该复合粉粒先过20目筛，去除大于20目的粉粒，再将之过30目筛，去除小于30目的粉粒，最终得到20～30目的复合粉粒；

接着，将上述所得的单层复合粉粒摊开，并使其堆积高度小于5mm，然后向该复合粉粒喷撒波美度为35、模数为3.3的硅酸钠型水玻璃，使该型水玻璃掺杂量与所得单层复合粉粒所含干混合粉末重量的比值为12ml硅酸钠型水玻璃/100g混合粉末，并轻轻翻动复合粉粒，使其表面均匀粘附一层该型水玻璃；再将多层复合粉粒的中间层鳞片石墨组分均匀撒在湿粉粒表面，期间轻轻翻动，使复合粉粒表面均匀粘附一层鳞片石墨；接着在室温静置1.8小时，并将盛有双层复合粉粒的容器放入烘干炉中，升温至150℃，保温2小时出炉冷却至室温；

接上一步，将上述所得粘附中层石墨组分的双层复合粉粒摊开，使其堆积高度小于10mm，向其表面喷撒波美度为40、模数为3.3的硅酸钠型水玻璃，使该型水玻璃的掺杂量与所得双层复合粉粒所含干混合粉末重量的比值为 16ml硅酸钠型水玻璃/100g混合粉末，轻轻翻动双层复合粉粒，使之表面粘附一层该型水玻璃；再把多层复合粉粒的外层粉末组分均匀喷撒在该双层复合粉粒表面，并翻动粉粒，使之表面粘附一层复合粉粒外层组分粉末；静置2小时以定型，完成多层复合粉粒的制备工序；

接上一步，将上述盛有多层复合粉粒的容器放入烧结炉中，升温至烧结温度400℃，保温3小时，随炉冷却至室温后出炉；出炉后的粉粒先过5目筛，去除大于5目的大颗粒；再过20目筛，去除小于20目的小颗粒，获得粒度为 5～20目的多层复合粉粒；

最后，在长度160mm×宽度75mm×厚度16mm的Q235A钢板焊道上，预置该烧结过筛后的多层复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，使之单位焊缝长度上该复合粉粒重量与经过该焊道的直径Φ3.0mm的H08A实心焊丝熔化重量的比值保持在0.87～0.92范围内，且每次堆焊工艺参数不变。

其余步骤和耐磨性试验内容同实施例1。

对比例1

将高碳铬铁、钒铁、硅铁、硼铁、鳞片石墨、还原铁粉的粉末组分过60目筛，超细化铝粉和超细化石墨过300目筛；所称量的混合粉末组成配比(重量百分含量)为：高碳铬铁54％、钒铁4％；鳞片石墨14.5％、硼铁11％；硅铁 3.5％、超细化铝粉1.5％、超细化石墨3％，还原铁粉8.5％；该混合组分完全同实例1的多层复合粉粒所含粉末组分组成：称量后，将上述所有粉末组分放入同一容器，充分搅拌使之均匀混合，形成混合粉末；

接着，在长度160mm×宽度75mm×厚度16mm的Q235A钢板焊道上，预置于上述混合粉末，并调整该混合粉末高度和宽度，使之单位长度上该混合粉末重量与与经过该焊道的直径Φ2.5mm的H08A实心焊丝熔化重量的比值保持在0.85～0.90范围内，且每次堆焊工艺参数不变。

该对比例1所用自动焊机ZD5-1000E的堆焊工艺参数、极性设置和堆焊过程均同实施例1。耐磨性试验内容同实施例1。

对比例1所堆焊的高铬合金层表层的组织形态和其相组成分别如图3、图 4所示，该对比例1所堆焊的高铬合金的磨损形貌如图6所示，以对比例所制备的1#堆焊试样作为标准试样。

从表2可以看出，本发明方法所制备高铬合金的相对磨损系数ε是预置相同混合粉末所制备高铬合金的2.47～4.43倍，并明显低于市售高铬铸铁药芯焊丝在同一磨损试验条件下平均0.05～0.06g磨损失重，这说明该发明方法所制备的高铬合金具有良好的耐磨性，完全满足实用要求。

表2对比例和实施例所示高铬合金的耐磨粒磨损性能

通过图1和图2可知，以本发明制备的多层复合粉粒和H08A实心焊丝进行自保护明弧堆焊，所制备的高铬合金的组织主要由α-Fe(铁素体)、Fe₃(C,B) 以及初生M₇C₃组成，其中M包括Fe，Cr，V等金属元素，该高铬合金呈现典型的共晶组织结构。图1所示的白色六边形块状体为初生M₇C₃相，可充当高铬合金的主耐磨相，这使该高铬合金具有良好的耐磨粒磨损性能。

相反，对比例1在焊道上所预置的混合粉末组成与实施例1完全相同，但是未制备成多层复合粉粒，其他条件均完全相同。由图3和图4可知，该对比例1所制备的高铬合金的组织包括黑色胞状α-Fe(铁素体)、Fe₃(C,B)和沿晶网状或者数值状M₇C₃等相，其中M包括Fe，Cr，V等金属元素。该高铬合金为典型的亚共晶结构组织，并且未出现如图1所示的白色块状M₇C₃初生相，主要由黑色胞状胞状α-Fe和沿胞状晶分布的网状碳化物M₇C₃组成，其耐磨粒磨损性能偏低。

对比图5和图6所示两种高铬堆焊合金的磨损形貌可知，在相同磨粒磨损试验条件下，本发明方法所制备的高铬合金由于初生块状耐磨相的耐磨质点作用，导致磨粒划痕中止或者改变方向，因而划痕数量较少且深度较浅，其磨损机制主要为磨粒的微观切削；而预置相同粉末组分的对比例1所制备高铬合金磨损表面划痕较多且较深，其磨损机制也是磨粒的微观切削。

以上结果表明，以本发明多层复合粉粒和方法所制备的高铬合金具有较高的硬度和良好的耐磨性，可用于磨粒磨损工况下零部件自保护明弧堆焊耐磨合金层。

Claims

1.一种多层复合粉粒及自保护明弧堆焊高铬合金的方法，其特征在于包括如下顺序步骤：

(1)多层复合粉粒的内层、中间层和外层粉末组分组成混合：将金属、合金或者其他粉末组分过筛，按照多层复合粉粒的粉末组分组成配比称量，并根据多层复合粉粒的内层、中间层和外层的粉末组分组成要求，将所属各层的组成粉末分别倒入三个单独容器内，充分搅拌使之均匀混合，形成复合粉粒的各层相应混合粉末；

所述多层复合粉粒的粉末组分组成配比为：重量百分含量为50～60％的含铬量为68～72％、含碳量为8％的高碳铬铁；重量百分含量为1～14％的含钒量为50％的钒铁；重量百分含量为10～15％的含碳量不低于98％的鳞片石墨；重量百分含量为5～12％的含硼为18％的硼铁；重量百分含量为2～4％的含硅量40～47％的硅铁；重量百分含量为0.5～2.0％的含铝量不低于99％的超细化300目铝粉；重量百分含量为1～3％的含碳量不低于98％的超细化300目石墨；余量为含铁量不低于98％的还原铁粉；

(2)多层复合粉粒的内层制备：向盛有步骤(1)所得的高碳铬铁、钒铁的复合粉粒的内层粉末容器内添加液类粘附剂，添加期间不停搅拌，并使内层粉末转动，形成湿复合粉粒，静置1～2小时以定型，用热风蒸干湿复合粉粒表层水分；接着，将该复合粉粒过20目筛，去除大于20目的粉粒，再将之过30目筛，去除小于30目的粉粒，最终得到20～30目的复合粉粒；

2.根据权利要求1所述一种多层复合粉粒及自保护明弧堆焊高铬合金的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述高碳铬铁、钒铁、硅铁、硼铁、鳞片石墨、还原铁粉的粉末组分过60目筛，所述超细化铝粉和超细化石墨过300目筛。

3.根据权利要求1所述一种多层复合粉粒及自保护明弧堆焊高铬合金的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述液态粘结剂为波美度为20～40、模数为3.0～3.3的硅酸钠型水玻璃；所述液态粘结剂的掺杂量与混合粉末重量的比值为10～20ml硅酸钠型水玻璃/100g混合粉末。

4.根据权利要求1所述一种多层复合粉粒及自保护明弧堆焊高铬合金的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述液态粘结剂为波美度为20～40、模数为3.0～3.3的硅酸钠型水玻璃；所述液态粘结剂的掺杂量与步骤(2)所得复合粉粒所含干混合粉末重量的比值为10～20ml硅酸钠型水玻璃/100g混合粉末。

5.根据权利要求1所述一种多层复合粉粒及自保护明弧堆焊高铬合金的方法，其特征在于：步骤(4)中，所述液态粘结剂为波美度为20～40、模数为3.0～3.3的硅酸钠型水玻璃；所述液态粘结剂的掺杂量与步骤(3)所得复合粉粒所含干混合粉末重量的比值为10～20ml硅酸钠型水玻璃/100g混合粉末。

6.根据权利要求1所述一种多层复合粉粒及自保护明弧堆焊高铬合金的方法其特征在于：步骤(7)中，所述堆焊工艺参数为：极性为直流反接，电流为380～450A，小车行走速度为10～15m/h，电压值26～35V。

7.根据权利要求1所述一种多层复合粉粒及自保护明弧堆焊高铬合金的方法，其特征在于：步骤(7)中，所述单位长度焊道上多层复合粉粒预置重量与该焊道上实心焊丝熔化重量的比值为0.70～1.00。

8.根据权利要求1所述一种多层复合粉粒及自保护明弧堆焊高铬合金的方法，其特征在于：步骤(7)中，所述H08A实心焊丝直径为Φ2.5mm～Φ3.0mm。