基于金属基石墨烯复合焊料的压辊辊面气体保护堆焊方法与流程

本发明属于辊压机堆焊技术领域，具体涉及一种基于金属基石墨烯复合焊料的压辊辊面气体保护堆焊方法。

背景技术：

石墨烯是一种具有独特物理化学特性的新材料。该材料是目前世界上最薄最坚硬的材料之一。同时拥有优异的电学性能(禁带宽度约等于0，载流子迁移率达到2×105cm²·V－1·s－1)、卓越的力学性能(杨氏模量为1100GPa，断裂强度为125GPa)以及良好的热学性能(热导率约为5000W·m－1·K－1，热膨胀系数极低)。自发现以来，石墨烯已经被广泛用来制备各种各样的新材料，特别是功能复合材料。

石墨烯增强结构复合材料的研究起步晚，目前主要集中在制备石墨烯增强Al基，Ni基，Cu基复合材料。在块状石墨烯增强金属基复合材料里，石墨烯分布在晶界上，细化晶粒，提高材料的屈服强度和硬度的作用。这些材料的制备过程繁琐复杂，制造成本居高不下，难以实现规模化量产，它们也都局限于特殊要求的应用领域。

由于石墨烯所具有的特性，适合于在各种需要耐磨层实现防磨目的应用领域。特别是有滑动摩擦磨损或滚动摩擦磨损的接触面的改性应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于金属基石墨烯复合焊料的压辊辊面气体保护堆焊方法，该方法能够在压辊辊面沉积出少层石墨烯增强焊层，从而大大提高了压辊辊面的表面硬度和耐磨性能。

本发明采用如下方案解决上述技术问题：基于金属基石墨烯复合焊料的压辊辊面气体保护堆焊方法，包括如下步骤：

a)碳弧气刨 用气刨的石墨棒或碳棒电极与压辊辊面上残留的硬面层间产生的电弧将硬面层金属熔化，并用压缩气体吹掉，以清洁压辊辊面及刨出沟槽；

b)打底堆焊 在压辊辊面沟槽中堆焊多层打底焊料，实现与压辊辊面的良好结合；

c)硬面层堆焊 在上述打底层上堆焊硬面层焊料；

d)花纹层堆焊 在上述硬面层上堆焊金属基石墨烯复合焊料，并形成一定的花纹图案，直到压辊尺寸达到要求为止；所述压辊辊面生成少层石墨烯增强金属基复合焊层，该焊层表面包含有均匀分布的少层石墨烯细化晶粒；

其中，所述金属基石墨烯堆焊复合焊料由管状包皮材料和充填其中的填料粉末组成；所述管状包皮材料为低碳钢或低合金钢，所述填料粉末为Fe基石墨烯粉末、陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、难熔金属、纳米级Al₂O₃粉末的混合物，其各成分的重量比为Fe基石墨烯粉末：陶瓷颗粒：B：Cr：Ni：难熔金属：纳米级Al₂O₃粉末＝50-80：1-10：2.6-5：2-20：1-4：1-5：5-20，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe与C的质量比为50-80：2.1-3.5；

所述打底堆焊、硬面层堆焊、花纹层堆焊工序均使用气体保护堆焊枪进行操作施工，其保护气为Ar气、CO2或两者按1：1-5比例的混合气。

优化的，所述陶瓷颗粒包含SiC、B₄C、BN、SiO₂、TiC、Al₂O₃成分。

优化的，所述难熔金属为V、Nb、Ta、Mo、W中的至少一种。

优化的，所述气体保护堆焊枪工作电压为20-40V，工作电流为300-600A，所述电极到压辊辊面的距离为3-30cm。

其中，所述金属基石墨烯堆焊复合焊料由如下步骤制备而成：

a)选取粒径为100-200nm的石墨粉与粒径为53um-96um的铁粉，按照重量比1：8-20的比例分别称重；

b)将上述石墨粉及铁粉放入干燥箱中干燥，在100‐150℃保温0.5‐2.0小时；

c)将在步骤b中干燥的石墨粉及铁粉快速转入机械混合容器中，启动机械混合容器绕轴旋转，使所述石墨粉及铁粉相互碰撞结合，所述机械混合容器的转动速度为10–120rpm，混合时间为2-12小时；

d)混合完成后，将上述混合物用270目的格筛进行筛分，保留未经过270目筛孔的粉末，即为所述的金属基石墨烯粉末；

e)将步骤d中得到的金属基石墨烯粉末与所述陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、难熔金属、纳米级Al₂O₃粉末按上述比例混合，烘干，再放入机械混合容器混合均匀，得到填料粉末，再将填料粉末填充至所述管状包皮材料中，即得到所述的金属基石墨烯堆焊复合焊料；

其中，所述机械混合容器包括圆筒形不锈钢容器罐、水平固定轴以及驱动水平固定轴旋转的驱动装置；所述容器罐两端设置有用于粉末填入和取出的活门，所述容器罐固定在水平固定轴上，且轴芯与水平固定轴成15°-45°夹角，所述容器罐以水平固定轴为轴心进行旋转；所述容器罐的直径与高度比为1:1-3。

本发明的优点在于：本发明采用一种金属基石墨烯复合焊料，通过气体保护堆焊方法，在压辊辊面生成少层石墨烯增强金属基复合焊层，从而提高了压辊的表面硬度和耐磨性能；本发明的焊料制备工艺简便，成本低廉，适合大规模生产制造，有利于石墨烯材料的广泛应用。

附图说明

图1为本发明实施例中金属基石墨烯复合焊料的工艺流程图；

图2为本发明实施例中机械混合容器机械混合过程示意图。

具体实施方式

实施例1

基于金属基石墨烯复合焊料的压辊辊面气体保护堆焊方法，包括如下步骤：

a)碳弧气刨 用气刨的石墨棒或碳棒电极与压辊辊面上残留的硬面层间产生的电弧将硬面层金属熔化，并用压缩气体吹掉，以清洁压辊辊面及刨出沟槽；

b)打底堆焊 在压辊辊面沟槽中堆焊多层打底焊料，实现与压辊辊面的良好结合；

c)硬面层堆焊 在上述打底层上堆焊硬面层焊料；

d)花纹层堆焊 在上述硬面层上堆焊金属基石墨烯复合焊料，并形成一定的花纹图案，直到压辊尺寸达到要求为止；所述压辊辊面生成少层石墨烯增强金属基复合焊层，该焊层表面包含有均匀分布的少层石墨烯细化晶粒；

其中，所述金属基石墨烯堆焊复合焊料由管状包皮材料和充填其中的填料粉末组成；所述管状包皮材料为低碳钢或低合金钢，所述填料粉末为Fe基石墨烯粉末、陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、Ta、纳米级Al₂O₃粉末的混合物，其各成分的重量比为Fe基石墨烯粉末：陶瓷颗粒：B：Cr：Ni：Ta：纳米级Al₂O₃粉末＝65：7：2.6：8：1：2：14.4，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe与C的质量比为62：3。

所述打底堆焊、硬面层堆焊、花纹层堆焊工序均使用气体保护堆焊枪进行操作施工，其保护气为Ar气。

其中，所述陶瓷颗粒包含SiC、B₄C、BN、SiO₂、TiC、Al₂O₃成分。

所述气体保护堆焊枪工作电压为20-40V，工作电流为300-600A，所述电极到压辊辊面的距离为3-30cm。

其中，所述金属基石墨烯堆焊复合焊料由如下步骤制备而成：

a)选取粒径为100-200nm的石墨粉与粒径为53um(270目)-96um(160目)的铁粉，按照重量比1：16的比例分别称重；

b)将上述石墨粉及铁粉放入干燥箱中干燥，120℃保温1.0小时；

c)将在步骤b中干燥的石墨粉及铁粉快速转入机械混合容器中，启动机械混合容器绕轴旋转，使所述石墨粉及铁粉相互碰撞结合，所述机械混合容器的转动速度为100rpm，混合时间为5小时；

d)混合完成后，将上述混合物用270目的格筛进行筛分，保留未经过270目筛孔的粉末，即为所述的金属基石墨烯粉末；

e)将步骤d中得到的金属基石墨烯粉末与所述陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、Ta、纳米级Al₂O₃粉末按上述比例混合，烘干，再放入机械混合容器混合均匀，得到填料粉末，再将填料粉末填充至所述管状包皮材料中，即得到所述的金属基石墨烯热喷涂复合焊丝；

其中，所述机械混合容器包括圆筒形不锈钢容器罐、水平固定轴以及驱动水平固定轴旋转的驱动装置；所述容器罐两端设置有用于粉末填入和取出的活门，所述容器罐固定在水平固定轴上，且轴芯与水平固定轴成30°夹角，所述容器罐以水平固定轴为轴心进行旋转(如图2所示)；所述容器罐的直径与高度比为1:2。

本发明采用一种金属基石墨烯复合焊料，通过气体保护堆焊方法，在压辊辊面生成少层石墨烯增强金属基复合焊层，该复合焊层的硬度超过HRC65，是理想的耐磨层材料，从而提高了压辊的表面硬度和耐磨性能；本发明的焊料制备工艺简便，成本低廉，适合大规模生产制造，有利于石墨烯材料的广泛应用。

实施例2

基于金属基石墨烯复合焊料的压辊辊面气体保护堆焊方法，包括如下步骤：

a)碳弧气刨用气刨的石墨棒或碳棒电极与压辊辊面上残留的硬面层间产生的电弧将硬面层金属熔化，并用压缩气体吹掉，以清洁压辊辊面及刨出沟槽；

b)打底堆焊 在压辊辊面沟槽中堆焊多层打底焊料，实现与压辊辊面的良好结合；

c)硬面层堆焊 在上述打底层上堆焊硬面层焊料；

d)花纹层堆焊 在上述硬面层上堆焊金属基石墨烯复合焊料，并形成一定的花纹图案，直到压辊尺寸达到要求为止；所述压辊辊面生成少层石墨烯增强金属基复合焊层，该焊层表面包含有均匀分布的少层石墨烯细化晶粒；

其中，所述金属基石墨烯堆焊复合焊料由管状包皮材料和充填其中的填料粉末组成；所述管状包皮材料为低碳钢或低合金钢，所述填料粉末为Fe基石墨烯粉末、陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、Nb、纳米级Al₂O₃粉末的混合物，其各成分的重量比为Fe基石墨烯粉末：陶瓷颗粒：B：Cr：Ni：Nb：纳米级Al₂O₃粉末＝60：8：3：15：3：3：8，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe与C的质量比为57.5：2.5。

所述打底堆焊、硬面层堆焊、花纹层堆焊工序均使用气体保护堆焊枪进行操作施工，其保护气为CO₂气。

其中，所述陶瓷颗粒包含SiC、B₄C、BN、SiO₂、TiC、Al₂O₃成分。

所述气体保护堆焊枪工作电压为20-40V，工作电流为300-600A，所述电极到压辊辊面的距离为3-30cm。

其中，所述金属基石墨烯堆焊复合焊料由如下步骤制备而成：

a)选取粒径为100-200nm的石墨粉与粒径为53um(270目)-96um(160目)的铁粉，按照重量比1：12的比例分别称重；

b)将上述石墨粉及铁粉放入干燥箱中干燥，100℃保温2.0小时；

c)将在步骤b中干燥的石墨粉及铁粉快速转入机械混合容器中，启动机械混合容器绕轴旋转，使所述石墨粉及铁粉相互碰撞结合，所述机械混合容器的转动速度为80rpm，混合时间为8小时；

d)混合完成后，将上述混合物用270目的格筛进行筛分，保留未经过270目筛孔的粉末，即为所述的金属基石墨烯粉末；

e)将步骤d中得到的金属基石墨烯粉末与所述陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、Nb、纳米级Al₂O₃粉末按上述比例混合，烘干，再放入机械混合容器混合均匀，得到填料粉末，再将填料粉末填充至所述管状包皮材料中，即得到所述的金属基石墨烯热喷涂复合焊丝；

其中，所述机械混合容器包括圆筒形不锈钢容器罐、水平固定轴以及驱动水平固定轴旋转的驱动装置；所述容器罐两端设置有用于粉末填入和取出的活门，所述容器罐固定在水平固定轴上，且轴芯与水平固定轴成45°夹角，所述容器罐以水平固定轴为轴心进行旋转(如图2所示)；所述容器罐的直径与高度比为1:2。

实施例3

基于金属基石墨烯复合焊料的压辊辊面气体保护堆焊方法，包括如下步骤：

a)碳弧气刨 用气刨的石墨棒或碳棒电极与压辊辊面上残留的硬面层间产生的电弧将硬面层金属熔化，并用压缩气体吹掉，以清洁压辊辊面及刨出沟槽；

b)打底堆焊 在压辊辊面沟槽中堆焊多层打底焊料，实现与压辊辊面的良好结合；

c)硬面层堆焊 在上述打底层上堆焊硬面层焊料；

d)花纹层堆焊 在上述硬面层上堆焊金属基石墨烯复合焊料，并形成一定的花纹图案，直到压辊尺寸达到要求为止；所述压辊辊面生成少层石墨烯增强金属基复合焊层，该焊层表面包含有均匀分布的少层石墨烯细化晶粒；

其中，所述金属基石墨烯堆焊复合焊料由管状包皮材料和充填其中的填料粉末组成；所述管状包皮材料为低碳钢或低合金钢，所述填料粉末为Fe基石墨烯粉末、陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、V、纳米级Al₂O₃粉末的混合物，其各成分的重量比为Fe基石墨烯粉末：陶瓷颗粒：B：Cr：Ni：V：纳米级Al₂O₃粉末＝70.4：4：3.5：10.1：4：3：7，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe与C的质量比为68：2.4。

所述打底堆焊、硬面层堆焊、花纹层堆焊工序均使用气体保护堆焊枪进行操作施工，其保护气为Ar气、CO₂按1：1比例的混合气。

其中，所述陶瓷颗粒包含SiC、B₄C、BN、SiO₂、TiC、Al₂O₃成分。

所述气体保护堆焊枪工作电压为20-40V，工作电流为300-600A，所述电极到压辊辊面的距离为3-30cm。

其中，所述金属基石墨烯堆焊复合焊料由如下步骤制备而成：

a)选取粒径为100-200nm的石墨粉与粒径为53um(270目)-96um(160目)的铁粉，按照重量比1：13的比例分别称重；

b)将上述石墨粉及铁粉放入干燥箱中干燥，100℃保温2.0小时；

c)将在步骤b中干燥的石墨粉及铁粉快速转入机械混合容器中，启动机械混合容器绕轴旋转，使所述石墨粉及铁粉相互碰撞结合，所述机械混合容器的转动速度为120rpm，混合时间为2小时；

d)混合完成后，将上述混合物用270目的格筛进行筛分，保留未经过270目筛孔的粉末，即为所述的金属基石墨烯粉末；

e)将步骤d中得到的金属基石墨烯粉末与所述陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、V、纳米级Al₂O₃粉末按上述比例混合，烘干，再放入机械混合容器混合均匀，得到填料粉末，再将填料粉末填充至所述管状包皮材料中，即得到所述的金属基石墨烯热喷涂复合焊丝；

其中，所述机械混合容器包括圆筒形不锈钢容器罐、水平固定轴以及驱动水平固定轴旋转的驱动装置；所述容器罐两端设置有用于粉末填入和取出的活门，所述容器罐固定在水平固定轴上，且轴芯与水平固定轴成40°夹角，所述容器罐以水平固定轴为轴心进行旋转(如图2所示)；所述容器罐的直径与高度比为1:3。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。