CN1974106A - 一种多组元镍基耐磨耐热堆焊焊条及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多组元镍基耐磨耐热堆焊焊条及其制备方法。多组元镍基耐磨耐热堆焊焊条及其制备方法，含有Ni、Cr、Co、B、C和稀土元素，其中Cr：15.0～35.0％、Co：5.0~20.0％、B：0.1～5.0％、C：0.1～5.0％、Re：0.0～5.0％、其余为Ni。选用Ni、Co、Cr的单质或合金；稀土是单质也可以是氧化物或混合物；或是这几种材料的组合，上述组分的粉末采用冷粘、烧结工艺制备。通过机械球磨、冷粘、烧结的方法，制备了堆焊工艺适应性好的焊条。该焊条制备的焊层具有硬度大、良好的抗裂纹敏感性、优异的高温抗氧化性能和抗高温腐蚀性能。

Description

一种多组元镍基耐磨耐热堆焊焊条及其制备方法

                             技术领域

本发明涉及多组元镍基耐磨耐热堆焊焊条及其制备方法，属无机材料技术和有色金属冶金领域。尤其是涉及利用Ni、Co、Cr、B、C、稀土元素的单质或合金或化合物为原料，采用冷粘、烧结制备耐磨耐热堆焊焊条的技术方法。

                             背景技术

多组元Ni基耐磨耐热堆焊焊条是制备以Ni-Cr-Co-B-C稀土为合金体系工作层的堆焊材料。以该种焊条制备的堆焊层具有高硬度、良好的耐磨性、抗裂性、高温抗氧化和抗腐蚀性能。

目前我国许多设备的制造，特别是用于高温环境下的工件，一般都需要加入大量的Cr、W、Mo、Ti、V、Ni、Co等合金元素来提高工件的抗高温氧化性、高温组织热稳定性和红硬性等高温性能。如果采用整体材料制造，将使工件成本极高；而采用含贵金属元素量较少的一般铁基合金材料整体制造，合金的高温机械性能较差，工件的耗损很大，寿命很短。

高温耐磨堆焊材料一般都含有较多种类的合金元素，高温耐磨合金常常通过所加入合金元素的固溶强化、时效沉淀强化和弥散强化等方式来保证合金具有足够的高温强度和其它的综合性能。国内外目前已经开发的高温耐磨堆焊材料的品种较多，主要分为铁基高温耐磨堆焊材料、钴基高温耐磨堆焊材料和镍基高温耐磨堆焊材料三大类。

铁基高温耐磨堆焊材料一般采用H08A，H08E或各种不锈钢焊丝以及其它焊丝作为焊芯，外涂较多的合金元素，通过药皮或焊芯向焊缝过渡合金元素，从而使焊缝具有高的硬度、好的耐磨性，并能够在较高的温度环境下服役(一般长时间服役的工作温度不超过600℃)。赵宝君，吴云华(自制耐高温堆焊焊条高温时效性能.赵宝君，吴云华.焊接，No.4，26～27，1999.)，开发出高温时效耐磨堆焊焊条，加入了较多量的Cr，Mo，W，V，Ti，Nb，Mn等强碳化物形成元素，但这些合金在高温高压下长期工作时会产生回火脆化，易使工件表面形成氧化层(FeO，Fe₃O₄，Fe₂O₃)而被严重氧化。

钴基堆焊焊条可采用铸造钴铬钨合金作为焊芯，外涂钛钙型等类型的药皮制成，焊条具有较好的工艺性能。钴基堆焊合金的堆敷金属硬度一般较低(HRC 35～50)。Bemst A(A New Type of Cobalt-based Cement Harding0facing High Quality CoatingElectrode.Derlikon Schweissmitt，1988，(36)：4～22.)用不具有脆性的Co和Ti的合金丝作为焊芯开发了一种钴基硬质合金堆焊焊条，采用金红石型的优质药皮不但保证了该焊条具有优良的工艺性能，而且堆焊合金的熔敷系数高(150％)，从而使堆焊时的熔敷金属的重量大于焊芯的重量，同时还使熔敷金属具有较高的硬度(NRC55)，较大地提高了堆敷金属的耐磨性。

申成日申请的一种硼、铁、铬耐磨堆焊焊条专利(CN89100430.0)，它是由铁、铬、硼、锰、钼、钛等成分组成，药皮各成分的重量百分比为：Cr，0.16～0.24％；B，0.10～.018％；Mo，0.03～0.06％；Mn，0.08～0.12％；Ti，0.03～0.06％。与各种钢质母材的工件均可很好的溶和，在使用方法，脱渣、弧光、烟气上的效果均与普通(结422)焊条相近。对被焊件不需除锈、不需预热，交、直流弧焊机通用。对形状复杂的异形工件补加耐磨层尤为方便，根据耐磨件的不同使用要求，通过化学组分的调整，耐磨层的硬度可达HRa86以上，耐磨性能比45。

吴建、张烈华、肖岸申请的一种耐磨管状碳化钨焊条(CN200410012950.2)，用于钢齿牙轮钻头的齿面强化，以及牙轮钻头的掌尖强化，也可用于其它钢件的表面强化。它包括有焊管和填料，所述的填料包括烧结碳化钨颗粒、铸造碳化钨颗粒、合金粉和有机粘结剂，各组分的含量按重量计为：烧结碳化钨颗粒60～95％，铸造碳化钨颗粒0～35％，合金粉2～6％，有机树脂0.5～2％，所述合金粉的组份含量按重量百分比计为：Cr 7～40％；Si，4～14％；B，2.5～9％；Mn，0～15％；Ni余量。在堆焊过程中，能够有效降低粘结金属的熔点，从而减少对耐磨颗粒的烧损，使耐磨堆焊层的整体耐磨性得到有效的提高。

发明人董宪忠、董煜申请了复合型系列耐磨合金堆焊焊条的专利，一种复合型系列耐磨合金堆焊焊条，是由焊芯及药皮组成，药皮的配方及配比(重量分数比)是：纯碱4-5份、镍粉18-20份、中碳锰铁18-20份、硅铁20-22份、钛白粉26-30份、氟硅酸钙26-30份、石英30-35份、钼铁50-55份、钒铁50-55份、钛铁70-75份、金属铬90-100份、氟化钙150-180份、碳素铬150-200份、碳酸钙150-200份、钾钠水玻璃260-300份。本发明的焊条电弧稳定，成型好，飞溅小，易脱渣，其堆焊金属具有独特的坚韧、耐磨、耐热、耐腐蚀、抗裂、抗气孔和抗冲击性能。公开号1565789，申请号03132432.0。

黄文哲，王泽万等(镍基1号焊条的性能及其应用研究.焊接，1981，(3)：8～12.)发明了一种镍基堆焊焊条(Cr₁₅Ni₇₀Mo₁₀Nb)，这是一种采用Cr₂₀Ni₈₀型镍铬电阻丝(即电炉丝)作为焊芯，外涂碱性渣系药皮而开发出的焊条。

姚光华申请了一种耐热耐磨堆焊焊条的制备方法(CN86106019)，用于各类金属矿山直接接触矿石的磨损件及设备的耐热耐磨堆焊焊条，是由焊芯和药皮组成，本发明的特征是，药皮的主要成分是碳化钨、碳化硼、石墨和铬铁粉等，它们的重量百分比是：碳化钨，5～10％，B↓(4)C2，～10％，石墨，2～6％，铬铁粉余量；焊芯的材质是低碳钢即H08类钢；药皮重量系数为115～130％。

马仕兴、刘兴俊、唐银生、王新已申请的一种无药皮耐热耐磨铸铁合金堆焊焊条及其制造方法(CN03117493.0)，焊条没有药皮，只有焊芯，焊芯的成分为(wt％)：C：2.5～6.5％、Si：0.8～2.5％、Mn：0.4～1.5％、Cr：16～35％、Nb：0.0～1.5％、Mo：0.0～3.5％、Ni：0.0～2.0％、W：0.0～2.5％、V：0.1～2.0％、Ti：0.0～0.8％、Cu：0.0～1.00％、S≤0.08％、P≤0.10％、O≤0.08％、N≤0.08％、Al≤0.10％，其余为Fe。该焊条用铸造方法制造。该焊条常温下堆焊层硬度HRC≥42，堆焊层允许有裂纹，备件的堆焊层表面除磨削外，一般不进行机械加工。

发明人林剑东申请的一种堆焊焊条(200410022615.0)，旨在提供一种不仅能提高锤体的硬度和耐磨性，从而增加锤头的使用寿命，而且使焊接质量易于得到保证的堆焊焊条。它只有焊芯，不带有药皮，焊芯按重量百分比含有：C，3.2％～6.5％；Si，0.4％～2.5％；Mn，0.4％～2.0％；Cr，10％～35％；Nb，0.01％～1.50％。堆焊烧结出的锤体硬度高、耐磨性好，晶粒尺寸小，锤体金属的韧性较好；焊接过程中不用清理焊渣；焊接过程中可有效防止或减少锤体中裂纹的产生，提高锤头的使用寿命；不带药皮，可直接铸造而成，生产工序简单，免去了药皮配方、设计等麻烦，生产和使用成本低。

上述耐磨耐热堆焊焊条都有各自的优缺点。通过研究发现，还未见报道将原材料粉末通过机械球磨，原材料可以是单质或合金，也可以是碳化物、硼化物、稀土氧化物或混合物，这几种原料的组合。混合粘结剂和助剂后在液压机上压制，800～1200℃烧结制备无药皮的耐磨耐热堆焊焊条的方法。

                              发明内容

本发明的目的是：提出一种冷粘、烧结方法制备多组元Ni基耐磨耐热堆焊焊条及其制备的方法，通过控制焊条中Ni、Co、Cr、B、C和稀土元素含量，发挥各种金属元素在焊层中的作用，以金属单质、碳化物、硼化物、氧化物或这几种材料的组合为原料制备耐磨耐热堆焊焊条。

本发明的目的还在于：控制焊条中各种合金元素的成分，使堆焊层表面要有较高的硬度、耐磨性，而且同时还要求具有较好的抗开裂性。

本发明的技术解决方案是：多组元Ni基耐磨耐热堆焊焊条及其制备的方法，含有Ni、Cr、Co、B、C和稀土元素，其中Cr：15.0～35.0％、Co：5.0～20.0％、B：0.1～5.0％、C：0.1～5.0％、Re：0.0～5.0％、其余为Ni。其制备方法是在室温条件下将上述各种原料，可以是Ni、Co、Cr单质粉末，也可以是合金；碳化物可以是一种或多种；硼化物可以是一种或多种；稀土可以是单质也可以是氧化物或混合物；也可以是这几种材料的组合。本发明的制备方法是：采用冷粘、烧结工艺制备，粘结剂可以是有机物质，还有部分添加剂和助剂混合。按比例机械球磨混合，加入粘结剂、添加剂或/和助剂，在液压机上压制，然后在高温条件下，当温度达到800～1200℃时进行烧结得到最终产品。

本发明具体内容如下：

1、以金属或非金属单质或含有合金成分的化合物为原料，机械球磨混合，用粘结剂把各种粉末粘结在一起，压制成形然后高温下烧结得到耐磨耐热堆焊焊条。根据原料和粘结剂不同，控制不同的配比和烧结温度，原料可以一次性加入，也可以分次或连续加入。

2、用上述发明内容1所述的内容和方法，原料可以是Ni、Co、Cr单质粉末，也可以是合金；碳化物可以是一种或多种；硼化物可以是一种或多种；稀土可以是单质也可以是氧化物或混合物；也可以是这几种材料的组合。

3、用上述发明内容1所述的内容和方法，粘结剂可以是有机物质，还有部分添加剂和助剂混合。

4、用上述发明内容1所述的内容和方法，烧结过程中可以抽真空也可以适当通入一定量的惰性气体或/与还原性气体。

本发明在炉内加热烧结，部分金属元素部分合金化，粘结剂中的水分或有机物挥发，使焊条本身更加致密，利于堆焊过程中合金成分熔化充分、均匀。焊条没有药皮，避免了堆焊过程中飞溅等现象的发生，并且焊层中不会有杂质引入。

本发明的特点是：采用以含Ni、Co、Cr、B、C、稀土的单质或化合物为原料，冷粘、烧结制备多组分耐磨耐热堆焊焊条。本发明技术方法原料来源广，不需要特殊的原料和设备，生产工艺流程短，操作条件简单，生产过程易于控制。本发明制备的耐磨耐热堆焊焊条有许多优点，目前其主要的应用包括矿山、冶金、农用机械、建筑、电站、铁路、车辆、石油、化工设备、轮船机组、工具、模具等的制造和维修。

                             附图说明

图1为耐磨耐热堆焊焊条的加工过程流程图。

图2为耐磨耐热堆焊焊层的扫描电子显微镜SEM照片。

图3为耐磨耐热堆焊焊层在1000℃下氧化100h的氧化动力学曲线图。

图4为耐磨耐热堆焊焊层在1000℃下热腐蚀50h的动力学曲线图。

                           具体实施方式

实施例1

以金属Ni、Co、Cr单质粉末和C、B单质粉末与稀土氧化物按照一定的比例，其中优选Cr：20.0±5.0％、Co：10.0±5.0％、B：3±0.5％、C：3±0.5％、稀土氧化物：2±0.5％、其余为Ni。将上述各种原料，进行机械球磨混合，均匀后加入丁钠胶、聚乙烯醇、或二醇为粘结剂、也可再添加聂伏拉斯为助剂再进行混合(或同时进行球磨混合)，粘结剂或助剂的比例为5.0-10.0％，所述比例均为重量比。在液压机上进行压制(40-60MPa)，成形后置于托盘中，放在炉内，加盖密封，由程序控温仪来实现升温速度的自动控制。当升温至800～1200℃，保持恒温一段时间(1-5小时)，合金成分部分熔化，粘结剂和助剂中的成分挥发，使焊条致密化。附图1为加工过程的流程图。

用本发明制品进行钨极氩弧焊，采用一定的电流、电压、焊接速度和氩气流量，在高温铸造合金上进行堆焊，制备的焊层表面无裂纹，用扫描电子显微镜(SEM)分析焊层的表面形貌(附图2)，经试验和测定表明，焊层的硬度在HRC50以上，并具有良好的高温抗氧化性能(附图3)和高温抗腐蚀性能(附图4)。高温铸造合金是比较难焊接的一种材料，本身硬度大，一般堆焊时易开裂。本发明选择此种材料为其中之一的基材。

实施例2

以Ni、Co、Cr、B、Cr₃C₂和混合稀土为原料，按照一定比例机械球磨混合，均匀后加入有机硅橡胶、固化剂和偶联剂，在液压机上进行压制，成形后置于炉内，抽真空。升温至800～1200℃，恒温一段时间内后，得到焊条。

气体保护堆焊，在一定的焊接参数条件下，不锈钢上堆焊，实验表明，焊层的硬度为HRC55～57，SEM表征焊层表面的裂纹状况，无裂纹产生，并且具有较好的高温抗氧化性能和抗高温腐蚀性能。

实施例3

以Ni、Co、Cr₃C₂、CrB₂和混合稀土为原料，按照一定配比机械球磨混合，均匀后加入纤维素、甘油作为粘结剂，液压机压制，成形后置于炉内，抽真空后通入一定量的惰性气体(氮气或氩等)或和还原性气体(少量CO或H₂)，升温至980℃左右，制备耐磨耐热堆焊焊条。

以普通碳钢为基材进行堆焊，调整堆焊参数，制备堆焊层。焊层的硬度HRC50以上，表面无裂纹，高温抗氧化和抗腐蚀性能优异。

Claims (5)

1、一种多组元镍基耐磨耐热堆焊焊条及其制备方法，其特征是含有Ni、Cr、Co、B、C和稀土元素，其中Cr：15.0～35.0％、Co：5.0～20.0％、B：0.1～5.0％、C：0.1～5.0％、Re：0.0～5.0％、其余为Ni。选用Ni、Co、Cr的单质或合金；稀土是单质也可以是氧化物或混合物；或是这几种材料的组合，上述组分的粉末采用冷粘、烧结工艺制备。

2、根据权利要求1所述的多组元镍基耐磨耐热堆焊焊条，其特征是其中Cr：15.0～35.0％、Co：5.0～20.0％、B：0.1～5.0％、C：0.1～5.0％、Re：0.0～5.0％、其余为Ni。

3、根据权利要求1或2所述的多组元镍基耐磨耐热堆焊焊条，其特征是将上述原料加入丁钠胶、聚乙烯醇、二醇、纤维素、甘油或有机硅橡胶为粘结剂，也可添加助剂，其重量百分比是5.0-10.0％。

4、多组元镍基耐磨耐热堆焊焊条的制备方法，其特征是根据权利要求1或者的材料配比，采用冷粘、烧结工艺制备；先按比例机械球磨混合，加入粘结剂、添加剂或/和助剂混合；在液压机上压制成形，然后在高温条件下，当温度达到800～1200℃时进行烧结，升温至800～1200℃，保持恒温1-5小时。

5、根据权利要求4所述的多组元镍基耐磨耐热堆焊焊条的制备方法，其特征是在液压机上进行压制的压力是40-60MPa，成形后置于托盘中，放在炉内，加盖密封，升温烧结。

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