碳化钨铁基自熔合金堆焊材料及堆焊方法与流程

本发明属于合金堆焊材料技术领域，具体地说，涉及一种碳化钨铁基自熔合金堆焊材料及堆焊方法。

背景技术：

很多零件在长期使用和服役过程中发生材料表面严重磨损而失效。堆焊是一种表面改性处理方法，指将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。它可以提高零件使用寿命，使普通材料表面获得耐磨、耐腐蚀、高硬度的堆焊层。堆焊材料有铁基自熔合金、镍基自熔合金、钴基自熔合金等。然而现有堆焊材料存在表面硬度和耐磨性差的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明针对上述的问题，提供了一种碳化钨铁基自熔合金堆焊材料及堆焊方法，克服现有堆焊材料表面硬度和耐磨性差的问题，获得高的表面硬度和耐磨性。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种碳化钨铁基自熔合金堆焊材料，所述堆焊材料为铁基自熔合金和20％-30％重量份的碳化钨的混合物，碳化钨的粒度为100-200目，堆焊层显微组织由多角形碳化钨和共晶组成。

进一步地，所述堆焊材料在基体表面堆焊层厚度为2-3mm。

进一步地，所述基体为Q235钢。

进一步地，所述堆焊层硬度值为65.7HRC。

进一步地，所述堆焊层磨损量为11.7mg。

进一步地，所述铁基自熔合金为Fe314。

本发明还公开了一种碳化钨铁基自熔合金堆焊材料的堆焊方法，包括：

将铁基自熔合金和20％-30％重量份的碳化钨粉末在自动混料机中混合均匀，得混合粉末；

将所述混合粉末与水玻璃混合，冷压成形，得到具有规则形状、均匀厚度的混合粉末涂层；

将所述涂层涂敷在基体表面，放入烘箱烘干，然后在空气中自然冷却；

利用二氧化碳气体保护焊作为热源，在基体表面堆焊所述混合粉末涂层，获得的堆焊层显微组织由多角形碳化钨和少量共晶组成。

进一步地，所述涂层涂敷在基体表面的厚度为2-3mm。

进一步地，所述二氧化碳气体流量控制为10L/min。

进一步地，所述堆焊的工艺参数为：送丝速度为0.35m/min，焊接电流为180A，电弧电压为25V，电源极性为直流正接。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

(1)本发明在铁基自熔合金粉末中加入具有高硬度、高耐磨性、高熔点等特性的碳化钨作为堆焊材料，利用二氧化碳保护焊作为热源进行堆焊，克服现有堆焊材料表面硬度和耐磨性差的问题，从而获得高的表面硬度和耐磨性；堆焊层显微组织由多角形碳化钨和少量共晶组成，该组织形式可以获得高的硬度和小磨损量。

(2)当涂层厚度为3mm，WC含量达到30％，堆焊层显微组织由多角形碳化物(碳化钨)和少量共晶组成，硬度值达到最高为65.7HRC，磨损量最低为11.7mg。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明对比例1的堆焊层金相组织；

图2为本发明对比例2的堆焊层金相组织；

图3为本发明实施例1的堆焊层金相组织×400；

图4为本发明实施例2的堆焊层金相组织×400。

具体实施方式

以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明提供一种碳化钨铁基自熔合金堆焊材料，所述堆焊材料为铁基自熔合金和20％-30％重量份的碳化钨的混合物，碳化钨的粒度为100-200目，堆焊层显微组织由多角形碳化钨和少量共晶组成。

其中，碳化钨粉末的重量份是相对于铁基自熔合金的重量，加入WC可以使金属材料表面硬度、耐磨性提高，可应用在有硬度和耐磨性要求高的场合，但是碳化钨含量过高会造成堆焊层与母材即Fe314冶金结合不好，因此碳化钨用量选择20％-30％。碳化钨的粒度需选择合适范围，过大或过小均会降低耐磨性，因此碳化钨的粒度选择100-200目。

优选的，堆焊材料在基体表面堆焊层厚度为2-3mm。其中，厚度太小导致堆焊层受母材稀释率影响大，降低了性能，厚度太大造成焊不透或是堆焊层与母材冶金结合不好，因此厚度选择2-3mm。

优选的，所述堆焊层硬度值为65.7HRC。

优选的，所述堆焊层磨损量为11.7mg。

本实施例中所用的基体材料为Q235钢，试样尺寸加工成100mm×40mm×10mm，成分如表1。

表1Q235钢成分(质量分数，％)

本实施例所用Fe基自熔合金牌号为Fe314(成分见表2)，是高铬铸铁型铁基自熔性合金粉末，属于Fe-Cr-B-Si系自熔合金，是在高铬铸铁耐磨合金成分的基础上添加B，Si，Ni等元素研制而成的。

表2Fe314的自熔合金成分(质量分数，％)

本发明还提供一种碳化钨铁基自熔合金堆焊材料的堆焊方法，包括以下步骤：

步骤1：将铁基自熔合金和20％-30％重量份的碳化钨粉末(粒度为100-200目)在自动混料机中混合均匀，得混合粉末；其中碳化钨粉末的重量份是相对于铁基自熔合金的重量。

步骤2：将所述混合粉末与一定量的水玻璃混合，冷压成形，得到具有规则形状、均匀厚度的混合粉末涂层；其中水玻璃起粘结的作用，其用量要适中，水玻璃用量以混合粉末能成块为宜。

由于采用二氧化碳气体保护堆焊，引弧前堆放在母材上的合金粉末粒度较小易被气流吹散。引弧后，二氧化碳气体保护焊电弧吹力较大，焊炬移动时，会将涂敷于试样表面的粉末向前推进，导致堆焊层合金成分分布不均，因此将混合粉末和一定量的水玻璃混合，冷压成形，得到具有规则形状、均匀厚度的混合粉末涂层。

步骤3：将所述涂层涂敷在基体表面，放入烘箱烘干，然后在空气中自然冷却；

步骤4：利用二氧化碳气体保护焊作为热源，在基体表面堆焊所述混合粉末涂层，获得的堆焊层显微组织由多角形碳化钨和少量共晶组成。其中多角形碳化钨和少量共晶的组织形式可以获得高的硬度和小磨损量。

进一步地，所述涂层涂敷在基体表面的厚度为2-3mm。

进一步地，所述二氧化碳气体流量控制为10L/min。

进一步地，堆焊层的硬度值最大为65.7HRC，磨损量最小为11.7mg。

进一步地，所述堆焊的工艺参数为：焊丝为高锰焊丝H08Mn2SiA，焊丝直径为1.0mm，送丝速度为0.35m/min，焊接电流为180A，电弧电压为25V，电源极性为直流正接。

实施例1

步骤1：将铁基自熔合金Fe314和20％重量份的碳化钨粉末在自动混料机中混合均匀，得混合粉末；

步骤2：将所述混合粉末与一定量的水玻璃混合，冷压成形，得到具有规则形状、均匀厚度的混合粉末涂层；

步骤3：将所述涂层涂敷在基体Q235钢表面，涂敷厚度为3mm，放入烘箱烘干，然后在空气中自然冷却；

步骤4：利用二氧化碳气体保护焊作为热源，控制二氧化碳气体流量为10L/min，在基体Q235钢表面堆焊所述混合粉末涂层，堆焊层显微组织由多角形碳化钨和少量共晶组成。堆焊的工艺参数为：焊丝为高锰焊丝H08Mn2SiA，焊丝直径为1.0mm，送丝速度为0.35m/min，焊接电流为180A，电弧电压为25V，电源极性为直流正接。

实施例2

步骤1：将铁基自熔合金Fe314和30％重量份的碳化钨粉末在自动混料机中混合均匀，得混合粉末；

步骤2：将所述混合粉末与一定量的水玻璃混合，冷压成形，得到具有规则形状、均匀厚度的混合粉末涂层；

步骤3：将所述涂层涂敷在基体Q235钢表面，涂敷厚度为3mm，放入烘箱烘干，然后在空气中自然冷却；

步骤4：利用二氧化碳气体保护焊作为热源，控制二氧化碳气体流量为10L/min，在基体Q235钢表面堆焊所述混合粉末涂层，堆焊层显微组织由多角形碳化钨和少量共晶组成。堆焊的工艺参数为：焊丝为高锰焊丝H08Mn2SiA，焊丝直径为1.0mm，送丝速度为0.35m/min，焊接电流为180A，电弧电压为25V，电源极性为直流正接。

实施例3

步骤1：将铁基自熔合金Fe314和20％重量份的碳化钨粉末在自动混料机中混合均匀，得混合粉末；

步骤2：将所述混合粉末与一定量的水玻璃混合，冷压成形，得到具有规则形状、均匀厚度的混合粉末涂层；

步骤3：将所述涂层涂敷在基体Q235钢表面，涂敷厚度为2mm，放入烘箱烘干，然后在空气中自然冷却；

步骤4：利用二氧化碳气体保护焊作为热源，控制二氧化碳气体流量为10L/min，在基体Q235钢表面堆焊所述混合粉末涂层，堆焊层显微组织由多角形碳化钨和少量共晶组成。堆焊的工艺参数为：焊丝为高锰焊丝H08Mn2SiA，焊丝直径为1.0mm，送丝速度为0.35m/min，焊接电流为180A，电弧电压为25V，电源极性为直流正接。

实施例4

步骤1：将铁基自熔合金Fe314和25％重量份的碳化钨粉末在自动混料机中混合均匀，得混合粉末；

步骤2：将所述混合粉末与一定量的水玻璃混合，冷压成形，得到具有规则形状、均匀厚度的混合粉末涂层；

步骤3：将所述涂层涂敷在基体Q235钢表面，涂敷厚度为3mm，放入烘箱烘干，然后在空气中自然冷却；

步骤4：利用二氧化碳气体保护焊作为热源，控制二氧化碳气体流量为10L/min，在基体Q235钢表面堆焊所述混合粉末涂层，堆焊层显微组织由多角形碳化钨和少量共晶组成。堆焊的工艺参数为：焊丝为高锰焊丝H08Mn2SiA，焊丝直径为1.0mm，送丝速度为0.35m/min，焊接电流为180A，电弧电压为25V，电源极性为直流正接。

对比例1

将铁基自熔合金Fe314，不添加碳化钨，在基体Q235钢表面进行堆焊，涂层厚度为2mm，其余条件与实施例1相同。

对比例2

将铁基自熔合金Fe314，不添加碳化钨，在基体Q235钢表面进行堆焊，涂层厚度为3mm，其余条件与实施例1相同。

将堆焊后的试样磨平，抛光，再用4％的硝酸酒精溶液腐蚀试样，在XJL-024型立式金相显微镜上观察堆焊层显微组织。利用HR150-A型洛氏硬度机测试堆焊层的洛氏硬度，每个试样测三个数值，再计算平均值作为该试样的洛氏硬度。在ML-100销盘式磨料磨损试验机上进行磨粒磨损试验，将磨损前后的试样放在电子天平上称量，计算磨损量。

测试结果：

(1)堆焊层金相分析

图1是对比例1涂层厚度2mm的Fe314堆焊层显微组织，其组织为初生奥氏体相加少量共晶，是一种亚共晶组织；图2是对比例2涂层厚度3mm的Fe314堆焊层组织，它是典型的过共晶组织，在大量共晶组织基体上存有少量的合金渗碳体(白色长条状相)，合金渗碳体应为(Fe，Cr)₃C，其余组织应为多种复杂化合物的共晶，如碳化物和硼化物等，与图1相比较，图2堆焊层组织和Fe314相似，仍为高铬合金铸铁类型，这主要是由于随着涂层厚度增加堆焊层组织受母材稀释作用减小的缘故。图3是实施例1涂层厚度3mm，含20％WC的堆焊层组织，组织中有少量初生固溶体枝晶和大量共晶组织，这说明稀释率较小，堆焊层成分接近于自熔合金的原始成分，又由于WC含量不高WC可能在堆焊过程中发生熔解；图4是实施例2涂层厚度3mm，含30％WC的堆焊层组织，该组织非常典型，是由多角形碳化物(碳化钨)和少量共晶组成，根据有关资料分析，多角形的为碳化钨，长条形的为合金渗碳体，且这些化合物是在固相下析出并长大。

(2)堆焊层硬度分析

表3是不同涂层厚度和不同WC含量时堆焊层硬度值，从表3中可以看出，当合金粉末中不含WC时堆焊层表面的硬度随涂层厚度的增加而增加，从金相图片中可以看出，当涂层厚度为3mm时，堆焊层组织为过共晶组织，组织中有(Fe，Cr)₃C型碳化物及奥氏体与碳硼化合物的共晶组织，因此当涂层厚度为3mm时硬度较高；当涂层厚度为3mm不变，Fe314中加入WC时，堆焊层表面的硬度随着WC含量的增加而增大，WC含量较少时有部分WC颗粒在堆焊时发生熔解，其金相组织中有大量共晶，因此硬度值也较高。当WC含量达到30％时，通过金相组织可以看到组织中有大量WC颗粒，这些硬质颗粒的弥散强化作用，使合金堆焊层具有更高的耐磨性、红硬性和抗氧化性，因此当WC含量为30％时，堆焊层硬度值最大为65.7HRC。

表3堆焊层硬度

(3)堆焊层耐磨性分析

表4是不同涂层厚度和不同WC含量时堆焊层的磨损量值，一般情况下，材料越硬，耐磨性越好，从表中也可看出，当合金粉末中不含WC，涂层厚度3mm时，硬度值最高，磨损量最小，当涂层厚度3mm不变时，WC含量达到30％时，硬度值最高，磨损量最小。WC是超硬的硬质相，堆焊层中的硬质相WC能使试样堆焊层表面的硬度大幅度提高，磨损量急剧下降。

表4堆焊层磨损量

综上所述，当涂层厚度为3mm，WC含量达到30％，堆焊层显微组织由多角形碳化物(碳化钨)和少量共晶组成，硬度值达到最高为65.7HRC，磨损量最低为11.7mg。

本发明在铁基自熔合金粉末中加入具有高硬度、高耐磨性、高熔点等特性的碳化钨作为堆焊材料，利用二氧化碳保护焊作为热源进行堆焊，克服了现有堆焊材料表面硬度和耐磨性差的问题，获得高的表面硬度和耐磨性。

上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。