CN112008294B - 一种三元硼化物及其制备方法和应用 - Google Patents

一种三元硼化物及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于焊接材料制备技术领域，具体涉及一种三元硼化物及其制备方法和应用。该三元硼化物的原料中包括以质量分数计，其原料包括2‑8％硼元素、20‑50％铁元素、31‑55％钼元素、1‑15.5％铬元素、0.2‑3％硅元素、1‑5％镍元素和0.5‑2.5％锰元素。采用特定配比的硼、铁、钼、铬、硅、镍和锰作为原料，可以保证堆焊过程中生成的三元硼化物堆焊层具有较好的耐磨性、韧性、硬度；本发明提供的原料可以作为焊材应用于堆焊中，通过焊接冶金原位合成三元硼化物，该三元硼化物与金属基体的结合强度好，不易发生脱落。在三元硼化物中加入硅元素，可以脱除硼化物中的氧气，形成焊渣排出。

Description

一种三元硼化物及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于焊接材料制备技术领域，具体涉及一种三元硼化物及其制备方法和应用。
背景技术
随着科技日新月异的进步，大部分机械制造装备向大型化和高效化方向发展，且对产品可靠性和使用性提出了更高的要求。高温高压、承受较大载荷及氧化、腐蚀等复杂的工况条件下，机械设备由于磨损和腐蚀等原因而不能正常工作，这就需要零部件的表面具有优良的耐磨性、耐蚀性、耐高湿及抗氧化的能力。堆焊是焊接技术的分枝，是提高并延长机械设备使用寿命的重要途径之一，其最重要的特点是覆层和基体之间可以形成良好的冶金结合。根据覆层的使用性能，可以选择并设计比较理想的堆焊合金系，使母材表面获得良好的性能，如耐磨、耐高温、耐蚀、抗氧化等性能，而且工艺上具有很大的灵活性。采用堆焊技术既可以修复形状尺寸不合格的金属零部件，也可合理地选用强化产品表面性能的堆焊焊材。
硼化物作为一种高新技术材料，应用越来越广泛，三元硼化物涂层或含有三元硼化物颗粒相的金属熔覆层，既具有金属基体的韧性和易加工性能，同时兼具了陶瓷相颗粒的高硬度和高耐磨性。现有技术中，研发人员在钢材基体表面制备三元硼化物覆层材料，用于改善钢材基体的韧性、加工性能及耐磨性等，但是三元硼化物与钢材的结合强度低，在冷热循环时易脱落。
此外，中国专利文献CN109112381A公开了一种堆焊用三元硼化物金属陶瓷Mo2FeB2合金粉末，其原料包括：硼铁、钼粉、铁粉、硅铁、镍粉、粘结剂、石墨、纳米碳化钛粉、氧化钇粉等，该合金粉末中含有石墨，导致大量的碳元素过渡到堆焊金属中，同时在碳棒熔覆过程中，也会使碳棒中的碳元素过渡到堆焊金属中，导致堆焊金属中的碳元素用量不可控，会降低材料的韧性、耐磨性等。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的三元硼化物与基材的结合强度低、在冷热循环时易脱落，三元硼化物与基材结合后的硬度差、韧性差、耐磨性差等缺陷，从而提供一种三元硼化物及其制备方法和应用。
为此，本发明提供了以下技术方案。
本发明提供了一种三元硼化物，以质量分数计，其原料包括2-8％硼元素、20-50％铁元素、31-55％钼元素、1-15.5％铬元素、0.2-3％硅元素、1-5％镍元素和0.5-2.5％锰元素。
进一步地，以质量分数计，所述三元硼化物的原料包括17-23％硼铁合金、40-65％钼铁合金、10-16％铬、1-6％硅铁合金、1-3％镍、0.2-4％锰铁合金。
所述三元硼化物的原料还包括铁粉和/或钼粉。
铁粉和钼粉用于保证铁元素和钼元素用量在本发明的范围。
所述三元硼化物的原料还包括10-20wt％粘结剂；
所述粘结剂为聚乙烯醇水溶液和/或水玻璃。
本发明还提供了上述三元硼化物在堆焊中的应用。
此外，本发明还提供了上述三元硼化物的制备方法，包括以下步骤，
各原料经球磨后混合均匀，形成混料；
在混料中加入粘结剂，混合均匀，挤压成型；
在堆焊过程中，原位合成三元硼化物。
进一步地，堆焊为分层堆焊，每层厚度为1-2mm；所述堆焊的宽度为2-3mm。
堆焊的层间温度为50-100℃。
所述混料的粒径小于10μm。
所述堆焊为氩弧焊或等离子熔覆。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的三元硼化物，该三元硼化物的原料中包括以质量分数计，其原料包括2-8％硼元素、20-50％铁元素、31-55％钼元素、1-15.5％铬元素、0.2-3％硅元素、1-5％镍元素和0.5-2.5％锰元素。采用特定配比的硼、铁、钼、铬、硅、镍和锰作为原料，可以保证堆焊过程中生成的三元硼化物堆焊层具有较好的耐磨性、韧性、硬度；本发明提供的原料可以作为焊材应用于堆焊中，通过焊接冶金原位合成三元硼化物，该三元硼化物与金属基体的结合强度好，不易发生脱落。在三元硼化物中加入硅元素，可以脱除硼化物中的氧气，形成焊渣排出。
2.本发明提供的三元硼化物，通过采用特定配比的硼铁、钼铁、铬、硅铁、镍和锰铁，在堆焊过程中，B、Mo、Fe三种元素形成硬质相Mo2FeB2陶瓷，马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，高的强度和硬度是马氏体的主要特征之一，该三元硼化物中硬质相质量占比在50％左右，硬质相和马氏体基体是在堆焊过程中原为生成，结合界面没有污染，硬质相弥散分布在基体中，进而可以保证形成的三元硼化物与金属基体的结合强度好，不易发生脱落。
该三元硼化物严格控制碳元素和其他元素含量，保证能够形成马氏体，使堆焊层的强度高、韧性好；加入铬能够起到钝化作用，使堆焊层具有较好的耐蚀性；加入镍能够扩大奥氏体，增加堆焊层的韧性。
堆焊层的耐磨性是三元硼化物的含量决定的，含量越高，耐磨性越好，当含量超过50％时，堆焊层易出现裂纹。
本发明通过加入钼铁有助于三元硼化物的形成，与添加钼粉的形式相比，以钼铁粉的方式加入堆焊层，有助于形成含量更高的三元硼化物，这是因为钼的熔点是2620℃，堆焊过程是一个快速加热、快速冷却的过程，难熔金属反应较为困难，在形成三元硼化物时，钼铁粉的形式更易发生反应。
通过控制混料的粒度，原料的粒度越细，焊接冶金过程中反应越充分，焊接冶金时间短，只有快速反应，产生的焊渣、气体有时间溢出，不会出现焊缝中有气孔、夹渣等问题。通过控制混料的粒度既可以避免焊封出现气孔、夹渣的问题，还有助于降低成本和生产时间。
3.本发明提供的三元硼化物的制备方法，在堆焊过程中，原位合成三元硼化物，三元硼化物和基体界面洁净，无污染，结合强度高。堆焊层和母材是冶金结合，堆焊层不易发生脱落，同时使用本发明提供的三元硼化物可以保证堆焊层的硬度、耐磨性和韧性，堆焊层的硬度最高可达HRC69，耐磨性可高于YG8钨钴类硬质合金。通过控制堆焊的层厚度、宽度和层间温度，有助于提高堆焊层的韧性。
该堆焊层和金属基体的热稳定性好，不易出现裂纹。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中得到的三元硼化物的光学显微镜图；
图2是本发明实施例1中得到的三元硼化物的扫描电镜图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
在以下实施例中，用到的原料中各个元素的质量含量分别为：
硅铁粉：硅元素质量含量为50-55％，碳元素质量含量为0.05％，余量为铁，本发明实施例中硅元素含量为52％；
铬粉：铬元素质量含量大于99％；镍粉：镍元素质量含量大于99.9％；
铁粉：铁元素质量含量大于99.7％；
钼铁粉：铁元素质量含量为37％，碳元素质量含量为0.1％，余量为钼；
硼铁粉：硼元素质量含量为18.7％，硅元素质量含量为0.7％，余量为铁；
锰铁粉：锰元素质量含量为55％，碳元素质量含量为0.5％，余量为铁。
实施例1
本实施例提供了一种三元硼化物，其原料包括195g硼铁粉、625g钼铁粉、130g铬粉、20g硅铁粉、20g镍粉和10g锰铁粉；其中，硼元素质量含量为3.66％，硅元素质量含量为1.18％，铁元素质量含量为40.3％，钼元素质量含量为39.36％，铬元素质量含量为12.89％，镍元素质量含量为2％，锰元素质量含量为0.55％。
上述三元硼化物的制备方法包括，
按照上述质量称取各个原料，以无水乙醇作为球磨介质，球磨16h形成混料，混料的粒度＜10μm；加入粘结剂10wt％聚乙烯醇水溶液，混合均匀后，挤压后得到直径为2.5mm焊丝；采用氩弧焊进行堆焊，在堆焊过程中原位合成三元硼化物(也就是形成堆焊层)，堆焊采用分层堆焊的方法进行，每层堆焊层的厚度为1mm，宽度为2mm，层间温度为80℃。
实施例2
本实施例提供了一种三元硼化物，其原料包括195g硼铁粉、625g钼铁粉、130g铬粉、20g硅铁粉、20g镍粉、10g锰铁粉；其中，硼元素质量含量为3.66％，硅元素质量含量为1.18％，铁元素质量含量为40.3％，钼元素质量含量为39.36％，铬元素质量含量为12.89％，镍元素质量含量为2％，锰元素质量含量为0.55％。
上述三元硼化物的制备方法包括，
按照上述质量称取各个原料，以无水乙醇作为球磨介质，球磨16h形成混料，混料的粒度＜10μm；加入粘结剂10wt％聚乙烯醇水溶液，混合均匀后，挤压后得到直径为3.2mm焊丝；采用等离子熔覆进行堆焊，在堆焊过程中原位合成三元硼化物(也就是形成堆焊层)，堆焊采用分层堆焊的方法进行，每层堆焊层的厚度为1mm，宽度为2mm，层间温度为80℃。
实施例3
本实施例提供了一种三元硼化物，其原料包括205g硼铁粉18.79％、496g钼铁粉45.46％、140g铬粉12.83％、12g硅铁粉1.1％、25g镍粉2.23％、43g锰铁粉3.94％、50g钼粉和120g铁粉；其中，硼元素质量含量为3.53％，硅元素质量含量为0.71％，铁元素质量含量为45.36％，钼元素质量含量为33.3％，铬元素质量含量为12.58％，镍元素质量含量为2.28％，锰元素质量含量为2.18％。
上述三元硼化物的制备方法包括，
按照上述质量称取各个原料，以无水乙醇作为球磨介质，球磨16h形成混料，混料的粒度＜10μm；加入粘结剂10wt％聚乙烯醇水溶液，混合均匀后，挤压后得到直径为2.5mm焊丝；采用氩弧焊进行堆焊，在堆焊过程中原位合成三元硼化物(也就是形成堆焊层)，堆焊采用分层堆焊的方法进行，每层堆焊层的厚度为1mm，宽度为2mm，层间温度为60℃。
实施例4
本实施例提供了一种三元硼化物，其原料包105g硼铁粉、425g钼铁粉、110g铬粉、40g硅铁粉5.6％20g镍粉和15g锰铁粉；其中，硼元素质量含量为2.75％，硅元素质量含量为3.01％，铁元素质量含量为37.45％，钼元素质量含量为37.39％，铬元素质量含量为15.23％，镍元素质量含量为2.8％，锰元素质量含量为1.15％。
上述三元硼化物的制备方法包括，
按照上述质量称取各个原料，以无水乙醇作为球磨介质，球磨16h形成混料，混料的粒度＜10μm；加入粘结剂10wt％聚乙烯醇水溶液，混合均匀后，挤压后得到直径为3.2mm焊丝；采用氩弧焊进行堆焊，在堆焊过程中原位合成三元硼化物(也就是形成堆焊层)，堆焊采用分层堆焊的方法进行，每层堆焊层的厚度为1mm，宽度为3mm，层间温度为80℃。
对比例1
本对比例提供了一种三元硼化物，其原料包括251g硼铁粉、700g钼铁粉、20g铬粉、12g硅铁粉、5g镍粉和10g锰铁粉；
上述三元硼化物的制备方法包括，
按照上述质量称取各个原料，以无水乙醇作为球磨介质，球磨16h形成混料，混料的粒度＜10μm；加入粘结剂10wt％聚乙烯醇水溶液，混合均匀后，挤压后得到焊丝；采用氩弧焊进行堆焊，在堆焊过程中原位合成三元硼化物(也就是形成堆焊层)，堆焊采用分层堆焊的方法进行，每层堆焊层的厚度为1mm，宽度为2mm，层间温度为80℃。
对比例2
本对比例提供了一种三元硼化物，其原料包括495g硼铁粉、452g铬粉、20g硅铁粉、20g镍粉和10g锰铁粉；
上述三元硼化物的制备方法包括，
按照上述质量称取各个原料，以无水乙醇作为球磨介质，球磨16h形成混料，混料的粒度＜10μm；加入粘结剂10wt％聚乙烯醇水溶液，混合均匀后，挤压后得到直径为2.5mm焊丝；采用氩弧焊进行堆焊，在堆焊过程中原位合成三元硼化物(也就是形成堆焊层)，堆焊采用分层堆焊的方法进行，每层堆焊层的厚度为1mm，宽度为2mm，层间温度为80℃。
试验例
本试验例提供了实施例1-4和对比例1-2形成的三元硼化物堆焊层的性能测试及测试结果，测试方法如下，测试结果见表1。
三元硼化物堆焊层的硬度测试方法为：显微硬度计HV-1000A。
三元硼化物堆焊层的抗弯强度测试方法为：采用三点弯曲法测量，跨距为30mm，加载速率为0.5mm/min；每个数据测试5根试条，然后取平均值，即为抗弯曲强度；仪器采用英制Instron1195万能材料试验机，用于测试的试条的尺寸为3×4×35(mm*mm*mm)。
三元硼化物堆焊层的热裂实验方法为：用氧乙炔火焰加热堆焊好的工件到800℃，迅速放到流动的水中(水温25℃)，反复20次，观察基体和堆焊层是否有裂纹。
三元硼化物堆焊层的耐磨性测试方法为：参照国家标准GB/T 12444-2006。
表1三元硼化物堆焊层的性能测试结果
示例 硬度 抗弯强度 热裂实验 耐磨性
实施例1 HV1220 1380MP 无裂纹 0.067g
实施例2 HV1186 1512MP 无裂纹 0.009g
实施例3 HV1078 1267MP 无裂纹 0.067g
实施例4 HV1156 1187MP 无裂纹 0.092g
对比例1 HV675 1122MP 有裂纹 0.407g
对比例2 HV589 890MP 有裂纹 0.434g
从实施例和对比例的实验结果来看，通过控制本发明硼铁、钼铁、铬、硅铁、镍、锰铁、钼和铁的用量，得到的三元硼化物的耐磨性、耐磨性和强度均较好。
图1是本发明实施例1得到的三元硼化物的光学显微镜示意图，从图中可以看出本发明制得的三元硼化物硬质相均匀的分布于板条状马氏体基体中。图2是本发明实施例1得到的三元硼化物的扫描电镜图，从图中可以看出，得到了树枝状结构的三元硼化物，该结构下的三元硼化物的强度和耐磨性较好，且从图中可以看出，硬质相均匀分布在三元硼化物中，保证形成的三元硼化物与金属基体的结合强度好，不易发生脱落，硬质相的质量占比在50％左右。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种三元硼化物在堆焊中的应用，其特征在于，所述三元硼化物原料包括195g硼铁粉、625g钼铁粉、130g铬粉、20g硅铁粉、20g镍粉和10g锰铁粉；其中，硼元素质量含量为3.66%，硅元素质量含量为1.18%，铁元素质量含量为40.3%，钼元素质量含量为39.36%，铬元素质量含量为12.89%，镍元素质量含量为2%，锰元素质量含量为0.55%；
或者，所述三元硼化物原料包括205g硼铁粉18.79%、496g钼铁粉45.46%、140g铬粉12.83%、12g硅铁粉1.1%、25g镍粉2.23%、43g锰铁粉3.94%、50g钼粉和120g铁粉；其中，硼元素质量含量为3.53%，硅元素质量含量为0.71%，铁元素质量含量为45.36%，钼元素质量含量为33.3%，铬元素质量含量为12.58%，镍元素质量含量为2.28%，锰元素质量含量为2.18%；
所述三元硼化物的制备方法包括以下步骤，
各原料经球磨后混合均匀，形成混料；
在混料中加入粘结剂，混合均匀，挤压成型；
在堆焊过程中，原位合成三元硼化物；
其中，堆焊为分层堆焊，每层厚度为1-2mm；所述堆焊的宽度为2-3mm。
2.根据权利要求1所述的三元硼化物在堆焊中的应用，其特征在于，堆焊的层间温度为50-100℃。
3.根据权利要求1所述的三元硼化物在堆焊中的应用，其特征在于，所述混料的粒径小于10μm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的三元硼化物在堆焊中的应用，其特征在于，所述堆焊为氩弧焊或等离子熔覆。
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