CN113172365A

CN113172365A - 一种三元硼化物硬质合金堆焊焊条的制备方法

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Publication number: CN113172365A
Application number: CN202110497798.5A
Authority: CN
Inventors: 潘应君; 张�浩; 常智敏; 柯德庆
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2021-05-08
Filing date: 2021-05-08
Publication date: 2021-07-27
Anticipated expiration: 2041-05-08
Also published as: CN113172365B

Abstract

本发明公开了一种三元硼化物硬质合金堆焊焊条的制备方法，属于焊条技术领域，S1、原料处理；S2、制备粘接剂；S3、混料；S4、制备；S5、烧结。本发明中，选取低熔点、流动性好的蜡基粘结剂，三元硼化物原材料合金粉末中选配不同合金元素质量分数来控制最终烧结温度，通过脱脂、烧结一体化以及多段式升温程序达到目标烧结温度，并控制升温速率及保温时间，可有效避免焊条坯体在升温及烧结过程中出现变形，裂纹等缺陷，可灵活调节三元硼化物硬质合金堆焊焊条直径及长度，此方法制备的三元硼化物堆焊焊条组织及成分均匀，制备的覆层性能优异，母材稀释率低，覆层质量稳定，制备成本低，操作简单。

Description

一种三元硼化物硬质合金堆焊焊条的制备方法

技术领域

本发明属于焊条技术领域，尤其涉及一种三元硼化物硬质合金堆焊焊条的制备方法。

背景技术

随着工业的不断发展，对机械零件的长期有效稳定工作提出更高要求，材料的性能决定了零件的服役寿命，因而对材料的性能提出更高要求，而零件因材料性能导致的失效形式主要表现为表面失效，即材料表面磨损和腐蚀。因此有效改善零部件的耐磨性和耐蚀性成为了关注热点，目前提高材料表面性能的覆层技术主要有钎焊技术、感应熔覆、激光熔覆、等离子熔覆、热喷涂技术和堆焊等，其中覆层材料及工艺是影响生产效率、成本和覆层质量、性能的关键。

在众多改善零件服役寿命材料中，三元硼化物硬质合金因其具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热和耐腐蚀等一系列优良性能，成为了当今改善零件性能的研究热点，以三元硼化物为原材料制备的药芯焊丝在材料表面改性领域获得了较好的应用。但是，传统的药芯堆焊焊丝是由钢带包裹药芯(主要为金属粉末)制成圆柱形焊条，但由于钢带内部空间受到限制，粉末粒径大小不均匀导致颗粒间形成鸟巢般结构，导致制备的三元硼化物硬质合金覆层成分不均匀且应力集中、熔覆层开裂和可靠性差，并且由于堆焊工艺过程的快速加热快速冷却特性，导致药芯焊丝中粉末材料没有充分的时间原位形成三元硼化物，从而不利于改善堆焊层的性能，而本发明将单螺杆挤出成型方式应用于粉末冶金领域，能够兼顾成型方式和粉末冶金的优势，通过该工艺获得的焊丝制备的覆层可以有效改善传统药芯焊丝制备方法存在的不足(成分均匀性、充分形成三元硼化物硬质相和减少缺陷)。

单螺杆挤出成型方式作为PB、PE等塑料棒材和管材传统制备方式之一，成型质量高可连续生产，因此，将粉末冶金和单螺杆挤出成型方式结合起来制备一种可用于三元硼化物硬质合金堆焊的焊条具有很高的产业价值和广泛的应用前景。

专利CN109623195A公开了一种耐热耐磨堆焊用金属陶瓷药芯焊丝，向以Mo2FeB2为强化相的铁基堆焊材料中加入复合增强材料(氧化锆和碳化铝的混合物)，有效提高了堆焊金属的硬度及耐磨性能；CN106271208B公开了一种等离子堆焊用镍基自熔性硬面堆焊药芯焊丝，堆焊层结合强度大和硬度高，具有极强的耐硬面磨损、磨粒磨损和冲蚀磨损性能，专利CN104289826B公开了一种硼化物耐磨堆焊药芯焊丝及其制备方法，专利CN108747082B公开了一种耐磨药芯焊丝及其制备方法，但仍以药芯焊丝为主要研究目标，而药芯焊丝需在表面改性工艺(如堆焊和喷涂等)作用下，才能反应形成三元硼化物，并且受表面改性工艺的快速加热快速冷却特性影响，导致三元硼化物形成时间不充分，达不到预期效果，缺乏规模化生产的需要，因此缺乏关于三元硼化物形成及焊条成形一体化的设计，并且焊丝成分均匀性和组织均匀化及覆层开裂等缺陷问题解决尚无很好的解决方法。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决药芯焊丝受表面改性工艺的快速加热快速冷却特性影响，导致三元硼化物硬质相形成时间不充分，达不到预期效果，缺乏规模化生产需要的问题，而提出的一种三元硼化物硬质合金堆焊焊条的制备方法，并且烧结焊条能够弥补药芯焊丝三元硼化物硬质相含量少、分布不均匀的缺陷，利用焊条成形及烧结原位生成三元硼化物一体化工艺，提高生产效率，并且具有覆层与钢材基体结合性强、覆层稳定性高和制造设备简单，生产周期短等优势。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种三元硼化物硬质合金堆焊焊条的制备方法，具体包括以下步骤：

S1、原料处理，取配方量硼铁合金粉、铬铁合金粉、金属钼粉和金属铁粉的金属粉末，以及少量的碳纳米管或氮化硅晶须投入球磨机内进行球磨10～20h，将球磨后的粉末进行混料得到三元硼化物原材料合金粉末；

S2、制备粘接剂，按质量百分比取原料放入喂料混料机内进行混练；

S3、混料，将制备后的三元硼化物原材料合金粉末和粘结剂投入混炼机内进行混炼，将混练完成后投入制粒机内制粒得到的三元硼化物原材料喂料；

S4、制备，熔融态喂料通过一个圆孔模具制成一定长度的棒材，用单螺杆成型机制成一定长度棒料；

S5、烧结，将挤出成型的棒料送入真空烧结炉内，利用烧结工艺得到三元硼化物硬质合金堆焊焊条。

作为上述技术方案的进一步描述：能够实现对三元硼化物原材料合金粉末的充分混料和烧结成型，满足焊接需要。

进一步的，所述三元硼化物原材料合金粉末独立粒径为2～100μm。

作为上述技术方案的进一步描述：三元硼化物原材料独立粒径为5～40μm，实现对三元硼化物原材料合金粉末的充分混合。

进一步的，所述粘结剂按质量百分比：半精练石蜡20～30％，白蜂蜡20～30％，高密度聚乙烯12～18％，TPEE12～18％，硬脂酸15～20％，非离子型聚丙烯酰胺0.5～1％，油酸0.1～1％。

作为上述技术方案的进一步描述：配方量的粘接剂能够实现对粉末的充分粘结。

进一步的，所述喂料过程粘结剂质量比控制在10％～20％。

作为上述技术方案的进一步描述：保证喂料挤出时的咬合力，避免物料过多导致的原料掉落。

进一步的，所述混练过程的温度均为160～180℃，时间为4～6h，混炼机转速均为60～80r/min。

作为上述技术方案的进一步描述：提高混料精度。

进一步的，所述S4中单螺杆挤出成型机将一定棒材挤出成型时，物料温度140～180℃，挤出压力20～40Mpa。

作为上述技术方案的进一步描述：保证挤出时的成型效果

进一步的，所述S5中烧结工艺为以5～10℃/min的速度加热至200～250℃保温1～2h，然后以5～10℃/min的速度加热至450～500℃保温2～4h，再以5～8℃/min的速度加热至800～1100℃保温1～2h，最后以3～5℃/min的速度加热至1200～1400℃保温0.5～1h后随炉冷。

作为上述技术方案的进一步描述：保证烧结成型后原位反应形成均匀分布的三元硼化物硬质相及焊条整体强度。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，在制备粘结剂时根据三元硼化物原材料合金粉末特性，选取低熔点和流动性好的蜡基粘结剂，三元硼化物原材料合金粉末中选配不同合金元素质量分数来控制最终烧结温度，本发明通过脱脂和烧结一体化以及多段式升温程序达到目标烧结温度，并控制升温速率及保温时间，可有效避免焊条坯体在升温及烧结过程中出现变形，裂纹等缺陷。

综上所述，与现有技术相比，本发明制备的三元硼化物硬质合金堆焊焊条，其特点如下：可灵活调节三元硼化物硬质合金堆焊焊条直径及长度，此方法制备的三元硼化物堆焊焊条组织及成分均匀，制备的覆层性能优异，母材稀释率低，覆层质量稳定，制备成本低，操作简单。

附图说明

图1为三元硼化物硬质合金堆焊焊条制备方法工艺流程图；

图2为1Cr13不锈钢表面三元硼化物硬质合金覆层截面微观形貌图；

图3为三元硼化物硬质合金覆层X射线衍射(XRD)图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：

一种三元硼化物硬质合金堆焊焊条的制备方法，具体包括以下步骤：A、三元硼化物硬质合金原材料粉末球磨10h后平均粒度21.5μm，其主要原材料质量百分比为：20～30wt％FeB粉、8～10wt％铬铁合金粉、30～40wt％Mo粉、1～3wt％Ni粉、1.2～3wt％CNTs粉和Fe粉余量。

B、混料：制备粘结剂：按质量百分比，半精练石蜡25％，白蜂蜡25％，高密度聚乙烯15％，TPEE15％，硬脂酸19％，非离子型聚丙烯酰胺0.5％，油酸0.5％，粘结剂质量比为10％，放入喂料混练机中，喂料混炼的温度均为180℃，时间为6h，混炼机转速均为60r/min。

C、成形：用单螺杆挤出成型机将喂料加热、挤出，熔融态喂料通过一个圆孔模具制成一定长度的棒材，挤出成型时，物料温度160℃，挤出压力20Mpa。

D、烧结：将挤出成型棒材放入真空烧结炉中以5℃/min的速度加热至200℃保温2h，然后以5℃/min的速度加热至500℃保温3h，再以6℃/min的速度加热至950℃保温1.5h，最后以3℃/min至1250℃保温0.5h后随炉冷。

选用1Cr13马氏体不锈钢为钢基材，其主要化学元素百分比为：C:0.12、Cr:12、Mn:0.8、Si:0.6、Ni：0.5和Fe：余量，将烧结好的三元硼化物硬质合金焊条利用堆焊工艺在1Cr13马氏体不锈钢表面形成高硬度高耐磨覆层。

本实施例中，通过调节挤出压力，确保焊条成形后的整体强度，并且通过脱脂和烧结一体化以及多段升温实现对烧结温度的控制，提高烧结后焊条的强度，避免焊条坯体在升温及烧结过程中出现变形，裂纹等缺陷。

实施例2

与实施例1不同是，本实施例公开了一种三元硼化物硬质合金堆焊焊条的制备方法，具体包括以下步骤：A、三元硼化物硬质合金原材料粉末球磨15h后平均粒度16.5μm，其主要原材料百分比为25～40wt％FeB粉、5～8wt％铬铁合金粉、35～50wt％Mo粉、2～5wt％Ni粉、2.5～5wt％Si₃N₄粉和Fe粉余量。

B、混料：制备粘结剂：按质量百分比，半精练石蜡23％，白蜂蜡25％，高密度聚乙烯15％，TPEE15％，硬脂酸10％，非离子型聚丙烯酰胺1％，油酸1％，粘结剂质量比为20％，放入喂料混练机中，喂料混炼的温度均为180℃，时间为6h，混炼机转速均为60r/min。

D、烧结：将挤出成型棒材放入真空烧结炉中以8℃/min的速度加热至250℃保温2h，然后以8℃/min的速度加热至450℃保温2h，再以5℃/min的速度加热至1100℃保温1h，最后以4℃/min至1300℃保温1h后随炉冷。

选用GCr15钢为基材，其主要化学元素百分比(wt％)为：C:0.95～1.05、Cr:1.30～1.65、Mn:0.20～0.40、Si:0.15～0.35、Ni：≤0.30、S：≤0.02、P：≤0.027、Mo：≤0.10和Fe：余量，将烧结好的三元硼化物硬质合金焊条利用堆焊工艺在GCr15钢表面形成高硬度高耐磨覆层。

本实施例通过基于粉末冶金技术与单螺杆挤出成型技术，制备三元硼化物硬质合金堆焊焊条，首先三元硼化物原材料合金粉末分别与粘结剂混合，然后通过单螺杆挤出成型方式，用压力将熔融态三元硼化物原材料合金粉末喂料通过模具型制成焊条生坯；最后烧结致密化得到三元硼化物硬质合金堆焊焊条，三元硼化物原材料与粘结剂配比，以及脱脂、烧结温度，这几个环节是本发明的关键步骤，决定了最终焊条的性能。

验证实验：

对实施例所得到的三元硼化物/不锈钢复合结构进行分析，在多功能ZEISSAxioplan2型光学显微镜(OM)下观察试样的截面金相组织(图2)；借助X’PertProMPD型X射线衍射仪(XRD)对三元硼化物层进行物相分析(采用Cu靶Kα射线，步长为0.02°)(图3)；使用HX-500型显微硬度计测定试样显微硬度，分别取5点进行硬度测量，得到不锈钢基材与三元硼化物层平均维氏硬度，加载力为500gf，保荷时间10s；采用UG-10Z型磨损试验机进行磨损试验(转速100r/min、载荷100N和磨损时间8h)；使用万能试验机测得抗拉强度作为评判结合强度的标准(硬度、结合强度和耐磨性见表1)。

图2为实施例1所得到的1Cr13不锈钢表面三元硼化物硬质合金覆层截面微观形貌图，三元硼化物硬质合金覆层与1Cr13不锈钢基体结合状况良好，结合处无明显裂纹及孔洞，覆层中组织分布均匀且无气孔、咬边和裂纹等宏观缺陷，图3为三元硼化物硬质合金覆层X射线衍射(XRD)图，从中可以得出三元硼化物硬质合金覆层物相由Mo₂FeB₂、α-Fe、(Mo,Cr,Fe)₃B₂和(Cr,Fe)₇C₃组成，其中Mo₂FeB₂的衍射峰最强，说明该物质在覆层中的比重最大和数量最多，这也就间接说明覆层具有较高的硬度和强度，(Mo,Cr,Fe)₃B₂和(Cr,Fe)₇C₃作为硬质相，能够有效提高覆层的硬度，α-Fe作为黏结相，不仅可以保证覆层的韧性，还可以对硬质相起到支撑作用，能够有效防止硬质颗粒的剥落，增强耐磨性。

表1实施例1-2硬度、结合强度和耐磨性

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三元硼化物硬质合金堆焊焊条的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S5、烧结，将挤出成型的棒料送入真空烧结炉内，利用烧结工艺得到三元硼化物堆焊焊条。

2.根据权利要求1所述的一种三元硼化物硬质合金堆焊焊条的制备方法，其特征在于，所述三元硼化物原材料合金粉末独立粒径为2～100μm。

3.根据权利要求1所述的一种三元硼化物硬质合金堆焊焊条的制备方法，其特征在于，所述粘结剂按质量百分比：半精练石蜡20～30％，白蜂蜡20～30％，高密度聚乙烯12～18％，TPEE12～18％，硬脂酸15～20％，非离子型聚丙烯酰胺0.5～1％，油酸0.1～1％。

4.根据权利要求1所述的一种三元硼化物硬质合金堆焊焊条的制备方法，其特征在于，所述喂料过程粘结剂质量比控制在10％～20％。

5.根据权利要求1所述的一种三元硼化物硬质合金堆焊焊条的制备方法，其特征在于，所述混练过程的温度均为160～180℃，时间为4～6h，混炼机转速均为60～80r/min。

6.根据权利要求1所述的一种三元硼化物硬质合金堆焊焊条的制备方法，其特征在于，所述S4中单螺杆挤出成型机将一定棒材挤出成型时，物料温度140～180℃，挤出压力20～40Mpa。

7.根据权利要求1所述的一种三元硼化物硬质合金堆焊焊条的制备方法，其特征在于，所述S5中烧结工艺为以5～10℃/min的速度加热至200～250℃保温1～2h，然后以5～10℃/min的速度加热至450～500℃保温2～4h，再以5～8℃/min的速度加热至800～1100℃保温1～2h，最后以3～5℃/min的速度加热至1200～1400℃保温0.5～1h后随炉冷。

8.一种三元硼化物硬质合金堆焊焊条，其特征在于，通过权利要求1～7中任一项所述的一种三元硼化物硬质合金堆焊焊条的制备方法所制备获得。