专利名称：一种镍基喷熔合金粉及其制备方法
技术领域：
本发明属于焊接加工技术领域，特别是涉及一种镍基喷熔合金粉。
背景技术：
喷熔又称喷焊，主要分为火焰喷熔和等离子喷熔两种工艺，所用喷熔合金粉末是自熔合金粉，目前使用的自熔合金粉主要有铁基合金粉、镍基合金粉和钴基合金粉三种。其中，火焰喷熔所用自熔合金粉的粒度一般为-150目～+320目(两步法喷熔)和-320目(一步法喷熔)；两步法喷熔和一步法喷熔是指喷熔合金粉使用过程，两步法喷熔指先喷涂粉末到要求尺寸，再进行重熔，所用粉末要粗些；一步法喷熔指喷涂一定厚度的粉末后立即进行重熔，再喷涂一定厚度的粉末后又立即进行重熔，直至要求尺寸，即喷涂和重熔交替进行直至要求尺寸，所用粉末要细些；等离子喷熔所用自熔合金粉的粒度一般为-60目～+150目。自熔合金粉的熔点低，一般为950～1400℃，流动性好，在熔融过程中靠合金中的元素自行脱氧造渣，使合金得到保护，合金凝固后，在合金中能形成高硬度的弥散强化相，以提高合金的强度和硬度。自熔合金粉中一般都含有Si和B元素，其作用是(1)降低合金的熔点，并使合金的固相和液相之间有较宽的温度区间；(2)进行脱氧还原和造渣；(3)提高合金的硬度，Si主要起固溶强化作用，B主要起弥散强化作用。
镍基喷熔合金粉主要应用600℃以下的工作场合，适用于钢铁零件的预防性表面处理或表面修复，以及各易种磨损的零件，在酸、碱等腐蚀介质中工作的零件的制造与修复。现有镍基喷熔合金粉，按中华人民共和国第一机械工业部标准(JB-3168-82)附表1-2《氧-乙炔火焰喷焊合金粉末化学成分和物理性能》，氧-乙炔火焰喷熔用镍基合金粉只含有C、Fe、Si、B、Cr、Ni，喷熔后固溶强化合金元素主要是Cr，单相固溶强化效果不好；弥散强化相主要是Ni和Cr的硼化物，强化相类型较少，导致耐磨性尤其是高温耐磨性不够，使其应用范围受到了限制。按中华人民共和国第一机械工业部标准(JB-3168-82)附表1-1《等离子喷焊合金粉末化学成分和物理性能》，除C、Fe、Si、B、Cr、Ni元素外，等离子喷熔用镍基合金粉的F12-37牌号中含有0.50～0.60％Al，F12-54牌号中含有2.00～3.00％Cu和2.00～4.00％Mo，喷熔后固溶强化合金元素主要是Cr和Mo，强化元素仍然较少，固溶强化效果不够好；Al是γ′(Ni3Al)相的主要形成元素，通过γ′和Ni、Cr的硼化物在基体内的弥散分布强化合金，合金形成沉淀强化相的元素种类少，耐磨性尤其是高温耐磨性不够。因此有必要在现有的基本元素基础上添加多种元素以提高喷熔合金粉的耐磨性，尤其高温耐磨性。Nb、Ti与Ni可以形成Ni3(AlTi)、Ni3Ti、NiXNb，沉淀强化相，可通过它们在基体内的弥散分布强化合金。V、W可以溶进γ′相中，从而强化和稳定γ′相，V、Nb、Ti、W都易形成强碳化物，这些碳化物的高温稳定性好，W、V、Ti具有较强的固溶强化能力，这些因素使喷熔合金的强度提高，耐磨性好。目前为止，未见有在镍基喷熔合金粉中添加V、Nb、Ti、W的报道。
发明内容
针对现有喷熔用镍基合金粉的耐磨性差的缺点，本发明所解决的主要技术问题是提供一种具有更好耐磨性的镍基喷熔合金粉及其制备方法。
本发明提供的镍基喷熔合金粉除了含有镍和杂质外，按重量百分比还含有下列成分C0.40～1.2％、Si3.5～5.0％、B2.5～4.5％、Cr13.0～20.0％、Fe≤17.0％、V0.5～1.8％。
所述镍基喷熔合金粉中还可以含有Al0.5～4.0％。
为了进一步提高喷熔合金的耐磨性，尤其是高温耐磨性，上述镍基喷熔合金粉还含有下列成分Nb、Ti、W、Mo、Cu中的至少一种。其中，所述的Nb、Ti、W、Mo、Cu，其重量百分比为Nb0.0～1.0％、Ti0.0～1.0％、W0.0～6.0％、Mo0.0～6.0％、Cu0.0～4.0％。
所述镍基喷熔合金粉由以下成分组成C0.40～1.2％、Si3.5～5.0％、B2.5～4.5％、Cr13.0～20.0％、Fe≤17.0％、V0.5～1.8％、Al0.5～4.0％和Nb、Ti、W、Mo、Cu中的至少一种；其中所述的Nb、Ti、W、Mo、Cu的含量按重量百分比为Nb0.0～1.0％、Ti0.0～1.0％、W0.0～6.0％、Mo0.0～6.0％、Cu0.0～4.0％；余量为镍和杂质。
上述镍基喷熔合金粉中的杂质成分中含有S、P、O，其含量按重量百分比控制在S≤0.03％、P≤0.03％、O≤0.08％。由于S、P、O在镍基合金粉中会与基体元素生成低熔点的化合物或共晶体，使合金的热加工性和高温力学性能严重降低，且合金在喷熔过程中易产生裂纹，喷熔层的寿命因高温力学性能严重降低而缩短，同时还要形成氧化物夹杂，而氧化物夹杂是裂纹产生和扩展的有利位置，严重降低合金的塑性和低周疲劳性能，所以S、P、O必须严格控制含量，才能提高镍基合金喷熔层的质量。
本发明镍基喷熔合金粉可以通过水雾化法、气雾化法、旋转水流雾化法、旋转电极雾化法、机械粉碎法等方法制成所需粒度的喷熔合金粉末。
其中，所述的镍基喷熔合金粉的粒度可以为-150～+320目。
其中，所述的镍基喷熔合金粉的粒度可以为-320目。
本发明制备镍基喷熔合金粉的方法包括a、根据镍基喷熔合金粉所需各元素的含量取原料；b、采用中频感应炉进行冶炼；c、通过水雾化法、气雾化法、旋转水流雾化法、旋转电极雾化法或机械粉碎法制成粉末，将粉末过筛得到所需粒度的喷熔合金粉。
水雾化法是将原料在熔炼炉中加热至熔点以上100～150℃后注入预先烘烤到600℃左右的漏包中，金属液从漏包中流出，被3.5～10MPa的高压水击碎后形成粉末，用聚粉器收集后经过滤、干燥后筛选。将粉末用150目及320目筛子筛，150目筛子的筛下物和320目筛子的筛上物粒度为-150～+320目，320目筛子的筛下物粒度为-320目。
气雾化法是将原料在熔炼炉中加热至熔点以上100～150℃后注入预先烘烤到600℃左右的漏包中，金属液从漏包中流出，利用0.5～0.7MPa的高速气流将金属液流击碎，再经聚粉器收集后经过滤、干燥后筛选。将粉末用150目及320目筛子筛，150目筛子的筛下物和320目筛子的筛上物粒度为-150～+320目，320目筛子的筛下物粒度为-320目。
旋转水流雾化法是将原料在熔炼炉中加热熔化后，倒进内衬耐火材料的已加热到600℃左右的中间漏包中，金属液流从漏嘴流入雾化室，然后被从多个孔的高转速的环形喷射器喷出的水流击碎形成粉末。粉末从雾化室底部漏出，经旋转过滤器过滤再干燥后退火，最后筛选。将粉末用150目及320目筛子筛，150目筛子的筛下物和320目筛子的筛上物粒度为-150～+320目，320目筛子的筛下物粒度为-320目。
本发明镍基喷熔合金粉由于V具有较强的沉淀强化能力，它形成的碳化物VC可以在高温下溶解在固熔体中，低温下析出；其结构与奥氏体基体相似，具有均匀析出的条件；且VC较稳定，它弥散分布在基体上，有很强的沉淀强化作用；Al是γ′(Ni3Al)相的主要形成元素，通过γ′在基体内的弥散分布强化合金，使本发明的镍基喷熔合金粉具有良好的耐磨性。
Nb、Ti和Al是γ′(Ni3Al)相的主要形成元素，通过γ′在基体内的弥散分布强化合金。V、Nb、Ti、Mo、W都是强碳化物形成元素，这些碳化物的高温稳定性好，Mo和W是强有力的固溶强化元素，Cu使合金具有良好的耐氧化能力，这些因素使喷熔合金的强度高，耐磨性好。
本发明喷熔合金主要用于火焰喷熔。本发明制成的喷熔试样和由四川振兴金属粉末厂制造的现有的喷熔合金(与本发明中C、Fe、Si、B、Cr、O、S、P含量相同，Ni余量)制成的喷熔试样在20℃-600℃以下分别与同一种金属材料如Q345A材料按GB12444.2-1990《金属磨损试验方法-环块型磨损试验》标准进行对磨试验，其质量损失比现有喷熔合金减少20％以上，尤其高温500℃-600℃条件下，其耐磨性更高，其质量损失比现有喷熔合金减少的量达到35％。
显然，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。下面通过具体实施例的方式对本发明做进一步详述，但不应理解为对本发明的限制。
具体实施方法实施例1选取硅铁、铬铁、钒铁、镍、硼铁、铝为原料，根据镍基喷熔合金粉所需控制的各元素含量取料，采用普通中频感应炉冶炼成合金；合金成分控制在C 0.40％、Si 3.5％、B 2.5％、Cr 13.0％、V 0.5％、Al 0.5％、Fe≤17.0％、S≤0.03％、P≤0.03％、O≤0.08％，Ni余量，以上均为重量百分比，百分数之和为100％，然后采用水雾化法将该合金制成粒度为-150～+320目(两步法喷熔)、-320目(一步法喷熔)的镍基喷熔合金粉。喷熔合金粉制成的喷熔试样分别与同一种金属材料Q345A材料按GB12444.2-1990《金属磨损试验方法-环块型磨损试验》标准进行对磨试验，在20℃(常温)下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少20％；在400℃条件下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少22％；600℃条件下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少22％，可见其高温下耐磨性更好。
实施例2选取硅铁、铬铁、钒铁、镍、硼铁、铝为原料，根据镍基喷熔合金粉所需控制的各元素含量取料，采用普通中频感应炉冶炼成合金，合金成分控制在C 1.0％、Si 4.1％、B 4.2％、Cr 17.0％、V 1.5％、Al 3.2％、Fe≤17.0％、S≤0.03％、P≤0.03％、O≤0.08％，Ni余量，以上均为重量百分比，百分数之和为100％，然后采用水雾化法将该合金制成粒度为-150～+320目(两步法喷熔)、-320目(一步法喷熔)的镍基喷熔合金粉。喷熔合金粉制成的喷熔试样分别与同一种金属材料Q345A材料按GB12444.2-1990《金属磨损试验方法-环块型磨损试验》标准进行对磨试验，在20℃(常温)下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少20％；在400℃条件下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少25％；600℃条件下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少28％。
实施例3选取硅铁、钼铁、铬铁、钒铁、镍、硼铁、铌铁、钨铁、钛铁、铝、铜为原料，根据镍基喷熔合金粉所需控制的各元素含量取料，采用普通中频感应炉冶炼成合金，合金成分控制在C 1.2％、Si 5.0％、B 4.5％、Cr 20.0％、V 1.8％、Al 4.0％、Nb 1.0％、Ti 1.0％、W 6.0％、Mo 6.0％、Cu 4.0％、Fe≤17.0％、S≤0.03％、P≤0.03％、O≤0.08％，Ni余量，以上均为重量百分比，百分数之和为100％，然后采用气体雾化法将该合金制成粒度为-150～+320目(两步法喷熔)、-320目(一步法喷熔)的镍基喷熔合金粉。喷熔合金粉制成的喷熔试样分别与同一种金属材料Q345A材料按GB12444.2-1990《金属磨损试验方法-环块型磨损试验》标准进行对磨试验，在20℃(常温)下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少28％；在400℃条件下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少30％；600℃条件下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少32％。
实施例4选取硅铁、钼铁、铬铁、钒铁、镍、硼铁、铌铁、钨铁、钛铁、铝、铜为原料，根据镍基喷熔合金粉所需控制的各元素含量取料，采用普通中频感应炉冶炼成合金，合金成分控制在C 1.0％、Si 4.0％、B 4.0％、Cr 18.0％、V 1.5％、Al 3.0％、Nb 0.5％、Ti 0.4％、W 4.0％、Mo 4.0％、Cu 2.0％、Fe≤17.0％、S≤0.03％、P≤0.03％、O≤0.08％，Ni余量，以上均为重量百分比，百分数之和为100％，然后采用旋转水流雾化法将该合金制成粒度为-150～+320目(两步法喷熔)、-320目(一步法喷熔)的镍基喷熔合金粉。喷熔合金粉制成的喷熔试样分别与同一种金属材料Q345A材料按GB12444.2-1990《金属磨损试验方法-环块型磨损试验》标准进行对磨试验，在20℃(常温)下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少30％；在500℃条件下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少32％；600℃条件下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少35％。
实施例5选取硅铁、钒铁、铬铁、镍、硼铁、钛铁、铝为原料，根据镍基喷熔合金粉所需控制的各元素含量取料，采用普通中频感应炉冶炼成合金，合金成分控制在C1.1％、Si4.6％、B3.8％、Cr17.0％、V1.2％、Al3.0％、Ti 0.5％、Fe≤17.0％，S≤0.03％、P≤0.03％、O≤0.08％，Ni余量，以上均为重量百分比，百分数之和为100％，然后采用水雾化法将该合金制成粒度为-150～+320目(两步法喷熔)、-320目(一步法喷熔)的镍基喷熔合金粉。喷熔合金粉制成的喷熔试样分别与同一种金属材料Q345A材料按GB12444.2-1990《金属磨损试验方法-环块型磨损试验》标准进行对磨试验，在20℃(常温)下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少20％；在500℃条件下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少25％；600℃条件下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少28％。
实施例6选取硅铁、钒铁、铬铁、镍、铌铁、钨铁、硼铁为原料，根据镍基喷熔合金粉所需控制的各元素含量取料，采用普通中频感应炉冶炼成合金，合金成分控制在C1.1％、Si4.6％、B3.8％、Cr18.0％、V1.4％、Nb 0.5％、W 4.5％、Fe≤17.0％，S≤0.03％、P≤0.03％、O≤0.08％，Ni余量，以上均为重量百分比，百分数之和为100％，然后采用水雾化法将该合金制成粒度为-150～+320目(两步法喷熔)、-320目(一步法喷熔)的镍基喷熔合金粉。喷熔合金粉制成的喷熔试样分别与同一种金属材料Q345A材料按GB12444.2-1990《金属磨损试验方法-环块型磨损试验》标准进行对磨试验，在20℃(常温)下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少20％；在500℃条件下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少25％；600℃条件下试验，其质量损失比现有喷熔合金减少28％。
总之，通过添加V、Al、Nb、Ti、W、Mo、Cu等元素，使本发明喷熔合金的强度高，耐磨性好，其质量损失比现有喷熔合金减少20％以上，尤其高温500℃-600℃条件下，其耐磨性更高，其质量损失比现有喷熔合金减少25-35％，扩大了喷熔合金粉的使用范围。
权利要求
1.一种镍基喷熔合金粉，其特征在于所述镍基喷熔合金粉除了含有镍和杂质外，按重量百分比还含有下列成分C0.40～1.2％、Si3.5～5.0％、B2.5～4.5％、Cr13.0～20.0％、Fe≤17.0％、V0.5～1.8％。
2.据权利要求1所述的镍基喷熔合金粉，其特征在于所述镍基喷熔合金粉按重量百分比还含有Al0.5～4.0％。
3.根据权利要求1或2所述的镍基喷熔合金粉，其特征在于所述镍基喷熔合金粉由以下成分组成C0.40～1.2％、Si3.5～5.0％、B2.5～4.5％、Cr13.0～20.0％、Fe≤17.0％、V0.5～1.8％、Al0.5～4.0％和Nb、Ti、W、Mo、Cu中的至少一种；其中所述的Nb、Ti、W、Mo、Cu的含量按重量百分比为Nb0.0～1.0％、Ti0.0～1.0％、W0.0～6.0％、Mo0.0～6.0％、Cu.0.0～4.0％；余量为镍和杂质。
4.据权利要求1-3任一项所述的镍基喷熔合金粉，其特征在于所述杂质中含有S、P、O，其含量按重量百分比控制在S≤0.03％、P≤0.03％、O≤0.08％。
5.根据权利要求1-3任一项所述的镍基喷熔合金粉，其特征在于该镍基喷熔合金粉的粒度为-150～+320目或-320目。
6.制备权利要求1所述的镍基喷熔合金粉的方法，包括如下步骤a、根据镍基喷熔合金粉所需控制各元素的含量取料；b、采用中频感应炉进行冶炼制成合金；c、将合金制成粉末，干燥、过筛得到所需粒度的喷熔合金粉。
7.根据权利要求6所述的镍基喷熔合金粉的制备方法，其特征在于c步骤制成粉末是通过水雾化法、气雾化法、旋转水流雾化法、旋转电极雾化法或机械粉碎法实现。
8.根据权利要求6所述的镍基喷熔合金粉的制备方法，其特征在于c步骤中将该合金粉干燥后过150目和320目筛，分别得到粒度为-150～+320目和-320目的镍基喷熔合金粉。
全文摘要
本发明涉及一种镍基喷熔合金粉，可用于钢铁零件的预防性表面处理或表面修复，以及各种磨损的零件，在酸、碱等腐蚀介质中工作的零件的制造与修复。其成分控制在C0.40～1.2％、Si3.5～5.0％、B2.5～4.5％、Cr13.0～20.0％、Fe≤17.0％、V0.5～1.8％、Al0.5～4.0％，其余为Ni、杂质和辅助成分如Nb、Ti、W、Mo、Cu中的至少一种；辅助成分的重量百分比可以是Nb0.0～1.0％、Ti0.0～1.0％、W0.0～6.0％、Mo0.0～6.0％、Cu0.0～4.0％。本发明镍基喷熔合金粉与目前的镍基喷熔合金粉相比，耐磨性提高20％以上，扩大了喷熔合金粉的使用范围。
文档编号B23K35/30GK1623720SQ20041008156
公开日2005年6月8日 申请日期2004年12月22日 优先权日2004年12月22日
发明者林剑东, 何藩, 刘敏, 刘洪明, 冯向琴 申请人:攀钢集团攀枝花钢铁研究院