专利名称：耐磨涂覆层的焊接方法和用于其中的耐磨材料的制作方法
该发明涉及一种在基体金属表面上形成耐磨涂复层的焊接方法和用于其中的耐磨材料。
大量的耐磨材料迄今已被使用在不同的地方，如破碎机的内衬、泥浆泵的衬、高炉的溜槽衬、小钟等。
通过加入一定的增加硬度的添加剂而生产出来的那些耐磨材料，象高碳、高铬等，或利用淬火性能加工获得较高含量的合金也被生产出来作为耐磨材料，如高锰多和钨铬钴(硬质)合金。然而，在多数情况下，产品的各个部分不都是需要耐磨的，这些材料的耐磨性在许多场合仅仅用于产品的某个特殊部位或某些部位上。因此，仅在因暴露面被磨损或擦伤的表面需要的部分涂复一些耐磨材料的技术已被作为一个重要的课题而广泛地应用了。
到目前为止，关于用这种涂复方法形成硬质层的几个试验已被提出，那些针对最高耐磨性的试验之一，已披露在日本公开专利文献NO.2-6097上。在该文献上公开的建议是采用一种结构即包含的各粒级陶瓷颗粒占涂复层重量的30-80%，陶瓷颗粒的粒径小于200μm，粒径0.5mm-3.0mm的烧结硬质合金球各粒级占重量的10-60%，二者均匀地混合在金属母体内。在这种情况下，重要的条件是上述作为弥散相颗粒混合到母体的陶瓷颗粒是象SiC、WC、TiC等颗粒，它们的基本条件是非常硬和高耐热性，对于进行粉末等离子焊接有满意的热稳定性。同时，上述烧结硬质合金球由碳化钨(WC或WC2)颗粒组成，CO、W、Ti等被作为粘结金属。
因为对母体金属来说，Ni基或CO基合金，高合金网包括相当多的Ni-Cr，使用这类东西的着眼点是它们的强度，耐磨性以及陶瓷颗粒和烧结硬质合金球间的适应性。
在标准的涂复过程中，金属粉末和陶瓷粉末放入由粉末等离子枪产生的等离子弧中，由此在被预热到近600℃的基体金属上形成一个熔池，然后烧结硬质合金球被分配到熔池中，混合和弥散在其中。有报告说上述方法处理的例子显示出耐磨性在同样的磨损试验条件下比高速钢板上升了13倍。
就在使用焊接方法形成表面耐磨堆焊层上的耐磨材料而言，上述先有技术可以说是最先进的技术之一。然而，一个致命的缺点是该技术的应用条件是非常有限的，况且该先有技术应用到产品的特定部分有许多其他的限制。相应地，该先有技术即不能普遍应用也不能广泛推广。
更明确的是，首先，由于占重量30-80%的陶瓷颗粒需要混合和弥散到金属母体中，涂复过程被认为是限制在粉末等离子焊接过程而不是标准涂复过程。粉末等离子焊接过程的焊接设备是非常昂贵的，实际上投入安装使用的很少，因此，这种先有方法不能说已经变得很普遍和大众化了。另一方面，在实际应用中耐磨材料上的涂复过程是适用于不同地方的，而采用耐磨材料的许多设备实际被安装在公共运输相当困难的地区，由于涂复耐磨材料的最大特点之一在于当完成在工作点得到一个检修表面的操作后，允许在耐磨表面上多次进行进一步重复修复，上述不能得到广泛和便利应用的先有焊接方法在实际应用中实际上可能是无用的或极其困难的。
第二，在上述先有技术中，报告说基体金属需要预热到600℃，如果预热这么高的温度是必须的，在实际应用中可能带来极大的困难。再者，耐磨材料被广泛地应用在许多机器和设备里，而且混合的陶瓷颗粒占基体容积的30-80%，材料的费用将大大提高。而且，母体的组成大部分是昂贵的金属，象Ni基金属或CO基金属，这将促使材料的费用更进一步的增长。
在设备中应用的耐磨材料一般是较大面积的，如球磨机的机衬，挖泥船的泥浆泵衬等，象这些因暴露而擦伤或磨损的工作表面是较大的。在其中使用的材料的相应费用将被限制在能合理地抵消由于取得技术进步(如改进耐磨性能)而节约的费用的范围之内。
另一个存在的问题是虽然有许多材料被叫作耐磨材料，实际上的磨损情况非常不同，因此，针对不同的耐磨情况准确地提供最合适的材料必须进行充分的考虑。
一般认为，耐磨性能是和表面的硬度成正比的，但硬度越高，脆性越大也是一般规律。因此，在实际操作条件和上述两种性能的平衡方面没有足够的考虑，使用最合适的材料是不可能的。一般认为，在破碎机、碰撞式破碎机锤式破碎机等场合，磨损表面受到冲击和碰撞载荷。这些表面不仅需要耐磨性而且要耐一定程度的冲击韧性。在非冲击的擦伤场合，如擦伤磨损，有关表面需要高硬度，而不是需要韧性，以达到其目的。
本发明是为了解决上面讨论的问题和提供一个耐磨涂复层的焊接方法及用于其中的耐磨材料为目的的，甚至许多小型或中型工厂和在机器或设备被固定的地方均可应用。如果需要，不仅能够提供优质的耐磨性能，而且在相应的耐磨条件下，能够便利和经济的提供最合适的耐磨表面。
为完成上述目的，按照该发明的耐磨涂复层焊接方法包括以下步骤在非酸性保护气氛下，为涂复而放置一根焊丝在铁基金属上形成一个合适组成的母体;以固定的速度加入粒径0.5-3.0mm的烧结硬质合金颗粒到该母体的熔池中。该烧结硬质合金颗粒弥散到该母体中形成一个复合的结构，该烧结硬质合金占该涂复层重量的30-70%。
关于用这种焊接方法获得的耐磨材料，发明者已做了如下的改进一个在基体上具有高韧性的材料是由颗粒粒径在0.5-3.0mm，占在铁基金属上沉积的涂复层重量的30-70%的烧结硬质合金组成;一种包含部分合金成分的钢材包围着该烧结合金颗粒;在基体上一种对擦伤磨损特别适合的材料是由粒径为0.5-3.0mm，占沉积在铁基金属上涂复层重量的30-70%的烧结硬质合金颗粒组成;主要包含针状的细小金属碳化物的铸铁材料和该烧结硬质合金颗粒连在一起，碳化物包括3-7%的碳。
在非氧化气氛下，按这种发明进行焊接加工所使用的焊机是由从焊炬顶部产生的电弧在基体金属上形成沉积区域，焊炬用中性(或还原性)气体等保护，这是通常所说的熔化极惰性气体保护焊焊接机(在下文中提到的MIG焊接机)。二氧化碳气体、氩气或者两者的混合气体通常被作为保护气体。关于形成沉积区域的母体的焊丝，则在一定速度下提供一实心焊丝或药性(复合药芯的丝)。
上述类型的焊机已广泛地应用在许多工厂。通过采用特殊性能的焊丝可允许自由选用任意的基体。因此，这种焊机的有效性和实用性很高，如果需要，甚至可在山区听采石场现场进行重复装配。这种焊机最大的优点是根本不需要预热，是与众不同的先进焊机。
母体材料可以在很大范围内选择，以充分满足对使用耐磨材料的需要。
例如象冲击式破碎机的内衬之类的耐磨材料，它的初表面承受冲击破碎力，使岩石或石头碰撞而破碎。冲击式破碎机的衬表面不仅要耐磨而且要有足够的韧性来承受实用中一定程度的震动和冲击。据此，在这种情况下，最好选用低碳钢(C0.08%、Si0.50%、Mn1.10%)固体焊丝作为母体。
相反，像那种传送都市垃圾和砂粒的气动输送管的内衬之类的耐磨材料，这种内衬表面不承受冲击力，而是要耐受重复剧烈的磨损。因此，在这种情况下，最好选用高密度的细小针状碳化物形成的母体。形成碳化的材料，例如，由C3.0～7.0%，Si0.5～2.0%，Mn0.5～4.0%，Cr20.0～35.0%，组成的高铬铸铁，另外由C3.0～7.0%，Si0.5～2.0%，Mn0.5～4.0%，V10.0～20.0%，W3.0～10.0%组成的高钒铸铁都可能被选用。
关于烧结硬质合金颗粒，最好选用碳化钨(WC或W2C)粉末的烧结颗粒，钴作为粘结金属被烧结。但是，这些颗粒不必很圆。同样除了烧结形成的颗粒外，那些由破碎铸造产品获得的颗粒，即使它们不是很圆的，只要在它们的颗粒尺寸和其它元素满足要求也可以使用。
假如低碳钢被作为母体，WC颗粒被弥散到MIG焊机形成的熔池中，颗粒中的部分碳和钨扩散到母体中，因此形成一个有硬度和韧性的母体并沉积出WC所特有的鱼骨形碳化物。即，少量的W和C析出并进入熔化的低碳钢产生沉积的碳化钨，在母体里它表现为鱼骨形碳化物的形态。这个母体的维氏硬度达到近HV850。然而这个硬度是鱼骨形碳化物和它周围基体的平均值，WC的本身硬度极高，达努氏硬度1800以上。因此，WC周围的基体硬度是远远低于此值的。这是整个母体获得韧性和硬度的主要因素。
因为烧结硬质合金颗粒占整个涂复层重量的比例是30～70%，最好选择重量的50%，熔池中的母体与鱼骨形碳化钨的比例接近1∶1，这可以说烧结硬质合金颗粒和包含鱼骨形碳化钨的低碳钢母体在涂复层中将形成一个良好平衡的复合结构。图2(A)的显微照片显示了上述一部分母体。有扩散区域的母体的维氏硬度达到近850，远远超过含铬27%的高铬铸铁的维氏硬度600，因此形成了一个特别有利的涂复层，其中的烧结硬质合金颗粒即保证了显著的耐磨性，它和母体的组合又是和谐的。
另一方面，在由碳化物形成母体的情况下，除了原始的硬度外，WC成份的部分扩散，维氏硬度达到1100，因此显示出极高的耐磨性，可与全部由烧结硬质合金颗粒组成的母体相比。但是这种母体的耐冲击性很差，因此必须考虑它的使用条件。
正如上面描述的，利用工业上广泛应用的焊机，本发明可以提供具有涂复层的优质的耐磨材料。从后面描述的一个优选实施例可以知道，本发明的耐磨材料与工业上普遍采用的最有代表性的耐磨材料硬Ni材料相比，已经证实它的耐磨性是硬Ni材料的13倍。本发明可在工业机器与设备的传统材料的局限范围外提供一种新颖的耐磨材料。
根据该发明从不同材料中选择母体和在不同混合比例下母体的和谐组合，已能实现对任何类型的磨损提供条件最适合的耐磨材料下面参考附图，该发明的其它特点和优点随着下面的描述将变得更明显。
图1是根据该发明的焊接方法的优选实施例的主视图;
图2(A)是根据该发明所得到的具体的耐磨材料的金属结构显微照片;图2(B)是上述显微照片的注释曲线。
该发明在参考下列参考例子和其中的比较例子下更仔细地进行描述。
图1是根据该发明用优选实施例中的MIG焊机的主视图。
在图中，移动滑架4安装了一个MIG焊机机头2和焊丝轮3，移动滑架以预定速度竖直地在水平安装的横梁1上运动。焊枪头2包括一个MIG水冷焊炬21，形成焊弧。喂丝机22使焊丝30从焊丝轮3送到焊枪头2。焊枪头2是通过一个纵向滑动装置41附在移动滑架4上，用这种方法使其能上下自由移动，也可以摆动来调整它与焊接面的倾斜角。附在移动滑架4的是一个硬质合金定量给料器来供给定量的烧结硬质合金。这个定量给料器5包括一个漏斗51来装浇结硬质合金颗粒G，一个旋转给料器52来供给定量的合金颗粒，和一个下料管53。这个定量给料器5是这结构，该下料管53的底部以同一速度跟随着MIG水冷焊炬21的前端运动。因此，焊机把定量的烧结硬质合金颗粒G供给在基体金属M上形成的熔池P中，从而连续形成一个复合结构的耐磨涂复层L。
作为此发明的一个例子，在下面的条件下准备一个试验块，然后，用该试验块和如下所说的比较例中的其它试验块进行一个确定的试验。
(1)例1a)一个组成是C6%、Cr27%、Fe67%的复合焊丝被作为母体，在低碳钢基体金属上进行MIG焊接，加入的烧结硬质合金是粒径为0.7～1.2mm(平均1mm)的烧结颗粒。它的组成是87%的WC粉末和6.8%的Co作为粘结金属。混合比例是整个涂复层重量的51%。
b)关于焊接条件，焊接电流设置为300A、电压设备为25V，保护气体是CO2，摆动宽度为25mm，焊接速度是250mm/min，基体金属不用预热。
(2)比较例1用上面例1所述的同样方法形成的涂复层，但其中没有加入烧结硬质合金，涂复层仅是由高铬母体组成。
(3)比较例2用铸造方法生产的众所周知的硬Ni四类合金。
(4)比较例3从低碳钢材料上切割的试验块。
然后，用橡胶轮磨蚀试验(RWAT)这一确定试验在上述(1)到(4)上进行。关于试验条件，试验块的负荷是8.8kg，橡胶轮的转数是6000，转速是120RPM，磨材是6号硅砂，磨砂喷量是300g/min，从上述材料上取下的磨蚀试验块是20mm×20mm×50mm的长方体。
下面表1是磨蚀试验的结果。
表1磨蚀量 耐磨蚀性(mg) (设比较例3为1)例1 20.6 85.6比较例1 102.8 17.2比较例2 267.4 6.6比较例3 1764.5 1.0以上磨蚀试验可以认为，根据该发明例1的耐磨材料有很好的耐磨性能，分别是比较例1的近5倍，是比较例2的近13倍。
图2(A)是另一个有相当高韧性的例子的金属结构的显微照片。在金属结构中基体金属和沉积金属的边界部分是被放大了400倍。图2(B)是上述显微照片的解释性曲线。在照片中作为形成沉积金属的焊接材料，采用市场上可以得到的低碳钢(C0.08%，Si0.50%，Mn1.10%)的一种焊接充填金属丝。
在沉积金属的显微结构中，观察表明鱼骨形碳化物产物是钨和碳组成的WC所特有的，它被认为有一部分从WC颗粒中析出，这种鱼骨形碳化物是沉积金属增加硬度的一个原因。
此发明可能以其它特殊形成具体化，而不脱离它的精神和基本特性。因此这些例子被认为在所有方面都是说明性的，而不是约束性的，指出的发明范围与其说是用前面的描述，不如说是用附加权利要求书范围来说明。为此，与权利要求范围等价的范围和方法之内的所有变化都是包括在内的。
权利要求
1.耐磨涂复层的焊接方法，包括的步骤是为涂复而放置的焊丝在非酸性气氛下，在铁基金属上形成一个合适组成的母体；以固定的速度加入颗粒直径0.5～3.0mm的烧结硬质合金颗粒到该母体的熔池中；该烧结硬质合金颗粒弥散到该母体中形成复合结构，该烧结硬质合金颗粒占该涂复层重量的30%～70%。
2.一种耐磨材料其母体是由颗粒直径0.5～3mm的烧结硬质合金颗粒组成，占沉积在铁基金属上的涂复层重量的30%-70%，以及一种含有一部分合金成份的低碳钢材料包围着该烧结合金颗粒并和该烧结合金颗粒联在一起。
3.一种适用于擦伤磨损的材料，其中母体是由沿积在铁基金属上的粒径0.5～3.0mm，占涂复层重量的30%～70%的烧结硬质合金颗粒和一种主要包括针状细小的金属碳化物的铸铁材料组成，该铸铁材料烧结硬质合金颗粒联在一起，碳化物含碳3～7%。
全文摘要
用MIC(熔化极惰性气体保护焊)焊机在铁基金属上进行涂覆。在焊接中所用的焊丝30成分变为涂覆层L的母体。在焊接中固定量的烧结硬质合金颗粒G加入到溶池P中。颗粒G的具体粒径是0.5～3.0mm，烧结硬质合金颗粒均匀地弥散到母体中，占整个涂覆层重量的30％—70％。
文档编号B23K35/30GK1067599SQ9210398
公开日1993年1月6日 申请日期1992年5月26日 优先权日1991年6月18日
发明者芦田敏行 申请人:株式会社粟本铁工所