CN114193024B - 增强铜基药芯焊丝及低碳钢表面强化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的增强铜基药芯焊丝，包括药芯和焊丝外皮，其中药芯按质量百分比由以下组元组成:Al2O3粉：12～15％；TiO2粉：8～10％；Ni粉：20％～25％；Si粉：1％～1.5％；Mn粉：1～2％；Cu粉：余量；Fe粉：2～4％；以上组分质量百分比之和为100％。使用该焊丝能够提高铜合金熔覆层的耐磨性，提高铜/钢复合结构件的使用寿命。本发明还公开了一种使用该药芯焊丝基于电弧熔覆技术进行低碳钢表面强化的方法。

Description

增强铜基药芯焊丝及低碳钢表面强化的方法
技术领域
本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种增强铜基药芯焊丝，还涉及一种使用该药芯焊丝基于电弧熔覆技术进行低碳钢表面强化的方法。
背景技术
随着现代工业技术的快速发展，单一成分的材料已经不能满足复杂、严苛工况的使用要求，因此工程上常用复合材料来满足使用要求。低碳钢作为工业上使用率极高的材料，具有较好的力学性能和优良的焊接性，在许多领域起着至关重要的作用，但低碳钢的耐磨性、耐腐蚀性和导热性较差，从而限制了其在摩擦副、腐蚀环境和高温环境等领域的应用。因此，研究人员提出了在钢表面熔覆一层铜合金来改善这一缺点。
然而，随着应用领域的不断推广，发现铜/钢复合材料在服役过程中常会因磨损而导致构件的尺寸精度降低，甚至对整个设备的安全运行产生影响。因此，本发明将以提高铜合金熔覆层的硬度和耐磨性为目标，引入Al2O3-TiO2颗粒作为铜合金的强化相，从而提高铜合金熔覆层的耐磨性，提高铜/钢复合结构件的使用寿命。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种增强铜基药芯焊丝，使用该焊丝能够提高铜合金熔覆层的耐磨性，提高铜/钢复合结构件的使用寿命。
本发明的第二个目的是提供一种基于电弧熔覆技术进行低碳钢表面强化的方法，用于改善铜合金熔覆层耐磨性及硬度较低的缺点，从而大大提高铜/钢复合结构件的使用寿命。
本发明所采用的第一个技术方案是，增强铜基药芯焊丝，包括药芯和焊丝外皮，其中药芯按质量百分比由以下组元组成:Al2O3粉：12～15％；TiO2粉：8～10％；Ni粉：20％～25％；Si粉：1％～1.5％；Mn粉：1～2％；Cu粉：余量；Fe粉：2～4％；以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
药芯焊丝外皮为T2纯铜带；填充率为24wt％～28wt％；焊丝的直径为1.2mm～1.6mm。
本发明所采用的第二个技术方案是，基于电弧熔覆技术进行低碳钢表面强化的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：药芯焊丝的制备：按质量百分比分别称取以下粉末：Al2O3粉：12～15％；TiO2粉：8～10％；Ni粉：20％～25％；Si粉：1％～1.5％；Mn粉：1～2％；Cu粉：余量；Fe粉：2～4％；以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将上述称取好的粉末作为药芯，以纯铜带作为焊丝外皮通过拉丝机制成所需的焊丝，制备好的焊丝存放在恒温箱中；
步骤3：采用机械清理的方法处理低碳钢表面，去除表面杂质，然后进行预热处理；
步骤4：设计熔覆工艺，利用步骤2制备的药芯焊丝进行低碳钢表面的熔覆层制备；
步骤5：待步骤4中的试样冷却至室温，用角磨机打磨表面的杂质。
本发明的特征还在于，
步骤2中，制备得到的焊丝填充率为24wt％～28wt％；焊丝的直径为1.2mm～1.6mm。
步骤3中，低碳钢的预热温度为200℃～300℃。
步骤4中，采用GTAW为熔覆方法，其中熔覆电压为22～27V，熔覆电流为160～190A，保护气体采用体积分数为99.99％的氩气，气体流量为15～20L/min。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的铜基药芯焊丝采用Al2O3-TiO2作为增强相来改善铜合金熔覆层的硬度和耐磨性，其中Al2O3具有较高的硬度和耐磨性，TiO2与其他陶瓷材料相比具有良好的塑性，同时加入Al2O3-TiO2可获得较好的强度-塑性组合，可有效改善熔覆层的耐磨性。
(2)本发明的铜基药芯焊丝中，Ni元素可与铜和钢无限互溶，从而有利于提高铜/钢之间的结合性能。
(3)本发明的铜基药芯焊丝可以根据母材成分和性能要求，方便调整药芯成分，从而得到最优的表面改性效果，对不同母材、不同服役工况的适应性较强。
(4)本发明的表面强化方法，采用的电弧熔覆技术具有效率高、操作简单、自动化程度高等优点，可以在实际工程作业中大量使用。
附图说明
图1是本发明实施例1基于电弧熔覆技术进行低碳钢表面强化的方法制备的铜-钢结合界面的显微组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种增强铜基药芯焊丝，包括药芯和焊丝外皮，其中药芯按质量百分比由以下组元组成:Al2O3粉：12～15％；TiO2粉：8～10％；Ni粉：20％～25％；Si粉：1％～1.5％；Mn粉：1～2％；Cu粉：余量；Fe粉：2～4％；以上组分质量百分比之和为100％。
药芯焊丝外皮为T2纯铜带；填充率为24wt％～28wt％；焊丝的直径为1.2mm～1.6mm。
本发明还提供一种基于电弧熔覆技术进行低碳钢表面强化的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：药芯焊丝的制备：按质量百分比分别称取以下粉末：Al2O3粉：12～15％；TiO2粉：8～10％；Ni粉：20％～25％；Si粉：1％～1.5％；Mn粉：1～2％；Cu粉：余量；Fe粉：2～4％；以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将上述称取好的粉末作为药芯，以纯铜带作为焊丝外皮通过拉丝机制成所需的焊丝，制备好的焊丝存放在恒温箱中；恒温箱温度为20℃。
步骤2中，药芯焊丝的制备选择机械拉拔的方式，制备得到的焊丝填充率为24wt％～28wt％；焊丝的直径为1.2mm～1.6mm。药芯焊丝外皮选用规格为7×0.2mm的T2铜带。
步骤3：采用机械清理的方法处理低碳钢表面，去除表面杂质，然后进行预热处理；
步骤3中，低碳钢的预热温度为200℃～300℃。步骤3中的低碳钢为Q235、Q345、20钢；
步骤4：设计熔覆工艺，利用步骤2制备的药芯焊丝进行低碳钢表面的熔覆层制备；
步骤4中，采用GTAW为熔覆方法，其中熔覆电压为22～27V，熔覆电流为160～190A，保护气体采用体积分数为99.99％的氩气，气体流量为15～20L/min。
步骤5：待步骤4中的试样冷却至室温，用角磨机打磨表面的杂质；并进行机加工切削及一系列打磨，满足使用要求。
实施例1-5中低碳钢采用Q345B，规格为200mm×100mm×5mm。
实施例1
步骤1：药芯焊丝的制备，按质量百分比分别称取以下粉末：Al2O3粉：12％；TiO2粉：8％；Ni粉：20％；Si粉：1％；Mn粉：1.5％；Cu粉：55.5％；Fe粉：2％；以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将上述称取好的粉末作为药芯，以T2纯铜带作为焊丝外皮通过拉丝机制成所需的焊丝，制备好的焊丝存放在恒温箱中；恒温箱温度为20℃；药芯焊丝的直径为1.6mm；制备得到的焊丝填充率为24wt％；
步骤3：采用机械清理的方法处理低碳钢表面，去除表面杂质，然后进行预热处理，预热处理的温度为200℃；
步骤4：设计熔覆工艺，利用步骤2制备的药芯焊丝进行低碳钢表面的熔覆层制备；采用GTAW为熔覆方法，其中熔覆电压为22V，熔覆电流为190A，保护气体采用体积分数为99.99％的氩气，气体流量为15L/min。
步骤5：待步骤4中的试样冷却至室温，用角磨机打磨表面的杂质，并进行机加工切削及一系列打磨，满足使用要求。
实施例1中采用基于电弧熔覆技术进行低碳钢表面强化的方法制备的铜基熔覆层，如图1所示，铜钢异种材料焊接界面没有焊接缺陷，结合良好。经力学性能测试，熔覆层平均硬度为196.5HV0.1，经磨擦磨损试验，平均摩擦系数为0.481，具有良好的耐磨性。
实施例2
步骤1：药芯焊丝的制备，按质量百分比分别称取以下粉末：Al2O3粉：15％；TiO2粉：8％；Ni粉：20％；Si粉：1.5％；Mn粉：2％；Cu粉：51.5％；Fe粉：2％；以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将上述称取好的粉末作为药芯，以T2纯铜带作为焊丝外皮通过拉丝机制成所需的焊丝，制备好的焊丝存放在恒温箱中；恒温箱温度为20℃；药芯焊丝的直径为1.6mm；制备得到的焊丝填充率为28wt％；
步骤3：采用机械清理的方法处理低碳钢表面，去除表面杂质，然后进行预热处理，预热处理的温度为200℃；
步骤4：设计熔覆工艺，利用步骤2制备的药芯焊丝进行低碳钢表面的熔覆层制备；采用GTAW为熔覆方法，其中熔覆电压为22V，熔覆电流为190A，保护气体采用体积分数为99.99％的氩气，气体流量为20L/min。
步骤5：待步骤4中的试样冷却至室温，用角磨机打磨表面的杂质，并进行机加工切削及一系列打磨，满足使用要求。
实施例2中采用基于电弧熔覆技术进行低碳钢表面强化的方法制备的铜基熔覆层，经力学性能测试，熔覆层平均硬度为192.3HV0.1；经磨擦磨损试验，平均摩擦系数为0.562，具有良好的耐磨性。
实施例3
步骤1：药芯焊丝的制备，按质量百分比分别称取以下粉末：Al2O3粉：12％；TiO2粉：10％；Ni粉：20％；Si粉：1％；Mn粉：2％；Cu粉：53％；Fe粉：2％；以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将上述称取好的粉末作为药芯，以T2纯铜带作为焊丝外皮通过拉丝机制成所需的焊丝，制备好的焊丝存放在恒温箱中；恒温箱温度为20℃；药芯焊丝的直径为1.2mm；制备得到的焊丝填充率为28wt％；
步骤3：采用机械清理的方法处理低碳钢表面，去除表面杂质，然后进行预热处理，预热处理的温度为260℃；
步骤4：设计熔覆工艺，利用步骤2制备的药芯焊丝进行低碳钢表面的熔覆层制备；采用GTAW为熔覆方法，其中熔覆电压为27V，熔覆电流为160A，保护气体采用体积分数为99.99％的氩气，气体流量为15L/min。
步骤5：待步骤4中的试样冷却至室温，用角磨机打磨表面的杂质，并进行机加工切削及一系列打磨，满足使用要求。
实施例3中采用基于电弧熔覆技术进行低碳钢表面强化的方法制备的铜基熔覆层，经力学性能测试，熔覆层平均硬度为187.4HV0.1；经磨擦磨损试验，平均摩擦系数为0.496，具有良好的耐磨性。
实施例4
步骤1：药芯焊丝的制备，按质量百分比分别称取以下粉末：Al2O3粉：15％；TiO2粉：8％；Ni粉：20％；Si粉：1％；Mn粉：2％；Cu粉：52％；Fe粉：2％；
步骤2：将上述称取好的粉末作为药芯，以T2纯铜带作为焊丝外皮通过拉丝机制成所需的焊丝，制备好的焊丝存放在恒温箱中；恒温箱温度为20℃；药芯焊丝的直径为1.5mm；制备得到的焊丝填充率为24wt％；
步骤3：采用机械清理的方法处理低碳钢表面，去除表面杂质，然后进行预热处理，预热处理的温度为300℃；
步骤4：设计熔覆工艺，利用步骤2制备的药芯焊丝进行低碳钢表面的熔覆层制备；采用GTAW为熔覆方法，其中熔覆电压为24V，熔覆电流为180A，保护气体采用体积分数为99.99％的氩气，气体流量为15L/min。
步骤5：待步骤4中的试样冷却至室温，用角磨机打磨表面的杂质，并进行机加工切削及一系列打磨，满足使用要求。
实施例4中采用基于电弧熔覆技术进行低碳钢表面强化的方法制备的铜基熔覆层，经力学性能测试，熔覆层平均硬度为187.5HV0.1；经磨擦磨损试验，平均摩擦系数为0.583，具有良好的耐磨性。
实施例5
步骤1：药芯焊丝的制备，按质量百分比分别称取以下粉末：Al2O3粉：12％；TiO2粉：9％；Ni粉：20％；Si粉：1％；Mn粉：2％；Cu粉：54％；Fe粉：2％；以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将上述称取好的粉末作为药芯，以T2纯铜带作为焊丝外皮通过拉丝机制成所需的焊丝，制备好的焊丝存放在恒温箱中；恒温箱温度为20℃；药芯焊丝的直径为1.6mm；制备得到的焊丝填充率为24wt％；
步骤3：采用机械清理的方法处理低碳钢表面，去除表面杂质，然后进行预热处理，预热处理的温度为200℃；
步骤4：设计熔覆工艺，利用步骤2制备的药芯焊丝进行低碳钢表面的熔覆层制备；采用GTAW为熔覆方法，其中熔覆电压为25V，熔覆电流为190A，保护气体采用体积分数为99.99％的氩气，气体流量为20L/min。
步骤5：待步骤4中的试样冷却至室温，用角磨机打磨表面的杂质，并进行机加工切削及一系列打磨，满足使用要求。
实施例5中采用基于电弧熔覆技术进行低碳钢表面强化的方法制备的铜基熔覆层，经力学性能测试，熔覆层平均硬度为192.3HV0.1；经磨擦磨损试验，平均摩擦系数为0.552，具有良好的耐磨性。

Claims (4)

1.增强铜基药芯焊丝，其特征在于，包括药芯和焊丝外皮，其中药芯按质量百分比由以下组元组成: Al2O3粉：12~15%；TiO2粉：8~10%；Ni粉：20%~25%；Si粉：1%~1.5%；Mn粉：1~2%；Fe粉：2~4%；Cu粉：余量；以上组分质量百分比之和为100%；药芯焊丝外皮为T2纯铜带；填充率为24wt%~28wt%；焊丝的直径为1.2mm~1.6mm。
2.基于电弧熔覆技术进行低碳钢表面强化的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：药芯焊丝的制备：按质量百分比分别称取以下粉末：Al2O3粉：12~15%；TiO2粉：8~10%；Ni粉：20%~25%；Si粉：1%~1.5%；Mn粉：1~2%；Fe粉：2~4%；Cu粉：余量；以上组分质量百分比之和为100%；
步骤2：将上述称取好的粉末作为药芯，以纯铜带作为焊丝外皮通过拉丝机制成所需的焊丝，制备好的焊丝存放在恒温箱中；步骤2中，制备得到的焊丝填充率为24wt%~28wt%；焊丝的直径为1.2mm~1.6mm；
步骤3：采用机械清理的方法处理低碳钢表面，去除表面杂质，然后进行预热处理；
步骤4：设计熔覆工艺，利用步骤2制备的药芯焊丝进行低碳钢表面的熔覆层制备；
步骤5：待步骤4中的试样冷却至室温，用角磨机打磨表面的杂质。
3.根据权利要求2所述的基于电弧熔覆技术进行低碳钢表面强化的方法，其特征在于，步骤3中，低碳钢的预热温度为200℃~300℃。
4.根据权利要求2所述的基于电弧熔覆技术进行低碳钢表面强化的方法，其特征在于，步骤4中，采用GTAW为熔覆方法，其中熔覆电压为22~27V，熔覆电流为160~190A，保护气体采用体积分数为99.99%的氩气，气体流量为15~20L/min。
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