專利名稱：耐磨涂覆層的焊接方法和用于其中的耐磨材料的制作方法
該發(fā)明涉及一種在基體金屬表面上形成耐磨涂復(fù)層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，如破碎機(jī)的內(nèi)襯、泥漿泵的襯、高爐的溜槽襯、小鐘等。
通過加入一定的增加硬度的添加劑而生產(chǎn)出來的那些耐磨材料，象高碳、高鉻等，或利用淬火性能加工獲得較高含量的合金也被生產(chǎn)出來作為耐磨材料，如高錳多和鎢鉻鈷(硬質(zhì))合金。然而，在多數(shù)情況下，產(chǎn)品的各個(gè)部分不都是需要耐磨的，這些材料的耐磨性在許多場(chǎng)合僅僅用于產(chǎn)品的某個(gè)特殊部位或某些部位上。因此，僅在因暴露面被磨損或擦傷的表面需要的部分涂復(fù)一些耐磨材料的技術(shù)已被作為一個(gè)重要的課題而廣泛地應(yīng)用了。
到目前為止，關(guān)于用這種涂復(fù)方法形成硬質(zhì)層的幾個(gè)試驗(yàn)已被提出，那些針對(duì)最高耐磨性的試驗(yàn)之一，已披露在日本公開專利文獻(xiàn)NO.2-6097上。在該文獻(xiàn)上公開的建議是采用一種結(jié)構(gòu)即包含的各粒級(jí)陶瓷顆粒占涂復(fù)層重量的30-80%，陶瓷顆粒的粒徑小于200μm，粒徑0.5mm-3.0mm的燒結(jié)硬質(zhì)合金球各粒級(jí)占重量的10-60%，二者均勻地混合在金屬母體內(nèi)。在這種情況下，重要的條件是上述作為彌散相顆?；旌系侥阁w的陶瓷顆粒是象SiC、WC、TiC等顆粒，它們的基本條件是非常硬和高耐熱性，對(duì)于進(jìn)行粉末等離子焊接有滿意的熱穩(wěn)定性。同時(shí)，上述燒結(jié)硬質(zhì)合金球由碳化鎢(WC或WC2)顆粒組成，CO、W、Ti等被作為粘結(jié)金屬。
因?yàn)閷?duì)母體金屬來說，Ni基或CO基合金，高合金網(wǎng)包括相當(dāng)多的Ni-Cr，使用這類東西的著眼點(diǎn)是它們的強(qiáng)度，耐磨性以及陶瓷顆粒和燒結(jié)硬質(zhì)合金球間的適應(yīng)性。
在標(biāo)準(zhǔn)的涂復(fù)過程中，金屬粉末和陶瓷粉末放入由粉末等離子槍產(chǎn)生的等離子弧中，由此在被預(yù)熱到近600℃的基體金屬上形成一個(gè)熔池，然后燒結(jié)硬質(zhì)合金球被分配到熔池中，混合和彌散在其中。有報(bào)告說上述方法處理的例子顯示出耐磨性在同樣的磨損試驗(yàn)條件下比高速鋼板上升了13倍。
就在使用焊接方法形成表面耐磨堆焊層上的耐磨材料而言，上述先有技術(shù)可以說是最先進(jìn)的技術(shù)之一。然而，一個(gè)致命的缺點(diǎn)是該技術(shù)的應(yīng)用條件是非常有限的，況且該先有技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品的特定部分有許多其他的限制。相應(yīng)地，該先有技術(shù)即不能普遍應(yīng)用也不能廣泛推廣。
更明確的是，首先，由于占重量30-80%的陶瓷顆粒需要混合和彌散到金屬母體中，涂復(fù)過程被認(rèn)為是限制在粉末等離子焊接過程而不是標(biāo)準(zhǔn)涂復(fù)過程。粉末等離子焊接過程的焊接設(shè)備是非常昂貴的，實(shí)際上投入安裝使用的很少，因此，這種先有方法不能說已經(jīng)變得很普遍和大眾化了。另一方面，在實(shí)際應(yīng)用中耐磨材料上的涂復(fù)過程是適用于不同地方的，而采用耐磨材料的許多設(shè)備實(shí)際被安裝在公共運(yùn)輸相當(dāng)困難的地區(qū)，由于涂復(fù)耐磨材料的最大特點(diǎn)之一在于當(dāng)完成在工作點(diǎn)得到一個(gè)檢修表面的操作后，允許在耐磨表面上多次進(jìn)行進(jìn)一步重復(fù)修復(fù)，上述不能得到廣泛和便利應(yīng)用的先有焊接方法在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)際上可能是無用的或極其困難的。
第二，在上述先有技術(shù)中，報(bào)告說基體金屬需要預(yù)熱到600℃，如果預(yù)熱這么高的溫度是必須的，在實(shí)際應(yīng)用中可能帶來極大的困難。再者，耐磨材料被廣泛地應(yīng)用在許多機(jī)器和設(shè)備里，而且混合的陶瓷顆粒占基體容積的30-80%，材料的費(fèi)用將大大提高。而且，母體的組成大部分是昂貴的金屬，象Ni基金屬或CO基金屬，這將促使材料的費(fèi)用更進(jìn)一步的增長(zhǎng)。
在設(shè)備中應(yīng)用的耐磨材料一般是較大面積的，如球磨機(jī)的機(jī)襯，挖泥船的泥漿泵襯等，象這些因暴露而擦傷或磨損的工作表面是較大的。在其中使用的材料的相應(yīng)費(fèi)用將被限制在能合理地抵消由于取得技術(shù)進(jìn)步(如改進(jìn)耐磨性能)而節(jié)約的費(fèi)用的范圍之內(nèi)。
另一個(gè)存在的問題是雖然有許多材料被叫作耐磨材料，實(shí)際上的磨損情況非常不同，因此，針對(duì)不同的耐磨情況準(zhǔn)確地提供最合適的材料必須進(jìn)行充分的考慮。
一般認(rèn)為，耐磨性能是和表面的硬度成正比的，但硬度越高，脆性越大也是一般規(guī)律。因此，在實(shí)際操作條件和上述兩種性能的平衡方面沒有足夠的考慮，使用最合適的材料是不可能的。一般認(rèn)為，在破碎機(jī)、碰撞式破碎機(jī)錘式破碎機(jī)等場(chǎng)合，磨損表面受到?jīng)_擊和碰撞載荷。這些表面不僅需要耐磨性而且要耐一定程度的沖擊韌性。在非沖擊的擦傷場(chǎng)合，如擦傷磨損，有關(guān)表面需要高硬度，而不是需要韌性，以達(dá)到其目的。
本發(fā)明是為了解決上面討論的問題和提供一個(gè)耐磨涂復(fù)層的焊接方法及用于其中的耐磨材料為目的的，甚至許多小型或中型工廠和在機(jī)器或設(shè)備被固定的地方均可應(yīng)用。如果需要，不僅能夠提供優(yōu)質(zhì)的耐磨性能，而且在相應(yīng)的耐磨條件下，能夠便利和經(jīng)濟(jì)的提供最合適的耐磨表面。
為完成上述目的，按照該發(fā)明的耐磨涂復(fù)層焊接方法包括以下步驟在非酸性保護(hù)氣氛下，為涂復(fù)而放置一根焊絲在鐵基金屬上形成一個(gè)合適組成的母體;以固定的速度加入粒徑0.5-3.0mm的燒結(jié)硬質(zhì)合金顆粒到該母體的熔池中。該燒結(jié)硬質(zhì)合金顆粒彌散到該母體中形成一個(gè)復(fù)合的結(jié)構(gòu)，該燒結(jié)硬質(zhì)合金占該涂復(fù)層重量的30-70%。
關(guān)于用這種焊接方法獲得的耐磨材料，發(fā)明者已做了如下的改進(jìn)一個(gè)在基體上具有高韌性的材料是由顆粒粒徑在0.5-3.0mm，占在鐵基金屬上沉積的涂復(fù)層重量的30-70%的燒結(jié)硬質(zhì)合金組成;一種包含部分合金成分的鋼材包圍著該燒結(jié)合金顆粒;在基體上一種對(duì)擦傷磨損特別適合的材料是由粒徑為0.5-3.0mm，占沉積在鐵基金屬上涂復(fù)層重量的30-70%的燒結(jié)硬質(zhì)合金顆粒組成;主要包含針狀的細(xì)小金屬碳化物的鑄鐵材料和該燒結(jié)硬質(zhì)合金顆粒連在一起，碳化物包括3-7%的碳。
在非氧化氣氛下，按這種發(fā)明進(jìn)行焊接加工所使用的焊機(jī)是由從焊炬頂部產(chǎn)生的電弧在基體金屬上形成沉積區(qū)域，焊炬用中性(或還原性)氣體等保護(hù)，這是通常所說的熔化極惰性氣體保護(hù)焊焊接機(jī)(在下文中提到的MIG焊接機(jī))。二氧化碳?xì)怏w、氬氣或者兩者的混合氣體通常被作為保護(hù)氣體。關(guān)于形成沉積區(qū)域的母體的焊絲，則在一定速度下提供一實(shí)心焊絲或藥性(復(fù)合藥芯的絲)。
上述類型的焊機(jī)已廣泛地應(yīng)用在許多工廠。通過采用特殊性能的焊絲可允許自由選用任意的基體。因此，這種焊機(jī)的有效性和實(shí)用性很高，如果需要，甚至可在山區(qū)聽采石場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行重復(fù)裝配。這種焊機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是根本不需要預(yù)熱，是與眾不同的先進(jìn)焊機(jī)。
母體材料可以在很大范圍內(nèi)選擇，以充分滿足對(duì)使用耐磨材料的需要。
例如象沖擊式破碎機(jī)的內(nèi)襯之類的耐磨材料，它的初表面承受沖擊破碎力，使巖石或石頭碰撞而破碎。沖擊式破碎機(jī)的襯表面不僅要耐磨而且要有足夠的韌性來承受實(shí)用中一定程度的震動(dòng)和沖擊。據(jù)此，在這種情況下，最好選用低碳鋼(C0.08%、Si0.50%、Mn1.10%)固體焊絲作為母體。
相反，像那種傳送都市垃圾和砂粒的氣動(dòng)輸送管的內(nèi)襯之類的耐磨材料，這種內(nèi)襯表面不承受沖擊力，而是要耐受重復(fù)劇烈的磨損。因此，在這種情況下，最好選用高密度的細(xì)小針狀碳化物形成的母體。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%，組成的高鉻鑄鐵，另外由C3.0～7.0%，Si0.5～2.0%，Mn0.5～4.0%，V10.0～20.0%，W3.0～10.0%組成的高釩鑄鐵都可能被選用。
關(guān)于燒結(jié)硬質(zhì)合金顆粒，最好選用碳化鎢(WC或W2C)粉末的燒結(jié)顆粒，鈷作為粘結(jié)金屬被燒結(jié)。但是，這些顆粒不必很圓。同樣除了燒結(jié)形成的顆粒外，那些由破碎鑄造產(chǎn)品獲得的顆粒，即使它們不是很圓的，只要在它們的顆粒尺寸和其它元素滿足要求也可以使用。
假如低碳鋼被作為母體，WC顆粒被彌散到MIG焊機(jī)形成的熔池中，顆粒中的部分碳和鎢擴(kuò)散到母體中，因此形成一個(gè)有硬度和韌性的母體并沉積出WC所特有的魚骨形碳化物。即，少量的W和C析出并進(jìn)入熔化的低碳鋼產(chǎn)生沉積的碳化鎢，在母體里它表現(xiàn)為魚骨形碳化物的形態(tài)。這個(gè)母體的維氏硬度達(dá)到近HV850。然而這個(gè)硬度是魚骨形碳化物和它周圍基體的平均值，WC的本身硬度極高，達(dá)努氏硬度1800以上。因此，WC周圍的基體硬度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此值的。這是整個(gè)母體獲得韌性和硬度的主要因素。
因?yàn)闊Y(jié)硬質(zhì)合金顆粒占整個(gè)涂復(fù)層重量的比例是30～70%，最好選擇重量的50%，熔池中的母體與魚骨形碳化鎢的比例接近1∶1，這可以說燒結(jié)硬質(zhì)合金顆粒和包含魚骨形碳化鎢的低碳鋼母體在涂復(fù)層中將形成一個(gè)良好平衡的復(fù)合結(jié)構(gòu)。圖2(A)的顯微照片顯示了上述一部分母體。有擴(kuò)散區(qū)域的母體的維氏硬度達(dá)到近850，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過含鉻27%的高鉻鑄鐵的維氏硬度600，因此形成了一個(gè)特別有利的涂復(fù)層，其中的燒結(jié)硬質(zhì)合金顆粒即保證了顯著的耐磨性，它和母體的組合又是和諧的。
另一方面，在由碳化物形成母體的情況下，除了原始的硬度外，WC成份的部分?jǐn)U散，維氏硬度達(dá)到1100，因此顯示出極高的耐磨性，可與全部由燒結(jié)硬質(zhì)合金顆粒組成的母體相比。但是這種母體的耐沖擊性很差，因此必須考慮它的使用條件。
正如上面描述的，利用工業(yè)上廣泛應(yīng)用的焊機(jī)，本發(fā)明可以提供具有涂復(fù)層的優(yōu)質(zhì)的耐磨材料。從后面描述的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例可以知道，本發(fā)明的耐磨材料與工業(yè)上普遍采用的最有代表性的耐磨材料硬Ni材料相比，已經(jīng)證實(shí)它的耐磨性是硬Ni材料的13倍。本發(fā)明可在工業(yè)機(jī)器與設(shè)備的傳統(tǒng)材料的局限范圍外提供一種新穎的耐磨材料。
根據(jù)該發(fā)明從不同材料中選擇母體和在不同混合比例下母體的和諧組合，已能實(shí)現(xiàn)對(duì)任何類型的磨損提供條件最適合的耐磨材料下面參考附圖，該發(fā)明的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)隨著下面的描述將變得更明顯。


圖1是根據(jù)該發(fā)明的焊接方法的優(yōu)選實(shí)施例的主視圖;
圖2(A)是根據(jù)該發(fā)明所得到的具體的耐磨材料的金屬結(jié)構(gòu)顯微照片;圖2(B)是上述顯微照片的注釋曲線。
該發(fā)明在參考下列參考例子和其中的比較例子下更仔細(xì)地進(jìn)行描述。
圖1是根據(jù)該發(fā)明用優(yōu)選實(shí)施例中的MIG焊機(jī)的主視圖。
在圖中，移動(dòng)滑架4安裝了一個(gè)MIG焊機(jī)機(jī)頭2和焊絲輪3，移動(dòng)滑架以預(yù)定速度豎直地在水平安裝的橫梁1上運(yùn)動(dòng)。焊槍頭2包括一個(gè)MIG水冷焊炬21，形成焊弧。喂絲機(jī)22使焊絲30從焊絲輪3送到焊槍頭2。焊槍頭2是通過一個(gè)縱向滑動(dòng)裝置41附在移動(dòng)滑架4上，用這種方法使其能上下自由移動(dòng)，也可以擺動(dòng)來調(diào)整它與焊接面的傾斜角。附在移動(dòng)滑架4的是一個(gè)硬質(zhì)合金定量給料器來供給定量的燒結(jié)硬質(zhì)合金。這個(gè)定量給料器5包括一個(gè)漏斗51來裝澆結(jié)硬質(zhì)合金顆粒G，一個(gè)旋轉(zhuǎn)給料器52來供給定量的合金顆粒，和一個(gè)下料管53。這個(gè)定量給料器5是這結(jié)構(gòu)，該下料管53的底部以同一速度跟隨著MIG水冷焊炬21的前端運(yùn)動(dòng)。因此，焊機(jī)把定量的燒結(jié)硬質(zhì)合金顆粒G供給在基體金屬M(fèi)上形成的熔池P中，從而連續(xù)形成一個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的耐磨涂復(fù)層L。
作為此發(fā)明的一個(gè)例子，在下面的條件下準(zhǔn)備一個(gè)試驗(yàn)塊，然后，用該試驗(yàn)塊和如下所說的比較例中的其它試驗(yàn)塊進(jìn)行一個(gè)確定的試驗(yàn)。
(1)例1a)一個(gè)組成是C6%、Cr27%、Fe67%的復(fù)合焊絲被作為母體，在低碳鋼基體金屬上進(jìn)行MIG焊接，加入的燒結(jié)硬質(zhì)合金是粒徑為0.7～1.2mm(平均1mm)的燒結(jié)顆粒。它的組成是87%的WC粉末和6.8%的Co作為粘結(jié)金屬?；旌媳壤钦麄€(gè)涂復(fù)層重量的51%。
b)關(guān)于焊接條件，焊接電流設(shè)置為300A、電壓設(shè)備為25V，保護(hù)氣體是CO2，擺動(dòng)寬度為25mm，焊接速度是250mm/min，基體金屬不用預(yù)熱。
(2)比較例1用上面例1所述的同樣方法形成的涂復(fù)層，但其中沒有加入燒結(jié)硬質(zhì)合金，涂復(fù)層僅是由高鉻母體組成。
(3)比較例2用鑄造方法生產(chǎn)的眾所周知的硬Ni四類合金。
(4)比較例3從低碳鋼材料上切割的試驗(yàn)塊。
然后，用橡膠輪磨蝕試驗(yàn)(RWAT)這一確定試驗(yàn)在上述(1)到(4)上進(jìn)行。關(guān)于試驗(yàn)條件，試驗(yàn)塊的負(fù)荷是8.8kg，橡膠輪的轉(zhuǎn)數(shù)是6000，轉(zhuǎn)速是120RPM，磨材是6號(hào)硅砂，磨砂噴量是300g/min，從上述材料上取下的磨蝕試驗(yàn)塊是20mm×20mm×50mm的長(zhǎng)方體。
下面表1是磨蝕試驗(yàn)的結(jié)果。
表1磨蝕量 耐磨蝕性(mg) (設(shè)比較例3為1)例1 20.6 85.6比較例1 102.8 17.2比較例2 267.4 6.6比較例3 1764.5 1.0以上磨蝕試驗(yàn)可以認(rèn)為，根據(jù)該發(fā)明例1的耐磨材料有很好的耐磨性能，分別是比較例1的近5倍，是比較例2的近13倍。
圖2(A)是另一個(gè)有相當(dāng)高韌性的例子的金屬結(jié)構(gòu)的顯微照片。在金屬結(jié)構(gòu)中基體金屬和沉積金屬的邊界部分是被放大了400倍。圖2(B)是上述顯微照片的解釋性曲線。在照片中作為形成沉積金屬的焊接材料，采用市場(chǎng)上可以得到的低碳鋼(C0.08%，Si0.50%，Mn1.10%)的一種焊接充填金屬絲。
在沉積金屬的顯微結(jié)構(gòu)中，觀察表明魚骨形碳化物產(chǎn)物是鎢和碳組成的WC所特有的，它被認(rèn)為有一部分從WC顆粒中析出，這種魚骨形碳化物是沉積金屬增加硬度的一個(gè)原因。
此發(fā)明可能以其它特殊形成具體化，而不脫離它的精神和基本特性。因此這些例子被認(rèn)為在所有方面都是說明性的，而不是約束性的，指出的發(fā)明范圍與其說是用前面的描述，不如說是用附加權(quán)利要求書范圍來說明。為此，與權(quán)利要求范圍等價(jià)的范圍和方法之內(nèi)的所有變化都是包括在內(nèi)的。
權(quán)利要求
1.耐磨涂復(fù)層的焊接方法，包括的步驟是為涂復(fù)而放置的焊絲在非酸性氣氛下，在鐵基金屬上形成一個(gè)合適組成的母體；以固定的速度加入顆粒直徑0.5～3.0mm的燒結(jié)硬質(zhì)合金顆粒到該母體的熔池中；該燒結(jié)硬質(zhì)合金顆粒彌散到該母體中形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，該燒結(jié)硬質(zhì)合金顆粒占該涂復(fù)層重量的30%～70%。
2.一種耐磨材料其母體是由顆粒直徑0.5～3mm的燒結(jié)硬質(zhì)合金顆粒組成，占沉積在鐵基金屬上的涂復(fù)層重量的30%-70%，以及一種含有一部分合金成份的低碳鋼材料包圍著該燒結(jié)合金顆粒并和該燒結(jié)合金顆粒聯(lián)在一起。
3.一種適用于擦傷磨損的材料，其中母體是由沿積在鐵基金屬上的粒徑0.5～3.0mm，占涂復(fù)層重量的30%～70%的燒結(jié)硬質(zhì)合金顆粒和一種主要包括針狀細(xì)小的金屬碳化物的鑄鐵材料組成，該鑄鐵材料燒結(jié)硬質(zhì)合金顆粒聯(lián)在一起，碳化物含碳3～7%。
全文摘要
用MIC(熔化極惰性氣體保護(hù)焊)焊機(jī)在鐵基金屬上進(jìn)行涂覆。在焊接中所用的焊絲30成分變?yōu)橥扛矊覮的母體。在焊接中固定量的燒結(jié)硬質(zhì)合金顆粒G加入到溶池P中。顆粒G的具體粒徑是0.5～3.0mm，燒結(jié)硬質(zhì)合金顆粒均勻地彌散到母體中，占整個(gè)涂覆層重量的30％—70％。
文檔編號(hào)B23K35/30GK1067599SQ9210398
公開日1993年1月6日 申請(qǐng)日期1992年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1991年6月18日
發(fā)明者蘆田敏行 申請(qǐng)人:株式會(huì)社粟本鐵工所