CN116393693B - 铁基堆焊合金材料、铁基堆焊合金层及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了铁基堆焊合金材料、铁基堆焊合金层及制备方法和应用，属于合金材料技术领域。本发明提供的铁基堆焊合金材料，包括以下组分：硼铁10~40wt%，所述硼铁中硼的含量为16wt%；钛铁20~29wt%，所述钛铁中钛的含量为30wt%；铝粉3~6wt%；粘结剂2~5wt%；炭黑6~9wt%；余量为铁粉。将本发明提供的铁基堆焊合金材料进行堆焊能够获得高硬度以及高耐磨性的铁基堆焊合金层。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及铁基堆焊合金材料、铁基堆焊合金层及制备方法和应用。
背景技术
钢铁材料作为基础结构材料被广泛应用在工业领域，然而许多钢铁材料长期工作在严峻的工况条件下，其表面承受着严重的磨损，造成严重的经济损失。采用堆焊技术在磨损部件表面形成陶瓷相增强铁基合金成为修复磨损零部件、延长其使用寿命的重要方法。该方法可以充分利用现有资源，实现“报废零部件-再生资源-产品”的转变，极大缓解能源紧张的矛盾，符合循环经济发展方向。以目前的技术水平，每年需要各类耐磨堆焊材料10000吨以上，可见耐磨堆焊材料的市场潜力十分巨大。
陶瓷相增强铁基耐磨堆焊合金综合了陶瓷相的高强度、高硬度以及金属基体良好的塑韧性，在矿山、水泥等耐磨环境领域零件的表面堆焊获得了广泛的应用。而且近年来发展的原位合成技术有效解决了陶瓷相同基体的界面问题，采用此方法制备的复合材料，陶瓷相同基体之间具有原子结合的界面结构，所得材料具有良好的性能。堆焊合金粉末包括铁基堆焊合金粉末、钴基堆焊合金粉末和镍基堆焊合金粉末，钴基堆焊合金粉末和镍基堆焊合金粉末价格昂贵且多应用于高温场合，铁基堆焊合金粉末以其低廉的成本、良好的塑韧性及界面结合牢固等优点而作为耐磨堆焊合金粉末的首选。
目前常用的铁基耐磨堆焊合金主要是Fe-Cr-C系合金，Fe-Cr-C系合金中的陶瓷相M7C3、M23C6使其具有优良的耐磨性，然而即使铬碳化物的含量超过35%，合金的耐磨性也不会获得进一步的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁基堆焊合金材料、铁基堆焊合金层及制备方法和应用，将本发明提供的铁基堆焊合金材料进行堆焊能够获得高硬度以及高耐磨性的铁基堆焊合金层。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种铁基堆焊合金材料，包括以下组分：
硼铁10~40wt%，所述硼铁中硼的含量为16wt%；
钛铁20~29wt%，所述钛铁中钛的含量为30wt%；
铝粉3~6wt%；
粘结剂2~5wt%；
炭黑6~9wt%；
余量为铁粉。
优选地，所述硼铁、钛铁、铝粉和炭黑的粒度独立为70~140目；所述铁粉的粒度为0.075mm。
优选地，所述粘结剂为钾钠水玻璃。
本发明提供了上述技术方案所述铁基堆焊合金材料的制备方法，包括以下步骤：
将硼铁、钛铁、铝粉、粘结剂、炭黑与铁粉混合后依次进行压制成型和干燥，得到所述铁基堆焊合金材料。
本发明提供了一种铁基堆焊合金层，由上述技术方案所述铁基堆焊合金材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的铁基堆焊合金材料经堆焊得到。
优选地，所述堆焊包括碳弧堆焊或等离子堆焊。
优选地，所述等离子弧堆焊的条件包括：空载电压为85~100V，电弧电压为25~40V，焊接电流为140~160A，电弧纵向移动速度为3~15cm/min，电弧横向摆动频率为19~22次/min，电弧横向摆动宽度为1.8~2.0cm，电弧与工件之间距离为2~3mm。
优选地，所述铁基堆焊合金层的厚度为2~3mm。
本发明提供了上述技术方案所述铁基堆焊合金材料、上述技术方案所述制备方法制备得到的铁基堆焊合金材料或上述技术方案所述铁基堆焊合金层在修复磨损机械零件中的应用。
优选地，所述机械零件的材质包括Q235钢材或20G钢材。
有益效果：本发明提供的铁基堆焊合金材料中采用硼铁，B与Fe、C元素在堆焊过程中原位合成Fe3(C,B)、Fe23(C,B)6金属陶瓷硬质相，同时本发明提供的铁基堆焊合金材料中还引入钛铁，在堆焊过程中会形成高硬度Ti(C,B)金属陶瓷硬质相，这些金属陶瓷硬质相具有较高的硬度，有利于提高铁基堆焊合金层的硬度以及耐磨性；本发明采用铝粉会形成Al2O3，同晶核之间存在小界面能的颗粒质点，在堆焊过程中可充当基底，降低形核功，在随后的冷却过程中金属陶瓷硬质相便可以Al2O3作为核心形核长大，从而促进细晶结构的形成；同时，铁基堆焊合金层的网状共晶组织[γ+M+Fe2B+Fe23(C,B)6]中Fe3(C,B)、Fe23(C,B)6等金属陶瓷硬质相阻碍位错的移动，因而铁基堆焊合金层得到强化。因此，将本发明提供的铁基堆焊合金材料进行堆焊能够获得高硬度以及高耐磨性的铁基堆焊合金层，金属陶瓷硬质相与基体结合牢固，具有很高的抗磨粒磨损性能，应用范围十分广泛。
附图说明
图1为实施例1中堆焊层的SEM图；
图2为实施例2中堆焊层的SEM图；
图3为实施例3中堆焊层的SEM图；
图4为实施例4中堆焊层的SEM图；
图5为实施例3中堆焊层与基体的侧面SEM图；
图6为实施例1~4中堆焊层的侧面显微硬度分布曲线；
图7为实施例1~4中堆焊层的洛氏硬度和磨损量分布曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种铁基堆焊合金材料，包括以下组分：
硼铁10~40wt%，所述硼铁中硼的含量为16wt%；
钛铁20~29wt%，所述钛铁中钛的含量为30wt%；
铝粉3~6wt%；
粘结剂2~5wt%；
炭黑6~9wt%；
余量为铁粉。
在本发明中，所述铁基堆焊合金材料的组分包括硼铁10~40wt%，优选为15~35wt%，更优选为20~30wt%；所述硼铁中硼的含量为16wt%。在本发明中，所述硼铁的粒度优选为70~140目。
在本发明中，所述铁基堆焊合金材料的组分包括钛铁20~29wt%，优选为23~26wt%；所述钛铁中钛的含量为30wt%。在本发明中，所述钛铁的粒度优选为70~140目。
在本发明中，所述铁基堆焊合金材料的组分包括铝粉3~6wt%，优选为4~5wt%。在本发明中，所述铝粉的粒度优选为70~140目。
在本发明中，所述铁基堆焊合金材料的组分包括粘结剂2~5wt%，优选为3~4wt%。在本发明中，所述粘结剂优选为钾钠水玻璃。
在本发明中，所述铁基堆焊合金材料的组分包括炭黑6~9wt%，优选为7~8wt%。在本发明中，所述炭黑的粒度优选为70~140目；所述炭黑的纯度优选为99.5wt%。
在本发明中，所述铁基堆焊合金材料的组分包括余量的铁粉，所述铁粉的粒度优选为0.075mm；所述铁粉的纯度优选为99wt%。
本发明提供的铁基堆焊合金材料经堆焊能够获得高硬度以及高耐磨性的铁基堆焊合金层，金属陶瓷硬质相与基体结合牢固，具有很高的抗磨粒磨损性能，具体原理如下：
1、本发明采用硼铁，在堆焊过程中释放出B原子，并与Fe、C元素原位合成Fe3(C,B)、Fe23(C,B)6金属陶瓷硬质相，这些金属陶瓷硬质相具有较高的硬度，尤其是Fe23(C,B)6，其显微硬度在HV1100~1600之间，大量金属陶瓷硬质相均匀弥散分布在金属基体中，当磨粒对其表面进行磨削时，所述金属陶瓷硬质相起到耐磨骨架作用。同时马氏体和奥氏体基体组织保证了良好的强韧性，为所述金属陶瓷硬质相起到了良好的支撑作用。
2、本发明在采用硼铁的基础上还采用钛铁，在堆焊过程中会形成高硬度Ti(C,B)金属陶瓷硬质相，其均匀弥散分布于铁基堆焊合金层中，一方面可有效避免磨粒的刺入，另一方面可作为非均匀形核的核心，从而细化晶粒，提高铁基堆焊合金层的硬度和耐磨性。
3、本发明采用铝粉会形成Al2O3，同晶核之间存在小界面能的颗粒质点，在堆焊过程中可充当基底，降低形核功，在随后的冷却过程中金属陶瓷硬质相便可以Al2O3作为核心形核长大，从而促进细晶结构的形成。
4、铁基堆焊合金层的网状共晶组织[γ+M+Fe2B+Fe23(C,B)6]中Fe3(C,B)、Fe23(C,B)6等金属陶瓷硬质相阻碍位错的移动，因而铁基堆焊合金层得到强化。具体的，网状共晶组织中基体与增强相在铁基堆焊合金层中形成连续网络结构，增强相因为与之交叉贯穿的基体所具有的韧性而得到增韧，基体则由于网络增强相骨架的刚性承载作用而得到增强，二者相互依托，相互补强，因此铁基堆焊合金层获得良好的强化效果。
本发明提供了上述技术方案所述铁基堆焊合金材料的制备方法，包括以下步骤：
将硼铁、钛铁、铝粉、粘结剂、炭黑与铁粉混合后依次进行压制成型和干燥，得到铁基堆焊合金材料。
本发明优选硼铁、钛铁、铝粉、粘结剂、炭黑与铁粉混合后置于模具中进行所述压制成型；本发明对所述压制成型的具体操作条件没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的操作条件即可。本发明优选通过压制成型将所得组分压制成块体；所述块体的具体尺寸没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的尺寸即可。
在本发明中，所述干燥优选包括依次进行第一阶段干燥、第二阶段干燥、第三阶段干燥和第四阶段干燥；所述第一阶段干燥优选为自然风干，所述第一阶段干燥的时间优选为20~36h，更优选为24~30h；所述第二阶段干燥的温度优选为50~60℃，更优选为50~55℃，所述第二阶段干燥的时间优选为10~15min，更优选为10~12min；所述第三阶段干燥的温度优选为100~150℃，更优选为100~120℃，所述第三阶段干燥的时间优选为8~10min，更优选为9~10min；所述第四阶段干燥的温度优选为150~200℃，更优选为180~200℃，所述第四阶段干燥的时间优选为1~1.5h，更优选为1~1.2h。本发明优选采用上述方式进行干燥，能够将压制成型后所得铁基堆焊合金件有效干燥。
本发明提供了一种铁基堆焊合金层，由上述技术方案所述铁基堆焊合金材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的铁基堆焊合金材料经堆焊得到。在本发明的实施例中，所述铁基堆焊合金层中硼的含量为2.1~7.1wt%，具体为2.1wt%、3.4wt%、4.7wt%或7.1wt%。本发明将所述铁基堆焊合金材料进行堆焊，操作方法简单，成本低廉，比手工堆焊耐磨焊条易获得高硬度及高耐磨性的铁基堆焊合金层。
在本发明中，所述堆焊优选包括碳弧堆焊或等离子堆焊。在本发明中，所述等离子弧堆焊的条件包括：空载电压优选为85~100V，更优选为90~95V；电弧电压优选为25~40V，更优选为30~35V；焊接电流优选为140~160A，更优选为140~150A；电弧纵向移动速度优选为3~15cm/min，更优选为10~12cm/min；电弧横向摆动频率优选为19~22次/min，更优选为20~21次/min；电弧横向摆动宽度优选为1.8~2.0cm，更优选为1.9~2.0cm；电弧与工件之间距离优选为2~3mm，更优选为2.5~3mm。
在本发明中，所述铁基堆焊合金层的厚度优选为2~3mm。
本发明对所述铁基堆焊合金层的具体制备方法没有特殊限定，以所述铁基堆焊合金材料为原料，采用本领域技术人员熟知的方式在基体表面进行堆焊即可。
本发明提供了上述技术方案所述铁基堆焊合金材料、上述技术方案制备方法制备得到的铁基堆焊合金材料或上述技术方案所述铁基堆焊合金层在修复磨损机械零件中的应用。在本发明中，所述机械零件的材质优选包括Q235钢材或20G钢材。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明以下实施例中采用的硼铁、钛铁、铝粉、铁粉、炭黑和钾钠水玻璃均为工业级产品；所述硼铁、钛铁、铝粉和炭黑的粒度独立为70~140目，所述硼铁中硼的含量为16wt%，所述钛铁中钛的含量为30wt%，所述炭黑的纯度为99.5wt%；所述铁粉的粒度为0.075mm，纯度为99wt%。
实施例1
将硼铁、钛铁、铝粉、铁粉、炭黑和钾钠水玻璃混合均匀后置于模具中压制成块，之后依次进行自然风干24h、50℃条件下烘干10min、100℃条件下烘干10min以及200℃条件下烘干1h，得到陶瓷相增强铁基耐磨堆焊合金材料；其中，按质量百分含量计，各原料用量为：硼铁10%、钛铁29%、铝粉3%、钾钠水玻璃5%、炭黑6%，余量为铁粉。
采用DML-V02BD型多功能等离子粉末堆焊机，将实施例1制备的陶瓷相增强铁基耐磨堆焊合金材料进行等离子弧堆焊，最终在基体（材质为Q235钢材）表面形成厚度为3mm的堆焊层（所述基体与堆焊层之间还包括过渡层），所述堆焊层中硼元素含量为2.1wt%；所述等离子弧堆焊的工艺参数包括：空载电压（U）为90V，电弧电压（U）为30V，焊接电流（I）为140A，电弧纵向移动速度为12cm/min，电弧横向摆动频率为21次/min，电弧横向摆动宽度为2.0cm，电弧与工件之间距离为3mm。
实施例2
按照实施例1的方法制备陶瓷相增强铁基耐磨堆焊合金材料，不同之处在于，按质量百分含量计，本实施例中各原料用量为：硼铁20%、钛铁26%、铝粉4%、钾钠水玻璃4%、炭黑7%，余量为铁粉。
按照实施例1的方法将制备的陶瓷相增强铁基耐磨堆焊合金材料进行等离子弧堆焊，得到堆焊层，所述堆焊层中硼元素含量为3.4wt%。
实施例3
按照实施例1的方法制备陶瓷相增强铁基耐磨堆焊合金材料，不同之处在于，按质量百分含量计，本实施例中各原料用量为：硼铁30%、钛铁23%、铝粉5%、钾钠水玻璃3%、炭黑8%，余量为铁粉。
按照实施例1的方法将制备的陶瓷相增强铁基耐磨堆焊合金材料进行等离子弧堆焊，得到堆焊层，所述堆焊层中硼元素含量为4.7wt%。
实施例4
按照实施例1的方法制备陶瓷相增强铁基耐磨堆焊合金材料，不同之处在于，按质量百分含量计，本实施例中各原料用量为：硼铁40%、钛铁20%、铝粉6%、钾钠水玻璃2%、炭黑9%，余量为铁粉。
按照实施例1的方法将制备的陶瓷相增强铁基耐磨堆焊合金材料进行等离子弧堆焊，得到堆焊层，所述堆焊层中硼元素含量为7.1wt%。
表征与性能测试
图1为实施例1中堆焊层的SEM图，图2为实施例2中堆焊层的SEM图，图3为实施例3中堆焊层的SEM图，图4为实施例4中堆焊层的SEM图，标尺均为20µm；由图1~4可知，实施例1~4中堆焊层裂纹均较少。
图5为实施例3中堆焊层与基体的侧面SEM图，标尺为100µm；由图5可知，堆焊层与基体结合牢固。
图6为实施例1~4中堆焊层的侧面显微硬度分布曲线，结果显示，实施例1~4中堆焊层侧面显微硬度均呈良好的梯度分布，在距离熔合线20μm的基体区，显微硬度平均值为基体的显微硬度（HV0.2 258），穿过熔合线以后显微硬度变化区间较大；堆焊层表层合金的显微硬度值最高，从基体到表层合金硬度值总体上呈上升趋势，其中实施例3的堆焊层表层合金显微硬度平均值最高，达到HV0.2 991。
将实施例1~4制备的堆焊层的洛氏硬度和磨损量进行测试，其中，磨损量的测试方法如下：
将试样制作成56mm×27mm×11mm的标准尺寸，在MLS-23型湿砂橡皮轮式磨损试验机上进行磨损实验，参数为：速度为240r/min，胶轮孔径为150mm，表层压强为1.5MPa，用砂粒径为0.0027~0.0083mm，用砂总重量为1.5kg，磨损持续时间为3min；使用精度为0.1mg的TG328A型分析天平测定试样磨损前后的质量，试样的磨损量ΔG按如下公式计算得到：
ΔG=G0-G1；
其中G0为试样磨损前的质量（g），G1为试样磨损后的质量（g）。
图7为实施例1~4中堆焊层的洛氏硬度和磨损量分布曲线，具体数据如表1所示。
表1 实施例1~4中堆焊层的洛氏硬度和磨损量
由图7以及表1可知，实施例1~4中堆焊层，随着硼含量增加堆焊层硬度逐渐增大，磨损量先减小后增大。其中实施例4的堆焊层硬度最高，这是因为其堆焊层组织中形成了大量的高硬度Fe2B，但由于Fe2B的脆性较大，因而其磨损量较大。实施例3的堆焊层磨损量最小，这是因为网状共晶组织[γ+M+Fe2B+ Fe23(C,B)6]起到了很好的耐磨骨架作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种铁基堆焊合金材料，其特征在于，组分为：
硼铁10~40wt%，所述硼铁中硼的含量为16wt%；
钛铁20~29wt%，所述钛铁中钛的含量为30wt%；
铝粉3~6wt%；
粘结剂2~5wt%；
炭黑6~9wt%；
余量为铁粉。
2.根据权利要求1所述的铁基堆焊合金材料，其特征在于，所述硼铁、钛铁、铝粉和炭黑的粒度独立为70~140目；所述铁粉的粒度为0.075mm。
3.根据权利要求1所述的铁基堆焊合金材料，其特征在于，所述粘结剂为钾钠水玻璃。
4.权利要求1~3任一项所述铁基堆焊合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将硼铁、钛铁、铝粉、粘结剂、炭黑与铁粉混合后依次进行压制成型和干燥，得到所述铁基堆焊合金材料。
5.一种铁基堆焊合金层，其特征在于，由权利要求1~3任一项所述铁基堆焊合金材料或权利要求4所述制备方法制备得到的铁基堆焊合金材料经堆焊得到。
6.根据权利要求5所述的铁基堆焊合金层，其特征在于，所述堆焊包括碳弧堆焊或等离子堆焊。
7.根据权利要求6所述的铁基堆焊合金层，其特征在于，所述等离子堆焊的条件包括：空载电压为85~100V，电弧电压为25~40V，焊接电流为140~160A，电弧纵向移动速度为3~15cm/min，电弧横向摆动频率为19~22次/min，电弧横向摆动宽度为1.8~2.0cm，电弧与工件之间距离为2~3mm。
8.根据权利要求5~7任一项所述的铁基堆焊合金层，其特征在于，所述铁基堆焊合金层的厚度为2~3mm。
9.权利要求1~3任一项所述铁基堆焊合金材料、权利要求4所述制备方法制备得到的铁基堆焊合金材料或权利要求5~8任一项所述铁基堆焊合金层在修复磨损机械零件中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述机械零件的材质包括Q235钢材或20G钢材。
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