專利名稱：一種用氧-乙炔亞音速火焰在鋼鐵表面噴涂青銅的工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種噴涂青銅的方法，尤其涉及一種用氧一 乙炔亞音速火焰在鋼鐵表面噴 涂青銅的方法，屬于材料科學(xué)與工程的表面噴涂技術(shù)領(lǐng)域。
二背景技術(shù)：
材料表面復(fù)層方法(如堆焊、刷鍍、噴涂等)以及它們之間的組合工藝在實(shí)施上常受 到零件尺寸、結(jié)構(gòu)形式和使用環(huán)境等限制。如結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型鑄鐵件，在表面處理時(shí)，很 難采用堆焊或刷鍍方法。近年來，隨著噴涂技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在材料基體上制備涂層的 技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。其中氧一乙炔火焰噴涂具有成本低、噴涂效率高、操作簡(jiǎn)便及應(yīng) 用范圍廣等特點(diǎn)而受到關(guān)注。這項(xiàng)技術(shù)在大面積長(zhǎng)效防腐、修復(fù)與噴涂復(fù)雜零部件等方面 得到應(yīng)用，如閥門密封面、擠壓機(jī)柱塞套筒、汽輪機(jī)缸蓋、發(fā)電機(jī)底座等鋼鐵件的表面噴 涂。但是，常規(guī)火焰噴涂是以氧一乙炔火焰來熔化待噴涂的合金粉末，普通噴槍中沒有可 供氧與燃料進(jìn)行燃燒的高溫高壓燃燒室，燃燒產(chǎn)物直接由混合室噴出，所以焰流速度慢、
熱量不集中、粉末在空氣中的時(shí)間長(zhǎng)，使涂層粗糙多孔，而且氧化物和未熔顆粒多，涂層 的結(jié)合強(qiáng)度低，容易產(chǎn)生裂紋并剝落，涂層的厚度也受到限制。所以采用常規(guī)的氧一乙炔 火焰噴涂難以在鋼鐵材料表面形成結(jié)合牢固的青銅涂層。
高速火焰噴涂是利用燃?xì)馀c高壓氧氣在特定的高溫高壓燃燒室內(nèi)混合，在壓縮噴嘴中
燃燒并產(chǎn)生高速焰流(焰流速度可達(dá)300m/s以上)，將粉末送入該焰流，可將噴涂粒子加熱 至熔化或半熔化狀態(tài)，并加速噴射出去。高速噴涂顆粒在空氣中停留的時(shí)間很短，發(fā)生氧 化的機(jī)會(huì)極小，所以高速火焰噴涂可減小甚至消除涂層中的氧化物，大幅度提高涂層的致 密度和界面結(jié)合強(qiáng)度。
青銅強(qiáng)度比一般黃銅高，作為噴涂材料能夠得到較為致密的涂層，它耐海水、硫酸及 鹽酸腐蝕，有很好的耐腐蝕性和耐磨性。用青銅制作的各種青銅器件，造型美觀、工藝精 湛，特別是室外的一些大型青銅塑像更是深受人們的喜愛。因此，在鋼鐵材料表面噴涂青 銅合金不僅能夠提高材料表面的耐腐蝕性和耐磨性，還能改善材料的表面顏色，起到很好 的裝飾作用和造型藝術(shù)效果。實(shí)踐表明，在鋼鐵材料表面(特別是在鑄鐵表面)噴涂青銅 合金時(shí)，由于鑄鐵雜質(zhì)含量較多，表面易氧化和產(chǎn)生氣孔，噴涂時(shí)這些雜質(zhì)和氧化物降低 了鑄鐵表面與青銅合金之間的界面結(jié)合性，很難形成良好的表面涂層。
解決上述問題的方法，除了須采用亞音速以上的高速火焰噴涂工藝外，還需配合合理 地粉末合金材料。可采用的方法一是在青銅合金粉末中摻入鎳基合金粉末，形成Cu—Ni合 金粉末，這種'粉末鎳含量達(dá)10% 60%,含硼0.1%~0.6%，含硅0.1%~8%。使用這種合金 粉末在鑄鐵件表面噴涂，初始噴涂溫度應(yīng)高于250'C，而且應(yīng)限制噴涂層的硬度。二是在青 銅合金中添加表面活性劑對(duì)其進(jìn)行改性處理后，形成低鎳(或無(wú)鎳)、低硼、無(wú)硅的青銅基 合金粉末，然后再進(jìn)行噴涂，這種方法改變了青銅合金層的原有成分，會(huì)降低青銅合金涂
層的性能。經(jīng)檢索，采用亞音速火焰噴涂技術(shù)在鋼鐵材料表面噴涂青銅的方法還未見報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前現(xiàn)有的在鋼鐵表面噴涂青銅合金技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提出一種以 氧-乙炔作燃燒焰，以壓縮空氣作為送粉氣、加速氣和冷卻氣的亞音速低溫噴涂方法，這種 方法以鎳包鍋復(fù)合粉末作為打底層，采用具有螺旋式混氣和射吸式進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的噴槍和壓縮-膨脹噴嘴，將霧化粒子流以250m/s-320m/s的速度噴向工件表面，在鋼鐵表面形成青銅合 金層。采用這項(xiàng)技術(shù)可以大面積、高效率地對(duì)鋼鐵件進(jìn)行表面噴涂，實(shí)現(xiàn)用噴涂青銅件代 替全青銅件，使之表面造型美觀和大幅度降低成本。
本發(fā)明所述的用氧一乙炔亞音速火焰在鋼鐵表面噴涂青銅合金的工藝方法，包括以下 步驟
(1) 噴涂前對(duì)鋼鐵件表面進(jìn)行去油、除銹及表面粗化處理，直至表面露出金屬光澤， 呈干凈的灰白色；
(2) 采用氧—乙炔火焰對(duì)鋼鐵件表面進(jìn)行低溫預(yù)熱，預(yù)熱溫度為80'C 160'C;
(3) 采用氧一乙炔亞音速火焰噴槍在鋼鐵表面噴涂鎳包鋁復(fù)合粉末打底層，噴涂工藝 參數(shù)為氧氣壓力0.15MPa 0.85MPa，乙炔壓力0.05MPa 0.12MPa，壓縮空氣送粉氣的 壓力0. 2MPa^vO. 6MPa，噴涂距離120mm 200mm,送粉量5g/min 25g/min，噴涂角度70° 85°，獲得的打底層厚度0.03mm 0.15mm;
(4) 采用氧-乙炔亞音速火焰噴槍在打底層基礎(chǔ)上噴涂鋁青銅合金粉末層，噴涂工藝參 數(shù)為氧氣壓力0.20MPa 0.95MPa，乙炔壓力0.06MPa 0.14MPa，壓縮空氣送粉氣的壓 力0. 2MPa 0. 6MPa，噴涂距離120mm 200mm,送粉量25g/min 55g/min，噴涂角度70° 86°;連續(xù)重復(fù)噴涂2 4次，噴涂的鋁青銅合金層厚度為0.50mm 1.20mm;
(5) 噴涂鋁青銅層后立即對(duì)噴涂表面用微晶石蠟作為封孔劑進(jìn)行封孔處理，以提高噴 涂層的防銹和耐腐蝕性能，還可以防止封孔后的磨屑玷污涂層的孔眼，有利于提高噴涂層 的表面質(zhì)量和性能。
上述用氧一乙炔亞音速火焰在鋼鐵件表面噴涂青銅合金的方法中步驟(1)所述的去 油、除銹及表面粗化處理是采用噴砂、拋丸處理或砂輪打磨，直至鋼鐵基體表面露出金屬光 澤，呈灰白色的金屬外觀和均勻的粗化表面。表面處理完成后，應(yīng)保證工件表面干燥、無(wú)油 污、無(wú)銹蝕和氧化皮。
其中所述的噴砂處理用粒度為15~40目的金剛玉或硅砂，噴丸處理用的鐵丸直徑為 0.4mm 0.8mm，砂輪打磨是采用手動(dòng)砂輪直接打磨待噴涂的工件表面。
上述用氧一乙炔亞音速火焰在鋼鐵件表面噴涂青銅合金的方法中步驟(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(jì)為Ni 75% 85%、 Al 15% 25%;鎳包鋁復(fù)合粉末在亞音速火焰噴涂時(shí)能產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，生成 Ni3Al等金屬間化合物的自粘結(jié)成分，促進(jìn)界面結(jié)合。
上述用氧一乙炔亞音速火焰在鋼鐵件表面噴涂青銅合金的方法中步驟(4)所述的鋁
青銅合金粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比計(jì)為Al 8% 10%， Mn 1.5% 2.5%， 雜質(zhì)<1.7%，其余為Cu。
上述用氧—乙炔亞音速火焰在鋼鐵件表面噴涂青銅合金的方法中步驟(3)和步驟(4) 所述的亞音速火焰噴涂，是采用壓力達(dá)0.88MPa的高壓燃燒室和壓縮-膨脹噴嘴的亞音速噴 槍。采用這種噴槍可達(dá)到對(duì)粉末粒子進(jìn)行高速火焰噴涂的目的，該高速焰流因未超過臨界 音速(340m/s)，故稱為"亞音速"。
上述用氧一乙炔亞音速火焰在鋼鐵件表面噴涂青銅合金的方法中步驟(4)所述的噴 涂工藝參數(shù)優(yōu)選氧氣壓力0.5MPa 0.8MPa，乙炔壓力0.08MPa 0.12MPa，壓縮空氣送 粉氣的壓力0. 35MPa 0. 55MPa，噴涂距離150mm 180mm，送粉量30g/min 35g/min,噴 涂角度78° 82°。
本發(fā)明提出的打底層采用氧一乙炔亞音速火焰噴涂鎳包鋁合金粉末，這種粉末的特點(diǎn) 是在微小的鋁粉核外面均勻地包覆著金屬鎳，當(dāng)噴涂過程中加熱到一定溫度，并通過亞音 速焰流高速噴射到工件表面時(shí)，粉粒受到巨大的撞擊力而破裂，在焰流高溫的誘發(fā)下產(chǎn)生 Ni、 Al反應(yīng)和Al的氧化反應(yīng)，這種強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)放出的熱量對(duì)于基體表面起著強(qiáng)化加熱 作用，從而使熔融顆粒與基體表面產(chǎn)生微觀冶金結(jié)合。而打底涂層表面也比較粗糙，為下 一步噴涂青銅表面層提供了較理想的打底界面。
釆用本發(fā)明所述的在鋼鐵件表面噴涂青銅合金的工藝方法制備的零部件，經(jīng)金相顯微 鏡觀察，結(jié)合界面的顯微組織有明顯的80nm 10(^m的過渡層。將噴涂后的試樣迅速加熱 到60(TC、 80(TC并分別投入冷水中進(jìn)行試驗(yàn)，沒有出現(xiàn)噴涂層界面開裂的現(xiàn)象。
本發(fā)明的實(shí)施，能夠在鋼鐵件表面獲得界面結(jié)合牢固的青銅合金涂層。采用本發(fā)明噴 涂后的鋼鐵件表面平滑、噴涂層質(zhì)量良好、界面結(jié)合強(qiáng)度高。鋼鐵噴涂件表面具有較高的 耐腐蝕性，能大大提高室外鋼鐵件的使用壽命。同時(shí)，本發(fā)明所述的技術(shù)還具有操作簡(jiǎn)便、 表面成形美戒、成本低、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，便于推廣應(yīng)用。本發(fā)明的方法用于室外大型鑄 鐵(或鑄鋼)造型或塑像的表面噴涂具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。采用本發(fā)明所述的工藝方法，也可 以在鋼鐵材料表面噴涂其他類型的銅合金。具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l
針對(duì)直徑為100mm、長(zhǎng)度450mm的軸類鑄鋼件(活塞)，采用氧-乙炔亞音速火焰在鑄 鋼表面噴涂青銅合金的工藝步驟如下
(1) 采用粒度為15~30目的金剛玉或硅砂對(duì)鑄鋼表面進(jìn)行噴砂處理，使鑄鋼表面呈干 凈的灰白色；用手動(dòng)砂輪進(jìn)行打磨，直至表面露出金屬光澤；
(2) 用氧一乙炔火焰對(duì)鑄鋼件表面進(jìn)行低溫預(yù)熱，預(yù)熱溫度為60'C 12(TC;
(3) 采用氧一乙炔亞音速噴槍，在預(yù)熱的鑄鋼件表面火焰噴涂鎳包鋁合金粉末(鎳包 鋁復(fù)合粉末的'粒度不小于300目，其成分以重量百分比計(jì)為Ni 80% 83%、 Al 17% 20%) 作為打底層，噴涂工藝參數(shù)為氧氣壓力0.50MPa 0.75MPa，乙炔壓力0.08MPa 0.11MPa,
壓縮空氣送粉氣的壓力0.3MPa 0.5MPa，噴涂距離150mm 180mm，送粉量15g/min 22g/min，噴涂角度75°~85°，打底層厚度控制在0.06mm 0.10mm;
(4) 采用氧一乙炔亞音速噴槍，在打底層上火焰噴涂青銅合金粉末(銅合金粉末粒度 不小于300目，其成分以重量百分比計(jì)為A19%, Mn2%，雜質(zhì)<1.7%，其余為Cu)，噴 涂工藝參數(shù)為氧氣壓力0.50MPa 0.85MPa，乙炔壓力0.08MPa 0.11MPa，壓縮空氣送 粉氣的壓力0. 4MPa 0. 6MPa,噴涂距離150mm 180mm，送粉量30g/min 40g/min，噴涂 角度80°~85°;連續(xù)重復(fù)噴涂2次，獲得的青銅合金層厚度為0.6mm 1.0mm;
(5) 噴涂青銅合金后立即采用微晶石蠟作為封孔劑對(duì)噴涂表面進(jìn)行封孔處理。
步驟(3)和步驟(4)是采用壓力達(dá)0.88MPa的高壓燃燒室和壓縮-膨脹噴嘴的亞音速 噴槍。
按上述工藝方法噴涂的鑄鋼活塞表面與打底層、打底層與青銅合金層之間形成了良好 的界面結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度大于65MPa,表面硬度為130HB。金相顯微鏡下觀察打底層和青銅 合金層內(nèi)部無(wú)夾雜、氣孔、疏松等缺陷，噴涂層表面成形美觀。
實(shí)施例2
針對(duì)外圓直徑500mm、內(nèi)圓直徑250mm、厚度30mm的球墨鑄鐵環(huán)形件，采用氧一乙 炔亞音速火焰噴涂鋁青銅合金制作氣閘閥門的工藝步驟如下
(1) 采用粒度為15~40目的金剛玉或硅砂對(duì)球墨鑄鐵件環(huán)形件表面進(jìn)行噴砂處理，然 后用手動(dòng)砂輪進(jìn)行打磨，直至球墨鑄鐵表面露出金屬光澤；
(2) 用氧一乙炔火焰對(duì)球墨鑄鐵件表面進(jìn)行低溫預(yù)熱，預(yù)熱溫度為80'C 15(TC; G)采用氧一乙炔亞音速噴槍，在預(yù)熱后的球墨鑄鐵表面火焰噴涂鎳包鋁合金粉末(鎳
包鋁復(fù)合粉末的粒度不小于300目，其成分以重量百分比計(jì)為Ni 83%、 Al 17%)作為打 底層，噴涂工藝參數(shù)為氧氣壓力0.4MPa 0.6MPa，乙炔壓力0.06MPa 0.10MPa，壓縮 空氣送粉氣的壓力0. 3MPa 0. 5MPa,噴涂距離160mm 180mm，送粉量10g/min 20g/min， 噴涂角度80° 83°,打底層厚度控制在0.08mm 0.12mm;
(4) 采用氧一乙炔亞音速噴槍，在打底層上火焰噴涂鋁青銅合金粉末(鋁青銅合金粉 末粒度不小于300目，其成分以重量百分比計(jì)為A110%， Mnl.8%,雜質(zhì)<1.7%，其余為 Cu)，噴涂工藝參數(shù)為氧氣壓力0.5MPa 0.8MPa，乙炔壓力0.08MPa 0.12MPa，壓縮空 氣送粉氣的壓力0. 4MPa 0. 6MPa,噴涂距離160mm 180mm，送粉量30g/min~40g/min， 噴涂角度80。^85。；連續(xù)重復(fù)噴涂3次，獲得的鋁青銅合金層厚度為0.8mm 1.2mm;
(5) 噴涂青銅合金后立即采用微結(jié)石蠟作為封孔劑對(duì)噴涂表面進(jìn)行封孔處理。
步驟(3)和步驟(4)是采用壓力達(dá)0.88MPa的高壓燃燒室和壓縮-膨脹噴嘴的亞音速 噴槍。
按上述工藝方法噴涂的球墨鑄鐵表面與打底層、打底層與鋁青銅合金層之間形成了良 好的界面結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度大于50MPa，表面硬度為150HB。金相顯微鏡下觀察打底層和鋁 青銅合金層內(nèi)部無(wú)夾雜、氣孔、疏松等缺陷，噴涂合金表面經(jīng)過機(jī)械加工可用于氣閘閥門。
權(quán)利要求
1.一種用氧-乙炔亞音速火焰在鋼鐵表面噴涂青銅合金的工藝方法，由以下步驟組成(1)噴涂前對(duì)鋼鐵件表面進(jìn)行去油、除銹及表面粗化處理，直至表面露出金屬光澤；(2)采用氧-乙炔火焰對(duì)鋼鐵件表面進(jìn)行低溫預(yù)熱，預(yù)熱溫度50℃～160℃；(3)采用氧-乙炔亞音速火焰噴槍在鋼鐵表面噴涂鎳包鋁復(fù)合粉末打底層，噴涂工藝參數(shù)為氧氣壓力0.15MPa～0.85MPa，乙炔壓力0.05MPa～0.12MPa，壓縮空氣送粉氣的壓力0.2MPa～0.6MPa，噴涂距離120mm～200mm，送粉量5g/min～25g/min，噴涂角度70°～85°，獲得的打底層厚度0.03mm～0.15mm；(4)采用氧-乙炔亞音速火焰噴槍在打底層上噴涂鋁青銅合金層，噴涂工藝參數(shù)為氧氣壓力0.20MPa～0.95MPa，乙炔壓力0.06MPa～0.14MPa，壓縮空氣送粉氣的壓力0.2MPa～0.6MPa，噴涂距離120mm～200mm，送粉量25g/min～55g/min，噴涂角度70°～86°，連續(xù)重復(fù)噴涂2-4次，噴涂的鋁青銅合金層厚度為0.50mm～1.20mm；(5)噴涂鋁青銅層后立即對(duì)噴涂表面用微晶石蠟作為封孔劑進(jìn)行封孔處理。
2. 如權(quán)利要求l所述的用氧一乙炔亞音速火焰在鋼鐵表面噴涂青銅合金的工藝方法，其 特征是，步驟(1)所述的去油、除銹及表面粗化處理是采用噴砂、拋丸處理或砂輪打磨， 直至鋼鐵基體表面露出金屬光澤和均勻的粗化表面；表面處理完成后，工件表面應(yīng)干燥、無(wú) 油污、無(wú)銹蝕和氧化皮。
3. 如權(quán)利要求2所述的用氧一乙炔亞音速火焰在鋼鐵表面噴涂青銅合金的工藝方法，其 特征是，所述噴砂處理是用粒度為15~40目的金剛玉或硅砂；所述噴丸處理用的鐵丸直徑在 0.4mm 0.8mm;所述砂輪打磨是采用手動(dòng)砂輪直接打磨工件表面。
4. 如權(quán)利要求1所述的用氧一乙炔亞音速火焰在鋼鐵表面噴涂青銅合金的工藝方法， 其特征是，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(jì)為Ni75% 85%、 A115% 25°/0。
5. 如權(quán)利要求1所述的用氧一乙炔亞音速火焰在鋼鐵表面噴涂青銅合金的工藝方法， 其特征是，步驟(4)所述的鋁青銅合金粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比計(jì)為 A18% 10%， Mnl.5% 2.5%，雜質(zhì)<1.7%，余量為Cu。
6. 如權(quán)利要求1所述的用氧一乙炔亞音速火焰在鋼鐵表面噴涂青銅合金的工藝方法， 其特征是，步驟(3)和步驟(4)所述的亞音速火焰噴涂，是采用壓力達(dá)0.88MPa的高壓燃 燒室和壓縮-膨脹噴嘴的亞音速噴槍。
7. 如權(quán)利要求1所述的用氧一乙炔亞音速火焰在鋼鐵表面噴涂青銅合金的工藝方法， 其特征是，步驟(4)所述的噴涂工藝參數(shù)是氧氣壓力0.5MPa 0.8MPa，乙炔壓力0.08MPa 0.12MPa，壓縮空氣送粉氣的壓力0.4MPa 0.6MPa，噴涂距離150mm 180mm,送粉量 30g/min 35g/min，噴涂角度78° 82 °。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用氧-乙炔亞音速火焰在鋼鐵表面噴涂青銅合金的工藝方法，屬于材料表面噴涂技術(shù)領(lǐng)域。首先對(duì)鋼鐵件表面進(jìn)行去油、除銹及表面粗化處理，采用氧-乙炔火焰對(duì)鋼鐵件表面進(jìn)行預(yù)熱，以氧-乙炔作燃燒焰，以壓縮空氣作為送粉氣和加速氣，用具有螺旋式混氣和射吸式進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的亞音速噴槍和壓縮-膨脹噴嘴，將霧化粒子流高速噴射向工件表面；先是在鋼鐵件表面噴涂鎳包鋁復(fù)合粉末打底層，然后在打底層上噴涂鋁青銅合金層，并且噴涂后立即進(jìn)行封孔處理。本發(fā)明方法具有噴涂效率高、界面結(jié)合強(qiáng)度高、耐蝕性好等特點(diǎn)，而且操作簡(jiǎn)便、表面成形美觀、成本低，便于推廣應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)特別適用于室外大型造型或塑像的表面噴涂。
文檔編號(hào)C23C4/08GK101187000SQ20071011514
公開日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2007年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月6日
發(fā)明者夏春智, 張永蘭, 李亞江, 娟 王 申請(qǐng)人:山東大學(xué)