一种耐热耐磨堆焊用金属陶瓷药芯焊丝的制作方法

本发明属于焊接材料领域，尤其涉及一种耐磨耐热堆焊用金属陶瓷药芯焊丝，适用于热作模具的堆焊。

背景技术：

mo2feb2三元硼化物基金属陶瓷具有高熔点、高硬度、优异的高温稳定性和耐腐蚀性能，广泛应用于汽车、能源、装备制造等领域。此外，mo2feb2基金属陶瓷的主要制备原料为mo、fe、feb等低价粉末，制备成本远低于硬质合金，并且不需要使用w、co等战略物资，与ti(c，n)基金属陶瓷相比成本也较低。目前mo2feb2基金属陶瓷己在机械加工、模具制造及石油化工方面获得应用。目前应用反应硼化烧结法可以制备出高致密度mo2feb2基金属陶瓷，且可避免形成脆性相。

20世纪80年代，日本株式会社研究出了新型的反应硼化烧结法，并成功地制备了mo2feb2、mo2nib2、wcob等多种三元硼化物金属基陶瓷，其原理是在烧结过程中，二元硼化物易和基体反应生成三元硼化物陶瓷硬质相。

曾鲜2013年采用真空反应烧结技术制备了mo2feb2基硬质合金，实验表明提高烧结温度或者延长保温时间，均会导致mo2feb2的形貌由从球状变成长条状，并使其抗弯强度降低(见曾鲜，郭志猛等.mo2feb2基新型硬质合金的制备[j].粉末冶金工业，2013(23)：32-36)。

王秋红等研究了真空、氩气和氮气等不同烧结气氛对mo2feb2金属基陶瓷组织及性能的影响。结果表明在氩气气氛中，硬质相在液相中的浸润性较差，导致其力学性能降低；在氮气及高温条件下，fe和n2反应形成fe3n，最终没有得到理想的烧结体；但真空气氛中，金属基陶瓷的组织及性能均比较理想(见王秋红，郑勇，余海洲.烧结气氛对mo2feb2基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响[j].硬质合金，2010(27)：28l-286)。

mo2feb2三元硼化物金属基陶瓷材料、粉末冶金材料及部分的覆层材料的制备基本都是采用烧结工艺。由于昂贵的烧结设备及复杂的真空烧结工艺，增加了三元硼化物材料的制备成本，其应用受到限制。堆焊易实现制备工艺的自动化，操作简单，使用灵活，尤其适于制备复杂形状零件表面、大型零件表面的三元硼化物覆层，使其应用前景更加广阔。堆焊由于温度高、冶金反应时间短，其三元硼化物mo2feb2的形成机制与烧结的有显著差异，在焊接材料设计方面有较大难度，目前堆焊焊接材料的研究不多。

周小平等人利用反应热喷涂技术在钢的表面制备mo2feb2陶瓷涂层，其结果表明三元硼化物涂层有优良的耐磨性及抗热裂性能，熔覆层的显微硬度可达1200hv(见x.p.zhou，x.b.u，y.s.xu.themicrostructureandpropertiesofcoatingfrommo2feb2cermetonsurfaceofh13steelbyreactivef1amespraying[j].advancedmaterialsresearch，2010(97-101)：1321-1327)。

金亚旭等利用放电等离子烧结技术在钢基体表面制取mo2feb2三元硼化物覆层，表明在1050℃并保温5min的条件下，可以得到相对密度为99.2％的陶瓷覆层，显微硬度可达1400hv，耐磨性约是钢基体的2.5倍(见金亚旭，田玉明，周兴华.放电等离子烧结法制备三元硼化物基耐磨覆层材料的研究[j].热加工工艺，2010，39(12)：83-86)。

屈彦杰等首先利用真空反应烧法制备mo2feb2颗粒，然后利用感应熔覆方法在钢的表面成功获得以mo2feb2为强化相的涂层，结果表明涂层的组织分布均匀，气孔较少，洛氏硬度约为65.5hrc，且比yg8硬质合金具有更好的耐磨性(见屈彦杰，郭志猛等.应熔覆mo2feb2/fe耐磨涂层的组织与性能研究[j].粉末冶金工业，2013，23(4)：27-32)。

刘辉等利用氩弧熔敷技术，在铁基体上原位反应生成了不同mo/b比的熔敷层。结果表明熔敷层主要是由mo2feb2和m3b2硬质相及fe、mo、cr等合金组成的固溶体，其显微硬度在1000-1200hv之间，可以有效的提高基体的耐磨性(见刘辉，刘宗德等.氩弧原位合成mo2feb2熔覆层的研究[c].华北电力大学第五届研究生学术交流年会论文集，2007：71-75)。

专利cn108971799a公开了一种等离子弧堆焊用金属陶瓷合金粉末，以mofeb三元硼化物为主要硬质相、以马氏体为基体、耐磨耐的热等离子弧堆焊用金属陶瓷合金粉末。通过向铁基药粉中加入纳米碳化钛粉末和氧化钇粉末，使mofeb三元硼化物硬质相弥散分布，并降低堆焊杂质含量，满足堆焊金属的技术要求，适于热作模具堆焊。但目前以三元硼化物mo2feb2为强化相的铁基堆焊用焊接材料的硬度及耐磨损性能仍有待进一步提升。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种耐热耐磨堆焊用金属陶瓷药芯焊丝，通过向以三元硼化物mo2feb2为强化相的铁基堆焊材料中加入复合增强材料，有效提高了堆焊金属的硬度及耐磨损性能。

为了实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

一种耐磨耐热金属陶瓷药芯焊丝，包括焊丝管壁和被包于其内的药粉；所述药粉以质量百分比计如下：20～38％硼粉，35-45％钼粉，2～5％金属铬，1～2％金属镍，0.5～1.2％石墨，0.3～3％钒铁，2～4％复合陶瓷增强材料，0.5-1.0％氧化铈，1.0-2.0％纳米碳化钛，余为铁粉；

其中，复合增强材料为氧化锆、碳化铝的混合物，二者的质量比为3～5：1，采用球磨法制备。本申请研究发现：经球磨的氧化锆、碳化铝的混合物在mo2feb2三元硼化物硬质相形成的过程中，碳化铝与氧化锆颗粒会熔化、聚集在一起，并在生成的陶瓷相中成弥散分布，从而有效提高堆焊金属的硬度及耐磨损性能。

在一些实施例中，所述球磨的条件为：采用干磨工艺，磨球为二氧化锆(与被磨材料同质，避免杂质混入)，球料比为8:1～10:1，球磨时间为1～3小时，转速为600-800转/分钟。控制球料比、球磨时间和转速，使球磨后材料的粒度为1-2μm。

在一些实施例中，上述药粉以质量百分比计如下：20～29％硼粉，35-40％钼粉，2～3.5％金属铬，1～1.5％金属镍，0.5～0.9％石墨，0.3～1.8％钒铁，2～3％复合陶瓷增强材料，0.5-0.75％氧化铈，1.0-1.5％纳米碳化钛，余为铁粉。

在一些实施例中，上述药粉以质量百分比计如下：29～38％硼粉，40-45％钼粉，3.5～5％金属铬，1.5～2％金属镍，0.9～1.2％石墨，1.8～3％钒铁，3～4％氮化钛，0.75-1.0％氧化铈，1.5-2.0％纳米碳化钛，余为铁粉。上述堆焊用药芯焊丝中，所述药芯焊丝的管壁优选304不锈钢钢带制备。

优选的实施方式是：所述药芯焊丝的管壁选厚度为0.3～0.5mm，宽度为14～16mm的304钢带制备；其化学成分以质量百分比计优选：cr为17.5％-19.5％、ni为8.0％-10.5％、c不大于0.07％、si不大于0.75％、mn不大于2.0％、s不大于0.030％、p不大于0.045％、n不大于0.10％、余为fe和不影响性能的杂质。

上述的堆焊用药芯焊丝的填充率为30％～55％(填充率为药粉质量与药粉、钢带质量之和的比值)，因填充药粉量有限，因此药粉原材料选用纯度高的金属粉末，不用铁合金，如选用硼粉，而不用硼铁；采用合金钢带304过渡cr、ni，减少了药粉中cr、ni加入量，相对提高了其他粉末的加入量；药芯焊丝采用富氩气体保护，氧化性较小，无需采用硅锰联合脱氧，没有必要添加锰、硅。

所述硼粉的成分以质量百分比计b不小于95％；钼粉的成分以质量百分比计mo含量不小于99.8％；金属铬的成分以质量百分比计cr含量不小于98％；金属镍粉的成分以质量百分比计ni含量不小于98％；石墨的成分以质量百分比计是94％～99％c；钒铁的成分以质量百分比计是75％-85％v，c不超过0.06％，si不超过2％，al不超过1.5％，余为fe和不影响性能的杂质；氧化锆的成分以质量百分比计，zro2含量不小于99％；碳化铝的成分以质量百分比计，al4c3含量不小于99％；铁粉为雾化铁粉，以质量百分比计fe含量不小于99.9％；氧化铈的成分以质量百分比计，ceo2含量不小于99.9％；纳米碳化钛的成分以质量百分比计tic含量不小于99.9％。就本发明的堆焊合金粉末而言，优选所述硼粉，钼粉，金属铬，金属镍，石墨，钒铁，氧化锆、碳化铝，雾化铁粉的粒径均为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。纳米碳化钛的平均粒径为40纳米。氧化铈的粒径为80～120微米。

本发明耐热耐磨堆焊用金属陶瓷药芯焊丝的制备方法包括以下步骤：

(1)配粉将氧化锆、碳化铝按药粉配方称量干法球磨得到复合陶瓷增强材料。

按药粉配方的配比称量药粉，将硼粉，钼粉，金属铬，金属镍，石墨，钒铁，氧化铈，纳米碳化钛，铁粉等，按配方比例称量，并将球磨后的复合陶瓷增强材料加入后混粉8-10分钟，获得药粉。

其中：所述药粉配方以质量百分比计如下：20～38％硼粉，35-45％钼粉，2～5％金属铬，1～2％金属镍，0.5～1.2％石墨，0.3～3％钒铁，2～4％复合陶瓷增强材料，0.5-1.0％氧化铈，1.0-2.0％纳米碳化钛，余为铁粉；其中，复合增强材料为氧化锆、碳化铝的混合物，二者的质量比为3～5：1。纳米碳化钛粉的平均粒径为40纳米，其他粉末的粒径为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)；

(2)将14～16毫米宽、0.3～0.5毫米厚304不锈钢钢带用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述钢带轧制成u形，再向u形糟中加入步骤(1)制成的药粉，填充率(药粉质量与药芯焊丝质量的比值)为30～55％；

(3)将u形槽合口，使药粉包裹其中，合口部位采用搭接连接方式(搭接部分的宽度为1-2mm，由现有药芯焊丝生产设备的成型辊保证)；通过拉丝摸，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.4mm～4.0mm。

(4)将步骤(3)所得的药芯焊丝层绕成盘，即得耐热耐磨堆焊用金属陶瓷药芯焊丝成品。

本申请的耐磨耐热堆焊用药芯焊丝的焊接工艺，推荐采用富氩气体保护焊mag工艺，具体焊接工艺与之前研究的相同，为：焊接电流300a-450a；电压28v-42v；气体流量18l/min-23l/min；焊丝干伸长度14mm-28mm。焊丝的焊接工艺性能好，电弧稳定、飞溅小、抗裂性好。堆焊金属的硬度为hrc61-68。

本发明所具有的显著效果是：

(1)本发明药芯焊丝具有良好的工艺性能，适于自动焊，焊接生产效率高。

(2)熔敷金属的成分可以通过改变药芯焊丝药粉的成分调整，可以制造出系列产品用于不同的热作模具钢，应用范围广。

(3)本发明药芯焊丝优化了mo、b、cr、ni、纳米碳化钛含量，使堆焊金属具有良好的高温抗氧化性能和高温硬度，韧性、抗裂性能、抗疲劳性能优良，显著提高了热作模具的使用寿命。

(4)本发明药芯焊丝通过在药粉中加入复合增强材料有效提升了以三元硼化物mo2feb2为强化相的铁基堆焊材料的硬度及耐磨损性能。

(5)本发明通过钢带和药粉原材料的优选(如选用纯金属，少用铁合金)和加入稀土氧化铈，降低了堆焊金属中的夹杂物含量，使夹杂物球化，细化晶粒，提高了堆焊金属的韧性、塑性和抗疲劳性能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是实施例1熔敷金属扫描电镜组织照片；

图2是对比例1熔敷金属扫描电镜组织照片。

由此可见，本申请的复合增强材料改性后的mo2feb2硬质相(黑色)细化，分布均匀。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

以下实施例中，复合陶瓷增强材料的制备方法为：以氧化锆、碳化铝为原料，采用干法球磨工艺，磨球为二氧化锆，球料比为8:1～10:1，球磨时间为1～3小时，转速为600-800转/分钟。使球磨后的复合陶瓷增强材料的粒度为1-2μm。

实施例1：

(1)配粉药粉配方以质量百分比计为20％硼粉，32％钼粉，4％金属铬，1.0％金属镍，1.0％石墨，3％钒铁，1.5％复合陶瓷增强材料(氧化锆、碳化铝的质量比为3：1，干法球磨至粒度1-2μm)，1.0％氧化铈，1.0％纳米碳化钛，余为铁粉。纳米碳化钛粉的平均粒径为40纳米，其他粉末的粒径为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。按配方比例称量后混粉10分钟，获得药粉；

(2)将14mm宽、0.3mm厚304不锈钢钢带用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述钢带轧制成u形，再向u形糟中加入步骤(1)制成的药粉，填充率(药粉质量与药芯焊丝质量的比值)为35％；

(3)将u形槽合口，使药粉包裹其中，合口部位采用搭接连接方式；通过拉丝摸，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.4mm。

(4)将步骤(3)所得的药芯焊丝层绕成盘，即得堆焊用药芯焊丝成品。

上述堆焊用药芯焊丝采用富氩气体ar+1％co2保护的熔化极气体保护焊堆焊，焊接电流300a；电压28v；气体流量18l/min；焊丝伸出长度14mm。焊丝的焊接工艺性能好，电弧稳定、飞溅小、抗裂性好。堆焊金属的硬度为hrc61，u型缺口冲击韧性的测试值为2.13j/cm²，在厚度为80mm的5crnimo模具钢表面堆焊，预热50℃即可不出现裂纹。

实施例2：

(1)配粉药粉配方以质量百分比计为38％硼粉，48％钼粉，2％金属铬，1.0％石墨，0.5％钒铁，2％复合陶瓷增强材料(氧化锆、碳化铝的质量比为4：1，干法球磨至粒度1-2μm)，1.5％氧化铈，2.0％纳米碳化钛，余为铁粉。纳米碳化钛粉的平均粒径为40纳米，其他粉末的粒径为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。按配方比例称量后混粉8分钟，获得药粉；

(2)将16mm宽、0.3mm厚spcc钢带用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述钢带轧制成u形，再向u形糟中加入步骤(1)制成的药粉，填充率(药粉质量与药芯焊丝质量的比值)为55％；

(3)将u形槽合口，使药粉包裹其中，合口部位采用搭接连接方式；通过拉丝摸，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到4.0mm。

(4)将步骤(3)所得的药芯焊丝层绕成盘，即得堆焊用药芯焊丝成品。

上述堆焊用药芯焊丝采用ar+1.5％co2富氩气体保护焊堆焊，焊接电流450a；电压42v；气体流速23l/min；焊丝伸出长度28mm。焊丝的焊接工艺性能好，电弧稳定、飞溅小、抗裂性好。堆焊金属的硬度为hrc68。

实施例3：

(1)配粉药粉配方以质量百分比计为32％硼粉，45％钼粉，1.0％石墨，5％钒铁，4％复合陶瓷增强材料(氧化锆、碳化铝的质量比为5：1，干法球磨至粒度1-2μm)，2.0％氧化铈，2.0％纳米碳化钛，余为铁粉。纳米碳化钛粉的平均粒径为40纳米，其他粉末的粒径为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。按配方比例称量后混粉9分钟，获得药粉；

(2)将16mm宽、0.5mm厚304不锈钢带用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述钢带轧制成u形，再向u形糟中加入步骤(1)制成的药粉，填充率(药粉质量与药芯焊丝质量的比值)为40％；

(3)将u形槽合口，使药粉包裹其中，合口部位采用搭接连接方式；通过拉丝摸，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到3.2mm。

(4)将步骤(3)所得的药芯焊丝层绕成盘，即得堆焊用药芯焊丝成品。

上述热作模具堆焊用药芯焊丝采用ar+1％co2富氩气体保护焊堆焊，焊接电流390a；电压38v；气体流速20l/min；焊丝伸出长度20mm。焊丝的焊接工艺性能好，电弧稳定、飞溅小、抗裂性好。堆焊金属的硬度为hrc64。

对比例1

(1)配粉药粉配方以质量百分比计为20％硼铁，32％钼粉，4％金属铬，1.0％金属镍，1.0％石墨，3％钒铁，1.0％氧化铈，1.0％纳米碳化钛，余为铁粉。纳米碳化钛粉的平均粒径为40纳米，其他粉末的粒度为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。按配方比例称量后混粉10分钟，获得药粉；

(2)将14mm宽、0.3mm厚304不锈钢钢带用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述钢带轧制成u形，再向u形糟中加入步骤(1)制成的药粉，填充率(药粉质量与药芯焊丝质量的比值)为35％；

(3)将u形槽合口，使药粉包裹其中，合口部位采用搭接连接方式；通过拉丝摸，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.4mm。

(4)将步骤(3)所得的药芯焊丝层绕成盘，即得堆焊用药芯焊丝成品。上述堆焊用药芯焊丝采用富氩气体ar+1％co2保护的熔化极气体保护焊堆焊，焊接电流300a；电压28v；气体流量18l/min；焊丝伸出长度14mm。堆焊金属的硬度为hrc53。u型缺口冲击韧性的测试值为1.57j/cm²，在厚度为80mm的5crnimo模具钢表面堆焊，预热210℃才能不出现裂纹。

与实施例1对比可知，在mo2feb2三元硼化物加入氧化锆和碳化铝组成的复合陶瓷增强材料，可以有效地提升硬质相的硬度、韧性，以及抗裂性能。

对比例2

(1)配粉药粉配方以质量百分比计为20％硼铁，32％钼粉，4％金属铬，1.0％金属镍，1.0％石墨，3％钒铁，1.5％氧化锆(粒度1-2μm)，1.0％氧化铈，1.0％纳米碳化钛，余为铁粉。纳米碳化钛粉的平均粒径为40纳米，其他粉末的粒度为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。按配方比例称量后混粉10分钟，获得药粉；

(2)将14mm宽、0.3mm厚304不锈钢钢带用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述钢带轧制成u形，再向u形糟中加入步骤(1)制成的药粉，填充率(药粉质量与药芯焊丝质量的比值)为35％；

(3)将u形槽合口，使药粉包裹其中，合口部位采用搭接连接方式；通过拉丝摸，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.4mm。

(4)将步骤(3)所得的药芯焊丝层绕成盘，即得堆焊用药芯焊丝成品。

上述堆焊用药芯焊丝采用富氩气体ar+1％co2保护的熔化极气体保护焊堆焊，焊接电流300a；电压28v；气体流量18l/min；焊丝伸出长度14mm。焊丝的焊接工艺性能好，电弧稳定、飞溅小、抗裂性好。堆焊金属的硬度为hrc58。

与实施例1相比可知，氧化锆和碳化铝组成的复合陶瓷增强材料较单一的氧化锆对mo2feb2三元硼化物的硬度和耐磨性的增强效果更好。

对比例3

(1)配粉药粉配方以质量百分比计为20％硼铁，32％钼粉，4％金属铬，1.0％金属镍，1.0％石墨，3％钒铁，1.5％碳化铝(粒度1-2μm)，1.0％氧化铈，1.0％纳米碳化钛，余为铁粉。纳米碳化钛粉的平均粒径为40纳米，其他粉末的粒度为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。按配方比例称量后混粉10分钟，获得药粉；

(2)将14mm宽、0.3mm厚304不锈钢钢带用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述钢带轧制成u形，再向u形糟中加入步骤(1)制成的药粉，填充率(药粉质量与药芯焊丝质量的比值)为35％；

(3)将u形槽合口，使药粉包裹其中，合口部位采用搭接连接方式；通过拉丝摸，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.4mm。

(4)将步骤(3)所得的药芯焊丝层绕成盘，即得堆焊用药芯焊丝成品。

上述堆焊用药芯焊丝采用富氩气体ar+1％co2保护的熔化极气体保护焊堆焊，焊接电流300a；电压28v；气体流量18l/min；焊丝伸出长度14mm。焊丝的焊接工艺性能好，电弧稳定、飞溅小、抗裂性好。堆焊金属的硬度为hrc55。

与实施例1相比可知，氧化锆和碳化铝组成的复合陶瓷增强材料较单一的碳化铝对mo2feb2三元硼化物的硬度和耐磨性的增强效果更好，二者在增强mo2feb2三元硼化物的硬度和耐磨性上起到协同增效的作用。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。