專利名稱：一種磁控熔敷成形制備鋁基耐磨覆層的焊接絲材的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于磁控焊接熔敷成形制備鋁基耐磨覆層的Al-Si絲材，主要通過在Al-Si系合金焊絲中添加Mg元素及Sc、Zr等微量元素制備強(qiáng)度高、塑性好、耐磨性好
的覆層。
背景技術(shù)：
焊接熔敷快速成形作為快速成形技術(shù)的一種新工藝，其是利用堆焊技術(shù)的原理，不但可以用于零件的表面改性，還可以對缺損零件進(jìn)行修復(fù)和直接成形新零件。鋁合金表面修復(fù)技術(shù)包括普通焊條電弧焊、MIG焊和等離子焊接等焊接方法，熱噴涂技術(shù)和刷鍍技術(shù)。焊接熔敷技術(shù)與熱噴涂和電刷鍍技術(shù)相比，焊接熔敷層與基體為冶金結(jié)合，其結(jié)合強(qiáng)度 較高；與普通的焊接方法相比，焊接熔敷技術(shù)沉積率、粗糙度、熱輸入、敷層厚度等指標(biāo)更優(yōu)
巳隨著材料電磁過程的不斷發(fā)展，將磁場引入焊接過程已經(jīng)成為一種先進(jìn)的焊接技術(shù)，當(dāng)外加磁場作用于電弧時，由于焊接電弧中的等離子體的良好導(dǎo)電性，提供了外部磁場對它的可作用性。磁場控制焊接熔敷技術(shù)的研究包括通過電磁力攪拌熔池，強(qiáng)迫金屬流動，使晶粒細(xì)化；通過磁場對電弧的拘束作用，提高非熔化極電弧的能量密度，可改善接頭質(zhì)量，提高熔敷效率。2002年由北京工業(yè)大學(xué)殷樹言等人申請的公告號為CN1369347A的發(fā)明專利《磁控高熔敷率熔化極混合氣體保護(hù)焊接(MAG)方法及專用設(shè)備》中磁場作用于焊接過程，有效的提高了熔敷效率。2005年由武漢理工大學(xué)羅健等人申請的公告號為CN1751834的發(fā)明專利《一種磁控熔化極焊接方法及其拓展應(yīng)用和通用設(shè)備》中采用磁場影響焊接過程，提高了焊接接頭的質(zhì)量。2010年由裝甲兵工程學(xué)院朱勝等人申請的申請?zhí)枮?01010049723. 2的發(fā)明專利《電磁場控制焊接熔敷快速成形方法和設(shè)備》中提到采用直流橫向磁控熔覆成形設(shè)備實(shí)現(xiàn)零件的快速成形。鋁合金焊接絲材廣泛應(yīng)用于焊接領(lǐng)域。隨著技術(shù)的進(jìn)步，普通的Al-Si絲材不能滿足生產(chǎn)的需求，在Al-Si絲材中添加具有特殊性能的元素成為改善絲材性能的重要手段。2009年由張國清等人申請的專利號為200910244555的發(fā)明專利《一種高強(qiáng)度鋁合金焊絲》中各元素的質(zhì)量百分比為2. 5 3. 5%Cu，2. 2 3. 2%Si，0. 0. 25%Ti，0. ro. 25%Zr，0. ro. 2%Mn，其余為Al。所得焊絲強(qiáng)度較高。2010年由鄒鐵生等人申請的專利號為201010180705的發(fā)明專利《一種鋁硅合金焊絲及其制備方法》中其特征為組分和重量百分含量分別為4. 5 彡 Si 彡 6. 5,0. 0001 ^ Be ^ 0. 0003,0. 05 ^ Ti ^ 0. 20、0. 01 ^ Sr ^ 0. 06，余量是Al，焊絲的塑性加工能力和力學(xué)性能優(yōu)良。但對于在鋁硅合金絲材中添加Mg、Sc、Zr三種元素的Al-Si合金涉及很少，本發(fā)明Al-Si焊絲通過磁控焊接熔敷成形技術(shù)，可以在鋁基體表面堆敷一層或數(shù)層特殊絲材，提高鋁基體和熔敷層的耐磨、耐蝕、耐熱等性能
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以普通Al-Si系合金焊絲為對象，添加Mg、Sc、Zr等微量元素后制成焊絲。利用磁控熔敷成形技術(shù)制備鋁基耐磨覆層。所述絲材中的各組分質(zhì)量百分比范圍為Si 4. 5 6%、Fe :0 0. 2%、Cu :0 0. 3%、T1:0 0. 2%、Zr+Sc :0 0. 45%、Mg :0. 15 0. 35%，其余為 Al。采用磁控焊接熔敷成形技術(shù)，使用上述成分的Al-Si系合金焊絲，可在鋁合金上制備出組織結(jié)構(gòu)優(yōu)良、力學(xué)性能較好、耐磨性好的覆層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(I)在Al-Si系合金焊絲中添加Mg元素含量為0. 15^0. 35%，其焊接接頭熔合區(qū)晶粒形態(tài)為等軸晶，減少了組織突變，提高了熔敷層的力學(xué)性能。覆層的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度提高>15MPa，延伸率保持不變，抗正彎能力提高>10MPa。
(2)在Al-Si系合金焊絲中添加Zr+Sc元素含量為(H). 45%，使焊絲微合金化，起到對焊縫金屬變質(zhì)的作用，細(xì)化焊縫組織，提高接頭強(qiáng)度。(3)所述Al-Si焊絲磁控熔敷成形后所得覆層耐摩擦性能顯著提高，與傳統(tǒng)Al-Si系合金焊絲相比，其摩擦系數(shù)降低0. ro. 15，磨損量降低40飛0%，磨損率明顯減低。本發(fā)明有益的效果在普通Al-Si系合金焊絲中添加Mg、Sc、Zr等元素制備焊絲，采用磁控熔敷成形技術(shù)在鋁合金表面制備出性能優(yōu)異的覆層。采用所述焊絲制備所得覆層晶粒過渡平緩、組織未發(fā)生突變，力學(xué)性能優(yōu)良；耐磨性能優(yōu)異，可有效減輕鋁合金基體表面劃傷及高溫、濕熱環(huán)境下的耐磨性。


附圖1為實(shí)施例1中4043、4143-2焊絲焊接熔合區(qū)金相組織對比圖附圖2為實(shí)施例3中4143-4、4143-5、4143-6焊絲焊接熔合區(qū)金相組織對比圖附圖3為實(shí)施例3中4143-4、4143-5、4143-6焊絲熔敷層力學(xué)性能對比曲線附圖4為實(shí)施例1、3中4043焊絲及4143-6焊絲摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通過如下措施來實(shí)現(xiàn)實(shí)施例1 :在牌號為4043的Al-Si系合金焊絲中單獨(dú)添加的Mg元素，Mg元素含量分別為0. 15%、0. 25%,0. 35%，制成4143-1、4143-2、4143-3三種焊絲。采用再制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中外加縱向磁場的Fronius全數(shù)字TPS-4000直流脈沖MIG焊接熔敷成形技術(shù)，使用4043、4143-1、4143-2、4143-3焊絲對鋁合金施焊，得到焊接接頭。對接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，使用4143-1、4143-2、4143-3焊絲所得接頭焊縫的屈服強(qiáng)度Otl 2分別為104MPa、108MPa、105MPa，抗拉強(qiáng)度ob分別為168MPa、179MPa、170 MPa ;焊縫的抗彎強(qiáng)度分別400 MPa,426MPa,405 MPa ;對比4043、4143_1焊絲拉伸試驗(yàn)結(jié)果，使用4143-1焊絲所得接頭焊縫的屈服強(qiáng)度比4043焊絲提高5. 6%，拉伸強(qiáng)度提高8. 7%，抗正彎強(qiáng)度提高2. 06%,抗背彎強(qiáng)度與4043焊絲持平。表I為添加不同含量Mg元素的焊接接頭焊縫區(qū)力學(xué)性能對比，分析可知，添加Mg元素的Al-Si絲材力學(xué)性能更加優(yōu)異。實(shí)施例2:采用實(shí)施例1中4043、4143_2焊絲所得焊接接頭，觀察焊接各區(qū)域組織結(jié)構(gòu)，熔合區(qū)是接頭易斷裂位置。圖1 (a)為4043焊絲焊接接頭熔合區(qū)金相組織，圖1 (b)為4143-2焊絲焊接接頭熔合區(qū)金相組織。分析可知4043焊絲熔合區(qū)晶粒為柱狀晶，而4143-2焊絲熔合區(qū)柱狀晶生長區(qū)域變窄，方向性減弱，呈等軸晶形式生長，其晶粒形式的過渡趨于平緩，減小了組織上的突變，這使得接頭的性能更加均勻。實(shí)施例3 在牌號為4043的Al-Si系合金焊絲中添加的Mg、Sc、Zr元素制備焊絲。當(dāng)添加Mg元素含量為0. 25%，Sc的含量為0. 3%、Zr的含量為0時制成4143-4焊絲；但添加Mg元素含量為0. 25%，Sc的含量為O、Zr的含量為0. 15%時制成4143-5焊絲；當(dāng)添加Mg元素含量為0. 25%，Sc的含量為0. 3%、Zr的含量為0. 15%時制成4143-6焊絲；采用再制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中外加縱向磁場的Fronius全數(shù)字TPS-4000直流脈沖MIG焊接熔敷成形技術(shù)，使用4143-4、4143-5、4143-6焊絲對鋁合金施焊，得到焊接接頭。觀察焊接熔合區(qū)的金相組織，圖2 (a)為4143-4焊絲焊接接頭熔合區(qū)金相組織，圖2 (b)為4143-5焊絲焊接接頭熔合區(qū)金相組織，圖2 (c)為4143-6焊絲焊接接頭熔合區(qū)金相組織。對比圖1 (a)與圖2 (a)、(b)、(c)熔合區(qū)金相組織，焊絲添加Mg元素及Sc'Zr元素微合金化后所得焊接接頭熔合區(qū)的柱狀晶的生長區(qū)域的大小發(fā)生了變化，焊縫中心區(qū)域晶粒明顯細(xì)化，熔合區(qū)柱狀晶區(qū)域變小，晶粒呈等軸晶生長，其中，4143-6焊絲所得結(jié)果最優(yōu)。實(shí)施例4 對實(shí)施例3中三種焊絲所得焊接熔敷層進(jìn)行力學(xué)性能測試。所得結(jié)果如圖3所示。分析可知，添加Mg元素及Sc、Zr元素微合金化后所得熔敷層的力學(xué)性能比普通Al-Si絲材顯著提高，且添加Mg元素含量為0. 25%，Sc的含量為0. 3%、Zr的含量為0. 15%時制成4143-6焊絲所得焊接熔敷層的力學(xué)性能最優(yōu)。對熔敷層進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，采用國防再制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中MM-WlA立式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，摩擦副直徑為06. 5mm，焊接接頭切片尺寸為20mmX20mm。設(shè)定試驗(yàn)力為100N，轉(zhuǎn)速為200r/min，磨損時間10分鐘。圖4為4043焊絲及4143-6焊絲摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，在磨損開始階段，摩擦系數(shù)均處于較大值，之后隨著磨損的進(jìn)行，摩擦系數(shù)逐漸下降，大約150s之后，摩擦系數(shù)的變化趨于穩(wěn)定，在一個穩(wěn)定的數(shù)值范圍內(nèi)微變。4143-6焊絲焊接接頭的摩擦系數(shù)為0. 32，4043焊絲焊接接頭的摩擦系數(shù)為0. 43。采用精度為0. 0001的精密電子天平稱量試樣磨損前后的質(zhì)量，稱量三次取平均值，測得4043焊絲及4143-6焊絲焊接接頭磨損質(zhì)量損失分別為0. 00095g和0. 00033g?？芍贏l-Si系合金焊絲中，添加Mg、Sc、Zr元素后，所得覆層的摩擦磨損性能更加優(yōu)異。表I為實(shí)施例1的添加不同含量Mg元素的焊絲焊接焊縫區(qū)力學(xué)性能對比
權(quán)利要求
1.一種磁控熔敷成形制備鋁基耐磨覆層的焊接絲材，絲材各組分含量占絲材質(zhì)量的百分比范圍如下Si 4. 5 6%、Fe :0 0· 2%、Cu :0 0· 3%、T1:0 0· 2%、Zr+Sc :0 0· 45%、Mg O.15 O. 35%，其余為 Al。
全文摘要
一種磁控熔敷成形制備鋁基耐磨覆層的焊接絲材屬于焊件領(lǐng)域。該絲材以普通Al-Si系合金焊絲為基礎(chǔ)，添加Mg、Sc、Zr等微量元素后制備而成。絲材各組分含量占絲材質(zhì)量的百分比范圍如下Si4.5~6%、Fe0~0.2%、Cu0~0.3%、Ti0~0.2%、Zr+Sc0~0.45%、Mg0.15~0.35%，其余為Al。采用所述焊絲制備覆層晶粒過渡平緩，組織未發(fā)生突變，力學(xué)性能優(yōu)良；覆層耐磨性能優(yōu)異，摩擦系數(shù)僅為0.32，覆層可有效減輕鋁合金基體表面劃傷，提高鋁合金基體高溫、濕熱環(huán)境下的耐磨性。
文檔編號B23K35/28GK103008906SQ20121051502
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月4日
發(fā)明者朱勝, 趙志浩, 王曉明, 姚巨坤, 王啟偉, 崔建忠, 劉玉項(xiàng) 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院