基于鐵基自熔合金粉末的氬弧熔覆材料的制作方法
【專利摘要】基于鐵基自熔合金粉末的氬弧熔覆材料，屬于材料表面【技術(shù)領(lǐng)域】。其特征在于熔覆材料各原材料的質(zhì)量百分比為：鐵基自熔合金粉末(50～90)％，釩鐵(5～15)％，鉬鐵(1～8)％，石墨(1～5)％，WC(0～40)％，稀土合金(1～3)％。熔覆材料可以制備成兩種形式：①涂于潔凈的工件表面并壓平，涂層厚度0.8～1.5mm；②壓制成厚0.8～1.5mm、寬6～10mm、長50～100mm的薄片；經(jīng)10小時以上室溫晾干，然后120～200℃烘干2小時后待用。所述氬弧熔覆材料熔點低，成形好，用于鋼質(zhì)工件表面修復，提高表面硬度及耐磨性，熔覆層表面硬度達HRC51～62。
【專利說明】基于鐵基自溶合金粉末的氬弧溶覆材料
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于材料表面【技術(shù)領(lǐng)域】，提供一種用于非熔化極氬弧表面熔覆的材料，該材料基于鐵基自熔合金粉末，添加合金元素及陶瓷相制備而成。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)過程中對機械產(chǎn)品的性能要求越來越高，產(chǎn)品在高參數(shù)(如高溫、高壓、高速等)和惡劣的工況條件下長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，必然對其表面的強度、耐磨性、耐蝕性等提出更高的要求。各種機械設(shè)備、儀器儀表、冶金零部件中的金屬零件，以及各種工模具，在使用過程中往往首先從表面發(fā)生破壞和失效，破壞的原因很大一部分是由于表面磨損而造成的。因此，只要對零部件表面進行強化就能滿足性能的要求。
[0003]表面強化技術(shù)主要有熱噴涂、表面熔覆等工藝方法，表面熔覆技術(shù)使基體表面獲得耐磨性能的同時，覆層材料與基體間可形成牢固的冶金結(jié)合，因此在一些要求表面不僅具有抗磨性能，而且還需要承受強載荷作用的條件下，具有絕對優(yōu)勢。目前，表面熔覆技術(shù)廣泛應用于冶金、航空、機械等行業(yè)舊件的修復和新產(chǎn)品的制造上。表面熔覆常用高密度熱源有激光、等離子弧、聚焦光束等，其特點是能量密度較高，被強化表面質(zhì)量好，但設(shè)備昂貴，操作復雜。非熔化極氬弧雖然能量密度較低，熔覆效率低，但其設(shè)備較為輕便、價廉、操作方便，易于在施工現(xiàn)場施焊，使得氬弧表面強化技術(shù)易于普及，因此在一些中小件上得以推廣應用。
[0004]常用溶覆材料有鐵基、鎮(zhèn)基、鉆基材料等，由于米用Fe基體時更能適于聞溫、聞速、重載、高磨損等工況條件 下的性能要求，且鐵基材料價格便宜、來源廣泛，能夠通過熱處理來調(diào)整其性能，所以鐵基熔覆材料得到廣泛的應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種非熔化極氬弧熔覆用鐵基合金材料，用于在小型鋼質(zhì)零部件上進行表面耐磨層制備，修復零部件尺寸或提高其表面耐磨性。熔覆層硬度可達HRC51~62，耐磨性好。
[0006]所述氬弧熔覆材料以鐵基自熔合金粉末(如Fe45、Fe50等)為基礎(chǔ)，加入釩鐵、鑰鐵、WC、石墨、稀土合金等混合均勻，然后添加粘結(jié)劑預涂于工件表面，或者制作成片狀、條棒狀，烘干后待用。其特征在于熔覆材料的各組成原材料的質(zhì)量百分比為:鐵基自熔合金粉末(50~90)%，釩鐵(5~15)%，鑰鐵(I~8)%，石墨(I~5) %，WC(0~40) %，稀土合金(I~3) %。
[0007]所述鐵基自熔粉末、釩鐵、鑰鐵、石墨、WC粉、稀土合金等原材料的粒度為40~200目，各原材料主要成分(質(zhì)量百分比)為:
[0008]鐵基自熔合金粉末可以采用市售Fe45、Fe50等粉末，其成分如下:
[0009]Fe45:C0.5-0.6，Si3.0-4.0, Β3.0-4.0, Crl6_18，Ν?12-14, Fe 余量；
[0010]Fe50:C0.6-0.8，Si3.0-4.0，B3.0-4.0，Crl5-18, Ν?12-15, Fe 余量。[0011]釩鐵:V>75%，鑰鐵:Mo>55%，稀土合金:RE44%?47%。
[0012]粘結(jié)劑采用水玻璃或有機粘結(jié)劑。
[0013]氬弧熔覆材料制備工藝過程:
[0014](I)按比例稱取各粉末原材料并混合均勻；然后加入粘結(jié)劑攪拌均勻，制成濕粉。
[0015](2)根據(jù)不同情況，可以以兩種形式制備熔覆材料:①將濕粉涂于經(jīng)過表面清理、去銹的工件待熔覆表面并壓平，涂層厚度0.8?1.5mm 根據(jù)待熔覆表面尺寸，利用專用模具將濕粉壓制成厚0.8?1.5mm、寬6?10mm、長50?IOOmm的薄片。
[0016](3)將濕粉預涂層或薄片經(jīng)10小時以上室溫晾干，然后120?200°C烘干2小時。
[0017]所述熔覆材料以鐵基自熔合金粉末為主(占50%?90% )，鐵基自熔合金粉末熔點低(Fe45熔點:1100?1200。。，F(xiàn)e50熔點:1020?1130°C )，既使采用能量密度較低的氬弧作熱源，也能夠快速熔化，保證熔覆過程的順利進行和良好的成形。鐵基自熔合金中含有C、S1、B、Cr、Ni等合金元素，熔覆過程中可以形成碳化物、硼化物等陶瓷相，強化熔覆層，提高硬度，F(xiàn)e45自身熔覆層硬度可達HRC42?48，F(xiàn)e50自身熔覆層硬度可達HRC48?52。所述熔覆材料添加釩鐵、鑰鐵、石墨的目的是為了在熔覆過程中發(fā)生原位冶金反應，生成釩、鑰的碳化物，同時也能夠與鐵基自熔合金粉末中的B、Cr形成少量硼化物及Cr的碳化物進一步強化熔覆層；加入稀土合金是因為稀土氧化物可以細化晶粒，促進狀碳化物、硼化物的均勻分布；加入WC是為了直接將WC陶瓷相混入鐵基熔體，強化熔覆層。
[0018]利用所述熔覆材料進行非熔化極氬弧熔覆，熔覆工藝:
[0019](I)選用直流鎢極氬弧焊機進行熔覆，鎢極直徑Φ3?4mm，直流正接，氬氣流量8?12L / min,電流120?180A，電弧電壓15?20V ；
[0020](2)采用預涂層熔覆材料時，直接利用鎢極氬弧作為熱源在預涂層材料上逐道掃描，使預涂材料熔化并與基體熔合，凝固后形成熔覆層；
[0021](3)采用薄片熔覆材料時，先將待熔覆表面及鄰近區(qū)域的油污、鐵銹清理干凈，將一片熔覆材料薄片或多片首尾相連直線排列在待熔覆區(qū)域，用鎢極氬弧作為熱源將薄片熔化形成一道熔覆焊道，清理未熔化的材料，然后緊靠此熔覆焊道放置另外一片或多片熔覆材料薄片，重復上述熔覆過程，直至完成整個區(qū)域的熔覆；
[0022](4)熔覆完成后，進行表面清理；根據(jù)具體要求重復上述過程進行多層熔覆，達到要求的熔覆層厚度，最后磨削加工至所需要的零件尺寸。
[0023]所述熔覆材料，以低熔點的鐵基自熔合金為基礎(chǔ)，易于熔化，成形好，熔覆效率高，適合氬弧熔覆。添加碳化物形成元素或WC，最終形成陶瓷相增強鐵基復合熔覆層，有利于提高工件表面硬度和耐磨性，熔覆層硬度可達HRC51?62。
【具體實施方式】
[0024]按照粒度及成份要求購買鐵基自熔合金粉末、釩鐵、鑰鐵、石墨、稀土合金、WC粉末等原材料，按照設(shè)計比例(質(zhì)量百分比)配制合金粉末并混合均勻，熔覆材料的各原材料的質(zhì)量百分比為:鐵基自熔合金粉末(50?90)%，釩鐵(5?15)%，鑰鐵(I?8)%，石墨(I?5)%，WC (O?40)%，稀土合金(I?3) %。合金粉末中加入粘結(jié)劑攪拌均勻，制成濕粉；將濕粉預涂于經(jīng)過表面清理去銹的待熔覆表面并壓平，或?qū)穹蹓褐茷楸∑瑺?，?jīng)10小時以上室溫晾干，然后120?200°C烘干2小時。利用鎢極氬弧作熱源將熔覆材料熔化，在工件表面形成熔覆層。
[0025]實例一
[0026]基于鐵基自熔合金粉末的氬弧熔覆材料，鐵基自熔合金粉末選用Fe45，加入釩鐵(FeV75)、鑰鐵(FeMo55A)、石墨、稀土硅鐵合金(FeSiRE45)，其比例(質(zhì)量百分比)為:
[0027]鐵基自溶合金粉末:f凡鐵:鑰鐵:石墨:稀土娃鐵合金=75: 15:5:3:2
[0028]配制合金粉末并混合均勻，加入適量水玻璃作粘結(jié)劑，攪拌均勻，制成濕粉；將濕粉預涂于經(jīng)過表面清理去銹的Q235B低碳鋼表面并壓平，涂層厚度約1mm，經(jīng)24小時室溫晾干，然后150°C烘干2小時。選用WS-400型直流鎢極氬弧焊機進行熔覆，鈰鎢極直徑Φ3.2mm，直流正接，氬氣流量IOL / min,電流150A，電弧電壓18V。共熔覆兩層。
[0029]熔覆層表面組織見附圖1。根據(jù)對組織中微區(qū)成分的分析結(jié)果，附圖1中顆粒狀、條狀相為以釩碳化物為主的復合碳化物，這些碳化物的形成對于提高熔覆層表面硬度和耐磨性有顯著作用，測試結(jié)果表明，表面硬度達HRC52。
[0030]實例二
[0031]基于鐵基自熔合金粉末的氬弧熔覆材料，鐵基自熔合金粉末選用Fe50，加入釩鐵(FeV75)、鑰鐵(FeMo55A)、石墨、稀土硅鐵合金(FeSiRE45)、WC粉，其比例(質(zhì)量百分比)為:
[0032]鐵基自溶合金粉末凡鐵:鑰鐵:石墨:稀土娃鐵合金:WC粉=60:10:2:1.8:1.2:25配制合金粉末并混合均勻，加入適量水玻璃作粘結(jié)劑，攪拌均勻，制成濕粉；將濕粉壓制為1.2mmX8mmX 50mm的薄片，經(jīng)24小時室溫晾干，然后150°C烘干2小時。Q235B低碳鋼表面清理油污、去銹，將一片熔覆材料薄片放在低碳鋼表面，選用WS-400型直流鎢極氬弧焊機進行熔覆，熔覆后將未熔材料清理干凈，緊靠熔覆焊道放置另一片熔覆材料薄片，再次進行氬弧熔覆。重復上述過程，共使用四片熔覆材料薄片。在第一層熔覆層上重復上述過程，進行第二層熔覆，第二層共使用三片熔覆材料薄片。熔覆參數(shù)如下:鈰鎢極直徑Φ3.2πιπι，直流正接，氬氣流量IOL / min,電流140A，電弧電壓18V。
[0033]熔覆層表面組織見附圖2、附圖3。多數(shù)區(qū)域組織如附圖2所示，灰亮色塊狀析出物及樹枝共晶區(qū)為鎢的析出物或共晶析出區(qū)。這是因為熔覆材料中加入了較多的WC(25%)，熔覆過程中部分WC溶解，隨后冷卻過程中重新析出鎢的碳化物，碳化鎢的析出溫度較低，所以多分布在晶界上。而在鎢含量高的某些區(qū)域發(fā)生共晶，形成共晶碳化鎢。部分區(qū)域也發(fā)現(xiàn)少量顆?；驂K狀析出物，如附圖3所示，這些析出物是釩、鑰、鉻、鎢的復合碳化物，也有部分未熔的WC顆粒。大量碳化物的形成提高了熔覆層表面硬度，表面硬度達HRC58。
【權(quán)利要求】
1.基于鐵基自熔合金粉末的氬弧熔覆材料，其特征在于:其組成(質(zhì)量百分比)為:鐵基自熔合金粉末(50~90)%，釩鐵(5~15)%，鑰鐵(I~8)%，石墨(I~5)%，WC(0~40) %，稀土合金(I~3) %。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述氬弧熔覆材料,各粉末原材料的粒度為40~200目，原材料主要成分:鐵基自熔合金粉末采用Fe45或Fe50，其成分分別為Fe45:C0.5-0.6，Si3.0-4.0，Β3.0-4.0, Crl6-18, Ν?12-14, Fe 余量；Fe50:C0.6-0.8，Si3.0-4.0，B3.0-4.0，Crl5-18,Nil2-15，F(xiàn)e余量；釩鐵:V>75%，鑰鐵:Mo>55%，稀土合金:RE44%~47%;粘結(jié)劑采用水玻璃或有機粘結(jié)劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述氬弧熔覆材料，其制備工藝過程: (1)按比例稱取各粉末原材料并混合均勻，加入粘結(jié)劑制成濕粉； (2)根據(jù)不同情況，可以以兩種形式制備熔覆材料:①將濕粉涂于經(jīng)過表面清理、去銹的工件表面并壓平，涂層厚度0.8~1.5mm,②將濕粉壓制成厚0.8~1.5mm、寬6~10mm、長50~100_的薄片； (3)將濕粉預涂層或薄 片經(jīng)10小時以上室溫晾干，然后120~200°C烘干2小時。
【文檔編號】B23K35/30GK103464928SQ201310421969
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月7日
【發(fā)明者】張元彬, 羅輝, 霍玉雙, 劉鵬, 滕誠信 申請人:山東建筑大學