一种双层复合粉粒及埋弧堆焊高铬合金的方法与流程

本发明属于耐磨堆焊技术领域，具体涉及一种具有表面活性剂的双层复合粉粒及其埋弧高铬合金的方法。

背景技术：

高铬合金因其含有显微硬度较高的(fe,cr)7c3(1300～1800hv)和(fe,cr)23c6(1140hv)等碳化物而呈现较为良好的耐磨粒磨损性能，兼具耐腐蚀性，最为广泛用作零件耐磨材料，如水泥磨辊、衬板和混凝土输送管等。

高铬合金的制备方式主要是铸造和堆焊等。铸造采用电炉熔炼高碳铬铁等原料，然后将铁水注入砂型而制备高铬零件，但成型工艺要求高，原料和能源消耗大。堆焊是在低碳或者低合金钢基体熔敷高铬合金，如药芯焊丝埋弧焊或自保护明弧焊、药皮焊条电弧焊、丝材氧-乙炔焰焊、粉末激光熔敷、粉末等离子弧熔敷、粉末喷焊和带极电渣堆焊等；其中，以药芯焊丝埋弧焊或自保护明弧焊最为典型，目前是高铬合金的主流制造方法，其优点是高碳铬铁等原料和能源消耗较少，高铬合金层即使磨损后仍可修复使用。

高铬合金的堆焊材料以药芯焊丝、高铬实心焊丝或者粉末为主。药皮焊条因其熔敷效率偏低，且耗费人力过多，使用比例逐年下降。药芯焊丝优点是，其堆焊生产连续性好，熔敷效率较高；但缺点是，其研发生产周期长，单一焊丝适用面窄且价格较贵。激光、等离子和喷焊等方法所用合金粉末，多采用气流送粉，对粉末的球形度要求高，所使用的粉末价格昂贵且品种极少。不仅如此，激光、等离子弧设备投资高，养护维修复杂，中小企业难以承受其过高的使用成本；且激光和等离子熔敷因其热输入量大，粉末熔敷合金极易开裂。此外，个别企业使用粉块堆焊高铬合金，虽然供货形式简单，但因粉块燃弧性较差，致使其组分非常特殊，且堆焊操作要求高，故应用不多。

此外，堆焊高铬合金因受低碳钢或者低合金钢基体成分稀释的影响突出，其与基体界面处形成了亚共晶结构的组织，高铬合金层成分和组织不均衡。其表层硬层磨损后，后续层因磨损过快，零件使用寿命受到严重影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有高铬合金堆焊方法存在的上述缺陷，提供一种既易引弧且熔敷效率高，又使所制备高铬合金具有良好耐磨性的双层复合粉粒及埋弧堆焊高铬合金的方法。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：

该双层复合粉粒及埋弧堆焊高铬合金的方法，包括如下顺序的步骤：

(1)合金组分粉末混合：将各合金组分粉末分别过筛，按照各合金组分粉末组成配比称量，放入同一容器内，充分搅拌使之混合均匀，形成混合粉末；

所述各合金组分粉末组成配比为：重量百分含量为75～80％的含铬量为68～72％、含碳量为8％的高碳铬铁(fecr70c8.0)；重量百分含量为9～12％的含钒量为50％的钒铁(fev50-a)；重量百分含量为2～4％的含钛量为25～35％的钛铁(feti30a)；重量百分含量为6～8％的含碳量不低于98％的鳞片石墨(c)；余量为含铁量不低于98％的还原铁粉(fe)；

(2)混合粉末粘结造粒：向步骤(1)所得混合粉末中添加液类粘结剂，添加期间不断搅拌，并使粉体旋转，静置1～2小时以定型，获得近似球形的湿复合粉粒；

(3)湿复合粉粒表面粘附活性剂：将步骤(2)定型后的湿复合粉粒摊开，并使其堆积高度小于10mm，向复合粉粒表面喷撒超细化活性剂，喷撒期间，轻度翻动粉粒以使之表面均匀粘附上一层活性剂，形成双层复合粉粒；

(4)双层复合粉粒烧结：将盛有步骤(3)所得双层复合粉粒的容器放入烧结炉中，升温至烧结温度，保温2～4小时，随炉冷却至室温后出炉；

(5)双层复合粉粒过筛：将步骤(4)出炉后的双层复合粉粒先过10目筛，去除大于10目的粉粒，再将之过30目筛，去除小于30目的粉粒，获得粒度为10目～30目的双层复合粉粒；

(6)埋弧堆焊高铬合金：设置自动焊机堆焊工艺参数，并使每次堆焊参数不变；在焊道上，预置步骤(5)制得的双层复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，使单位长度焊道上双层复合粉粒预置重量与该段焊道上实心焊丝熔化重量的比值满足设定要求，然后在该预置双层复合粉粒表面覆盖上一层厚度不低于10mm的粒状熔炼焊剂；

以该双层复合粉粒和实心焊丝作为堆焊材料进行埋弧焊，使双层复合粉粒熔体和实心焊丝熔滴熔合为一体化熔池；该熔池冷却凝固形成第一层焊缝，空冷至焊缝熔渣翘起脱落；然后以同样的方式分别堆焊第二层和第三层，即制得高铬合金。

具体的，步骤(1)中，将各合金组分粉末分别过60目筛。

具体的，步骤(2)中，所述液类粘结剂是波美度为20～40、模数为3.0～3.3的硅酸钠型水玻璃；液类粘结剂添加容积量与混合粉末重量的比值为15～25ml硅酸钠型水玻璃/100g混合粉末。

具体的，步骤(3)中，所述超细化活性剂为粒度300目的氟化钠粉(naf)；活性剂添加重量与复合粉粒所含混合粉末重量的比值为0.5～1.5g氟化钠粉/100g混合粉末。

具体的，步骤(4)中，所述烧结温度为300～400℃。

具体的，步骤(6)中，所述单位长度焊道上双层复合粉粒预置重量与该段焊道上实心焊丝熔化重量的比值为0.70～1.00。

具体的，步骤(6)中，所述自动焊机堆焊工艺参数为，电流控制值为480～520a，小车行走速度15～17m/h，极性为直流反接。

具体的，步骤(6)中，所述实心焊丝为直径φ2.5mm～φ3.0mm的h08a实心焊丝。

具体的，步骤(6)中，所述粒状熔炼焊剂为hj260。

本发明方法制备的高铬合金的主耐磨相为初生三碳化七金属元素相(m7c3)，m包括fe、cr、v等合金化元素。该高铬合金为典型的过共晶结构组织，可应用于磨粒磨损工况的零部件堆焊耐磨层，如衬板。

与现有技术相比，本发明具有如下创新点和有益效果：

(1)基体成分稀释作用小：由于采用具有表面活性剂的双层复合粉粒作为堆焊材料，利用表面层活性剂易发射电子的特点，诱导电弧作用于复合粉粒而使之优先熔化，减小了电弧对基体的加热程度，这使母材的成分稀释作用减小而获得成分和组织均衡的高铬合金层。

(2)合金组分数量少：本发明的复合粉粒组分加上表面活性剂和水玻璃也只有7种组分，均为常见组分，合金成分调整方便。与药芯焊丝和药皮焊条通常需要10种以上合金组分相比，原料采购数量大幅度减少，易于控制堆焊合金成分而确保质量稳定，堆焊生产组织简便。

(3)合金组分利用效率高：由于高碳铬铁、钒铁、钛铁和石墨均集中于复合粉粒，中高碳化物形成元素如cr、v、ti等组分以及碳组分呈聚集状态，这不仅有利于合金中初生m7c3相的形成，而且实现了合金化元素的集约使用；此外，10～30目双层复合粉粒，比传统60～80目粉末的表面积大幅度降低，使之与氧原子的接触反应面积减小；以上方面均提高了合金组分利用率。

(4)高铬合金制备成本显著降低：与药芯焊丝和药皮焊条相比，双层复合粉粒的制备工艺简单，堆焊厂家可自行组织生产，无需外购，这使焊材运输环节所需人工减少；同时，粉粒生产设备简单，也使制备高铬合金的固定设备成本显著下降；此外，高铬合金生产周期显著缩短，提高了资金周转率；以上方面使高铬合金的制备成本总体显著降低。

(5)所制备高铬合金层组织和成分更为均衡：由于母材稀释的降低以及具有表面活性剂复合粉粒的采用，每个粉粒受热程度较为均衡，熔体局域微区的成分和组织更加均衡，形成了以块状初生m7c3相和颗粒二次m7c3相合理分布的组织结构的高铬合金，这使之具有更高的韧性，埋弧堆焊三层均未产生裂纹。

附图说明

图1为本发明方法制备的高铬合金表层的组织形态图。

图2为图1所示高铬合金的相组成图。

图3为本发明方法制备的高铬合金与q235a基体界面处的组织形态图。

图4为对比例1中粉末埋弧堆焊高铬合金表层的组织形态图。

图5为图3所示对比例1中粉末埋弧堆焊高铬合金的相组成图。

图6为对比例1中粉末埋弧堆焊高铬合金与q235a基体界面处的组织形态图。

图7为图1所示本发明方法制备的高铬合金的磨损形貌图。

图8为图4所示对比例1中粉末埋弧堆焊高铬合金的磨损形貌图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

本发明采用包括由各种粉末组分组成的混合粉末经粘结造粒、表面粘附活性剂、烧结和过筛等步骤而形成特定粒度的双层复合粉粒以及充当电弧载体的h08a实心焊丝作为堆焊材料，进行埋弧焊而制备高铬合金。

所述混合粉末各组成粉末组分的重量百分含量分别为：75～80％的含铬量为68～72％、含碳量为8％的高碳铬铁(fecr70c8.0)；9～12％的含钒量为50％的钒铁(fev50-a)；2～4％的含钛量为25～35％的钛铁(feti30a)；6～8％的含碳量不低于98％的鳞片石墨(c)；余量为含铁量不低于98％的还原铁粉(fe)。

埋弧堆焊时，使单位长度焊道上双层复合粉粒预置重量与该段焊道上实心焊丝熔化重量的比值控制在0.70～1.00，以获得耐磨性良好的高铬合金。

在称量混合粉末组分之前，先将高碳铬铁、钒铁、钛铁、鳞片石墨、还原铁粉等粉末组分过60目筛，然后按照组成配比进行称量，并将所有粉末组分放入同一容器内，充分搅拌以使之混合均匀，形成混合粉末。

接着，向该混合粉末以每次倒入5ml的波美度为20～40、模数为3.0～3.3硅酸钠型水玻璃，直至每100g混合粉末中，水玻璃最终添加15～25ml容积量的硅酸钠型水玻璃；添加期间，不停搅拌，并使该混合粉体旋转以造粒，然后静置1～2小时以定型，最终获得形成近似球形的湿复合粉粒。

继续，将该湿复合粉粒摊开，形成高度低于10mm以下的粉粒层；再把300目的超细化氟化钠粉(naf)均匀喷撒在粉粒表面，喷撒氟化钠粉重量与所述湿复合粉粒中所含混合粉末重量的比值为0.5～1.5g氟化钠/100g混合粉末，并轻度翻动以使之表面均匀粘附上一层表面活性剂，形成双层复合粉粒；

然后，将该双层复合粉粒放入烧结炉中升温至300～400℃，保温2～4小时，随炉冷却至室温后出炉。最后，将烧结后的复合粉粒先过10目筛，去除大于10目的大颗粒；再将之过30目筛，去除小于30目的小颗粒，最终获得粒度10～30目的双层复合粉粒。

在长度160mm×宽度75mm×厚度16mm的q235a钢板上，预置该双层复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，使单位长度焊道上双层复合粉粒预置重量与该段焊道上φ2.5～φ3.0mm的h08a实心焊丝熔化重量的比值为0.70～1.00，以控制堆焊高铬合金的成分。

堆焊之前，将自动焊机zd5-1000e的极性选择为直流反接，电流设置值为480～520a，电弧电压28～40v，焊丝干伸长28～40mm，小车行走速度15～17m/h，所用焊剂为熔炼焊剂hj260，并使每次每层堆焊工艺参数不变。

以上述双层复合粉粒和h08a实心焊丝为堆焊材料进行埋弧焊，使双层复合粉粒熔体和h08a实心焊丝熔滴熔合为一体化熔池，待熔池冷却凝固后形成第一层焊缝，空冷至焊道熔渣自动脱落；然后以同样的方式分别堆焊第二层和第三层，空冷至熔渣自动脱落。

基于此，本发明具有表面活性剂的双层复合粉粒及其埋弧堆焊高铬合金方法的设计原理可概括为：先预制10～30目的具有表面活性剂的双层复合粉粒，然后以该双层复合粉粒和实心焊丝作为堆焊材料，配合熔炼焊剂hj260，控制单位长度焊道上双层复合粉粒预置重量与该段焊道上实心焊丝熔化重量的比值，利用具有表面活性剂的复合粉粒易发射电子的优点，诱导电弧优化熔化该复合粉粒，使其熔体和实心焊丝熔滴熔合为一体化熔池；该熔池经冷却凝固形成以初生三碳化七金属元素(m7c3)为主耐磨相的组织结构的高铬合金。

实施例1：

称量之前，先将所有粉末组分均过60目筛。按混合粉末的组成配比要求称取高碳铬铁、钒铁、钛铁、鳞片石墨和还原铁粉等粉末组分。该混合粉末组成(重量百分比)为：高碳铬铁(fecr70c8.0)80％、钒铁(fev50-a)10％、钛铁(feti30a)2％、鳞片石墨(c)7％、还原铁粉(fe)1％。将称量后的各粉末放入同一容器内，充分搅拌使之均匀混合，形成混合粉末。

接着，向上述混合粉末中，以每次5ml的添加量，掺杂入波美度35、模数3.0的硅酸钠型水玻璃，直至每100g该混合粉末水玻璃最终添加20ml容积量的硅酸钠型水玻璃。在此期间，不停搅拌，并使该混合粉体转动以造粒，静置1小时以定型，获得近似球形的湿复合粉粒。

继续，将该湿复合粉粒摊开，使其堆积高度小于10mm；再将300目的超细化氟化钠/naf粉均匀喷撒在粉粒表面，喷撒氟化钠粉重量与所述湿复合粉粒中所含混合粉末重量的比值为1.0g氟化钠/100g混合粉末，并轻度翻动以使之表面均匀粘附上一层表面活性剂，形成双层复合粉粒；

继续，将该双层复合粉粒放入烧结炉中升温至350℃，保温2.5小时，随炉冷却至室温出炉。然后，该烧结好的双层复合粉粒先过10目筛，去除大于10目的大颗粒；再过30目筛，去除小于30目的小颗粒，最终获得粒度10～30目的双层复合粉粒。

最后，在长度160mm×宽度75mm×厚度16mm的q235a钢板上，预置该复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，使之使单位长度焊道上双层复合粉粒预置重量与该段焊道上直径φ2.5的h08a实心焊丝熔化重量的比值为0.80～0.85。

堆焊之前，将自动焊机zd5-1000e的极性设置为直流反接，堆焊工艺参数如表1所示，所用焊剂为熔炼焊剂hj260。

以烧结过筛后的双层复合粉粒和h08a实心焊丝作为堆焊材料，进行埋弧焊，使双层复合粉粒熔体和实心焊丝熔滴熔合为一体化熔池。熔池冷却凝固形成第一层焊缝，空冷至焊缝表面熔渣自动脱落。然后，以同样的方式分别堆焊第二层和第三层。焊后，焊缝无裂纹和气孔等缺陷。

表1复合粉粒和实心焊丝埋弧堆焊工艺参数

将堆焊试样用线切割方法加工制备为57mm×25.5mm×6mm耐磨性试样，并用hr-150洛氏硬度计测试其表面宏观硬度。

耐磨性试验采用mls-225b型湿砂橡胶轮式磨损试验机，试验条件如下：橡胶轮直径176mm、硬度为60邵尔，所加砝码重2.5千克，橡胶轮转速240转/分钟，砂浆比例为40～60目1500克石英砂配1000克自来水。试样先预磨1000转，冲洗干净，吹干，称初重m0，然后正式试验1000转后清洗吹干，称重m1，试样磨损绝对失重量δm＝m0-m1。

以下面对比例1所述的1#堆焊试样作为标准试样，相对磨损系数ε＝标准试样绝对失重量/试样绝对失重量，试验结果见表2。

本实施例1的高铬合金表层的组织形态、相组成及其与q235界面处的组织分别如图1、图2和图3所示，该高铬合金的磨损形貌如图7所示。

实施例2：

称量之前，先将所有粉末组分均过60目筛。按混合粉末的组成配比要求称取高碳铬铁、钒铁、钛铁、鳞片石墨和还原铁粉等粉末组分。该混合粉末组成(重量百分比)为：高碳铬铁(fecr70c8.0)75％、钒铁(fev50-a)12％、钛铁(feti30a)4％、鳞片石墨(c)8％、还原铁粉(fe)1％。将称量后的各粉末放入同一容器内，充分搅拌使之均匀混合，形成混合粉末。

接着，向上述混合粉末中，以每次5ml的添加量，掺杂入波美度40、模数3.3的硅酸钠型水玻璃，直至每100g该混合粉末水玻璃最终添加15ml容积量的硅酸钠型水玻璃。在此期间，不停搅拌，并使该混合粉体转动以造粒，静置1.5小时以定型，获得近似球形的湿复合粉粒。

继续，将该湿复合粉粒摊开，使其堆积高度小于10mm；再将300目的超细化氟化钠粉(naf)均匀喷撒在粉粒表面，并使氟化钠粉重量与所述湿复合粉粒中所含混合粉末重量的比值为0.8g氟化钠/100g混合粉末，并轻度翻动以使之表面均匀粘附上一层表面活性剂，形成双层复合粉粒；

继续，将该双层复合粉粒放入烧结炉中升温至320℃，保温3小时，随炉冷却至室温出炉。然后，该烧结好的双层复合粉粒先过10目筛，去除大于10目的大颗粒；再过30目筛，去除小于30目的小颗粒，最终获得粒度为10～30目的双层复合粉粒。

最后，在长度160mm×宽度75mm×厚度16mm的q235a钢板上，预置该复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，使之使单位长度焊道上双层复合粉粒预置重量与该段焊道上直径φ3.0的h08a实心焊丝熔化重量的比值为0.82～0.87。

其余步骤和耐磨性试验内容与实施例1相同。

实施例3：

称量之前，先将所有粉末组分均过60目筛。按上述混合粉末的组成配比要求称取高碳铬铁、钒铁、钛铁、鳞片石墨和还原铁粉等粉末组分。该混合粉末组成(重量百分比)为：高碳铬铁78％(fecr70c8.0)、钒铁(fev50-a)9％、钛铁(feti30a)4％、鳞片石墨(c)7％、还原铁粉(fe)2％。将称量后的各粉末放入同一容器内，充分搅拌使之均匀混合，形成混合粉末。

接着，向上述混合粉末中，以每次5ml的添加量，掺杂入波美度30、模数3.2的硅酸钠型水玻璃，直至每100g该混合粉末水玻璃最终添加25ml容积量的硅酸钠型水玻璃。在此期间，不停搅拌，并使该混合粉体转动以造粒，静置1.2小时以定型，获得近似球形的湿复合粉粒。

继续，将该湿复合粉粒摊开，使其堆积高度小于10mm；再将300目的超细化氟化钠粉(naf)均匀喷撒在粉粒表面，并使氟化钠粉重量与所述湿复合粉粒所含混合粉末重量的比值为1.5g氟化钠/100g混合粉末，并轻度翻动以使之表面均匀粘附上一层表面活性剂，形成双层复合粉粒；

继续，将该双层复合粉粒放入烧结炉中升温至380℃，保温4小时，随炉冷却至室温出炉。然后，该烧结好的双层复合粉粒先过10目筛，去除大于10目的大颗粒；再过30目筛，去除小于30目的小颗粒，最终获得粒度为10～30目的双层复合粉粒。

最后，在长度160mm×宽度75mm×厚度16mm的q235a钢板上，预置该复合粉粒，调整预置粉粒层高度和宽度，使之使单位长度焊道上双层复合粉粒预置重量与该段焊道上直径φ2.5的h08a实心焊丝熔化重量的比值为0.85～0.90。

其余步骤和耐磨性试验内容与实施例1相同。

对比例1：

按照实施例1的混合粉末组成(重量百分比)为：高碳铬铁(fecr70c8.0)80％、钒铁(fev50-a)10％、钛铁(feti30a)2％、鳞片石墨(c)7％、还原铁粉1(fe)％，称量上述粉末组分，然后上述所有粉末组分放入同一容器，充分搅拌使之均匀混合。接着，将其预置于焊道上，调整混合粉末高度和宽度，使之单位长度上该混合粉末重量与该段焊道上直径φ2.5mmh08a实心焊丝熔化重量的比值为0.80～0.85，并使每次堆焊工艺参数基本保持不变。

对比例1所用自动焊机zd5-1000e的堆焊工艺参数、极性设置和堆焊过程均同实施例1。耐磨性试验内容同实施例1。

对比例1所示埋弧堆焊高铬合金的组织形态、相组成及该高铬合金与q235基体界面处的组织形态分别如图4、图5和图6所示，对比例1所制备高铬合金的磨损形貌如图8所示，以对比例1所制备的高铬合金作为1#对比试样。

从表2可以看出，本发明方法所制备高铬合金的相对磨损系数ε是预置相同混合粉末所制备高铬合金的1.48～1.63倍，并明显低于市售高铬铸铁药芯焊丝在同一磨损试验条件下平均0.05～0.06g磨损失重，这说明本发明方法所制备的高铬合金具有良好的耐磨性，完全满足实用要求。

表2对比例和实施例所制备高铬合金的耐磨粒磨损性能

通过图1和图2可知，本发明以双层复合粉粒和h08a实心焊丝作为焊材而埋弧堆焊的高铬合金的组织由初生m7c3相、α-fe(铁素体)、(fe,cr)3c、极少量(ti,v)2c和奥氏体组成，其中m包括fe，cr，v等金属元素。

此外，由图3可知，本发明方法所制备的高铬合金与q235a界面处的组织包含大量的初生(fe,cr)7c3相，这与药芯焊丝或者药皮焊条堆焊高铬合金受母材成分稀释的突出影响而形成亚共晶组织的情况明显不同，说明本发明方法显著降低了堆焊基体的成分稀释效应，因而本发明方法所制备的高铬合金具有更好的成分均匀性和组织均衡性。

相反，对比例1在焊道上所预置的混合粉末组成与实施例1完全相同，仅未制备成双层复合粉粒，其他堆焊工艺完全相同。由图4和图5可知，对比例1所制备的高铬合金组织包括m7c3、α-fe(铁素体)、(fe,cr)3c、极少量(ti,v)2c和奥氏体等相，其中m包括fe，cr，v等金属元素。但对比例1所制备合金的m7c3尺寸较小，与图1所示初生(fe,cr)7c3相的尺寸相差过大，这充分说明本发明所制备的双层复合粉粒显著改变了高铬合金的组织形态。

不仅如此，图6显示，该对比例1所制备的高铬合金与q235a界面处的组织与实施例1的明显不同，为典型的亚共晶组织，主要由胞状的α-fe(铁素体)或者奥氏体、沿晶m7c3相和(fe,cr)3c等碳化物以及少量的(ti,v)2c相组成，其受母材q235a成分稀释的特征非常明显。此外，对比例1所制备的高铬合金，除了表层因为冷却快而呈现不明显的过共晶或者共晶组织特征，堆焊合金中间层和界面处均为亚共晶组织。这进一步说明对比例1所制备的高铬合金受母材成分稀释的影响特别明显，难以获得成分和组织均衡的高铬合金层。

对比图7和图8所示两种高铬合金的磨损形貌可知，在相同磨损试验条件下，本发明方法所制备的高铬合金磨损表面划痕数量较少，且不少划痕遇到块体相而改变方向或者中止，其磨损机制主要为磨粒的微观切削；而对比例1所示预置相同粉末组分的1#高铬合金磨损表面划痕较多，且划痕连贯，未见中止现象，其磨损机制也是磨粒的微观切削。以上结果表明，本发明制备的高铬合金具有良好的耐磨性和较高韧性，可用于磨粒磨损工况下零部件埋弧堆焊耐磨层。