专利名称：改性Fe-Cr-B堆焊材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种堆焊材料。
背景技术：
虽然现行的堆焊材料发展较快，但在实际应用方面还存在很大的不足之处，比如， 国外用于耐热、耐磨的堆焊材料绝大多数是钴基合金，但是我国钴资源缺乏，并且钴基堆焊材料在焊接时有裂纹倾向；铁基堆焊材料价格便宜，但是从目前其应用情况来看，存在着耐腐蚀性差、抗裂能力低等不足之处；此外目前应用的堆焊材料的一个突出问题是，没有将堆焊材料的加工性能与耐磨性能有机的结合起来，存在硬度较高而加工困难，或是加工容易但是耐磨性不好的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种改性Fe-Cr-B堆焊材料，在Fe-Cr-C中增加纳米B改性剂,使得Fe-Cr-C堆焊材料的力学性能、硬度及耐磨等性能增加。本发明的改性Fe-Cr-B堆焊材料在Fe-Cr-C系高碳耐磨堆焊合金材料中添加质量百分含量为O. I 2%的纳米B改性剂。耐磨堆焊层含有较高的碳和铬，为过共晶成分，形成大量粗大的硬质初生碳化物， 提高了堆焊层的硬度，但是粗大的碳化物割裂了基体，硬质相得不到塑性较好的基体的支撑，易产生开裂破碎及剥落。高铬铸铁裂纹源主要来自各类夹杂物及基体与碳化物的相界面，且裂纹易沿碳化物与基体的界面扩展，因此碳化物的形态，大小和分布对堆焊层的力学性能有很大影响。纳米B改性剂能改善堆焊层组织和性能的原因有(I)由于颗粒尺寸小，表面能高，表面原子具有高的反应活性，与堆焊合金中的0，S较易亲和，净化了铁液，因而在结晶时避免了初生相的有方向性的生长，避免了晶粒粗大；(2)纳米B改性粒子会吸附在碳化物和铁素体晶粒生长的前沿，在碳化物的不同晶面上进行选择性吸附，优先吸附在位能较高及生长较快的晶面上，降低了碳化物在择优长大方向的长大速度，使碳化物由长条状有方向性的生长向短条状、团块状无方向性排列转化；(3)纳米B改性粒子为非碳化物形成元素，在凝固过程中通过溶质元素再分配而富集在碳化物结晶前沿的液体中，提高了碳化物的形核率。加入适当含量的纳米B改性剂，一方面可以改善初生碳化物的形态和分布，提高硬度，另一方面，可以改善基体和共晶碳化物的界面能，使二者结合性增强，从而进一步提高了裂纹萌生与扩展的抗力，使抗磨损、抗剥落性能提高。本发明的改性Fe-Cr-B堆焊材料具有如下优点
(I)堆焊合金为过共晶组织，主要由基体α -Fe，初生碳化物Cr 7C3，共晶碳化物Fe 7C3， 还有少量的(Cr, Fe) 7C3初生碳化物组成。(2)纳米B改性剂的加入，细化了初生碳化物，由粗大板条状向团块状变化，改变了碳化物的生长方向性；当加入O. 65%的改性剂时，碳化物形态开始明显变化，晶粒细小， 组织均匀，堆焊层具有良好的组织形态。(3)纳米B改性剂的加入使堆焊层的表面硬度提高，随着改性剂含量的增加，硬度先升高，在O. 65%处下降，之后稳步上升，在I. 5%时硬度最高达HV 1011。堆焊层断裂韧性在O. 65%时最高。
图I为加入不同含量改性剂后的堆焊层X射线衍射结果；
图2为加入I. 5%改性剂后的堆焊层显微组织扫描照片；
图3为加入I. 0%改性剂后的堆焊层显微组织扫描照片；
图4为加入O. 65%改性剂后的堆焊层显微组织扫描照片；
图5为加入O. 5%改性剂后的堆焊层显微组织扫描照片；
图6为未加入改性剂的堆焊层显微组织扫描照片；
图7为五种试样在90 冲蚀角下冲蚀5min的失重率；
图8为载荷为5N时五种试样的磨损率。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式选用(Fe-Cr-B)耐磨堆焊焊条，加入不同含量的纳米B改性剂制成堆焊焊条，焊条成分及改性剂含量如表I、表2。采用原始焊条成型方法，即用焊条涂压机压制而成。表1D-Fe05 (Fe_Cr_B)耐磨堆焊焊条的化学成分(质量分数，％)
FeCrNiCBSi33. 5-3948-522-35-6. 53-43-4
表2焊条中加入纳米B改性剂的含量(质量分数，%)
编号I号2号3号4号5号改性剂含量I. 5IO. 65O. 5O
按GB984-85标准制备堆焊层试样。母材选普通5块45#钢、尺寸为100X 50X 20 (mm)， 使用改性1#、改性2#、改性3#、改性4#、原始5#分别在5块45#钢上堆焊，采用3层6道方式，表面焊道长度不小于70mm。焊后线切割制成10 X 10 X 10 (mm)和15 X 15 X 5 (mm)标准试
样已备检测用。一、XRD试验物相分析在日本理学电机D/max- III B型X射线衍射仪上进行。在 40KV的加速电压和50A的电流下，采用CuKa靶辐射，以50/min的速度扫描，粉末样品，收集范围2 Θ 10° 65。。图I为加入不同含量改性剂后的堆焊层X射线衍射结果，从图中可看出堆焊层的相组成为M7C3型碳化物(Cr7C3, Fe7C3),基体a-Fe，硼化物(Fe2B, Cr2B)。改性剂的加入对碳化物的类型影响不大，而对Cr7C3的生长方向有影响，随着改性剂含量的增加，衍射角为 42. 56。的(202)晶面的峰相对强度逐渐减弱，44. 20。处(024)的峰逐渐增强，当加入O. 5% 的改性剂时，出现了 Cr2B,其它添加量下Cr2B的衍射峰较弱。二、SEM电镜扫描米用S4700型号日立公司扫描电镜分析仪器,并将试样在真空 10_3 10_5条件下进行镀金处理5min，在金属薄膜作为衬底材料对复合薄膜的表面形貌进
4行观测。采用的放大倍数为800倍，并对式样进行能谱分析。图2 图6为堆焊层的扫描照片，可看出堆焊层的粗大的初生碳化物和共晶碳化物都是不连续的。初生碳化物中间都有孔洞，这是初生碳化物体积凝固时初始形成的六角形外壳包围着过共晶的液体金属，随着初生碳化物的不断长大，六角形外壳不断增厚，液体金属到达共晶成分最后凝固形成共晶成分组织及缩孔，初生碳化物基本垂直于耐磨面生长，这种位向有利于耐磨性的提高。未加改性剂时，初生碳化物粗大，形状接近六角形，并且具有一定的方向性，共晶碳化物呈短杆状，如图6所示。加入O. 5%的改性剂后，碳化物的形态没有明显变化，仍为比较粗大的板条状，如图5所示。加入O. 65%的改性剂后，初生碳化物变成不规则的团块状，这是由于纳米B改性剂的加入，增加了形核核心，改变了初生碳化物的生长方向性；初生碳化物中间孔洞增多，变得细小；共晶碳化物的数量减少，由短杆状变成颗粒状，如图4所示。加入I. 0%的纳米B改性剂后，初生碳化物的团块更加细小均匀， 分布较密，形状变得不规则，中心孔洞减少，共晶碳化物的数量进一步减少，如图3所示。加入I. 5%的改性剂后，初生碳化物形状变得规则，共晶碳化物数量增多，颗粒较大，如图2所
/Jn ο三、采用HT-1000高温摩擦磨损试验机进行磨损试验，将Fe-Cr-B堆焊合金制成的下试样与GCrl5钢球进行对磨。钢磨球采用Φ4的GCrl5的轴承钢球，将加与未加纳米B 改性剂的Fe-Cr-B合金耐磨堆焊层分别制成15X 15X 5mm的下试样。在试验中施加固定载荷为5N和15N,磨损试验中下试样转速为400r/min和800r/min,磨损时间为20min分别进行磨损试验，磨损过程中通过传感器记录摩擦系数与磨盘转数或运行时间的关系。其中磨损过程的外界条件为环境湿度35%，环境温度为25°C。试样准备磨损试样都要经过严格的粗磨、细磨和粗抛、细抛工艺。粗磨前先用超声波把线切割试样表面的油污清洗干净，依次用100#、220#、400#、600#、800#砂纸把打磨平整的试样表面按90角方向旋转并重复粗磨，直到上一号砂纸留下的表面划痕被完全覆盖，再依次用1000#、1200#砂纸按粗磨的方式细磨，直到在显微镜下能看到圆球形晶粒为止。未加纳米B改性剂的堆焊层合金试样的磨损率为2. 8g/m2s,随着纳米B改性剂的加入，磨损率降低，当加入含量为O. 65%时，磨损率最小，降低至O. 8333 g/m2s,耐磨性最好， 但是进一步增加纳米B改性剂的含量，磨损率值又开始增加，当加入1%时，磨损率为I. 9 g/ m2s,加入I. 5%时,磨损率增加至O. 074 g/m2s,但是与未加改性剂的试样相比,耐磨性仍然增加。由此可见，与未加纳米B改性剂的相比，随着纳米B改性剂的加入，磨损率而是呈现先减小，后增大的趋势，有一个最低值，即O. 8333 g/m2s，与未加纳米B改性剂试样相比，耐磨性增加了 70. 24%, O. 65%含量的堆焊层试样，硬度和韧性能够很好的配合，耐磨性最好。五种不同的堆焊层试样在90 冲蚀角下冲蚀的失重数据如图7所示。可以看出未加改性剂的堆焊层合金试样失重最大，冲蚀5min后的失重是O. 084g，加入纳米B改性剂后，磨损失重减小，其中O. 65%含量的失重最小。
具体实施方式
二 本实施方式据具体实施方式
一不同的是，冲蚀磨损试样采用目前广泛应用于过流部件的高铬铸铁，试样切割成尺寸为10X 10X5mm的长方体，在试验前将试样的冲蚀磨损面用砂纸打磨平整，试验前后都需要用丙酮将试样清洗干净并烘干。在 2. 4^3个大气压下，用20个试样分别进行冲蚀角度为90°和30°，冲蚀时间为5min (每冲蚀2. 5min停机以保证压力恒定)。纳米B改性剂的加入量同表2。具体实验按以下步骤进行
(I)制备试样根据试验的要求，本试验机使用IOmmX IOmmX 5mm的长方体试样,先用 100#、220#、400#、600#、800#、1000#砂纸把打磨平整，然后分别用酒精清洗试样并称重。(2)准备磨料根据试验要求，备好24目棕刚玉砂粒。(3)按要求安装试样，调节试样横梁和试样在试样夹上的相对位置达预定冲蚀角度。(4)调节旁路阀达到预定位置并固定。(5)开启水泵，并开始计时，直至达到预定冲蚀时间。(6)取下试样，用丙酮进行清洗后用烘干机烘干，然后在精度达万分之一克的光电天平上称重,计算冲蚀磨损失重量及冲蚀磨损率,冲蚀磨损率按下式计算
ε = KMjt(2-4)
式中 ε——冲蚀磨损率(mg/h)；
AM——冲蚀磨损失重(mg)；
t——冲蚀磨损时间(h)。图8载荷为5N时五种试样的磨损率，图8给出了五种堆焊合金与GCrl5钢球对磨的磨损率和对应钢球的磨损率变化。从图中可以看出，加入改性剂后，堆焊合金的磨损率明显降低。3号样的磨损率2. 29X 10_nmm3/s最低，比5号样的磨损率9. 31 X 10_nmmVs降低 75. 4%，2号样的磨损率与3号样相差不大，而2号磨球的磨损率最高，为O. 70X10_nmm3/S， 试样的磨损率越低，对应磨球的磨损率越高，有更多磨球上的物质转移到试样上，在一定程度上阻止了试样的继续磨损破坏。使得试样的耐磨性越好，而且也说明了在相同的磨损条件下试样对磨球的磨削加工率越高。从硬度和断裂韧性看，2号样的硬度比3号样高，而韧性较差，综合考虑，2号样的耐磨性最好，说明在低磨损载荷的条件下，材料的硬度对磨损性能的影响占主导作用结合图8的摩擦系数分析看出，2号试样的摩擦系数较高，说明在磨损过程中试样-磨球组成的摩擦副之间的摩擦力较大,容易对材料造成磨损破坏,摩擦能量较大，所以磨球具有较大的磨损体积，但是试样的磨损率分析看出，2号试样的磨损率最低， 充分说明了在低载荷下2号试样的耐磨性和其磨削加工性能最好。反之，未纳米改性的5 号试样的摩擦系数最小，但是其磨损率却最高，说明5号试样的耐磨性最差。
权利要求
1.改性Fe-Cr-B堆焊材料,其特征在于所述堆焊材料在Fe-Cr-C系高碳耐磨堆焊合金材料中添加质量百分含量为O. I 2%的纳米B改性剂。
2.根据权利要求I所述的改性Fe-Cr-B堆焊材料，其特征在于纳米B改性剂的质量百分含量为O. 5%。
3.根据权利要求分含量为O. 65%。
4.根据权利要求分含量为1%。
5.根据权利要求分含量为I. 5%οI所述的改性Fe-Cr-B堆焊材料，其特征在于纳米B改性剂的质量百 I所述的改性Fe-Cr-B堆焊材料，其特征在于纳米B改性剂的质量百 I所述的改性Fe-Cr-B堆焊材料，其特征在于纳米B改性剂的质量百
全文摘要
改性Fe-Cr-B堆焊材料，涉及一种堆焊材料。针对现有技术存在的问题，本发明的改性Fe-Cr-B堆焊材料，在Fe-Cr-C系高碳耐磨堆焊合金材料中添加质量百分含量为0.1～2%的纳米B改性剂。本发明的改性Fe-Cr-B堆焊材料具有如下优点堆焊合金为过共晶组织，主要由基体α-Fe，初生碳化物Cr7C3，共晶碳化物Fe7C3，还有少量的(Cr,Fe)7C3初生碳化物组成；纳米B改性剂的加入，细化了初生碳化物，由粗大板条状向团块状变化，改变了碳化物的生长方向性；当加入0.65%的改性剂时，碳化物形态开始明显变化，晶粒细小，组织均匀，堆焊层具有良好的组织形态。
文档编号B23K35/30GK102581519SQ20121009862
公开日2012年7月18日 申请日期2012年4月6日 优先权日2012年4月6日
发明者王铀, 鞠春华 申请人:哈尔滨工业大学