專利名稱：一種堆焊用夾芯合金粉塊及其制備方法與應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種堆焊用焊接材料及其制備方法與應用，尤其涉及一種新型的堆焊用夾芯合金粉塊及其制備方法與應用。
背景技術(shù)：
工業(yè)生產(chǎn)和加工中，機械零件經(jīng)常在異常復雜和苛刻的條件下工作，大量的機械裝備往往因磨損、腐蝕或磨蝕而報廢。這就要求在高溫高壓、承受較大載荷以及氧化、腐蝕等工作條件下的機械裝備表面具有良好的耐磨、耐腐蝕、耐高溫和抗氧化等性能。堆焊因工藝簡單、設(shè)備投資少、操作靈活、適應面廣而被廣泛用于在零件表面制備特殊性能金屬層。
堆焊的方法有手工電弧堆焊、氧乙炔焰堆焊、埋弧自動堆焊、氣體保護堆焊、等離子堆焊、電渣堆焊等。
目前，人們?yōu)檫m應各種堆焊方法開發(fā)了各種堆焊材料。例如中國專利CN86106019B“耐熱耐磨堆焊焊條”，CN1116574A“一種高鉻鑄鐵堆焊材料及工藝”，CN1003430B“高硬度耐磨損不預熱堆焊焊條”等堆焊焊條；以及CN1238154C“一種連鑄輥堆焊用燒結(jié)焊劑及其生產(chǎn)方法”等焊劑；焊條和焊劑具有使用靈活、制造方便的優(yōu)點，但合金元素的過渡系數(shù)低、堆焊金屬的成分不夠穩(wěn)定和均勻，且堆焊層合金的數(shù)量受到工藝方法的限制，只適于低、中合金的堆焊金屬。
中國專利CN1415453A“一種堆焊用包芯焊絲”，CN1775454A“高抗裂耐磨高鉻鑄鐵型堆焊藥芯焊絲”等堆焊用藥芯焊絲，它的缺點是制造工藝復雜、成本較高、影響其大面積推廣，并且由于受到焊絲本身填充系數(shù)的限制(一般小于35％)，堆焊層的合金含量也受到限制，不會太高。藥芯焊帶與藥芯焊絲類似。
中國專利CN1015523B“堆焊用合金”提出了一種堆焊用的焊片，該焊片采用真空感應爐冶煉，用精密鑄造方法制成，焊片的形狀可以根據(jù)待堆焊面的形狀確定，采用TIG電弧熔敷到工件表面，焊片的制造工藝比較復雜。
中國專利CN1030970C“金屬表面大面積堆焊方法”提出了一種適合于大面積堆焊的柔性粉末帶及其堆焊工藝方法。其所述柔性粉末帶具有一定厚度和寬度，由袋狀包裝層和金屬粉末組成，金屬粉末處于袋狀包裝層之內(nèi)；以熔化極的氣體保護焊接電弧為熱源，焊絲和柔性粉末帶熔化形成耐磨層，可以實現(xiàn)自動焊，并適合大面積堆焊。但是這種工藝為了保證耐磨層的成分穩(wěn)定，堆焊的工藝參數(shù)必須嚴格控制，條件苛刻。
并且需要指出的是上述堆焊材料主要通過電弧熱熔敷，電弧熱熔敷的熱影響區(qū)較大，對于某些容易過熱的材料，容易造成晶粒粗化，降低韌性，甚至造成堆焊層整體脫落。另外電弧熔敷時，母材的稀釋也較大。
中國專利CN85102440B“耐磨堆焊合金粉塊”提出了將合金粉末制備成合金塊用于堆焊，該耐磨合金粉塊是將高鉻鑄鐵、硼鐵、硅鐵、鐵粉按比例混合均勻后加入水玻璃粘接劑，按一定重量加入模具中，施以適當壓力模壓成型后，再烘干水分制成。熔敷熱源為電弧(如碳弧、等離子弧、鎢極氬弧)。該合金粉塊合金元素的過渡系數(shù)比焊條、焊絲、焊劑等常規(guī)堆焊材料高，但該合金粉塊不適合采用感應熱源熔敷，這是因為配料的顆粒很小，即使粉末物料處于壓實的狀態(tài)，其導電能力比金屬基體也差得多，因此感應電流不在合金粉塊中流動，而在基體上流動，合金粉塊只能通過來自基體的熱能加熱，這種熱通過熱傳導方式傳遞，合金粉塊的導熱性能又比較差，增加了其獲得熱能熔化的難度，特別是厚度較大的合金粉塊必然更加難以熔化。另外，為了使合金粉塊容易熔化，最好選用熔點低的共晶成分的合金作為耐磨材料，使成分設(shè)計的范圍受到限制。合金粉塊熔敷于工件上的前提是合金粉塊覆蓋的母材必須熔化，實際上使用電弧熔敷時，由于電弧的熱能必須穿過合金粉塊才能到達母材，合金粉塊由于是各種合金粉末的混合物(不是合金)，而每種合金粉末往往具有較高的熔點，熔化比較困難，這樣就造成了母材和粉塊均難以熔化，有時合金粉塊還沒有熔化就被電弧的等離子流力吹散了，使得堆焊金屬成型極差，施工工藝性能不好。只有母材熔化形成熔池后，覆蓋于其上的合金粉塊通過熔池液態(tài)金屬的對流傳熱，才會加速熔化形成堆焊金屬層。
感應加熱具有熱能集中于工件表面，加熱速度快，熱影響區(qū)小，效率高、母材對堆焊層的稀釋小、容易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，是比較理想的堆焊用熱源。
中國專利CN1041898A“感應堆焊方法”將把以金屬粉末為基料的配料涂敷到工件的表面，將其壓實，采用感應加熱方法使其熔化。該專利若直接采用市售的金屬和合金粉末，則會難以熔敷。因此，專利要求使用前必須對市售的金屬和合金粉末進行擠壓(擠壓力為300-500MPa)或沖擊的塑性變形處理(機械活化)。這樣以來，不僅生產(chǎn)工藝復雜，而且需要增加塑性變形處理的設(shè)備，使得成本大幅度提高。
中國專利CN1522821A“鋼鐵工件高頻堆焊耐磨層復蓋工藝”采用高頻熱源將耐磨層熔敷于工件表面，耐磨相為鑄造碳化鎢，采用鎳基自熔合金粉末做粘接劑，同時加入助溶劑和造渣活性脫氧劑，將上述粉末壓制成塊或片放置于待堆焊部位，或者直接將粉末放置于待堆焊部位。該專利的熔敷合金粉塊或粉末中必須含有低熔點的自熔合金粉末，以便在感應加熱時能夠熔化，顯然合金粉塊或粉末的成分受到極大的限制，在耐磨層設(shè)計方面具有較大的局限性，只適用于自熔合金粉末。
鑒于此，隨著機械零部件使用工況的日益苛刻，如磨損、腐蝕、高溫等，開發(fā)低成本、使用方便、性能優(yōu)異、能夠高效化熔敷的堆焊用材料的愿望和需求也更加迫切。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有堆焊材料的缺點和不足，本發(fā)明要解決的問題是提出一種新型的、特別適于感應加熱熔敷的堆焊材料——堆焊用夾芯合金粉塊及其制備方法與應用。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是選擇金屬和鐵合金粉末(簡稱粉料)，按設(shè)計比例混合均勻后，加入占粉料總質(zhì)量5～15％的粘接劑和0～8％的增塑劑，采用模壓或者焊條生產(chǎn)用的液壓涂粉機，生產(chǎn)出夾芯合金粉塊；所述夾芯合金粉塊其芯是容易導電和導熱的金屬芯，金屬芯外圍為由金屬和鐵合金粉末、粘接劑、增塑劑組成的藥皮。
本發(fā)明所述的堆焊用夾芯合金粉塊由藥皮和易導電、導熱的金屬芯制成，其特征是所述夾芯合金粉塊是任意幾何體形狀，其中，粉塊的大小、長度、表面形狀根據(jù)欲堆焊面需要任意確定；所述藥皮由堆焊金屬要求的金屬和鐵合金粉末、粘接劑、增塑劑制成，其中，以質(zhì)量比計，金屬和鐵合金粉末∶粘接劑∶增塑劑為100∶5～15∶0～8；所述金屬芯是生產(chǎn)焊條用的鋼芯或生產(chǎn)藥芯焊絲用的鋼帶，數(shù)量為1～5個。金屬芯之間的間距為0～3mm，對稱分布于合金粉塊橫截面的幾何中心，且金屬芯外圍藥皮的最小厚度不小于1mm。金屬芯與藥皮的重量比值為1∶0.3～12。
上述夾芯合金粉塊幾何體的橫截面優(yōu)選三角形、梯形、半圓形、長方形、正方形之一；最優(yōu)選三角形、梯形、半圓形之一。見圖1。夾芯合金粉塊可以做成平面、曲面、直邊、曲邊等多種，以適應不同的欲堆焊面。
上述藥皮重量與金屬芯重量的比值(藥皮重量系數(shù))為0.3～12，優(yōu)先選用0.5～8。
上述夾芯合金粉塊的金屬芯和鐵合金粉末的成分以質(zhì)量百分比計是，S小于0.05％、P小于0.05％，其他化學成分根據(jù)下列不同堆焊金屬要求分別為1)馬氏體鋼堆焊金屬C不超過1.2％、Mn不超過6.5％、Si不超過1.2％、Cr不超過5.5％、Mo不超過4.0％，Ti、V、Nb、W四種元素的總量不超過4.0％，余為Fe；或2)奧氏體高錳鋼堆焊金屬C不超過1.2％、Mn不超過18.0％、Mo不超過3.0％、W不超過5.5％、Si不超過1.3％，余為Fe；或3)奧氏體鉻錳鋼堆焊金屬C不超過1.0％、Mn不超過16.0％、Cr不超過18.0％、Si不超過1.0％、Mo、W兩種元素的總量不超過4.0％，余為Fe；或4)碳化物高鉻合金鑄鐵堆焊金屬C不超過5.0％、Cr為15.0％～35.0％、Mn不超過3.5％、Si不超過3.2％、Ni不超過8.0％、Mo不超過6.0％、V不超過2.0％、W不超過20.0％、B不超過3.0％，余為Fe；或5)碳化鎢堆焊合金鑄造碳化鎢20％～80％、C為0.1％～1.2％、Si為2.0％～4.2％、Cr為8％～18％、B為1％～5.0％、余為Ni。
上述1)～5)所列的五種堆焊金屬除了以上要求的合金元素之外，允許含有一定量的作為雜質(zhì)存在的其他合金元素，其含量以不影響堆焊金屬的性能為原則。
上述粘接劑是水玻璃，水玻璃的模數(shù)為2.5～3.0，波美度為39～50，用鈉水玻璃或鉀鈉混合水玻璃。優(yōu)先選用模數(shù)為2.8～3.0，波美度為50的鈉水玻璃或鉀鈉混合水玻璃。
上述增塑劑是鈦白粉、白泥、云母、糊精之一。優(yōu)選的增塑劑是鈦白粉。
上述鋼芯選用焊條用碳鋼焊芯或合金鋼焊芯，直徑為2～10mm；鋼帶選用藥芯焊絲生產(chǎn)用的SPCC(JIS標準)冷軋?zhí)妓乇“澹穸葹?.5～1.2mm。
優(yōu)選的，所述鋼芯選用直徑為2.5～5mm的碳鋼焊芯H08A；所述鋼帶選用厚度為0.6～1.0mm的SPCC冷軋?zhí)妓乇“濉?br> 上述所用金屬和鐵合金的質(zhì)量執(zhí)行如下國家和行業(yè)標準錳鐵GB/T3795-2006，硅鐵GB2272-1987，鉻鐵GB 5683-1987，釩鐵GB 4139-2004，鈮鐵GB7737-1997，鉬鐵GB3649-1987，鎢鐵GB/T3648-1996，鈦鐵GB 3282-1987，硼鐵GB/T 5682-1995，鎳及鎳合金板GB/T2054-2005，粗銅YS/T 70-93(中國有色金屬行業(yè)標準)，沒有國家和行業(yè)標準的執(zhí)行生產(chǎn)企業(yè)標準。
本發(fā)明所述堆焊用夾芯合金粉塊的制備方法，采用模壓或焊條液壓涂粉機制備，具體方法是(1)模壓制備根據(jù)堆焊金屬要求的成分設(shè)計選擇金屬和鐵合金粉末(簡稱粉料)，金屬和合金粉末的粒度為50目～300目，混勻，然后添加占粉料質(zhì)量5％～15％的水玻璃粘接劑(粘接劑優(yōu)先選用的加入量為8～12％)，濕拌混合均勻，得濕料；采用模壓工藝生產(chǎn)可以不加增塑劑。
取模具，將上述濕料填入其中，待填至模具體積量的一半時止，然后放入數(shù)量為1～5的金屬芯，金屬芯按以下原則放置金屬芯之間的間距為0～3mm，對稱分布于合金粉塊橫截面的幾何中心。金屬芯與藥皮的重量比值為1∶0.3～12，然后再繼續(xù)加入剩余的濕料，同時控制金屬芯外圍藥皮的最小厚度不小于1mm，施加50MPa以上的壓力至夾芯合金粉塊成型。
在20℃～60℃溫度下，將成型的夾芯合金粉塊烘干8小時～48小時后，再在150℃～180℃溫度下保溫烘干30分鐘～50分鐘，水分完全去除后，制得夾芯合金粉塊成品。
(2)焊條液壓涂粉機制備根據(jù)堆焊金屬要求的設(shè)計成分選擇金屬和鐵合金粉末，金屬和合金粉末的粒度為50～300目，混勻，然后以質(zhì)量比計，按金屬和鐵合金粉末∶水玻璃粘接劑∶增塑劑為100∶5～15∶2～8的量將三者混合，濕拌均勻，得濕料；上述增塑劑是鈦白粉、白泥、云母、糊精之一。優(yōu)選的增塑劑是鈦白粉。在保證壓涂性能的前提下其加入量盡可能少，優(yōu)選加入量為5～6％。
上述水玻璃粘接劑優(yōu)先選用的加入量為8～12％。
根據(jù)夾芯合金粉塊設(shè)計的橫截面形狀和尺寸換上焊條液壓涂粉機的定徑模，然后按照常規(guī)的焊條生產(chǎn)規(guī)程壓涂夾芯合金粉塊；壓涂過程中，設(shè)定數(shù)量為1～5的金屬芯通過焊條液壓涂粉機的送絲系統(tǒng)送進，通過送絲系統(tǒng)使金屬芯對稱分布于合金粉塊橫截面的幾何中心，以焊條液壓涂粉機的偏心控制機構(gòu)控制所述金屬芯外圍藥皮的最小厚度不小于1mm，金屬芯與藥皮的重量比值為1∶0.3～12；將上述壓制出的夾芯合金粉塊在20℃～60℃溫度下，烘干8小時～48小時后，再在150℃～180℃溫度下保溫烘干30分鐘～50分鐘，水分完全去除后，制得夾芯合金粉塊成品。
焊條液壓涂粉機與模壓相比具有更高的生產(chǎn)效率，應優(yōu)先選用。
本發(fā)明所述堆焊用夾芯合金粉塊以感應加熱熔敷或電弧熔敷方式制備具有耐磨、耐腐蝕、耐高溫或抗氧化的表面層的應用。
上述夾芯合金粉塊的使用方法如下夾芯合金粉塊可以采用感應加熱熔敷，也可以采用電弧(碳弧、鎢極電弧、等離子電弧等)熔敷。
感應熱源熔敷根據(jù)堆焊金屬成分要求，選擇夾芯合金粉塊。夾芯合金粉塊的長度、橫截面形狀和尺寸根據(jù)欲堆焊面的形狀和面積選擇。選擇若干合金粉塊拼湊覆蓋于欲堆焊面之上，然后采用感應熱源加熱合金粉塊和母材表面。感應加熱時合金粉塊內(nèi)部的金屬芯由于電阻小，感應電流就集中作用在它上面，使其首先熔化成液態(tài)金屬，液態(tài)金屬填滿周圍合金粉末的間隙，提高了其導電和導熱能力，感應電流的電阻熱以及導熱能力的提高加速了合金粉末的熔化。最后合金粉末、焊絲或焊帶金屬芯、母材的部分金屬熔化混合，凝固后形成特殊性能的堆焊層。夾芯合金粉塊克服了不夾芯粉塊導電、導熱能力差，感應加熱時難以熔化的弊端，使得合金粉塊采用高效化的感應加熱熔敷成為可能。
電弧熔敷可以采用碳弧、鎢極電弧、等離子電弧、熔化極的焊條電弧、以及熔化極氣體保護焊電弧等。根據(jù)堆焊金屬成分要求，選擇夾芯合金粉塊。值得提出的是采用電弧熔敷時也可以用不夾芯的合金粉塊。
電弧熔敷時夾芯合金粉塊橫截面形狀的確定原則是合金粉塊的拼接處厚度非常小，以使電弧容易穿透合金粉塊熔化母材。因此，電弧熔敷時選擇橫截面形狀為三角形、半圓形、梯形等的夾芯合金粉塊，不推薦選用長方形或正方形，使用方法見圖2，將合金粉塊覆蓋于待堆焊面，合金粉塊之間留有0～5mm的間隙。熔敷時電弧作用于合金粉塊的拼接處，在電弧熱的作用下，母材部位很快熔化形成熔池，熔池的液態(tài)金屬填充合金粉塊的間隙，提高了粉塊的導熱能力，加速了粉塊熔化。熔池形成后將電弧橫向擺動，橫向擺動的速度由合金粉塊的熔化速度確定，使電弧始終作用于合金粉塊與液態(tài)金屬的界面上。通過熔池的不斷擴大，將合金粉塊全部熔化，最后凝固形成堆焊層。
本發(fā)明通過合金粉塊橫截面幾何形狀的設(shè)計，使得電弧更容易穿過難以熔化的合金粉塊熔化母材，母材的熔化又加速了合金粉塊的熔化，解決了合金粉塊難以熔化，易被電弧的等離子流力吹散的難題，大大提高了生產(chǎn)效率。采用熔化極電弧(焊條電弧、熔化極氣體保護電弧)熔敷時，需要考慮熔化極的填充金屬對堆焊層化學成分與性能的影響。
本發(fā)明實施具有如下明顯效果(1)本專利提出的夾芯合金粉塊既可以采用感應熱源熔敷，也可以采用電弧熔敷，而CN85102440B“耐磨堆焊合金粉塊”專利提出的合金粉塊不適于感應熔敷，電弧熔敷時工藝性能也較差。
(2)本專利提出的夾芯合金粉塊所用的金屬和合金粉末直接采用市售的，無須進行處理可以直接應用，這不同于CN1041898A“感應堆焊方法”專利要求使用前必須對金屬粉末進行擠壓(擠壓力為300-500MPa)或沖擊的塑性變形處理(機械活化)，簡化了生產(chǎn)工藝、減少了設(shè)備投入，大大降低了生產(chǎn)成本。
(3)本專利提出的夾芯合金粉塊在成分設(shè)計上沒有任何限制，這不同于CN1522821A“鋼鐵工件高頻堆焊耐磨層復蓋工藝”專利，在熔敷的合金粉塊或粉末中必須含有低熔點的自熔合金粉末，使耐磨層在成分設(shè)計方面具有較大的局限性。
(4)本專利提出的夾芯合金粉塊可以采用焊條液壓涂粉機生產(chǎn)，可以利用現(xiàn)有的焊條自動生產(chǎn)線，不用新購生產(chǎn)設(shè)備，并且生產(chǎn)效率較高。
(5)本專利的實施為堆焊提供了一種高效化的焊接材料，提高了堆焊的生產(chǎn)效率，并且容易實現(xiàn)自動化，克服了耐磨焊條需要手工操作的弊端。


圖1本發(fā)明所述部分合金粉塊的橫截面形狀示意圖其中1.1長(正)方形橫截面(夾1個焊芯)1.2長(正)方形橫截面(夾2個焊芯)
1.3長(正)方形橫截面(夾1個焊帶)1.4長(正)方形橫截面(夾2個焊帶)1.5三角形橫截面(夾1個焊芯)1.6半圓形橫截面(夾1個焊芯)1.7梯形橫截面(夾1個焊芯)1.8梯形橫截面(夾1個焊帶)。
圖2電弧熔敷合金粉塊方法示意圖其中1合金粉塊，2欲堆焊金屬(基體)。
具體實施例方式
實施例1馬氏體鋼堆焊金屬夾芯合金粉塊，合金系為C-Si-Mn-Cr-Mo。
金屬和合金粉末配方的質(zhì)量百分比為，3.5％的高碳鉻鐵(含65％Cr、7％C、3％Si)、3.5％的中碳錳鐵(含79％Mn、1.2％C)、1.9％的硅鐵(含45％Si、3％Mn)、1.8％的鉬鐵(含57％Mo、0.5％Si、0.2％C)、0.14％的石墨，余為鐵粉。粉末的粒度為50～300目。按以上比例配好合金粉末，并混合均勻，添加占粉料質(zhì)量10％的鈉水玻璃粘接劑和4％的鈦白粉，上述鈉水玻璃的模數(shù)為3.0，波美度為50。選用邊長為10mm的等邊三角形的定徑模，按照焊條的生產(chǎn)規(guī)程壓制合金粉塊，壓制過程中送直徑為2.5mm的H08A焊芯，長度為350mm。壓制出的夾芯合金粉塊，20℃室溫下低溫烘干24小時，然后進行180℃、保溫45分鐘的烘干，去除水分后即成夾芯合金粉塊成品。
將按上述方法生產(chǎn)的夾芯合金粉塊放置于Q345鋼板表面，粉塊之間的間隙為1mm，然后用TIG電弧熔敷，工藝參數(shù)為電流為350A、電壓為20V、氬氣流量25L/min、冷卻水流量20L/min。電弧作用于合金粉塊之間的間隙處，在電弧熱的作用下，母材部位很快熔化形成熔池，熔池的液態(tài)金屬填充合金粉塊的間隙，提高了粉塊的導熱能力，加速了粉塊熔化。熔池形成后將電弧橫向擺動，橫向擺動的速度由合金粉塊的熔化速度確定，使電弧始終作用于合金粉塊與液態(tài)金屬的界面上。通過熔池的不斷擴大，將合金粉塊全部熔化，最后凝固形成堆焊層。試驗表明，堆焊層沒有裂紋，成型良好，堆焊層上表面的化學成分(質(zhì)量％)為0.36C、0.75Si、2.1Mn、1.7Cr、0.76Mo，硬度平均值為HRC45。
實施例2奧氏體高錳鋼堆焊金屬合金粉塊(條)，合金系為C-Mn-Si-W。
金屬和合金粉末配方的質(zhì)量百分比為，25.2％的中碳錳鐵(含79％Mn、1.2％C)、3.5％的硅鐵(含45％Si、3％Mn)、1.1％的石墨、3.8％的鎢鐵(含70％W、0.4％C、1.0％Si)、余為鐵粉。粉末的粒度為50～300目。按以上比例配好合金粉末，并混合均勻，添加占粉料質(zhì)量10％的鈉水玻璃粘接劑和4％的白泥。上述水玻璃的模數(shù)為3.0，波美度為50。選用邊長分別為14mm和8mm的長方形定徑模，按照焊條的生產(chǎn)規(guī)程壓制合金粉塊，壓制過程中送直徑為4.0mm的H08A焊芯，長度為350mm。壓制出的夾芯合金粉塊，20℃室溫下低溫烘干24小時，然后進行180℃、保溫45分鐘的烘干，去除水分后即成夾芯合金粉塊成品。
將按上述方法生產(chǎn)的夾芯合金粉塊放置于Q345鋼板表面，粉塊之間的間隙為0，然后用高頻感應熱源(功率為100kW、頻率為200kHz)從合金粉塊的一端向另一端加熱，高頻感應加熱時合金粉塊內(nèi)部的焊芯由于電阻小，感應電流就集中作用在它上面，使其首先熔化成液態(tài)金屬，液態(tài)金屬填滿周圍合金粉末的間隙，提高了其導電和導熱能力，感應電流的電阻熱以及導熱能力的提高加速了合金粉末的熔化。最后合金粉末、焊芯、母材的部分金屬熔化混合，凝固后形成堆焊層。試驗表明，堆焊層沒有裂紋，成型良好，堆焊層上表面的化學成分(質(zhì)量％)為1.05C、15.0Mn、1.2Si、2.0W，其他合金元素的總量小于5.0，焊態(tài)硬度的平均值為260HB，滿足國標EDMn-A-16堆焊焊條熔敷金屬成分要求，適用于各種破碎機、高錳鋼軌、推土機等受沖擊而易磨損部位的堆焊。
實施例3奧氏體鉻錳鋼堆焊金屬合金粉塊(條)，合金系為C-Mn-Cr。
金屬和合金粉末配方的質(zhì)量百分比為，25.6％的中碳錳鐵(含79％Mn、1.2％C)、2.0％的硅鐵(含45％Si、3％Mn)、0.6％的石墨、21.0％的金屬鉻、余為鐵粉。粉末的粒度為50～300目。按以上比例配好合金粉末，并混合均勻，添加占粉料質(zhì)量10％的鈉水玻璃粘接劑和4％的鈦白粉。上述水玻璃的模數(shù)為3.0，波美度為50。選用上底和下底分別為8mm和16mm、高為8mm的等腰梯形定徑模，按照焊條的生產(chǎn)規(guī)程壓制合金粉塊，壓制過程中送直徑為2.5mm的H08A焊芯兩個，長度為350mm，兩個焊芯之間的間距為2mm，焊芯在合金粉塊橫截面上對稱分布于梯形的幾何中心，其連心線平行于梯形的底邊。壓制出的夾芯合金粉塊，20℃室溫下低溫烘干24小時，然后進行180℃、保溫45分鐘的烘干，去除水分后即成夾芯合金粉塊成品。
將按上述方法生產(chǎn)的夾芯合金粉塊放置于Q345鋼板表面，粉塊之間的間隙為1mm，然后用TIG電弧熔敷，工藝參數(shù)為電流為350A、電壓為20V、氬氣流量25L/min、冷卻水流量20L/min。電弧作用于合金粉塊之間的間隙處，在電弧熱的作用下，母材部位很快熔化形成熔池，熔池的液態(tài)金屬填充合金粉塊的間隙，提高了粉塊的導熱能力，加速了粉塊熔化。熔池形成后將電弧橫向擺動，橫向擺動的速度由合金粉塊的熔化速度確定，使電弧始終作用于合金粉塊與液態(tài)金屬的界面上。通過熔池的不斷擴大，將合金粉塊全部熔化，最后凝固形成堆焊層。試驗表明，堆焊層沒有裂紋，成型良好，堆焊層上表面的化學成分(質(zhì)量％)為0.7C、15.0Mn、0.6Si、16Cr，其他合金元素的總量小于5.0，焊態(tài)硬度的平均值為320HB，與國標EDCrMn-B-16堆焊焊條熔敷金屬成分相當。可用于受氣蝕破壞的零件的堆焊，亦可用于要求耐磨及韌性高的高錳鋼制件的堆焊，如鐵路道岔、螺旋輸送機構(gòu)、推土機刀片、破碎機刃等。
實施例4碳化物高鉻合金鑄鐵堆焊金屬夾芯合金粉塊，合金系為C-Cr-Si-B-V。
金屬和合金粉末配方的質(zhì)量百分比為，48.0％的高碳鉻鐵(含65％Cr、7％C、3％Si)、2.3％的釩鐵(含50％V、0.5％Si、0.2％C)、28.0％的硼鐵(含10％B、0.01％C)、3.8％的硅鐵(含45％Si、3％Mn)、余為鐵粉。粉末的粒度為50～300目。按以上比例配好合金粉末，并混合均勻，添加占粉料質(zhì)量10％的鉀鈉水玻璃粘接劑和4％的鈦白粉。上述水玻璃的模數(shù)為3.0，波美度為50。選用邊長為10mm的等邊三角形的定徑模，按照焊條的生產(chǎn)規(guī)程壓制合金粉塊，壓制過程中送直徑為2.5mm的H08A焊芯，長度為350mm。壓制出的夾芯合金粉塊，20℃室溫下低溫烘干24小時，然后進行180℃、保溫45分鐘的烘干，去除水分后即成夾芯合金粉塊成品。
將按上述方法生產(chǎn)的夾芯合金粉塊放置于Q345鋼板表面，粉塊之間的間隙為0，然后用高頻感應熱源(功率為100kW、頻率為200kHz)從合金粉塊的一端向另一端加熱，高頻感應加熱時合金粉塊內(nèi)部的焊芯由于電阻小，感應電流就集中作用在它上面，使其首先熔化成液態(tài)金屬，液態(tài)金屬填滿周圍合金粉末的間隙，提高了其導電和導熱能力，感應電流的電阻熱以及導熱能力的提高加速了合金粉末的熔化。最后合金粉末、焊芯、母材的部分金屬熔化混合，凝固后形成堆焊層。試驗表明，堆焊層沒有裂紋，成型良好，堆焊層上表面的化學成分(質(zhì)量％)為2.8C、2.6Si、26.5Cr、2.2B、0.9V，硬度的平均值HRC62。
實施例5碳化鎢合金堆焊金屬夾芯合金粉塊，采用鎳基合金基體，基體上分布的鑄造碳化鎢為耐磨相。
合金粉末配方的質(zhì)量百分比為，45％鎳基自熔合金粉末，其成分(質(zhì)量％)為0.6C、15Cr、4B、4Si、余為Ni，粒度為100～200目；50％的鑄造碳化鎢(40～200目)；5％的硼酐。按以上比例配好合金粉末，并混合均勻，添加占粉料質(zhì)量10％的鈉水玻璃粘接劑和4％的鈦白粉。選用半徑為6mm的半圓形的定徑模，按照焊條的生產(chǎn)規(guī)程壓制合金粉塊，壓制過程中送直徑為2.5mm的H08A焊芯，長度為350mm，焊芯位于半圓的幾何中心。壓制出的夾芯合金粉塊，20℃室溫下低溫烘干24小時，然后進行180℃、保溫45分鐘的烘干，去除水分后即成夾芯合金粉塊成品。
將按上述方法生產(chǎn)的夾芯合金粉塊放置于Q345鋼板表面，粉塊之間的間隙為0，然后用高頻感應熱源(功率為100kW、頻率為200kHz)從合金粉塊的一端向另一端加熱，高頻感應加熱時合金粉塊內(nèi)部的焊芯由于電阻小，感應電流就集中作用在它上面，使其首先熔化成液態(tài)金屬，液態(tài)金屬填滿周圍合金粉末的間隙，提高了其導電和導熱能力，感應電流的電阻熱以及導熱能力的提高加速了合金粉末的熔化。最后合金粉末、焊芯、母材的部分金屬熔化混合，凝固后形成堆焊層。由于高頻感應加熱速度快，鎳基自熔合金的熔點低，通過控制加熱溫度，可使碳化鎢不分解，獲得鎳基合金基體上分布有碳化鎢耐磨相，HRC超過60，可用于輕度或中等沖擊的強烈磨料磨損條件下工作部件，如石油油井鉆頭、推土機刀刃、加工礦石的設(shè)備、螺旋輸送機等。
權(quán)利要求
1.一種堆焊用夾芯合金粉塊，由藥皮和易導電、導熱的金屬芯制成，其特征是所述夾芯合金粉塊是任意幾何體形狀，其中，粉塊的大小、長度、表面形狀根據(jù)欲堆焊面需要任意確定；所述藥皮由堆焊金屬要求的金屬和鐵合金粉末、粘接劑、增塑劑制成，其中，以質(zhì)量比計，金屬和鐵合金粉末∶粘接劑∶增塑劑為100∶5～15∶0～8；所述金屬芯是生產(chǎn)焊條用的鋼芯或生產(chǎn)藥芯焊絲用的鋼帶，數(shù)量為1～5個，金屬芯之間的間距為0～3mm，對稱分布于合金粉塊橫截面的幾何中心，且金屬芯外圍藥皮的最小厚度不小于1mm；金屬芯與藥皮的重量比值為1∶0.3～12。
2.如權(quán)利要求1所述的堆焊用夾芯合金粉塊，其特征是所述夾芯合金粉塊幾何體的橫截面為三角形、梯形、半圓形、長方形、正方形之一。
3.如權(quán)利要求1所述的堆焊用夾芯合金粉塊，其特征是所述夾芯合金粉塊的金屬芯和鐵合金粉末的成分以質(zhì)量百分比計是，S小于0.05％、P小于0.05％，其他化學成分根據(jù)下列不同堆焊金屬要求分別為1)馬氏體鋼堆焊金屬C不超過1.2％、Mn不超過6.5％、Si不超過1.2％、Cr不超過5.5％、Mo不超過4.0％，Ti、V、Nb、W四種元素的總量不超過4.0％，余為Fe；或2)奧氏體高錳鋼堆焊金屬C不超過1.2％、Mn不超過18.0％、Mo不超過3.0％、W不超過5.5％、Si不超過1.3％，余為Fe；或3)奧氏體鉻錳鋼堆焊金屬C不超過1.0％、Mn不超過16.0％、Cr不超過18.0％、Si不超過1.0％、Mo、W兩種元素的總量不超過4.0％，余為Fe；或4)碳化物高鉻合金鑄鐵堆焊金屬C不超過5.0％、Cr為15.0％～35.0％、Mn不超過3.5％、Si不超過3.2％、Ni不超過8.0％、Mo不超過6.0％、V不超過2.0％、W不超過20.0％、B不超過3.0％，余為Fe；或5)碳化鎢堆焊合金鑄造碳化鎢20％～80％、C為0.1％～1.2％、Si為2.0％～4.2％、Cr為8％～18％、B為1％～5.0％、余為Ni。
4.如權(quán)利要求1所述的堆焊用夾芯合金粉塊，其特征是所述粘接劑是水玻璃。
5.如權(quán)利要求1所述的堆焊用夾芯合金粉塊，其特征是所述增塑劑是鈦白粉、白泥、云母、糊精之一。
6.如權(quán)利要求5所述的堆焊用夾芯合金粉塊，其特征是所述增塑劑是鈦白粉。
7.如權(quán)利要求1所述的堆焊用夾芯合金粉塊，其特征是所述鋼芯選用焊條用碳鋼焊芯或合金鋼焊芯，直徑為2～10mm；鋼帶選用藥芯焊絲生產(chǎn)用的SPCC冷軋?zhí)妓乇“澹搸Ш穸葹?.5～1.2mm。
8.如權(quán)利要求7所述的堆焊用夾芯合金粉塊，其特征是所述鋼芯選用直徑為2.5～5mm的碳鋼焊芯H08A；所述鋼帶選用厚度為0.6～1.0mm的SPCC冷軋?zhí)妓乇“濉?br> 9.權(quán)利要求1所述堆焊用夾芯合金粉塊的制備方法，采用模壓或焊條液壓涂粉機制備，具體方法是(1)模壓制備根據(jù)堆焊金屬要求的成分設(shè)計選擇金屬和鐵合金粉末，即粉料；金屬和合金粉末的粒度為50目～300目，混勻，然后添加占粉料質(zhì)量5％～15％的水玻璃粘接劑，濕拌混合均勻，得濕料；采用模壓工藝生產(chǎn)可以不加增塑劑；取模具，將上述濕料填入其中，待填至模具體積量的一半時止，然后放入數(shù)量為1～5的金屬芯，金屬芯按以下原則放置金屬芯之間的間距為0～3mm，對稱分布于合金粉塊橫截面的幾何中心；金屬芯與藥皮的重量比值為1∶0.3～12，然后再繼續(xù)加入剩余的濕料，同時控制金屬芯外圍藥皮的最小厚度不小于1mm，施加50MPa以上的壓力至夾芯合金粉塊成型；在20℃～60℃溫度下，將成型的夾芯合金粉塊烘干8小時～48小時后，再在150℃～180℃溫度下保溫烘干30分鐘～50分鐘，水分完全去除后，制得夾芯合金粉塊成品；(2)焊條液壓涂粉機制備根據(jù)堆焊金屬要求的設(shè)計成分選擇金屬和鐵合金粉末，金屬和合金粉末的粒度為50～300目，混勻，然后以質(zhì)量比計，按金屬和鐵合金粉末∶水玻璃粘接劑∶增塑劑為100∶5～15∶2～8的量將三者混合，濕拌均勻，得濕料；根據(jù)夾芯合金粉塊設(shè)計的橫截面形狀和尺寸換上焊條液壓涂粉機的定徑模，然后按照常規(guī)的焊條生產(chǎn)規(guī)程壓涂夾芯合金粉塊；壓涂過程中，設(shè)定數(shù)量為1～5的金屬芯通過焊條液壓涂粉機的送絲系統(tǒng)送進，通過送絲系統(tǒng)使金屬芯對稱分布于合金粉塊橫截面的幾何中心，以焊條液壓涂粉機的偏心控制機構(gòu)控制所述金屬芯外圍藥皮的最小厚度不小于1mm，金屬芯與藥皮的重量比值為1∶0.3～12；將上述壓制出的夾芯合金粉塊在20℃～60℃溫度下，烘干8小時～48小時后，再在150℃～180℃溫度下保溫烘干30分鐘～50分鐘，水分完全去除后，制得夾芯合金粉塊成品。
10.權(quán)利要求1所述堆焊用夾芯合金粉塊以感應加熱熔敷或電弧熔敷方式制備具有耐磨、耐腐蝕、耐高溫或抗氧化的表面層的應用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種堆焊用夾芯合金粉塊，由藥皮和金屬芯制成，所述夾芯合金粉塊是任意幾何體形狀；所述藥皮由堆焊金屬要求的金屬和鐵合金粉末、粘接劑、增塑劑制成；所述金屬芯是生產(chǎn)焊條用的鋼芯或生產(chǎn)藥芯焊絲用的鋼帶，金屬芯之間的間距為0～3mm，對稱分布于合金粉塊橫截面的幾何中心，且金屬芯外圍藥皮的最小厚度不小于1mm。金屬芯與藥皮的重量比值為1∶0.3～12。所述堆焊用夾芯合金粉塊采用模壓或焊條液壓涂粉機方法制備。本發(fā)明克服了不夾芯粉塊導電、導熱能力差，感應加熱時難以熔化的弊端，使得合金粉塊采用高效化的感應加熱熔敷成為可能，同時也解決了電弧熔敷時合金粉塊難以熔化，易被電弧的等離子流力吹散的難題，大大提高了生產(chǎn)效率。
文檔編號B23K35/30GK101058129SQ20071001445
公開日2007年10月24日 申請日期2007年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月23日
發(fā)明者孫俊生 申請人:山東大學