一种电渣堆焊制备含原始WC陶瓷增强相耐磨硬面的方法

摘要

本发明提供一种电渣堆焊制备含原始WC陶瓷增强相耐磨硬面的方法，用含有WC颗粒的合金粉为焊接原料，采用电渣堆焊的方式，获得保留有WC颗粒的熔覆合金。本发明提出的方法，采用预铺合金粉、或用药芯焊带、药芯焊丝的方法实现电渣堆焊。该方法工序安排合理，实施简便，成本适中，具有可推广价值。制备的硬面层与基材结合强度高，表面质量优异，综合力学性能稳定，持久耐用。

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种含有WC成分的硬面层 的焊接方法。

背景技术

随着现代工业和技术设备的发展，对材料耐磨损性的要求越来越 高，使用寿命越来越成为影响现代设备生产效率的重要因素。据不完 全统计，仅我国电力、建筑材料、冶金、采煤和农机行业，每年消耗 金属材料达400万吨以上。尤其是应用于矿山、水泥等领域的大型机 械设备，在使用过程中由于局部磨损、损伤而无法继续使用，耗损巨 大。

为了缓解材料磨损程度，提升机械零件的性能、延长使用寿命， 对部件表面进行强化处理以获得耐磨损硬面层是工业中常用的经济 有效的方法。由于陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合材料不仅具有金属材 料的高强度、良好的塑性和冲击韧性等优点，还具有陶瓷材料的高硬 度、高耐磨性，并且克服了传统耐磨材料耐磨性与强韧性相互制约的 技术难题。

WC颗粒洛氏硬度高达93HRC，并且熔点达到3000℃。因此具有 高硬度、高熔点、高耐磨性及良好的稳定性，而且比其他金属陶瓷颗 粒(如碳化钛等)易于获得，是制备颗粒增强耐磨复合材料的首选增强 相。

目前制备这种耐磨复合硬面层采用较多的技术方法有，热喷涂、 激光表面处理和堆焊等；其中采用堆焊方法制备硬面层不仅与基体合 金结合比较好，而且易于应用工程实际中。而采用药芯焊丝、或埋弧 焊的电弧堆焊方法，电弧温度达到5000℃以上，远远超过WC颗粒的 熔点，这样添加的原始WC颗粒全部被熔化。另外从液态金属原位合 成WC的反应是难以实现的，因为W和C在Fe-W-C液态的铁基合金系 统中的热力学方向决定了最终反应生成物相是Fe₃W₃C、Fe₆W₆C，很 少生成或根本不生成WC或W₂C，而Fe₃W₃C、Fe6W6C是脆性的网状 相，硬度低、韧性差，作为硬质增强相的性能与WC或W₂C差之甚远。 因而，必须用外加WC陶瓷颗粒制备铁基复合堆焊层。电渣堆焊不存 在电弧热，熔池温度在1600-2300℃，非常有利于在堆焊合金中制备 WC耐磨硬质相，含有这种硬质相的堆焊合金耐磨性将大大提高。采 用电渣堆焊方法制备含原始WC陶瓷增强相的耐磨硬面在理论上和实 验操作中都是可行的。

发明内容

针对本技术领域的不足之处，本发明的目的是提供一种采用电渣 堆焊技术制备含WC陶瓷颗粒增强相耐磨硬面层的方法，并获得性能 优异的合金硬面层。

实现本发明上述目的技术方案为：

一种电渣堆焊制备含原始WC陶瓷增强相耐磨硬面的方法，用含 有WC颗粒的合金粉为焊接原料，采用电渣堆焊的方式，获得保留有 WC颗粒的熔覆合金。

具体地，所述电渣堆焊包括以下步骤：

1)准备原料：焊接前，在基材上预铺合金粉并采用无药芯的焊 带，或制备药芯焊丝或药芯焊带，所述药芯是含有WC颗粒的合金粉， 焊剂为电渣堆焊焊剂；

2)制备耐磨复合硬面层：用带极电渣堆焊进行焊接；或者用药 芯焊丝电渣堆焊方法进行焊接；或药芯焊带带极电渣堆焊方法进行焊 接，采用相同的焊接工艺堆焊两层。

其中，所述基材为碳素结构钢Q235、Q245、Q345B、Q345R、 X42、X46、X52、X56、X60、X65、X70中的一种，焊接前基材先 用砂纸打磨、然后用有机溶剂清洗；所述有机溶剂为乙醇或丙酮。其 中，所述不含药芯的焊带包括低碳钢焊带、不锈钢或镍基焊带，例如 可以为H04、H10、H08D、H08DG、H08C，H08CG中的一种。

其中，所述WC颗粒为铸造WC颗粒，尺寸在180～250μm。

作为本发明的优选技术方案之一，所述预铺合金粉的方式为：在 基材上先铺放一层不含WC的合金粉，再铺放一层WC颗粒。

其中，所述合金粉的成分组成为：B：1-4wt.％、Cr：15-30wt.％、 Si：1.6-3wt.％、Mn：1.5-2.5wt.％、Nb：0-4wt.％、C：0.5-2wt.％、 WC：15-40wt.％、余量为铁。(WC即WC颗粒，其他成分以市售 的合金粉末形式添加)。

作为本发明另一优选技术方案，所述带级电渣堆焊的焊接电压 为：25～30V、焊接电流为：600A，焊接速度为20～22cm/min。

作为本发明再一优选技术方案，所述电渣自动焊的焊接电压为： 30-35V，焊接电流为：400-450A、焊接速度为340-400mm/min。

其中，所使用的焊带为不锈钢或镍基焊带，焊带宽30～75mm， 厚0.3～0.7mm。

焊接中，每一焊层厚度2～3mm，堆焊两层。

采用药芯焊丝过渡合金粉的方法，每一焊层厚度2～3mm，采用 相同焊接工艺堆焊两层，以避免基材对硬面层的影响。

本发明所述的方法焊接得到的硬面层。

本发明的有益效果在于：

本发明提出的方法，采用电渣堆焊技术制备含WC陶瓷颗粒增强 相耐磨硬面层的方法，可获得性能优异的合金硬面层。本方法工序安 排合理，实施简便，成本适中，具有可推广价值。制备的硬面层与基 材结合强度高，表面质量优异，综合力学性能稳定，持久耐用。

本发明提出的方法，采用低碳钢焊带+焊道前预铺合金粉方法实 现电渣堆焊。该方法既可以通过送粉器将合金粉铺在焊道上也可以采 用手工铺粉法实现，操作简单。

附图说明

图1：实施例1金相显微拼接图(1#)，从右到左依次为：母材、 第一层WC、堆焊层基体组织、第二层WC和堆焊层表面；

图2：实施例2扫描电镜图(2#)；

图3：实施例4金相图(3#)；

图4：实施例5扫描电镜图(4#)；

图5：实施例7金相图(5#)；

图6：实施例8扫描电镜图(6#)；

图7：实施例制1#-6#硬面层和高铬铸铁堆焊合金的洛氏硬度；

图8：实施例制1#-6#硬面层和高铬铸铁堆焊合金的相对耐磨性。

具体实施方式

下面通过最佳实施例来说明本发明。本领域技术人员所应知的 是，实施例只用来说明本发明而不是用来限制本发明的范围。

实施例中，如无特别说明，所用手段均为本领域常规的手段。

实施例1：预铺合金粉带极堆焊(1#)

本发明提及的焊道前预铺合金粉末带极电渣熔覆碳化钨增强相 硬面层的制备过程如下：

a)基材前处理，首先，用线切割将Q235钢板切割成厚度为8mm， 宽度为100mm，长度为400mm的板材；然后，用砂纸打磨除去表面 铁锈，直至露出金属光泽；然后用丙酮对基材进行清洗。最后用酒精 擦拭碳钢板表面并烘干，备用。

b)准备原料，制备硬面层的合金粉成分如表1，其中Bal.表示余 量，下同。

表1实施例1硬面层成分

按上表成分，精确称量所需合金粉末和铸造WC颗粒。选用焊带 为30×0.5mm的H04低碳钢带，焊剂选用型号为JWF205D的电渣 堆焊焊剂。

c)制备耐磨复合硬面层，采用带极堆焊设备，焊接电压：30V、 焊接电流：600A、焊接速度21cm/min。采用焊道前预铺合金粉的方 法，先均匀预铺混合均匀的合金粉末，然后再在上面预铺WC颗粒； 每一焊层厚度2～3mm，采用相同的工艺参数堆焊两层，以避免基材 对硬面层的影响。

实施例2预铺合金粉带极堆焊(2#)

本发明提及的焊道前预铺合金粉末带极电渣熔覆碳化钨增强相 硬面层的制备方法的具体制备过程如下：

a)基材前处理，首先，用线切割将Q235钢板切割成厚度为8mm， 宽度为100mm，长度为400mm的板材；然后，用砂纸打磨除去表面 铁锈，直至露出金属光泽；然后用丙酮对基材进行清洗。最后用酒精 擦拭碳钢板表面并烘干，备用。

b)准备原料，制备硬面层成分为：

表2实施例2的硬面层成分

精确称量所需合金粉末和铸造WC颗粒。选用焊带为30×0.5mm 的H04低碳钢带，焊剂选用型号为JWF205D的电渣堆焊焊剂。

c)制备耐磨复合硬面层，采用带极堆焊设备，焊接电压：30V、 焊接电流：600A、焊接速度21cm/min。采用焊道前预铺合金粉的方 法，先均匀预铺碳素铬铁粉末，然后再在上面预铺WC颗粒；每一焊 层厚度2～3mm，采用相同的工艺参数堆焊两层，以避免基材对硬面 层的影响。

实施例3预铺合金粉带极堆焊

本发明提及的焊道前预铺合金粉末带极电渣熔覆碳化钨增强相 硬面层的制备方法的具体制备过程如下：

a)基材前处理，首先，用线切割将Q235钢板切割成厚度为8mm， 宽度为100mm，长度为400mm的板材；然后，用砂纸打磨除去表面 铁锈，直至露出金属光泽；然后用丙酮对基材进行清洗。最后用酒精 擦拭碳钢板表面并烘干，备用。

b)准备原料，制备硬面层成分为：

表3实施例3的硬面层成分

精确称量所需合金粉末和铸造WC颗粒。选用焊带为30×0.5mm 的H04低碳钢带，焊剂选用型号为JWF205D的电渣堆焊焊剂。

c)制备耐磨复合硬面层，采用带极堆焊设备，焊接电压：30V、 焊接电流：600A、焊接速度21cm/min。采用焊道前预铺合金粉的方 法，先均匀预铺碳素铬铁粉末，然后再在上面预铺WC颗粒；每一焊 层厚度2～3mm，采用相同的工艺参数堆焊两层，以避免基材对硬面 层的影响。

实施例4药芯焊带电渣堆焊(3^#)

药芯焊带尺寸为1.4×30(厚度为1.4mm，宽度为30mm)。电渣熔 覆碳化钨增强相硬面层的制备过程如下：

a)基材前处理，首先，用线切割将Q235钢板切割成厚度为8mm， 宽度为100mm，长度为400mm的板材；然后，用砂纸打磨除去表面 铁锈，直至露出金属光泽；然后用丙酮对基材进行清洗。最后用酒精 擦拭碳钢板表面并烘干，备用。

b)准备原料，制备硬面层成分为：

表4实施例4硬面层成分

首选制备厚度为1.4mm，宽度为30mm的药芯焊带，成分如上表 所示；焊剂选用型号为JWF205D的电渣堆焊焊剂。其中WC颗粒所 需量为在整体合金粉末质量所占百分比，称取所需合金粉末和铸造 WC颗粒。

c)制备耐磨复合硬面层，采用带极堆焊设备，焊接电压：29V、 焊接电流：600A、焊接速度21cm/min。采用药芯焊带过渡合金粉末 的方法，并且用相同的工艺参数堆焊两层，每一焊层厚度2～3mm， 以避免基材对硬面层的影响。

实施例5药芯焊带电渣堆焊(4#)

药芯焊带尺寸为1.4×30(厚度为1.4mm，宽度为30mm)。电渣熔 覆碳化钨增强相硬面层的制备过程如下：

a)基材前处理，首先，用线切割将Q235钢板切割成厚度为8mm， 宽度为100mm，长度为400mm的板材；然后，用砂纸打磨除去表面 铁锈，直至露出金属光泽；然后用丙酮对基材进行清洗。最后用酒精 擦拭碳钢板表面并烘干，备用。

b)准备原料，制备硬面层成分为：

表5实施例5硬面层成分

首选制备厚度为1.4mm，宽度为30mm的药芯焊带，成分如上表 所示；焊剂选用型号为JWF205D的电渣堆焊焊剂。精确称量所需合 金粉末和铸造WC颗粒。

c)制备耐磨复合硬面层，采用带极堆焊专用设备，焊接电压： 29V、焊接电流：600A、焊接速度21cm/min。采用药芯焊带过渡合 金粉末的方法，用相同的工艺参数堆焊两层，每一焊层厚度2～3mm， 以避免基材对硬面层的影响。

实施例6药芯焊带电渣堆焊方法

本发明提及的药芯焊带1.4×30(厚度为1.4mm，宽度为30mm) 电渣熔覆碳化钨增强相硬面层的制备方法的具体过程如下：

a)基材前处理，首先，用线切割将Q235钢板切割成厚度为8mm， 宽度为100mm，长度为400mm的板材；然后，用砂纸打磨除去表面 铁锈，直至露出金属光泽；然后用丙酮对基材进行清洗。最后用酒精 擦拭碳钢板表面并烘干，备用。

b)准备原料，制备硬面层成分为：

表6实施例6硬面层成分

制备厚度为1.4mm，宽度为30mm的药芯焊带，药芯成分如上表 所示；焊剂选用型号为JWF205D的电渣堆焊焊剂。精确称量所需合 金粉末和铸造WC颗粒。

c)制备耐磨复合硬面层，采用带极堆焊设备，焊接电压：29V、 焊接电流：600A、焊接速度21cm/min。采用药芯焊带过渡合金粉末 的方法，采用相同的工艺参数堆焊两层，每一焊层厚度2～3mm，以 避免基材对硬面层的影响。

实施例7药芯焊丝电渣堆焊(5#)

本发明提及直径为2.75mm的药芯焊丝电渣熔覆碳化钨增强相硬 面层的制备方法的具体过程如下：

a)基材前处理，首先，用线切割将Q235钢板切割成厚度为8mm， 宽度为100mm，长度为400mm的板材；然后，用砂纸打磨除去表面 铁锈，直至露出金属光泽；然后用丙酮对基材进行清洗。最后用酒精 擦拭碳钢板表面并烘干，备用。

b)准备原料，制备硬面层成分为：

表7硬面层成分

首先制备直径2.75mm的药芯焊丝，药芯过渡的合金粉成分如上 表所示；焊剂选用型号为JWF205D的电渣堆焊焊剂。精确称量所需 合金粉末和铸造WC颗粒。

c)制备耐磨复合涂层，采用埋弧自动焊机，电渣堆焊焊剂，焊 接电压：30-35V、焊接电流：400-450A、焊接速度340-400mm/min。 采用药芯焊丝过渡合金粉的方法，每一焊层厚度2～3mm，采用相同 焊接工艺堆焊两层，以避免基材对硬面层的影响。

实施例8药芯焊丝电渣堆焊(6#)

本发明提及直径为2.75mm的药芯焊丝电渣熔覆碳化钨增强相硬 面层的制备方法的具体过程如下：

a)基材前处理，首先，用线切割将Q235钢板切割成厚度为8mm， 宽度为100mm，长度为400mm的板材；然后，用砂纸打磨除去表面 铁锈，直至露出金属光泽；然后用丙酮对基材进行清洗。最后用酒精 擦拭碳钢板表面并烘干，备用。

b)准备原料，制备硬面层成分为：

表8硬面层成分

首先制备直径2.75mm的药芯焊丝，药芯过渡的合金粉成分如上 表所示；焊剂选用型号为JWF205D的电渣堆焊焊剂。精确称量所需 合金粉末和铸造WC颗粒。

c)制备耐磨复合涂层，采用埋弧自动焊机，电渣堆焊焊剂，焊 接电压：30-35V、焊接电流：400-450A、焊接速度340-400mm/min。 采用药芯焊丝过渡合金粉的方法，每一焊层厚度2～3mm，采用相同 焊接工艺堆焊两层，以避免基材对硬面层的影响。

硬面层性能

上述焊接实施例1至实施例8所制备的含原始WC陶瓷增强相的 耐磨硬面层(试样1#～6#)的显微组织依次对应于图1-图6。六组试 样中呈不规则的圆形颗粒就是添加的原始铸造WC颗粒，其中，从图 1可以看出对于堆焊两层的硬面层，WC出现沉底现象；从图2、图4 和图6可以看出，颗粒周围都有一个区别于基体和碳化钨颗粒本身的 连续且致密的灰色带，这是碳化钨颗粒与基体的结合层，它是碳化钨 颗粒在堆焊过程中的由于温度变化发生部分溶解形成的。

对实施例制1#-6#的堆焊层熔覆金属进行硬度实验、耐磨损实验， 测试结果分别如附图7和图8所示。

采用HR-150多功能数字硬度仪测定硬度值，载荷为150kg，每 个试样测试5个点后取平均值。

堆焊合金耐磨损试验采用MLS-225型湿砂橡胶轮式金磨粒磨损 试验机进行，试样尺寸为57mm×25.5mm×14mm。试样参数为：橡 胶轮直径176mm，转速240r/min，橡胶轮硬度60(邵尔硬度)，载荷 100N，磨料选用40～70目的石英砂，预磨1000转、精磨3000转。 材料耐磨性能用磨损的失重量来衡量。试验用高铬铸铁作为对比，相 对耐磨性＝高铬铸铁磨损量/堆焊合金磨损量。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对 本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域 普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应 落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。