專利名稱：采用手工電弧焊原位合成含TiB₂硬質相的鐵基復合涂層的方法及其應用的制作方法
技術領域：
本發明屬于材料工程技術領域，更加具體地說，涉及一種材料表面制備高硬度復合涂層的方法。
背景技術：
隨著科學技術的發展，各個行業對材料的使用性能要求也越來越高。表面的強化處理技術因其不僅能夠提高材料整體的綜合性能，還能提高材料的使用性能，使得這種技術成為當今研究的熱點。在表面工程領域，含有硬質相的涂層通過各種工藝覆蓋在基體材料表面，被應用來提高部件整體的耐磨、耐蝕和耐高溫性能。常用的硬質相主要有氧化物(例如 Al203、Zr02)、氮化物(例如 TiN、Si3N4)和碳化物(例如 TiC、Cr3C2、VC、B4C)。然而，TiB2 因其具有高硬度、高熔點以及優良的摩擦性能成為硬質相的研究熱點。TiB2的制備方法有燒結法、自蔓延快速加壓技術、自蔓延沖擊壓實技術、機械合金化技術和原位反應法。其中原位合成的方法形成高熔點的TiB2的堆焊層與基體可以達到冶金結合，結合強度比其他方法獲得的涂層高的多。另外，原位合成的大厚度涂層也是其他方法無法比擬的。傳統原位合成方法制備含TiB2硬質相復合涂層通常采用高能熱源，例如激光、等離子弧等。然而，上面提到的方法只能合成較薄或極薄的涂層，不適合應用為長期耐磨涂層。另外，高的儀器費用也限制了激光或等離子弧原位合成方法的應用。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，以較低的成本制備大厚度、高硬度的金
屬基復合涂層。本發明的目的通過下述技術方案予以實現采用手工電弧焊工藝，在低碳鋼基體上堆焊出含高硬度的含TiB2硬質相的復合涂層，按照下述步驟進行第一步，在焊芯材料上形成由Fe-Ti粉和B4C粉末組成的涂層其中所述焊芯材料選擇Φ3. 2mm的H08A焊芯材料，所述Fe-Ti粉為大連金州公司生產，其化學成分(wt%)為 3. 80%C、10. 65%0、2· 50%Α1、3· 10%Si、l. 84%Ca、7. 90%Mn、29. 78%Ti和40. 43%Fe ;所述B4C粉末為牡丹江磨料二廠生產，化學成分(wt%)為96%B、
3.81%C和O. 19%0 ;所述兩種粉末充分混合，其中Fe-Ti粉的質量分數為70_80%、B4C粉末的質量分數為20-30%，待充分混合后采用粘結劑增加其黏度，以保證混合體系能夠涂敷在焊芯材料上，加入量為兩種粉末總質量的5% — 20%，優選5% — 10%，所述粘結劑采用常州市五環粘合劑廠生產的鈉水玻璃，濃度為45 50波美度，混合藥粉采用水玻璃搓制在焊芯上，具體要求與普通焊條生產技術要求相同。為確保焊條的干燥性，焊條使用前需放入烘干箱中烘干I. 5 — 3h，烘干溫度為300 - 350°C，優選在350°C下烘干I. 5h。第二步，在工件表面進行手工電弧焊原位合成含TiB2硬質相的鐵基復合涂層
其中所述工件為尺寸為200 X 50 X IOmm的Q235，先采用240#、400#砂紙依次打磨
表面光滑平整，再采用丙酮溶液進行除油處理；焊接工藝參數為焊接電流17(Γ200Α，焊接電壓為24 32V，焊接速度為r5mm/s和電源接法為直流反接。本發明中采用手工電弧焊工藝，在低碳鋼基體上制備了外觀光滑的堆焊涂層(如圖I所示)。涂層中TiB2硬質相均勻的分布在復合涂層中(如圖2所示，涂層中細小白色棒狀TiB2硬質相均勻的分布在復合涂層中)。如圖4所示，由堆焊涂層上表面的XRD衍射分析圖，堆焊涂層由TiB2、Fe2B、α-Fe以及少量馬氏體相組成。本發明可以獲得4_5mm左右的高硬度復合涂層，并且涂層的硬度沿熔深的方向呈梯度分布(如圖3所示，測量堆焊涂層從熔合線到涂層表面沿熔深方向的硬度分布，采用美國沃伯特432SVDLEVEL3顯微維氏硬度計測量涂層硬度分布，載荷大小為98N，單位為強度HV98N)，本發明中涂層的制造成本低且易于制備。


圖I利用本發明的技術方案在低碳鋼表面制備堆焊涂層的照片圖2利用本發明的技術方案在低碳鋼表面制備堆焊涂層的金相圖片(金相顯微鏡型號為GX-51，Olympus公司生產)圖3測量堆焊涂層從熔合線到涂層表面沿熔深方向的硬度分布4堆焊涂層上表面的XRD衍射分析圖(日本理學的Rigaku D/max 2500v/pc形衍射儀)
具體實施例方式以下結合實施例對本發明的技術方案作進一步的解釋。焊芯材料選擇Φ3. 2mm的H08A焊芯材料；Fe-Ti粉為大連金州公司生產，其化學成分(wt% )為3. 80%C、10. 65%0、
2.50%A1、3. 10%Si、l. 84%Ca、7. 90%Μη、29· 78%Ti 和 40. 43%Fe ；B4C 粉末為牡丹江磨料二廠生產，化學成分(wt%)為96%B、3. 81%C和O. 19%0 ;粘結劑采用常州市五環粘合劑廠生產的鈉水玻璃，濃度為45 50波美度；工件為尺寸為200 X 50 X IOmm的Q235鋼。實施例I :I)按重量比稱取70%Fe_Ti粉(16. 8g)、30%B4C粉(7. 2g)，充分混合后采用水玻璃搓制在Φ3. 2mm的H08A焊芯上。焊條搓制后放于通風陰涼處24h。焊條使用前放置于烘干箱中烘干2h，烘干溫度為350°C。2)待焊試板表面經過240#、400#砂紙依次打磨光滑,然后采用丙酮溶液對表面進行除油處理。3)電焊條采用直流反接，焊接電壓為30V，焊接電流170A以及焊接速度4mm/s，在試板上堆焊形成涂層。本實施例中，堆焊時焊接工藝穩定。獲得的堆焊層上表面的最高硬度可以達到1009HV·，表面成型良好，且涂層與基體有良好的冶金結合。在焊道涂層上發現有橫向裂紋。實施例2:I)按重量比稱取75%Fe_Ti粉(18g)、25%B4C粉(6g)，充分混合后采用水玻璃搓制在Φ3. 2mm的Η08Α焊芯上。焊條搓制后放于通風陰涼處24h。焊條使用前放置于烘干箱中烘干2h,烘干溫度為35CTC。2)待焊試板表面經過240#、400#砂紙依次打磨光滑,然后采用丙酮溶液對表面進行除油處理。3)電焊條采用直流反接，焊接電壓為32V，焊接電流180A以及焊接速度4mm/s，在試板上堆焊形成涂層。本實施例中，堆焊時焊接工藝穩定。獲得的堆焊層上表面的最高硬度可以達到934HV·，表面成型良好，且涂層與基體有良好的冶金結合。涂層上沒有發現裂紋。實施例3 I)按重量比稱取80%Fe_Ti粉(19. 2g)、20%B4C粉(4. 8g)，充分混合后采用水玻璃搓制在Φ3. 2mm的H08A焊芯上。焊條搓制后放于通風陰涼處24h。焊條使用前放置于烘干 箱中烘干2h，烘干溫度為350°C。2)待焊試板表面經過240#、400#砂紙依次打磨光滑,然后采用丙酮溶液對表面進行除油處理。3)電焊條采用直流反接，焊接電壓為26V，焊接電流170A以及焊接速度4mm/s，在試板上堆焊形成涂層。本實施例中，堆焊時焊接工藝穩定。獲得的堆焊層上表面的最高硬度可以達到870HV·，表面成型良好，且涂層與基體有良好的冶金結合。涂層上沒有發現裂紋。實施例4:I)按重量比稱取75%Fe_Ti粉(27g)、25%B4C粉(9g)，充分混合后采用水玻璃搓制在Φ3. 2mm的H08A焊芯上。焊條搓制后放于通風陰涼處24h。焊條使用前放置于烘干箱中烘干2h,烘干溫度為35CTC。2)待焊試板表面經過240#、400#砂紙依次打磨光滑，然后采用丙酮溶液對表面進行除油處理。3)電焊條采用直流反接，焊接電壓為24V，焊接電流200A以及焊接速度5mm/s，在試板上堆焊形成涂層。本實施例中，堆焊時焊接工藝穩定。獲得的堆焊層上表面的最高硬度可以達到11084HV·，表面成型良好，且涂層與基體有良好的冶金結合。涂層的潤濕性很好，且在涂層上沒有發現裂紋。由于采用的大電流焊接時對周圍基體的熱影響較大，試板堆焊后有少許變形。以上對本發明做了示例性的描述，應該說明的是，在不脫離本發明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創造性勞動的等同替換均落入本發明的保護范圍。
權利要求
1.采用手工電弧焊原位合成含TiB2硬質相的鐵基復合涂層的方法，采用手工電弧焊工藝，在金屬基體上堆焊出含高硬度的含TiB2硬質相的復合涂層，其特征在于，按照下述步驟進行 第一步，在焊芯材料上形成由Fe-Ti粉和B4C粉末組成的涂層 其中所述焊芯材料選擇Φ3. 2mm的H08A焊芯材料，所述Fe-Ti粉化學成分(wt% )為3. 80% C、10. 65% 0,2. 50% Al,3. 10% Si、I. 84% Ca,7. 90% Mn,29. 78% Ti 和 40. 43% Fe ；所述B4C粉末化學成分)為96% B、3. 81% C和O. 19% O ;所述兩種粉末充分混合，其中Fe-Ti粉的質量分數為70-80%、B4C粉末的質量分數為20-30%，待充分混合后采用粘結劑增加其黏度，以保證混合體系能夠涂敷在焊芯材料上 第二步，在工件表面進行手工電弧焊原位合成含TiB2硬質相的鐵基復合涂層 其中所述焊接工藝參數為焊接電流170 200A，焊接電壓為24 32V，焊接速度為4 5mm/s和電源接法為直流反接。
2.根據權利要求I所述的采用手工電弧焊原位合成含TiB2硬質相的鐵基復合涂層的方法，其特征在于，所述第一步中，所述粘結劑的加入量兩種粉末總質量的5% -20%。
3.根據權利要求I所述的采用手工電弧焊原位合成含TiB2硬質相的鐵基復合涂層的方法，其特征在于，所述第一步中，所述粘結劑的加入量兩種粉末總質量的5% -10%。
4.根據權利要求I所述的采用手工電弧焊原位合成含TiB2硬質相的鐵基復合涂層的方法，其特征在于，所述第一步中，所述粘結劑采用鈉水玻璃，濃度為45 50波美度。
5.根據權利要求I所述的采用手工電弧焊原位合成含TiB2硬質相的鐵基復合涂層的方法，其特征在于，所述第一步中，為確保焊條的干燥性，混合藥粉采用粘結劑搓制在焊芯后在焊條使用前需放入烘干箱中烘干I. 5-3h，烘干溫度為300-350°C，優選在350°C下烘干I.5h。
6.根據權利要求I所述的采用手工電弧焊原位合成含TiB2硬質相的鐵基復合涂層的方法，其特征在于，所述第二步中，所述工件為尺寸為200 X 50 X IOmm的Q235。
7.根據權利要求I所述的采用手工電弧焊原位合成含TiB2硬質相的鐵基復合涂層的方法，其特征在于，所述第二步中，所述工件先采用240#、400#砂紙依次打磨表面光滑平整，再采用丙酮溶液進行除油處理。
8.如權利要求I所述的方法在金屬基體上堆焊出含高硬度的含TiB2硬質相的復合涂層的應用，其特征在于，所述金屬基體為Q235。
全文摘要
本發明公開了采用手工電弧焊原位合成含TiB2硬質相的鐵基復合涂層及其應用，首先在焊芯材料上形成由Fe-Ti粉和B4C粉末組成的涂層，然后在工件表面進行手工電弧焊原位合成含TiB2硬質相的鐵基復合涂層。本發明采用手工電弧焊工藝可以較低的成本制備大厚度、高硬度的金屬基復合涂層，在低碳鋼基體上堆焊出含高硬度的含TiB2硬質相的復合涂層。
文檔編號B23K35/34GK102861968SQ20121033831
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月13日 優先權日2012年9月13日
發明者王惜寶, 王鳳會 申請人:天津大學