一種風(fēng)口強化功能梯度材料的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種風(fēng)口強化功能梯度材料的制造方法，先清理銅基體風(fēng)口內(nèi)壁和小端油污、灰塵，預(yù)熱到500℃左右；在銅基體風(fēng)口上堆焊Ni202過渡層；在過渡層上堆焊CoGrW強化層；對強化層進行噴砂毛化處理使表面平整，整個堆焊層厚3mm左右；為了防止CoGrW強化層在使用中應(yīng)導(dǎo)熱系數(shù)不同而出現(xiàn)裂紋，對CoGrW強化層預(yù)熱后，再等離子噴涂厚0.5mm的ZrO2熱障涂層。本發(fā)明堆焊有過渡層、強化層，等離子噴涂熱障涂層，堆焊層可達到使用所需要的厚度和冶金結(jié)合強度，保證使用時不脫落，又能使銅基體風(fēng)口工作時受熱障涂層保護，減小強化層因熱應(yīng)力的開裂或脫落，硬度高、耐磨性好、成本低、生產(chǎn)效率高。使用壽命達到10個月。
【專利說明】-種風(fēng)口強化功能梯度材料的制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及屬于低合金高強度用鋼板生產(chǎn)【技術(shù)領(lǐng)域】，主要涉及一種高爐風(fēng)口強化 的新型功能梯度材料的制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)口是高爐冶煉生鐵生產(chǎn)中一個關(guān)鍵備件，高爐風(fēng)口工作環(huán)境嚴峻，它處在 2000°C以上的高溫爐缸內(nèi)，承受高溫區(qū)的輻射和對流熱沖擊，風(fēng)口前端受到1500°C左右的 液態(tài)渣鐵和高速循環(huán)運動的熾熱物料的沖刷，風(fēng)口內(nèi)通過900°C -1300°C的熱風(fēng)，同時在 燃燒循環(huán)區(qū)又受到強烈的氧化作用和微量元素對風(fēng)口的浸潤，此外在噴吹煤粉條件下還 受到煤粉的高速磨損，這些不利因素都加劇了風(fēng)口破損。
[0003] 風(fēng)口惡劣的使用環(huán)境使其易損易耗，其失效形式根據(jù)實地考察和分析風(fēng)口的主要 失效形式分別為燒蝕、磨損、龜裂，這些導(dǎo)致冶煉成本增加、質(zhì)量降低、需要停機更換風(fēng)口導(dǎo) 致高爐生產(chǎn)效率下降。因此對該部件尤其是在條件最為惡劣的爐膛側(cè)內(nèi)外表面的強化十分 必要。
[0004] 目前，國內(nèi)外主要采用等離子熱噴涂的方法，將粉或絲狀的強化材料在高溫高速 的射流中融化，噴涂到風(fēng)口爐膛側(cè)的內(nèi)外表面上形成強化涂層。然而，熱噴涂方法雖然涂層 成形較方便，但因其與基體一般只能形成機械結(jié)合，冷卻過程中，因涂層與基體的熱膨脹系 數(shù)不同而會在兩者的結(jié)合面上產(chǎn)生使兩者分離的應(yīng)力，而且隨涂層厚度的增加，此應(yīng)力將 累積增加，最終會導(dǎo)致涂層與風(fēng)口本體結(jié)合破壞而使兩者分離，因此難以獲得厚涂層。而若 噴涂較薄涂層，因涂層較薄且孔隙難以避免，導(dǎo)致強度不足，難以承受高熱煤粉的熱沖刷而 易損壞，不能滿足實際工況的使用要求。
[0005] 第二種是采用熔焊的方法。此方法可以獲得熔焊厚層，且可與風(fēng)口本體形成冶金 結(jié)合，使兩者在使用時不易分離。但是，因熔焊成形輸入熱量大，多層堆焊時的熱量積累使 風(fēng)口易產(chǎn)生變形，風(fēng)口尺寸較小而成形不方便，而且堆焊層導(dǎo)熱性不好，易產(chǎn)生裂紋而剝 落，使用效果不好，壽命低。
[0006] 有的對高爐風(fēng)口進行表面共滲合金元素強化，使表面形成銅合金滲層；在銅合金 表面采用熱噴涂法形成表面強化層。共滲合金元素包括纟1、51、(：11、？ 6、胃、稀土元素。熱噴 涂法包括等離子噴涂法、電弧噴涂法或火焰噴涂法。熱噴涂材料為Al2O 3或Zr02、Al203+Ni、 TiC+Ni 或 W+Co。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明旨在降低原型鋼種制造成本，并針對上述【背景技術(shù)】的現(xiàn)狀，提供一種生產(chǎn) 成本低、過程簡單、易于控制；適于手弧焊、埋弧焊和氣體保護焊焊接制造工藝，焊接后具有 優(yōu)異力學(xué)性能的風(fēng)口強化功能梯度材料的制造方法。
[0008] 本發(fā)明目的的實現(xiàn)方式為，一種風(fēng)口強化功能梯度材料的制造方法，具體步驟如 下：
[0009] (1)清理銅基體風(fēng)口內(nèi)壁和小端的油污、灰塵，并預(yù)熱到500±50°C ;
[0010] (2)在銅基體風(fēng)口上堆焊一層鎳銅合金Ni202作為功能梯度材料的過渡層，鎳銅 合金 Ni202 成分為 C 彡 0· 15, Mn 彡 4, Si 彡 L 5, Ni 62-69, Fe 彡 2. 5, Ti 彡 1，Nb 彡 2. 5， S 彡 0· 015, P 彡 0· 02, Al 彡 0· 75, Cu 余量；
[0011] (3)在步驟（2)的過渡層上再堆焊一層CoCrW作為功能梯度材料的強化層，鈷鉻 鎢（CoCrW)合金的基本成分是：Co:50%?58%，Cr:28%?30%，W:4%?6%，Ni:2%? 4%，熔點為 1470°C ;
[0012] (4)對步驟（3)的強化層進行噴砂毛化處理，使強化層厚2±0· 5mm，表面平整；
[0013] (5)將步驟（4)的強化層預(yù)熱到300±50°C，在強化層上噴涂一層厚0· 5mm的ZrO2 熱障涂層。
[0014] 本發(fā)明以堆焊Ni202材料和CoCrW材料作為強化層，噴涂ZrO2作為熱障涂層，既 能使堆焊層達到使用所需要的厚度和冶金結(jié)合強度，保證使用時不脫落，又能使復(fù)合強化 的銅基體風(fēng)口工作時受到熱障涂層的保護，減小強化層因熱應(yīng)力開裂或者脫落的趨勢，同 時成本不高、生產(chǎn)效率滿足要求。可以大大的提高銅基體風(fēng)口的使用壽命，使其壽命由現(xiàn)在 的7個月提高到10個月。
[0015] 本 申請人:采用堆焊和等離子噴涂強化復(fù)合方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點如 下：
[0016] (1)采用堆焊的方式焊強化層，強化層與過渡層結(jié)合為冶金結(jié)合，較常規(guī)強化方法 的等離子噴涂強化層與基體的機械結(jié)合方式，強化層結(jié)合力遠大于常規(guī)方法，保證銅基體 風(fēng)口在使用過程中強化層不剝落失效；
[0017] (2)采用過渡層+強化層+熱障涂層的功能梯度材料設(shè)計，層與層之間熔合良好， 即可以提高粘接強度又可以大大減小層間的殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力；
[0018] (3)過渡層采用鎳銅合金材料Ni202,可完成從純銅到異種材料的過渡；
[0019] (4)強化層采用鈷鉻鎢熱穩(wěn)定性較好，有很好的抗熱腐蝕性能和耐磨性，在 1000°C以上具有優(yōu)異的抗熱腐蝕性能；
[0020] (5)噴涂熱障涂層可以效隔離銅基體風(fēng)口管道中的熱風(fēng)和高爐內(nèi)鐵水的沖蝕，降 低銅基體風(fēng)口工作溫度，而且噴涂熱障涂層可以減緩堆焊層因?qū)嵝韵陆刀a(chǎn)生裂紋的傾 向；
[0021] (6)大大的提高銅基體風(fēng)口的使用壽命，使其使用壽命由現(xiàn)在的7個月提高到10 個月。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為在銅基體上堆焊的Ni202過渡層焊道形貌圖；
[0023] 圖2為過渡層Ni202焊道的橫截面形貌圖；
[0024] 圖3為過渡層Ni202縱截面圖及潤濕角形貌圖；
[0025] 圖4為過渡層Ni202縱截面500倍的顯微圖。

【具體實施方式】
[0026] 本發(fā)明采用堆焊+噴涂技術(shù)制備高爐銅基體風(fēng)口強化層，可以大大提高銅基體風(fēng) 口的使用壽命。本 申請人:采用本發(fā)明前整鑄高爐風(fēng)口一年消耗量：1〇*12/3 = 40(件），采 用后高爐風(fēng)口一年消耗量：：10*12/8 = 15(件）；年均消耗量降低近60%。
[0027] 本發(fā)明的具體步驟如下：
[0028] 先將銅基體風(fēng)口強化面做凈化處理，并預(yù)熱到500±50°C。
[0029] 在銅基體風(fēng)口 2上堆焊一層鎳銅合金Ni202作為功能梯度材料的過渡層1，鎳銅 合金 Ni202 成分為 C 彡 0· 15, Mn 彡 4, Si 彡 L 5, Ni 62-69, Fe 彡 2. 5, Ti 彡 1，Nb 彡 2. 5， S 彡 0· 015, P 彡 0· 02, Al 彡 0· 75, Cu 余量。
[0030] 鎳銅合金材料Ni202(美國牌號為ERNiCu-7)，可與紫銅基體較好的熔合，是連接 異種金屬良好的過渡層材料，可完成從純銅到異種材料的過渡。
[0031] 堆焊鎳銅合金附202采用肌6焊機，附202焊絲直徑1.2臟，基值電流讓=100八， 峰值電壓Up = 32V，采用95 % Ar+5 % CO2混合氣。鎳銅合金附202過渡層1厚1.5-2.5_， 堆角左邊為71.4°，右邊為67. 6°。
[0032] 在銅基體風(fēng)口上堆焊的Ni202過渡層焊道形貌圖見圖1 ;過渡層Ni202焊道的橫 截面形貌圖見圖2 ;過渡層Ni202縱截面圖及潤濕角形貌圖見圖3 ;過渡層Ni202縱截面的 500倍顯微圖見圖4。
[0033] 對過渡層進行清潔處理，預(yù)熱到300±50°C，然后在過渡層上再堆焊一層 I. 5-2. 5mm厚的CoCrW作為功能梯度材料的強化層，緩冷到室溫。鈷鉻鎢（CoCrW)合金的基 本成分是：Co:50%?58%，Cr:28%?30%，W:4%?6%，Ni:2%?4%，熔點為 1470°C。
[0034] 本發(fā)明將CoCrW作為強化層，提高了材料的耐腐蝕性和耐磨性。鈷鉻鎢合金是司 太利合金中的一種，其中最主要的碳化物是MC、M23C6和M6C，具有較高的硬度（HRC>50)， 鈷鉻鎢合金中碳化物的熱穩(wěn)定性較好，而且鈷鉻鎢合金有很好的抗熱腐蝕性能和耐磨性， 在KKKTC以上還顯示出比其他高溫下所具有的優(yōu)異的抗熱腐蝕性能。
[0035] 對強化層進行噴砂毛化處理，使強化層厚2±0. 5mm，表面平整。
[0036] 將強化層預(yù)熱到300±50°C，在強化層上利用GP-80等離子噴涂機噴涂一層厚 0. 5mm的ZrO2熱障涂層。
[0037] 本 申請人:對本發(fā)明的各層的硬度值作了測定，各層硬度均超過47HRC，各層硬度值 見表1.
[0038]

【權(quán)利要求】
1. 一種風(fēng)口強化功能梯度材料的制造方法，其特征在于具體步驟如下： (1) 清理銅基體風(fēng)口內(nèi)壁和小端的油污、灰塵，并預(yù)熱到500±50°C ; (2) 在銅基體風(fēng)口上堆焊一層鎳銅合金Ni202作為功能梯度材料的過渡層，鎳銅合 金 Ni202 成分為 C 彡 0? 15, Mn 彡 4, Si 彡 1. 5, Ni 62-69, Fe 彡 2. 5, Ti 彡 1，Nb 彡 2. 5， S 彡 0? 015, P 彡 0? 02, A1 彡 0? 75, Cu 余量； (3) 在步驟（2)的過渡層上再堆焊一層CoCrW作為功能梯度材料的強化層，鈷鉻鎢 ((：〇(：1^)合金的基本成分是：(：〇:50%?58%，0:28%?30%，:4%?6%，附：2%?4%， 熔點為1470°C ; (4) 對步驟（3)的強化層進行噴砂毛化處理，使強化層厚2±0. 5mm，表面平整； (5) 將步驟（4)的強化層預(yù)熱到300±50°C，在強化層上噴涂一層厚0. 5mm的Zr02熱 障涂層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的、一種風(fēng)口強化功能梯度材料的制造方法，其特征在于堆焊 鎳銅合金Ni202采用MIG焊機，Ni202焊絲直徑1. 2mm，基值電流lb = 100A，峰值電壓Up = 32V，采用 95% Ar+5% C02 混合氣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)口強化功能梯度材料的制造方法，其特征在于鎳銅合 金Ni202過渡層（1)厚1.5-2mm，堆角左邊為71.4°，右邊為67. 6°。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)口強化功能梯度材料的制造方法，其特征在于對過渡 層進行清潔處理，預(yù)熱到300±50°C，然后在過渡層上再堆焊一層1. 5-2. 5mm厚的CoCrW作 為功能梯度材料的強化層。
【文檔編號】C22C19/03GK104404186SQ201410683349
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】陸隆文, 趙思, 胡堅, 張海鷗, 王桂蘭, 鐘毅, 董漢東, 李向偉, 陳畏林, 張正東 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司, 華中科技大學(xué)