專利名稱：一種在紫銅表面火焰噴涂耐熱耐磨合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬表面噴涂技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種改善紫銅表面抗熱沖擊性能和耐磨性的熱噴涂工藝方法，即一種在紫銅表面火焰噴涂耐熱耐磨合金的方法。
背景技術(shù)：
紫銅(含Cu量不低于99.9％的工業(yè)純銅)密度為8.89g/cm3，熔點(diǎn)為1087℃，具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)，具備優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能特點(diǎn)，在導(dǎo)電元器件、熱交換器傳熱元件及高爐風(fēng)口套等零部件中得到廣泛應(yīng)用。但在某些應(yīng)用場合下，受工作環(huán)境的影響，迫切需要提高紫銅表面的抗熱沖擊性能和耐磨性。
以煉鐵高爐常用的鑄造紫銅制風(fēng)口套為例，風(fēng)口套作為煉鐵高爐的“咽喉”零件，由于長期工作在2200℃以上的高溫下，受鐵水、爐渣的侵蝕以及爐料熱風(fēng)、氣流的沖刷，工作條件異常惡劣，風(fēng)口套經(jīng)常由于局部磨損而受到損壞，使用壽命較短。煉鐵高爐風(fēng)口套屬于連續(xù)工作而且無法在使用中檢修更換的部件，紫銅風(fēng)口套壽命的降低不僅使備件費(fèi)用增加，而且高爐需停產(chǎn)更換，經(jīng)濟(jì)損失很大。因此提高紫銅風(fēng)口套表面的耐磨損和抗熱沖擊能力，對于冶金工業(yè)生產(chǎn)具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會意義。
近年來，隨著新材料的不斷開發(fā)和應(yīng)用，金屬碳化物以其耐高溫及優(yōu)于Al2O3、Zr2O3等氧化物的高溫耐磨性而受到國內(nèi)外研究者的關(guān)注。在紫銅表面噴涂一層金屬碳化物，能夠大大提高紫銅件表面的抗熱沖擊能力和耐磨性。但是，這項技術(shù)的困難在于紫銅與碳化物的線膨脹系數(shù)相差太大，兩者之間難以形成良好的冶金結(jié)合，而且在熱噴涂過程中在結(jié)合界面會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致零部件在使用過程中容易產(chǎn)生涂層剝離，影響產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。為此，人們多年來進(jìn)行了大量的試驗研究，采用的措施主要有堆焊、多元共滲和熱噴涂。其中采用鎢極氬弧焊(TIG)在紫銅表面進(jìn)行堆焊，焊前須采用氧-乙炔火焰將工件預(yù)熱到450-500℃，工藝復(fù)雜、生產(chǎn)率低，成本較高。
隨著熱噴涂技術(shù)的發(fā)展，在銅制零部件表面進(jìn)行噴涂以提高其使用壽命受到人們的關(guān)注。本溪鋼廠采用Ni-Cr合金作為打底層、采用Al2O3陶瓷材料作為工作層在紫銅表面進(jìn)行噴涂，可以大大提高其耐磨性能。新日本制鐵公司以含Co、Cr等的鎳基自熔合金為打底層，采用Al2O3+Zr2O3為工作層對紫銅表面進(jìn)行噴涂，也取得提高零部件使用壽命的效果。與Al2O3+Zr2O3相比，碳化鎢硬度高、耐磨性好、抗高溫氧化能力強(qiáng)，如果能在紫銅零部件表面成功噴涂含碳化鎢的合金層，將能夠大大延長紫銅零部件在高溫苛刻環(huán)境中的使用壽命。經(jīng)檢索，有關(guān)在紫銅表面火焰噴涂耐熱耐磨合金尤其是碳化鎢合金的方法還未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有紫銅零部件表面高溫耐磨蝕性差的問題，本發(fā)明要解決的問題是提出一種采用亞音速氧-乙炔火焰熱噴涂方法在紫銅表面噴涂耐熱耐磨合金層的工藝方法。采用這種方法，可在紫銅零部件表面獲得抗熱沖擊能力和耐磨性好的合金涂層，滿足紫銅零部件在高溫惡劣條件下使用的要求。
本發(fā)明的主要技術(shù)方案是采用鎳包鋁復(fù)合粉末作為打底層、用含碳化鎢的鎳基自熔性合金粉末作為工作層，在紫銅表面經(jīng)過預(yù)處理后，采用亞音速氧-乙炔火焰熱噴涂工藝對其進(jìn)行噴涂，以實現(xiàn)提高紫銅零部件表面的抗熱沖擊性能和耐磨性的目的。
本發(fā)明所述的在紫銅零部件表面火焰噴涂耐熱耐磨合金的方法，由下述步驟組成(1)噴涂前對紫銅工件表面進(jìn)行預(yù)處理和粗化處理；(2)采用亞音速氧-乙炔火焰熱噴涂方法對紫銅工件表面噴涂打底層，工藝參數(shù)為氧氣壓力0.2MPa-0.8MPa，乙炔壓力0.06MPa-0.12MPa，噴涂距離120mm-180mm，送粉量10g/min-20g/min，噴涂角度75°-85°，獲得的打底層厚度20μm-60μm；(3)采用亞音速氧-乙炔火焰熱噴涂方法對紫銅工件表面噴涂工作層，工藝參數(shù)為氧氣壓力0.3MPa-0.9MPa，乙炔壓力0.06MPa-0.14MPa，噴涂距離120mm-200mm，送粉量20g/min-40g/min，噴涂角度75°-85°，獲得的工作層厚度40μm-120μm；工作層以步驟(3)方法和條件重復(fù)噴涂2-4層。
上述在紫銅零部件表面火焰噴涂耐熱耐磨合金的方法中，步驟(1)所述預(yù)處理是指對紫銅零部件待噴涂表面進(jìn)行噴砂處理或車削加工，以去除紫銅表面的油污和銹蝕；步驟(1)所述粗化處理是指對紫銅表面進(jìn)行砂輪打磨，使之露出光潔粗化的金屬表面。
步驟(2)所述的打底層采用鎳包鋁復(fù)合粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比計為Ni 75％～80％、Al 20％～25％。
步驟(2)所述的工藝參數(shù)優(yōu)選氧氣壓力0.4MPa-0.6MPa，乙炔壓力0.08MPa-0.10MPa，噴涂距離140mm-160mm，送粉量13g/min-17g/min，噴涂角度77°-82°。
步驟(3)所述的工作層是含碳化鎢的鎳基自熔性合金粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比計為Cr 10％，C 0.5％，Si 3％，B 2％，F(xiàn)e＜3.3％，碳化鎢(WC)35％～50％，其余為Ni。
其中，上述含碳化鎢的鎳基自熔性合金粉末優(yōu)選的成分量，以重量百分比計為Cr10％，C 0.5％，Si 3％，B 2％，F(xiàn)e＜3.3％，碳化鎢(WC)40％～47％，其余為Ni。
步驟(3)所述的工藝參數(shù)優(yōu)選氧氣壓力0.5MPa-0.7MPa，乙炔壓力0.09MPa-0.12MPa，噴涂距離150mm-170mm，送粉量27g/min-33g/min，噴涂角度77°-82°。
本發(fā)明提出的在紫銅零部件表面通過亞音速火焰噴涂耐熱耐磨合金的工藝方法采用鎳包鋁復(fù)合粉末，這種粉末在熱噴涂過程中，當(dāng)被火焰加熱到鋁的熔點(diǎn)(660℃)以上時，Ni、Al之間發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，并放出大量的熱量，有利于促進(jìn)打底層與紫銅基體之間形成冶金結(jié)合。
采用本發(fā)明所述的在紫銅表面通過亞音速火焰噴涂耐熱耐磨合金的工藝方法獲得的打底層和工作層組織致密，孔隙率低，噴涂層內(nèi)部多角形的碳化鎢顆粒之間相互嵌合。噴涂層內(nèi)部的這種組織形態(tài)不僅改善了細(xì)微顆粒間的結(jié)合狀況，而且提高了基體與噴涂層以及噴涂層與噴涂層之間的界面結(jié)合強(qiáng)度。
與表面堆焊和表面滲金屬等工藝方法相比，采用本發(fā)明所述的在紫銅表面通過亞音速火焰噴涂耐熱耐磨合金的工藝方法制備的紫銅零部件，具有較高的抗氧化性、抗熱震性和優(yōu)異的耐磨性等，能大大提高紫銅零部件在高溫環(huán)境下的使用壽命。同時，本發(fā)明所述的技術(shù)還具有操作簡便、成本低、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，便于推廣應(yīng)用。
具體實施例方式
實施例1厚度為40mm的圓錐形紫銅件，上底面直徑為Ф200mm，下底面直徑為Ф350mm。采用亞音速氧-乙炔火焰熱噴涂紫銅表面的工藝步驟為(1)噴砂清理紫銅件表面，去除油污和銹蝕。
(2)用手動砂輪打磨紫銅表面，使之露出光潔粗化的金屬表面。
(3)采用亞音速氧-乙炔火焰熱噴涂方法，在紫銅表面噴涂厚度為20μm-40μm的鎳包鋁合金粉末作為打底層。工藝參數(shù)為氧氣壓力0.6MPa-0.8MPa，乙炔壓力0.08MPa-0.12MPa，噴涂距離150mm-180mm，送粉量20g/min，噴涂角度80°-85°。
(4)采用亞音速氧-乙炔火焰熱噴涂方法，在打底層上噴涂厚度60μm-80μm的含碳化鎢的鎳基自熔性合金粉末作為工作層。工藝參數(shù)為氧氣壓力0.6MPa-0.9MPa，乙炔壓力0.08MPa-0.14MPa，噴涂距離150mm-180mm，送粉量30g/min，噴涂角度80°-85°。
工作層以步驟(4)方法和條件需重復(fù)噴涂2-3層。
步驟(3)所述的打底層采用鎳包鋁復(fù)合粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比計為Ni 77％～80％、Al 20％～23％。
步驟(4)所述的含碳化鎢(WC)的鎳基自熔性合金粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比計為Cr 10％，C 0.5％，Si 3％，B 2％，F(xiàn)e＜3.3％，碳化鎢(WC)35％～40％，其余為Ni。
由于鎳包鋁打底層與紫銅基體結(jié)合良好，鎳包鋁打底層與工作層之間也形成了良好的冶金結(jié)合，因此工作層與基體之間實現(xiàn)了牢固的冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度達(dá)50MPa。這種工藝方法提高了紫銅工件表面的抗熱沖擊性能和耐磨性，其中耐磨性能比紫銅基體提高4倍以上。
實施例2厚度為40mm的紫銅板材，長、寬尺寸為300mm×100mm，在其表面采用亞音速氧-乙炔火焰熱噴涂一層耐磨合金層，工藝步驟為(1)噴砂清理紫銅板材表面，去除油污和銹蝕。
(2)用手動砂輪打磨紫銅表面，使之露出光潔粗化的金屬表面。
(3)采用亞音速氧-乙炔火焰熱噴涂方法，在紫銅表面噴涂厚度為20μm-40μm的鎳包鋁合金粉末作為打底層。工藝參數(shù)為氧氣壓力0.4MPa-0.6MPa，乙炔壓力0.06MPa-0.10MPa，噴涂距離140-160mm，送粉量20g/min，噴涂角度80°-85°。
(4)采用亞音速氧-乙炔火焰熱噴涂方法，在打底層上噴涂厚度40μm-60μm的含碳化鎢的鎳基自熔性合金粉末作為工作層。工藝參數(shù)為氧氣壓力0.5MPa-0.8MPa，乙炔壓力0.08MPa-0.12MPa，噴涂距離160-180mm，送粉量40g/min，噴涂角度80°-85°。
所述的含碳化鎢(WC)的鎳基自熔性合金粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比計為Cr 10％，C 0.5％，Si 3％，B 2.5％，F(xiàn)e＜3.3％，碳化鎢(WC)45％～50％，其余為Ni。
由于隨著含碳化鎢的鎳基自熔性合金粉末中B和碳化鎢(WC)含量的增加，得到的工作層中硼化物和碳化鎢顆粒增加，紫銅表面的耐磨性大大提高。
所述的打底層采用鎳包鋁復(fù)合粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比計為Ni 80％、Al 20％。
實施例3厚度為45mm的紫銅板材，長、寬尺寸為600mm×150mm，在其表面采用亞音速氧-乙炔火焰熱噴涂一層耐磨合金層，工藝步驟為(1)噴涂前對紫銅工件表面進(jìn)行預(yù)處理和粗化處理；所述預(yù)處理是指對紫銅件待噴涂表面進(jìn)行噴砂處理或車削加工，以去除紫銅表面的油污和銹蝕；所述粗化處理是指對紫銅表面進(jìn)行手動砂輪打磨，使之露出光潔粗化的金屬表面。
(2)采用亞音速氧-乙炔火焰熱噴涂方法對紫銅工件表面噴涂打底層，工藝參數(shù)為氧氣壓力0.4MPa-0.6MPa，乙炔壓力0.08MPa-0.10MPa，噴涂距離140mm-160mm，送粉量13g/min-17g/min，噴涂角度77°-82°，獲得的打底層厚度40μm-60μm；(3)采用亞音速氧-乙炔火焰熱噴涂方法對紫銅工件表面噴涂工作層，工藝參數(shù)為氧氣壓力0.5MPa-0.7MPa，乙炔壓力0.09MPa-0.12MPa，噴涂距離150mm-170mm，送粉量27g/min-33g/min，噴涂角度77°-82°，獲得的工作層厚度80μm-120μm；工作層以步驟(3)方法和條件重復(fù)噴涂3-4層。
步驟(2)所述的打底層采用鎳包鋁復(fù)合粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比計為Ni 75％、Al 25％。
步驟(3)所述的工作層是含碳化鎢的鎳基自熔性合金粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比計為Cr 10％，C 0.5％，Si 3％，B 2％，F(xiàn)e＜3.3％，碳化鎢40％～47％，其余為Ni。
本發(fā)明的實施，能夠在紫銅零部件表面獲得結(jié)合牢固的含碳化鎢鎳基合金噴涂層，可用于紫銅零部件表面的強(qiáng)化與修復(fù)，也可用于其他類型的銅或銅合金零部件表面耐磨、抗熱沖擊涂層的制備。
權(quán)利要求
1.一種在紫銅表面火焰噴涂耐熱耐磨合金的方法，由下述步驟組成(1)噴涂前對紫銅工件表面進(jìn)行預(yù)處理和粗化處理；(2)采用亞音速氧-乙炔火焰熱噴涂方法對紫銅工件表面噴涂打底層，工藝參數(shù)為氧氣壓力0.2MPa-0.8MPa，乙炔壓力0.06MPa-0.12MPa，噴涂距離120mm-180mm，送粉量10g/min-20g/min，噴涂角度75°-85°，獲得的打底層厚度20μm-60μm；(3)采用亞音速氧-乙炔火焰熱噴涂方法對紫銅工件表面噴涂工作層，工藝參數(shù)為氧氣壓力0.3MPa-0.9MPa，乙炔壓力0.06MPa-0.14MPa，噴涂距離120mm-200mm，送粉量20g/min-40g/min，噴涂角度75°-85°，獲得的工作層厚度40μm-120μm；工作層以步驟(3)方法和條件重復(fù)噴涂2-4層。
2.如權(quán)利要求1所述在紫銅表面火焰噴涂耐熱耐磨合金的方法，其特征是，步驟(1)所述預(yù)處理是指對紫銅零部件待噴涂表面進(jìn)行噴砂處理或車削加工，以去除紫銅表面的油污和銹蝕；步驟(1)所述粗化處理是指對紫銅表面進(jìn)行砂輪打磨，使之露出光潔粗化的金屬表面。
3.如權(quán)利要求1所述在紫銅表面火焰噴涂耐熱耐磨合金的方法，其特征是，步驟(2)所述的打底層采用鎳包鋁復(fù)合粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比計為Ni75％～80％、Al20％～25％。
4.如權(quán)利要求1所述在紫銅表面火焰噴涂耐熱耐磨合金的方法，其特征是，步驟(2)所述工藝參數(shù)為氧氣壓力0.4MPa-0.6MPa，乙炔壓力0.08MPa-0.10MPa，噴涂距離140mm-160mm，送粉量13g/min-17g/min，噴涂角度77°-82°。
5.如權(quán)利要求1所述在紫銅表面火焰噴涂耐熱耐磨合金的方法，其特征是，步驟(3)所述的工作層是含碳化鎢的鎳基自熔性合金粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比計為Cr10％，C0.5％，Si3％，B2％，F(xiàn)e＜3.3％，碳化鎢35％～50％，其余為Ni。
6.如權(quán)利要求5所述在紫銅表面火焰噴涂耐熱耐磨合金的方法，其特征是，步驟(3)所述的工作層是含碳化鎢的鎳基自熔性合金粉末，其成分以重量百分比計為Cr10％，C0.5％，Si3％，B2％，F(xiàn)e＜3.3％，碳化鎢40％～47％，其余為Ni。
7.如權(quán)利要求1所述在紫銅表面火焰噴涂耐熱耐磨合金的方法，其特征是，步驟(3)所述的工藝參數(shù)為氧氣壓力0.5MPa-0.7MPa，乙炔壓力0.09MPa-0.12MPa，噴涂距離150mm-170mm，送粉量27g/min-33g/min，噴涂角度77°-82°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在紫銅表面火焰噴涂耐熱耐磨合金的方法，由(1)噴涂前對紫銅工件表面進(jìn)行預(yù)處理和粗化處理；(2)采用亞音速氧－乙炔火焰熱噴涂方法對紫銅工件表面噴涂打底層；(3)采用亞音速氧－乙炔火焰熱噴涂方法對紫銅工件表面噴涂工作層的步驟組成。與表面堆焊和表面滲金屬等工藝方法相比，采用本發(fā)明方法制備的紫銅零部件，具有較高的抗高溫氧化性、抗熱震性和優(yōu)異的耐磨性等，能大大提高紫銅零部件在高溫環(huán)境下的使用壽命。同時，本發(fā)明所述的技術(shù)還具有操作簡便、成本低、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，便于推廣應(yīng)用。
文檔編號B23K5/18GK101020998SQ20071001400
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月21日
發(fā)明者李亞江 申請人:山東大學(xué)