專利名稱：一種鑄鐵表面噴敷銅粉的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鑄鐵表面噴熔金屬粉的方法，特別是一種用氧乙炔焰在鑄鐵基材 表面噴熔或熔敷銅粉的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有熱噴涂技術(shù)中對(duì)噴熔粉末有兩個(gè)基本要求一是粉末熔點(diǎn)低于基材；二是粉 末具有自熔性。因?yàn)閲娙酃に嚥煌诙押?，堆焊時(shí)基材是熔化的，而噴熔時(shí)粉末材料雖然 熔化，但基體是不熔化的，它們之所以能夠形成冶金結(jié)合的原因是由于接觸界面處熔融的 粉末與基材在高溫下發(fā)生了化學(xué)作用，固態(tài)的基材表面為液態(tài)合金所溶解，形成了一層新 的表面合金。所以當(dāng)粉末具有上述第一個(gè)要求的條件時(shí)，這一過程即可實(shí)現(xiàn)。而熔融的粉 末要與基材發(fā)生良好結(jié)合，其必要條件是熔融的合金粉末在基材表面有良好的“潤(rùn)濕性”。 潤(rùn)濕性是指熔融的合金能夠漫流或攤開在基材表面上的能力，這個(gè)性能就是上述第二個(gè)要 求，即所謂“自熔性”的要求。自熔性的表現(xiàn)是粉末具有還原、脫氧、造渣、除氣、潤(rùn)濕金屬表 面，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)熔融金屬的作用。所以粉末性能不僅決定著噴熔層本身的質(zhì)量，而且也決 定著噴熔的工藝性。工藝性差，如脫氧與濕潤(rùn)能力差時(shí)則難以完成噴熔過程，最明顯的是非 自熔性銅基合金粉末在鑄鐵上的噴熔既如此。
在現(xiàn)有公開的文獻(xiàn)報(bào)道中，用氧乙炔焰或用感應(yīng)熔敷的方法，將銅基粉末噴熔在 鑄鐵上，所采用的都是具有自熔性的銅基粉末，為使粉末與基材互熔擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合，往 往要在粉末中加入某些合金元素，如，Ni、Cr、Si和/或B等。其中貴金屬Ni元素是改善 自熔性效果最好的元素。
如，現(xiàn)有公開文獻(xiàn)，1984年《江蘇化工》期刊中，陳遐昌所述的鑄鐵面噴銅技術(shù)，即 采用了如上措施，加了 M等元素，完成了噴熔過程。
又如，公開號(hào)為CN86106201A的一種“鑄鐵表面噴焊銅合金”的發(fā)明專利，是在普 通錫青銅銅粉中加入氟硼酸鈣或氟硼酸鈉、硅酸鉀或硅酸鈉制成的混合粉；或者是氟化鈣、 硼酐與鈉玻璃粉制成的混合粉，同時(shí)為了改進(jìn)自熔性加入了一定的Ni，B, P，在施噴前對(duì)鑄 鐵表面進(jìn)行潔凈清洗，然后完成噴熔過程。
在實(shí)現(xiàn)銅基合金粉在鑄鐵上的噴熔技術(shù)中，其主要的問題是在所噴粉末的自熔性 問題。如果在銅基粉末中加入鎳基自熔合金，銅基粉末的自熔性問題即可得到解決。但是， Ni、B、Si的加入，使粉末的硬度增高，塑性和韌性顯著下降，而且價(jià)格也較高；若使用低Ni、 低B銅基粉末則又自熔性不足，不能保證噴層與基材的結(jié)合強(qiáng)度，防止氣孔夾渣缺陷，不能 使噴層按需加寬加厚，實(shí)行大面積噴熔。
針對(duì)銅基合金粉末本身的自熔性不足，如設(shè)法加入某些添加劑，使其既能增加潤(rùn) 濕性，又可除去或分解氧化物保護(hù)銅粉，則可使得噴熔過程的工藝性能得到明顯改善。因 此，本發(fā)明將不具有自熔性的普通銅粉加入某些添加劑，使普通銅粉具有自熔性粉末的功 能，能夠自如噴焊，實(shí)現(xiàn)銅鐵的直接結(jié)合。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是使無自熔性的普通銅粉在不加貴金屬元素M的條件 下獲得自熔性，使其能夠在鑄鐵表面進(jìn)行噴熔或融敷，并提供一種在鑄鐵表面噴敷銅粉的 方法。
本發(fā)明所述的普通銅粉是指銅錫合金粉末，它具有較高的力學(xué)性能、減摩性能和 耐蝕性，常用于防腐耐摩的場(chǎng)合。但普通銅粉難于噴熔在鑄鐵表面，主要是有如下兩點(diǎn)問 題(1)鑄鐵含有較多的石墨C元素與Si元素，噴熔時(shí)易生成Si和!^e的氧化膜，如 (Fe，Si)X0Y，這類氧化膜熔點(diǎn)較高，能破壞熔融銅粉對(duì)基材的潤(rùn)濕性，阻礙其間的互溶擴(kuò) 散；另一方面，C元素還可能會(huì)與鐵生成滲碳體使界面處產(chǎn)生白口。
(2)銅粉在液態(tài)和高溫時(shí)很易氧化，粉末的比表面積較大，會(huì)生成較多的氧化物， 如CuO和Cu20，也破壞了銅粉對(duì)基材的潤(rùn)濕性，妨礙銅層與鑄鐵結(jié)合，也使銅層難以繼續(xù)噴 熔加厚。
為了解決上述問題，本發(fā)明基于普通銅粉難于噴熔在鑄鐵表面的機(jī)理，所采取的 措施包括鑄鐵表面的處理方法，其方法按下列步驟進(jìn)行(1)對(duì)鑄鐵表面進(jìn)行物理處理，后預(yù)熱，再進(jìn)行化學(xué)處理；(2)按質(zhì)量比為八甲基環(huán)四硅氧烷1.5 3%，正構(gòu)烷烴1 3%，氧化硼1 3%，氟化鈣 6 12%，三氯苯80 90%，混合均勻，制得粉末添加劑；(3)按質(zhì)量比為0.5 1%的比例將粉末添加劑與銅粉進(jìn)行混合均勻，制得噴敷銅粉；(4)用氧乙炔火焰在鑄鐵表面噴熔。
在上述鑄鐵表面的處理方法中，所述的化學(xué)處理是按質(zhì)量比為丁醇3 5%，四氯 化碳15 20%，氯苯75 80%，混合均勻，制得；所述的粉末添加劑按質(zhì)量比進(jìn)一步選為八 甲基環(huán)四硅氧烷2%，正構(gòu)烷烴2%，氧化硼2%，氟化鈣8%，三氯苯84% ；所述的化學(xué)處理是由 表面處理劑進(jìn)行處理，其面處理劑是按質(zhì)量比為丁醇4%，四氯化碳17%和氯苯79%進(jìn)行混合 均勻制得。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明由于在普通銅粉中加入粉末添加劑，具有脫氧和活化作 用，在噴焊時(shí)能夠增加銅液與鑄鐵表面的潤(rùn)濕性，能夠除去鑄鐵表面的氧化物，實(shí)現(xiàn)Cu與 Fe間的互溶擴(kuò)散。同時(shí)基于冶金反應(yīng)機(jī)理，所添加的粉末添加劑含有碳元素，在高溫下還具 有還原作用，而且在噴熔過程形成一種渣膜，有效地保護(hù)了銅液在高溫下避免氧化，而且這 種渣膜的熔點(diǎn)、粘度、完全適應(yīng)于所噴銅粉末合金的要求。使得普通銅粉具有一種富有自保 護(hù)性和抗氧化性，進(jìn)一步提高了噴熔過程中的工藝性能，降低了噴熔成本。


圖1是本發(fā)明銅粉熔焊于鑄鐵表面的顯微形貌圖。圖中左側(cè)為基體，右側(cè)為銅。
圖2是本發(fā)明銅粉感應(yīng)熔敷于鑄鐵表面的顯微形貌圖。圖中右側(cè)為基體，左側(cè)為 銅。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明所述的一種鑄鐵表面噴敷銅粉的方法進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本發(fā)明的目的是在粉末中配加脫氧還原劑，加強(qiáng)噴熔過程的脫氧作用，以改善噴 熔過程的潤(rùn)濕性，增強(qiáng)銅鐵之間的結(jié)合性能及保護(hù)粉末，提高抗氧化能力。
在噴熔過程中，粉末粒子會(huì)受空氣污染而發(fā)生氧化，氧化可分兩個(gè)階段進(jìn)行第 一階段是粉末粒子從噴槍噴出后飛行至基體表面的飛行過程，第二階段是與基體接觸后 至形成涂層冷凝后的過程。當(dāng)使用氧乙炔焰噴熔時(shí)，噴槍口距基材的距離大約為20mm左 右，粒子的飛行速度約在45 120 m/s的范圍內(nèi)，即第一階段的氧化時(shí)間約為0. 4' 10_3 0. 17'10_3 s，相對(duì)第二階段而言，第一階段的時(shí)間極短，所以第二階段的氧化是占主要地位 的。將脫氧的重點(diǎn)放在第二階段完成。
在普能銅粉中加入三氯苯、正構(gòu)烷烴等化合物，與噴涂時(shí)所用的鑄鐵表面處理劑 同時(shí)起作用，從粉末粒子飛離噴槍口至降落在基材表面后成形的過程中，這些添加物可以 改善接觸面之間的活性。這些化合物受熱分解后，從吉布斯自由能的關(guān)系看，在粉末中分解 出現(xiàn)的C元素可起脫氧還原Cu的作用，同時(shí)也可維持C在界面處的濃度平衡，不會(huì)使界面 處出現(xiàn)C的重新分配而產(chǎn)生脫C層形成白口。為了進(jìn)一步強(qiáng)化脫氧效果，還要加入少量硼 砂。加入硅烷及氟化鈣除了脫氧還有形成渣膜的作用，起保護(hù)金屬免于進(jìn)一步氧化。
實(shí)施本發(fā)明所述的一種鑄鐵表面噴敷銅粉的方法如下 一、氧乙炔焰噴熔例1、(1)首先對(duì)實(shí)施噴敷的鑄鐵表面進(jìn)行處理，處理可以是現(xiàn)有物理處理方法的任何 一種，如對(duì)鑄鐵表面進(jìn)行打磨，或者是用車床進(jìn)行切削，或者是用化學(xué)清洗劑進(jìn)行清洗，使 得鑄鐵表面在進(jìn)行噴敷時(shí)與銅粉形成一個(gè)牢固結(jié)合的界面。
(2)對(duì)實(shí)施噴敷的鑄鐵表面進(jìn)行噴前預(yù)熱，本發(fā)明使用火焰預(yù)熱，也可以采用其它 方法進(jìn)行預(yù)熱，如通過加熱爐進(jìn)行預(yù)熱。
(3)用化學(xué)處理方法進(jìn)行處理，本發(fā)明配用表面處理劑對(duì)鑄鐵表面清理。
1)表面處理劑采用丁醇4g，四氯化碳16g，氯苯80g進(jìn)行混合均勻制得；2)配制粉末添加劑，按質(zhì)量比取八甲基環(huán)四硅氧烷2g，正構(gòu)烷烴2g，氧化硼2g，氟化 鈣8g，三氯苯86g，混合均勻后制得粉末添加劑；3)再按質(zhì)量比為0.5 Ig的比例將粉末添加劑與IOOg普通銅粉進(jìn)行混合均勻，制得 噴敷銅粉。
4)采用氧乙炔焰在鑄鐵面上噴熔。用較小功率的微碳化焰或中性焰進(jìn)行噴熔。
在實(shí)施上述方法噴熔后，采用型號(hào)為L(zhǎng)E0-438Vp的電鏡進(jìn)行界面微觀形貌觀察， 如附圖1所示，噴層界面結(jié)合良好，涂層面硬度為HB74，如果需要增加噴層使用硬度時(shí)，可 在粉末中配加M及狗即可，因M是增加自熔性的元素，除提高機(jī)械性能外，能夠促進(jìn)涂層 的結(jié)合。
其中，表面處理劑也可用如下配比(a) 丁醇3g，四氯化碳15g，氯苯75g進(jìn)行混合均勻； (b) 丁醇5g，四氯化碳20g，氯苯80g進(jìn)行混合均勻；所用表面處理劑的主要作用是對(duì)表面進(jìn)行清理，其配比只要在本發(fā)明所述此范圍內(nèi)均 可實(shí)施，效果良好，且未見不良影響。
在最終優(yōu)化結(jié)果中，可采用實(shí)例1中配方即丁醇4%，四氯化碳16%，氯苯80%進(jìn)行 混合均勻，其效果最佳。
例2、粉末添加劑配比也可按質(zhì)量比例取為(1)八甲基環(huán)四硅氧烷1. 5g，正構(gòu)烷烴lg，氧化硼lg，氟化鈣6g，三氯苯89. 5g，混合均 勻后得到粉末添加劑；其余同例1。
(2)八甲基環(huán)四硅氧烷3g，正構(gòu)烷烴3g，氧化硼3g，氟化鈣12g，三氯苯80g，混合 均勻后得到粉末添加劑；其余同例1。
以上兩例粉末添加劑的不同配比對(duì)銅粉與鑄鐵的結(jié)合末見有影響，但后一配方比 前一配方在施焊過程中略感渣膜量更明顯，其余同。
在粉末添加劑的配比中，按實(shí)例1的質(zhì)量配比即八甲基環(huán)四硅氧烷洲，正構(gòu)烷烴 2%，氧化硼2%，氟化鈣8%和三氯苯86%，混合均勻后得到粉末添加劑應(yīng)用后，其效果最佳。
二、感應(yīng)加熱熔敷例3、采用例1配好的粉末與表面處理劑，先用氧乙炔焰將粉末噴涂于鑄鐵表面，然后 采用感應(yīng)加熱的方法進(jìn)行重熔，亦獲得了良好的結(jié)合。界面微觀表貌如附圖2，(電鏡型號(hào)為 KYKY(Amray)-I000B)。
經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，這種新型銅合金粉不需要加較貴的鎳即可滿足噴焊工藝要求。噴層 結(jié)合界面經(jīng)電子顯微鏡檢測(cè)可看到過渡層明顯，如圖1所示。圖2所示為感應(yīng)熔敷的顯微 組織，也可看到在界面處有明顯的鑄態(tài)重熔組織，顯示熔合過程良好。噴層的力學(xué)性能也表 現(xiàn)良好，將噴后試件進(jìn)行熱震試驗(yàn)，也未見噴層開裂(使噴焊件急冷以檢測(cè)其耐熱性能)。這 些條件可符合低壓鑄鐵閥門密封面噴銅的要求。
權(quán)利要求
1.一種鑄鐵表面噴敷銅粉的方法，包括鑄鐵表面的預(yù)處理方法，其方法按下列步驟進(jìn)行(1)對(duì)鑄鐵表面進(jìn)行物理處理，后預(yù)熱，再進(jìn)行化學(xué)處理；(2)按質(zhì)量比為八甲基環(huán)四硅氧烷1.5 3%，正構(gòu)烷烴1 3%，氧化硼1 3%，氟化鈣 6 12%，三氯苯80 90%，混合均勻，制得粉末添加劑；(3)按質(zhì)量比為0.5 1%的比例將粉末添加劑與銅粉進(jìn)行混合均勻，制得噴敷銅粉；(4)用氧乙炔火焰在鑄鐵表面噴熔。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其表面處理劑是按質(zhì)量比為丁醇3 5%，四氯化碳15 20%，氯苯75 80%，混合均勻，制得；如權(quán)利要求1所述的方法，其粉末添加劑按質(zhì)量比進(jìn)一步選為八甲基環(huán)四硅氧烷2%， 正構(gòu)烷烴2%，氧化硼2%，氟化鈣8%，三氯苯84%。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其表面處理劑是按質(zhì)量比為丁醇4%，四氯化碳17%，氯苯79%。
全文摘要
一種鑄鐵表面噴敷銅粉的方法是首先對(duì)鑄鐵表面進(jìn)行預(yù)處理；其次按質(zhì)量比為八甲基環(huán)四硅氧烷1.5～3%，正構(gòu)烷烴1～3%，氧化硼1～3%，氟化鈣6～12%和三氯苯80～90%進(jìn)行混合均勻，制得粉末添加劑；然后按質(zhì)量比為0.5～1%將粉末添加劑與銅粉混合均勻，制得噴敷銅粉；最后用氧乙炔火焰在鑄鐵表面噴熔。本發(fā)明在普通銅粉中加入了粉末添加劑，使得普通銅粉具有一種富有自保護(hù)性和抗氧化性，提高了銅粉在鑄鐵表面噴敷的工藝性能，降低了噴熔成本。
文檔編號(hào)C23C4/06GK102041469SQ201110024270
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2011年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月22日
發(fā)明者蔚曉嘉, 郝興明, 郭治安, 韓世平 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)