高碳钴铬钨焊丝及其制备方法与流程

808 编辑：中冶有色技术网来源：北京机电研究所有限公司

2023-09-19 16:33:47

本发明涉及金属材料制备

技术领域：

，尤其涉及一种高碳钴铬钨焊丝及其制备方法。

背景技术：

：钴铬钨(cocrw)合金又名司太立合金(stellite)，该类合金主要元素为钴、铬、钨，同时辅以其他元素，由于其优越的高温性能、耐热耐蚀及耐磨性能，在航天航空、石油、核工业、海洋等工业领域中有较广泛的利用。这种材料是一种优异的焊接材料，常被使用与耐磨耐腐等恶劣的工况环境下使用。通常通过固溶强化及析出强化等手段对钴铬钨合金综合性能的改善和优化，尤其是合金中所含的碳化物的析出强化对其硬度强度的提升有着至关重要的作用。用作焊丝的钴铬钨合金一般铬含量为25-33％，钨含量为3-21％，碳含量为0.7-3.0％，目前来说，主要是通过熔炼前的精准配料及尤其是热处理的熔炼过程中的人工经验来使焊丝中具有特定的碳含量。然而这样的控碳方法对制备工艺和技术人员要求很高，生产成本高，也难以大批量生产。其它例如通过在熔炼合金过程中加入碳元素的控碳方法则难以调控焊丝中的碳含量，从而难以产生质量恒定的焊丝，成品率低。由于合金材料本身的硬度和脆性，目前国内外采用的钴铬钨焊丝的制备工艺，主要是粉末冶金、真空吸铸和连铸，但是这些工艺均有其局限性。连铸工艺的生产过程中常常发生焊丝断裂、碎裂现象，碳含量控制难等生产问题，所铸造的焊丝缺陷也较多，所得丝材的成品率较低。吸铸工艺和粉末冶金由于需要特定的制备设备，其制备成本较高，难以成型较长且连续的焊丝，仅适用于实验室或特别需求的工业用途。现有技术中也有针对钴基焊丝的冷拔加工工艺，然而在对焊丝的冷拔后还需要进行再结晶软化退火处理，该退火处理会导致脱碳现象发生，引起碳含量变化。此外，随着碳含量提高，钴铬钨合金的脆性会因为其碳化物含量的增加而急剧增加，使得其变形难度越来越高，基本上无法通过焊丝领域常用的拉丝技术形成通常横截面半径在0.5-5毫米的丝材或者线材。因此，如何改善高碳钴铬钨焊丝的制备方法，使得在能够实现精准调控钴铬钨焊丝的碳含量的同时降低生产成本、提高焊丝成品率，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。技术实现要素：有鉴于此，本发明提供了一种创新性的高碳钴铬钨焊丝制备方法，其采用了先拉拔低碳钴铬钨合金形成丝材、后续提高丝材碳含量的理念，以简单且节省成本的方式，既保证了合金焊丝的成品率，又能够对合金焊丝的碳含量进行精准调控。本发明的第一方面提供一种高碳钴铬钨焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：对碳含量低于0.05％的钴铬钨合金进行拉丝处理，制得丝材；对所述丝材进行前处理；通过真空渗碳设备对经处理的所述丝材进行渗碳处理，使得所述丝材中的碳含量达到1％以上；对渗碳处理后的丝材进行冷却处理，制得高碳钴铬钨焊丝。在本发明的一些实施例中，所述碳含量低于0.05％的钴铬钨合金，原子比为50-60co:20-27cr:1-10w:5-10m,其中m表示mn、w、ti、b、mo、ni、fe中的一种或多种。在本发明的一些实施例中，所述丝材的横截面直径为0.5-5mm。在本发明的一些实施例中，所述制备方法还包括对所述丝材进行截断处理的步骤，所述截断处理步骤在所述拉丝处理之后且所述前处理之前。在本发明其他一些实施例中，对所述丝材进行截断处理的步骤在所述前处理之后且在所述渗碳处理之前。在本发明另一些实施例中，对所述丝材进行截断处理的步骤在所述渗碳处理之后且在所述冷却处理之前。可以容易理解的是，对丝材进行截断处理的步骤的顺序可以根据生产制备的实际情况和所使用的设备进行调整。在本发明的一些实施例中，所述前处理包括打磨处理、清洗处理和干燥处理。在本发明的一些实施例中，所述打磨处理是用砂纸逐级打磨至1500#。在本发明的另一些实施例中，所述打磨是用砂纸逐级打磨至3000#。由此，能够对丝材表面进行整形，并且能够去除拉丝过程中在丝材表面产生的氧化物，有利于后续的渗碳处理。在本发明的一些实施例中，所述清洗处理包括超声清洗。由此，能够有助于去除焊丝表面残留的颗粒和杂质，有利于后续的渗碳处理。在本发明的一些实施例中，所述清洗还包括有机溶剂清洗。所述有机溶剂例如选自酒精、乙醚、丙酮。由此，能够有助于进一步去除焊丝表面残留的杂质，有利于后续的渗碳处理。在本发明的一些实施例中，所述干燥处理是常温干燥处理。在本发明中，干燥处理也可以是加温干燥处理，但干燥温度不宜过高，一方面以免对合金特性产生不利影响，另一方面加温干燥也增加了生产成本。在本发明的一些实施例中，所述制备方法还包括对所述真空渗碳设备进行气体清洗处理的步骤，所述气体清洗处理在所述前处理之后且在渗碳处理之前。在本发明的一些实施例中，所述气体清理处理所采用的气体为甲烷和/或乙炔。由此，能够净化真空渗碳设备内的环境，以免真空渗碳设备中包含有例如n2、o2、h2、p、s等对合金高温性能具有不利影响的杂质，从而提高钴铬钨合金焊丝的成品率。在本发明的一些实施例中，在经过所述渗碳处理后，所述丝材中的碳含量达到4％以上。在本发明的一些实施例中，所述丝材中的碳含量甚至达到8％。在本发明的一些实施例中，所述渗碳处理是高温气体渗碳处理，其处理温度为1000-1300℃。出乎意料地，发明人发现将渗碳处理的温度提高至1000-1300℃，会使得碳元素均匀地分布到所述丝材中，从而能够实现焊丝在整体上具有特定含碳量，而不会在丝材表面形成由于其碳含量过剩而导致丝材的脆化和破损的表碳层。由此，能够以可靠的方式对钴铬钨合金焊丝的碳含量进行精准调控，并且保证了钴铬钨合金焊丝的成品率。在本发明的一些实施例中，所述高温气体渗碳处理所采用的渗碳剂为甲烷和/或乙炔。由此，能够以可靠的方式对丝材进行渗碳，而不会产生对合金的高温性能有害的物质，例如o2、h2、p、s等，从而避免对钴铬钨合金焊丝的成品率产生不利影响。在本发明的一些实施例中，所述渗碳处理的渗碳时间为20-45分钟，渗碳时间内的压力为500-3000pa，扩散时间为50-75分钟，扩散时间内的压力为10-2-10-1pa。由此，以简单且可靠的方式实现对焊丝含碳量的精确把控。在本发明的一些实例中，所述冷却处理是气体冷却，压力为0.5-1.5mpa。在本发明的一些实施例中，所述气体冷却采用的气体是惰性气体。所述惰性气体优选氮气。由此，能够以可靠的方式快速冷却丝材，避免发生影响焊丝含碳量和焊丝机械性能的脱碳现象，从而提高焊丝质量和成品率。在本发明的一些实施例中，所述制备方法在所述冷却处理步骤之后还包括包装步骤，以在所述高碳钴铬钨焊丝表面形成包装层。本发明的第二方面提供一种高碳钴铬钨焊丝，其特征在于，由上述任一种高碳钴铬钨焊丝的制备方法制备得到。与现有技术相比，本发明的制备方法具有以下优点：(1)本发明的制备方法对设备依赖性较低，通过配合使用常规拉丝设备以及例如为工业渗碳炉的常规真空渗碳设备就能够实施，在显著降低制备成本的同时还保证了成品率；(2)本发明的制备方法通过调节真空渗碳设备的温度、渗碳时间、扩散时间以及压力，以简单且可靠的方式实现对焊丝含碳量的精确把控，且制得的焊丝质量恒定、成品率高；以及(3)本发明的制备方法制备得到的焊丝在整体上而非仅仅丝材表面能够具有较高的含碳量。在本发明的一些制备方法实施例中，所制备得到的焊丝的含碳量甚至高达8％。通过本发明所制备的高碳钴铬钨焊丝的优点已经在上述关于制备方法优点的描述中体现，在此不再赘述。附图说明图1分别示出了根据本发明三个不同制备方法实施例制得的三种焊丝的显微组织图。具体实施方式下面结合实施例对本发明的技术方案进一步说明。制备方法实施例1一种高碳钴铬钨焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：对碳含量低于0.05％的材料成分为co25cr4.5w3.5ni的钴铬钨合金进行拉丝处理，制得直径为2mm的丝材；在对丝材以30cm进行截取后，对各表面进行打磨直到1500#砂纸，之后先用超声波水洗，再用酒精清洗，而后迅速风干；将经处理的各丝材悬挂在真空渗碳炉的炉腔中心处，关闭炉门之后，开启抽真空，用乙炔气体反复清洗炉腔4次，保证腔内气氛纯净度，然后用乙炔作为渗碳剂进行渗碳处理，参数为：温度1130-1160℃、压力1500-2000pa、渗碳时间30分钟、扩散时间55分钟、压力为系统真空度为10-2-10-1pa；对渗碳处理后的丝材进行压力为1.2mpa的气体冷却处理，制得高碳钴铬钨焊丝。根据上述方法制备得到的高碳钴铬钨焊丝的成品率高达99％，取样测得高碳钴铬钨焊丝的碳含量为1.4％，取样测得高碳钴铬钨焊丝的平均硬度为511.37(hv0.2),取样焊丝的组织形貌图见图1a,从图1a中可以看出碳元素均匀分布在焊丝中。制备方法实施例2一种高碳钴铬钨焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：对碳含量低于0.05％的材料成分为co25cr4.5w3.5ni的钴铬钨合金进行拉丝处理，制得直径为2mm的丝材；在对丝材以30cm进行截取后，对各表面进行打磨直到1500#砂纸，之后先用超声波水洗，再用酒精清洗，而后迅速风干；将经处理的各丝材悬挂在真空渗碳炉的炉腔中心处，关闭炉门之后，开启抽真空，用乙炔气体反复清洗炉腔4次，保证腔内气氛纯净度，然后用乙炔作为渗碳剂进行渗碳处理，参数为：温度1180-1210℃、压力1500-2000pa、渗碳时间30分钟、扩散时间60分钟、压力为系统真空度为10-2-10-1pa；对渗碳处理后的丝材进行压力为1.2mpa的气体冷却处理，制得高碳钴铬钨焊丝。根据上述方法制备得到的高碳钴铬钨焊丝的成品率高达98.5％，取样测得高碳钴铬钨焊丝的碳含量为2.4％，取样测得高碳钴铬钨焊丝的平均硬度为560.65(hv0.2),取样焊丝的组织形貌图见图1b，从图1b中可以看出碳元素均匀分布在焊丝中。制备方法实施例3一种高碳钴铬钨焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：对碳含量低于0.05％的材料成分为co25cr4.5w3.5ni的钴铬钨合金进行拉丝处理，制得直径为2mm的丝材；在对丝材以30cm进行截取后，对各表面进行打磨直到1500#砂纸，之后先用超声波水洗，再用酒精清洗，而后迅速风干；将经处理的各丝材悬挂在真空渗碳炉的炉腔中心处，关闭炉门之后，开启抽真空，用乙炔气体反复清洗炉腔4次，保证腔内气氛纯净度，然后用乙炔作为渗碳剂进行渗碳处理，参数为：温度1230-1260℃、压力1500-2000pa、渗碳时间35分钟、扩散时间60分钟、压力为系统真空度为10-2-10-1pa；对渗碳处理后的丝材进行压力为1.2mpa的气体冷却处理，制得高碳钴铬钨焊丝。根据上述方法制备得到的高碳钴铬钨焊丝的成品率高达96％，取样测得高碳钴铬钨焊丝的碳含量为3.9％，取样测得高碳钴铬钨焊丝的平均硬度为764.71(hv0.2),取样焊丝的组织形貌图见图1c，从图1c中可以看出碳元素均匀分布在焊丝中。下面示出了根据本发明的制备方法实施例4-8，除了表1示出的区别，这些实施例的其它部分与实施例1完全相同。表1实施例4实施例5实施例6实施例7实施例8合金相同相同co25cr4.5w2fe1nico25cr4.5w2fe1ni相同打磨1500#相同#1500#相同2000#有机溶剂相同无丙酮相同相同气体清理无相同相同甲烷相同冷却参数0.5mpa1mpa相同相同相同温度1130-11601180-12101230-12601130-11601180-1210对根据制备方法实施例4-8制备得到的高碳钴铬钨焊丝进行评估和取样检测，结果如表2。表2实施例4实施例5实施例6实施例7实施例8含碳量1.32.54.11.42.5成品率96％98.5％95.5％99.5％96％从上述各实施例可以看出，本发明提供的高碳钴铬钨焊丝的制备方法对设备要求不高，步骤工艺简单，即使在提高焊丝的含碳量时也能够保持较高的成品率。上述仅为本申请的较佳实施例，是许多技术特征的组合。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。例如本发明的一些其它实施例可以不包括上述实施例的诸如截取处理等的一些技术特征，或者丝材的直径尺寸改变等。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请保护范畴。当前第1页12

技术特征：

1.一种高碳钴铬钨焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

对碳含量低于0.05％的钴铬钨合金进行拉丝处理，制得丝材；

对所述丝材进行前处理；

通过真空渗碳设备对经处理的所述丝材进行渗碳处理，使得所述丝材中的碳含量达到1％以上；

对渗碳处理后的丝材进行冷却处理，制得高碳钴铬钨焊丝。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳含量低于0.05％的钴铬钨合金，原子比为50-60co:20-27cr:1-10w:5-10m,其中m表示mn、w、ti、b、mo、ni、fe中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述前处理包括打磨处理、清洗处理和干燥处理。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括对所述真空渗碳设备进行气体清洗处理的步骤，所述气体清洗处理在所述前处理之后且在渗碳处理之前。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述渗碳处理是高温气体渗碳处理，其处理温度为1000-1300℃。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述高温气体渗碳处理所采用的渗碳剂为甲烷和/或乙炔。

7.根据权利要求1、5和6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述渗碳处理的渗碳时间为20-45分钟，渗碳时间内的压力为500-3000pa，扩散时间为50-75分钟，扩散时间内的压力为10-2-10-1pa。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷却处理是气体冷却，压力为0-1.5mpa。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述气体冷却采用的气体是惰性气体。

10.一种由权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到的高碳钴铬钨焊丝。

技术总结

本发明涉及一种高碳钴铬钨焊丝及其制备方法。该制备方法包括以下步骤：对碳含量低于0.05％的钴铬钨合金进行拉丝处理，制得丝材；对丝材进行前处理；将通过真空渗碳设备对经处理的丝材进行渗碳处理，使得丝材中的碳含量达到1％以上；对渗碳处理后的丝材进行冷却处理，制得高碳钴铬钨焊丝。本发明的制备方法在显著降低制备成本的同时还保证了成品率，制得的焊丝质量恒定的同时能够具有较高的含碳量。

技术研发人员：郝国建;杨刚;刘波;翟月雯

受保护的技术使用者：北京机电研究所有限公司

技术研发日：2020.07.03

技术公布日：2020.11.10

声明：

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