本發(fā)明屬于輥壓機堆焊技術領域，具體涉及一種基于金屬基石墨烯復合焊料的壓輥輥面氣體保護堆焊方法。

背景技術：

石墨烯是一種具有獨特物理化學特性的新材料。該材料是目前世界上最薄最堅硬的材料之一。同時擁有優(yōu)異的電學性能(禁帶寬度約等于0，載流子遷移率達到2×105cm²·V－1·s－1)、卓越的力學性能(楊氏模量為1100GPa，斷裂強度為125GPa)以及良好的熱學性能(熱導率約為5000W·m－1·K－1，熱膨脹系數極低)。自發(fā)現以來，石墨烯已經被廣泛用來制備各種各樣的新材料，特別是功能復合材料。

石墨烯增強結構復合材料的研究起步晚，目前主要集中在制備石墨烯增強Al基，Ni基，Cu基復合材料。在塊狀石墨烯增強金屬基復合材料里，石墨烯分布在晶界上，細化晶粒，提高材料的屈服強度和硬度的作用。這些材料的制備過程繁瑣復雜，制造成本居高不下，難以實現規(guī)模化量產，它們也都局限于特殊要求的應用領域。

由于石墨烯所具有的特性，適合于在各種需要耐磨層實現防磨目的應用領域。特別是有滑動摩擦磨損或滾動摩擦磨損的接觸面的改性應用。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于金屬基石墨烯復合焊料的壓輥輥面氣體保護堆焊方法，該方法能夠在壓輥輥面沉積出少層石墨烯增強焊層，從而大大提高了壓輥輥面的表面硬度和耐磨性能。

本發(fā)明采用如下方案解決上述技術問題：基于金屬基石墨烯復合焊料的壓輥輥面氣體保護堆焊方法，包括如下步驟：

a)碳弧氣刨 用氣刨的石墨棒或碳棒電極與壓輥輥面上殘留的硬面層間產生的電弧將硬面層金屬熔化，并用壓縮氣體吹掉，以清潔壓輥輥面及刨出溝槽；

b)打底堆焊 在壓輥輥面溝槽中堆焊多層打底焊料，實現與壓輥輥面的良好結合；

c)硬面層堆焊 在上述打底層上堆焊硬面層焊料；

d)花紋層堆焊 在上述硬面層上堆焊金屬基石墨烯復合焊料，并形成一定的花紋圖案，直到壓輥尺寸達到要求為止；所述壓輥輥面生成少層石墨烯增強金屬基復合焊層，該焊層表面包含有均勻分布的少層石墨烯細化晶粒；

其中，所述金屬基石墨烯堆焊復合焊料由管狀包皮材料和充填其中的填料粉末組成；所述管狀包皮材料為低碳鋼或低合金鋼，所述填料粉末為Fe基石墨烯粉末、陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、難熔金屬、納米級Al₂O₃粉末的混合物，其各成分的重量比為Fe基石墨烯粉末：陶瓷顆粒：B：Cr：Ni：難熔金屬：納米級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與C的質量比為50-80：2.1-3.5；

所述打底堆焊、硬面層堆焊、花紋層堆焊工序均使用氣體保護堆焊槍進行操作施工，其保護氣為Ar氣、CO2或兩者按1：1-5比例的混合氣。

優(yōu)化的，所述陶瓷顆粒包含SiC、B₄C、BN、SiO₂、TiC、Al₂O₃成分。

優(yōu)化的，所述難熔金屬為V、Nb、Ta、Mo、W中的至少一種。

優(yōu)化的，所述氣體保護堆焊槍工作電壓為20-40V，工作電流為300-600A，所述電極到壓輥輥面的距離為3-30cm。

其中，所述金屬基石墨烯堆焊復合焊料由如下步驟制備而成：

a)選取粒徑為100-200nm的石墨粉與粒徑為53um-96um的鐵粉，按照重量比1：8-20的比例分別稱重；

b)將上述石墨粉及鐵粉放入干燥箱中干燥，在100‐150℃保溫0.5‐2.0小時；

c)將在步驟b中干燥的石墨粉及鐵粉快速轉入機械混合容器中，啟動機械混合容器繞軸旋轉，使所述石墨粉及鐵粉相互碰撞結合，所述機械混合容器的轉動速度為10–120rpm，混合時間為2-12小時；

d)混合完成后，將上述混合物用270目的格篩進行篩分，保留未經過270目篩孔的粉末，即為所述的金屬基石墨烯粉末；

e)將步驟d中得到的金屬基石墨烯粉末與所述陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、難熔金屬、納米級Al₂O₃粉末按上述比例混合，烘干，再放入機械混合容器混合均勻，得到填料粉末，再將填料粉末填充至所述管狀包皮材料中，即得到所述的金屬基石墨烯堆焊復合焊料；

其中，所述機械混合容器包括圓筒形不銹鋼容器罐、水平固定軸以及驅動水平固定軸旋轉的驅動裝置；所述容器罐兩端設置有用于粉末填入和取出的活門，所述容器罐固定在水平固定軸上，且軸芯與水平固定軸成15°-45°夾角，所述容器罐以水平固定軸為軸心進行旋轉；所述容器罐的直徑與高度比為1:1-3。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明采用一種金屬基石墨烯復合焊料，通過氣體保護堆焊方法，在壓輥輥面生成少層石墨烯增強金屬基復合焊層，從而提高了壓輥的表面硬度和耐磨性能；本發(fā)明的焊料制備工藝簡便，成本低廉，適合大規(guī)模生產制造，有利于石墨烯材料的廣泛應用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中金屬基石墨烯復合焊料的工藝流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例中機械混合容器機械混合過程示意圖。

具體實施方式

實施例1

基于金屬基石墨烯復合焊料的壓輥輥面氣體保護堆焊方法，包括如下步驟：

a)碳弧氣刨 用氣刨的石墨棒或碳棒電極與壓輥輥面上殘留的硬面層間產生的電弧將硬面層金屬熔化，并用壓縮氣體吹掉，以清潔壓輥輥面及刨出溝槽；

b)打底堆焊 在壓輥輥面溝槽中堆焊多層打底焊料，實現與壓輥輥面的良好結合；

c)硬面層堆焊 在上述打底層上堆焊硬面層焊料；

d)花紋層堆焊 在上述硬面層上堆焊金屬基石墨烯復合焊料，并形成一定的花紋圖案，直到壓輥尺寸達到要求為止；所述壓輥輥面生成少層石墨烯增強金屬基復合焊層，該焊層表面包含有均勻分布的少層石墨烯細化晶粒；

其中，所述金屬基石墨烯堆焊復合焊料由管狀包皮材料和充填其中的填料粉末組成；所述管狀包皮材料為低碳鋼或低合金鋼，所述填料粉末為Fe基石墨烯粉末、陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、Ta、納米級Al₂O₃粉末的混合物，其各成分的重量比為Fe基石墨烯粉末：陶瓷顆粒：B：Cr：Ni：Ta：納米級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與C的質量比為62：3。

所述打底堆焊、硬面層堆焊、花紋層堆焊工序均使用氣體保護堆焊槍進行操作施工，其保護氣為Ar氣。

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

所述氣體保護堆焊槍工作電壓為20-40V，工作電流為300-600A，所述電極到壓輥輥面的距離為3-30cm。

其中，所述金屬基石墨烯堆焊復合焊料由如下步驟制備而成：

a)選取粒徑為100-200nm的石墨粉與粒徑為53um(270目)-96um(160目)的鐵粉，按照重量比1：16的比例分別稱重；

b)將上述石墨粉及鐵粉放入干燥箱中干燥，120℃保溫1.0小時；

c)將在步驟b中干燥的石墨粉及鐵粉快速轉入機械混合容器中，啟動機械混合容器繞軸旋轉，使所述石墨粉及鐵粉相互碰撞結合，所述機械混合容器的轉動速度為100rpm，混合時間為5小時；

d)混合完成后，將上述混合物用270目的格篩進行篩分，保留未經過270目篩孔的粉末，即為所述的金屬基石墨烯粉末；

e)將步驟d中得到的金屬基石墨烯粉末與所述陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、Ta、納米級Al₂O₃粉末按上述比例混合，烘干，再放入機械混合容器混合均勻，得到填料粉末，再將填料粉末填充至所述管狀包皮材料中，即得到所述的金屬基石墨烯熱噴涂復合焊絲；

其中，所述機械混合容器包括圓筒形不銹鋼容器罐、水平固定軸以及驅動水平固定軸旋轉的驅動裝置；所述容器罐兩端設置有用于粉末填入和取出的活門，所述容器罐固定在水平固定軸上，且軸芯與水平固定軸成30°夾角，所述容器罐以水平固定軸為軸心進行旋轉(如圖2所示)；所述容器罐的直徑與高度比為1:2。

本發(fā)明采用一種金屬基石墨烯復合焊料，通過氣體保護堆焊方法，在壓輥輥面生成少層石墨烯增強金屬基復合焊層，該復合焊層的硬度超過HRC65，是理想的耐磨層材料，從而提高了壓輥的表面硬度和耐磨性能；本發(fā)明的焊料制備工藝簡便，成本低廉，適合大規(guī)模生產制造，有利于石墨烯材料的廣泛應用。

實施例2

基于金屬基石墨烯復合焊料的壓輥輥面氣體保護堆焊方法，包括如下步驟：

a)碳弧氣刨用氣刨的石墨棒或碳棒電極與壓輥輥面上殘留的硬面層間產生的電弧將硬面層金屬熔化，并用壓縮氣體吹掉，以清潔壓輥輥面及刨出溝槽；

b)打底堆焊 在壓輥輥面溝槽中堆焊多層打底焊料，實現與壓輥輥面的良好結合；

c)硬面層堆焊 在上述打底層上堆焊硬面層焊料；

d)花紋層堆焊 在上述硬面層上堆焊金屬基石墨烯復合焊料，并形成一定的花紋圖案，直到壓輥尺寸達到要求為止；所述壓輥輥面生成少層石墨烯增強金屬基復合焊層，該焊層表面包含有均勻分布的少層石墨烯細化晶粒；

其中，所述金屬基石墨烯堆焊復合焊料由管狀包皮材料和充填其中的填料粉末組成；所述管狀包皮材料為低碳鋼或低合金鋼，所述填料粉末為Fe基石墨烯粉末、陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、Nb、納米級Al₂O₃粉末的混合物，其各成分的重量比為Fe基石墨烯粉末：陶瓷顆粒：B：Cr：Ni：Nb：納米級Al₂O₃粉末＝60：8：3：15：3：3：8，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe與C的質量比為57.5：2.5。

所述打底堆焊、硬面層堆焊、花紋層堆焊工序均使用氣體保護堆焊槍進行操作施工，其保護氣為CO₂氣。

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

所述氣體保護堆焊槍工作電壓為20-40V，工作電流為300-600A，所述電極到壓輥輥面的距離為3-30cm。

其中，所述金屬基石墨烯堆焊復合焊料由如下步驟制備而成：

a)選取粒徑為100-200nm的石墨粉與粒徑為53um(270目)-96um(160目)的鐵粉，按照重量比1：12的比例分別稱重；

b)將上述石墨粉及鐵粉放入干燥箱中干燥，100℃保溫2.0小時；

c)將在步驟b中干燥的石墨粉及鐵粉快速轉入機械混合容器中，啟動機械混合容器繞軸旋轉，使所述石墨粉及鐵粉相互碰撞結合，所述機械混合容器的轉動速度為80rpm，混合時間為8小時；

d)混合完成后，將上述混合物用270目的格篩進行篩分，保留未經過270目篩孔的粉末，即為所述的金屬基石墨烯粉末；

e)將步驟d中得到的金屬基石墨烯粉末與所述陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、Nb、納米級Al₂O₃粉末按上述比例混合，烘干，再放入機械混合容器混合均勻，得到填料粉末，再將填料粉末填充至所述管狀包皮材料中，即得到所述的金屬基石墨烯熱噴涂復合焊絲；

其中，所述機械混合容器包括圓筒形不銹鋼容器罐、水平固定軸以及驅動水平固定軸旋轉的驅動裝置；所述容器罐兩端設置有用于粉末填入和取出的活門，所述容器罐固定在水平固定軸上，且軸芯與水平固定軸成45°夾角，所述容器罐以水平固定軸為軸心進行旋轉(如圖2所示)；所述容器罐的直徑與高度比為1:2。

實施例3

基于金屬基石墨烯復合焊料的壓輥輥面氣體保護堆焊方法，包括如下步驟：

a)碳弧氣刨 用氣刨的石墨棒或碳棒電極與壓輥輥面上殘留的硬面層間產生的電弧將硬面層金屬熔化，并用壓縮氣體吹掉，以清潔壓輥輥面及刨出溝槽；

b)打底堆焊 在壓輥輥面溝槽中堆焊多層打底焊料，實現與壓輥輥面的良好結合；

c)硬面層堆焊 在上述打底層上堆焊硬面層焊料；

d)花紋層堆焊 在上述硬面層上堆焊金屬基石墨烯復合焊料，并形成一定的花紋圖案，直到壓輥尺寸達到要求為止；所述壓輥輥面生成少層石墨烯增強金屬基復合焊層，該焊層表面包含有均勻分布的少層石墨烯細化晶粒；

其中，所述金屬基石墨烯堆焊復合焊料由管狀包皮材料和充填其中的填料粉末組成；所述管狀包皮材料為低碳鋼或低合金鋼，所述填料粉末為Fe基石墨烯粉末、陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、V、納米級Al₂O₃粉末的混合物，其各成分的重量比為Fe基石墨烯粉末：陶瓷顆粒：B：Cr：Ni：V：納米級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與C的質量比為68：2.4。

所述打底堆焊、硬面層堆焊、花紋層堆焊工序均使用氣體保護堆焊槍進行操作施工，其保護氣為Ar氣、CO₂按1：1比例的混合氣。

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

所述氣體保護堆焊槍工作電壓為20-40V，工作電流為300-600A，所述電極到壓輥輥面的距離為3-30cm。

其中，所述金屬基石墨烯堆焊復合焊料由如下步驟制備而成：

a)選取粒徑為100-200nm的石墨粉與粒徑為53um(270目)-96um(160目)的鐵粉，按照重量比1：13的比例分別稱重；

b)將上述石墨粉及鐵粉放入干燥箱中干燥，100℃保溫2.0小時；

c)將在步驟b中干燥的石墨粉及鐵粉快速轉入機械混合容器中，啟動機械混合容器繞軸旋轉，使所述石墨粉及鐵粉相互碰撞結合，所述機械混合容器的轉動速度為120rpm，混合時間為2小時；

d)混合完成后，將上述混合物用270目的格篩進行篩分，保留未經過270目篩孔的粉末，即為所述的金屬基石墨烯粉末；

e)將步驟d中得到的金屬基石墨烯粉末與所述陶瓷顆粒、B、Cr、Ni、V、納米級Al₂O₃粉末按上述比例混合，烘干，再放入機械混合容器混合均勻，得到填料粉末，再將填料粉末填充至所述管狀包皮材料中，即得到所述的金屬基石墨烯熱噴涂復合焊絲；

其中，所述機械混合容器包括圓筒形不銹鋼容器罐、水平固定軸以及驅動水平固定軸旋轉的驅動裝置；所述容器罐兩端設置有用于粉末填入和取出的活門，所述容器罐固定在水平固定軸上，且軸芯與水平固定軸成40°夾角，所述容器罐以水平固定軸為軸心進行旋轉(如圖2所示)；所述容器罐的直徑與高度比為1:3。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。