CN101187000A

CN101187000A - 一种用氧-乙炔亚音速火焰在钢铁表面喷涂青铜的工艺方法

Info

Publication number: CN101187000A
Application number: CNA2007101151456A
Authority: CN
Inventors: 李亚江; 王娟; 夏春智; 张永兰
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2008-05-28

Abstract

本发明公开了一种用氧－乙炔亚音速火焰在钢铁表面喷涂青铜合金的工艺方法，属于材料表面喷涂技术领域。首先对钢铁件表面进行去油、除锈及表面粗化处理，采用氧－乙炔火焰对钢铁件表面进行预热，以氧－乙炔作燃烧焰，以压缩空气作为送粉气和加速气，用具有螺旋式混气和射吸式进气结构的亚音速喷枪和压缩－膨胀喷嘴，将雾化粒子流高速喷射向工件表面；先是在钢铁件表面喷涂镍包铝复合粉末打底层，然后在打底层上喷涂铝青铜合金层，并且喷涂后立即进行封孔处理。本发明方法具有喷涂效率高、界面结合强度高、耐蚀性好等特点，而且操作简便、表面成形美观、成本低，便于推广应用，这项技术特别适用于室外大型造型或塑像的表面喷涂。

Description

一种用氧-乙炔亚音速火焰在钢铁表面喷涂青铜的工艺方法

一、技术领域

本发明涉及一种喷涂青铜的方法，尤其涉及一种用氧-乙炔亚音速火焰在钢铁表面喷涂青铜的方法，属于材料科学与工程的表面喷涂技术领域。

二、技术背景

材料表面复层方法(如堆焊、刷镀、喷涂等)以及它们之间的组合工艺在实施上常受到零件尺寸、结构形式和使用环境等限制。如结构复杂的大型铸铁件，在表面处理时，很难采用堆焊或刷镀方法。近年来，随着喷涂技术的发展和应用，在材料基体上制备涂层的技术得到了广泛的应用。其中氧-乙炔火焰喷涂具有成本低、喷涂效率高、操作简便及应用范围广等特点而受到关注。这项技术在大面积长效防腐、修复与喷涂复杂零部件等方面得到应用，如阀门密封面、挤压机柱塞套筒、汽轮机缸盖、发电机底座等钢铁件的表面喷涂。但是，常规火焰喷涂是以氧-乙炔火焰来熔化待喷涂的合金粉末，普通喷枪中没有可供氧与燃料进行燃烧的高温高压燃烧室，燃烧产物直接由混合室喷出，所以焰流速度慢、热量不集中、粉末在空气中的时间长，使涂层粗糙多孔，而且氧化物和未熔颗粒多，涂层的结合强度低，容易产生裂纹并剥落，涂层的厚度也受到限制。所以采用常规的氧-乙炔火焰喷涂难以在钢铁材料表面形成结合牢固的青铜涂层。

高速火焰喷涂是利用燃气与高压氧气在特定的高温高压燃烧室内混合，在压缩喷嘴中燃烧并产生高速焰流(焰流速度可达300m/s以上)，将粉末送入该焰流，可将喷涂粒子加热至熔化或半熔化状态，并加速喷射出去。高速喷涂颗粒在空气中停留的时间很短，发生氧化的机会极小，所以高速火焰喷涂可减小甚至消除涂层中的氧化物，大幅度提高涂层的致密度和界面结合强度。

青铜强度比一般黄铜高，作为喷涂材料能够得到较为致密的涂层，它耐海水、硫酸及盐酸腐蚀，有很好的耐腐蚀性和耐磨性。用青铜制作的各种青铜器件，造型美观、工艺精湛，特别是室外的一些大型青铜塑像更是深受人们的喜爱。因此，在钢铁材料表面喷涂青铜合金不仅能够提高材料表面的耐腐蚀性和耐磨性，还能改善材料的表面颜色，起到很好的装饰作用和造型艺术效果。实践表明，在钢铁材料表面(特别是在铸铁表面)喷涂青铜合金时，由于铸铁杂质含量较多，表面易氧化和产生气孔，喷涂时这些杂质和氧化物降低了铸铁表面与青铜合金之间的界面结合性，很难形成良好的表面涂层。

解决上述问题的方法，除了须采用亚音速以上的高速火焰喷涂工艺外，还需配合合理地粉末合金材料。可采用的方法一是在青铜合金粉末中掺入镍基合金粉末，形成Cu-Ni合金粉末，这种粉末镍含量达10％～60％，含硼0.1％～0.6％，含硅0.1％～8％。使用这种合金粉末在铸铁件表面喷涂，初始喷涂温度应高于250℃，而且应限制喷涂层的硬度。二是在青铜合金中添加表面活性剂对其进行改性处理后，形成低镍(或无镍)、低硼、无硅的青铜基合金粉末，然后再进行喷涂，这种方法改变了青铜合金层的原有成分，会降低青铜合金涂层的性能。经检索，采用亚音速火焰喷涂技术在钢铁材料表面喷涂青铜的方法还未见报道。

三、发明内容

针对目前现有的在钢铁表面喷涂青铜合金技术的不足，本发明的目的在于提出一种以氧-乙炔作燃烧焰，以压缩空气作为送粉气、加速气和冷却气的亚音速低温喷涂方法，这种方法以镍包铝复合粉末作为打底层，采用具有螺旋式混气和射吸式进气结构的喷枪和压缩-膨胀喷嘴，将雾化粒子流以250m/s-320m/s的速度喷向工件表面，在钢铁表面形成青铜合金层。采用这项技术可以大面积、高效率地对钢铁件进行表面喷涂，实现用喷涂青铜件代替全青铜件，使之表面造型美观和大幅度降低成本。

本发明所述的用氧-乙炔亚音速火焰在钢铁表面喷涂青铜合金的工艺方法，包括以下步骤：

(1)喷涂前对钢铁件表面进行去油、除锈及表面粗化处理，直至表面露出金属光泽，呈干净的灰白色；

(2)采用氧-乙炔火焰对钢铁件表面进行低温预热，预热温度为80℃～160℃；

(3)采用氧-乙炔亚音速火焰喷枪在钢铁表面喷涂镍包铝复合粉末打底层，喷涂工艺参数为：氧气压力0.15MPa～0.85MPa，乙炔压力0.05MPa～0.12MPa，压缩空气送粉气的压力0.2MPa～0.6MPa，喷涂距离120mm～200mm，送粉量5g/min～25g/min，喷涂角度70°～85°，获得的打底层厚度0.03mm～0.15mm；

(4)采用氧-乙炔亚音速火焰喷枪在打底层基础上喷涂铝青铜合金粉末层，喷涂工艺参数为：氧气压力0.20MPa～0.95MPa，乙炔压力0.06MPa～0.14MPa，压缩空气送粉气的压力0.2MPa～0.6MPa，喷涂距离120mm～200mm，送粉量25g/min～55g/min，喷涂角度70°～86°；连续重复喷涂2～4次，喷涂的铝青铜合金层厚度为0.50mm～1.20mm；

(5)喷涂铝青铜层后立即对喷涂表面用微晶石蜡作为封孔剂进行封孔处理，以提高喷涂层的防锈和耐腐蚀性能，还可以防止封孔后的磨屑玷污涂层的孔眼，有利于提高喷涂层的表面质量和性能。

上述用氧-乙炔亚音速火焰在钢铁件表面喷涂青铜合金的方法中：步骤(1)所述的去油、除锈及表面粗化处理是采用喷砂、抛丸处理或砂轮打磨，直至钢铁基体表面露出金属光泽，呈灰白色的金属外观和均匀的粗化表面。表面处理完成后，应保证工件表面干燥、无油污、无锈蚀和氧化皮。

其中所述的喷砂处理用粒度为15～40目的金刚玉或硅砂，喷丸处理用的铁丸直径为0.4mm～0.8mm，砂轮打磨是采用手动砂轮直接打磨待喷涂的工件表面。

上述用氧-乙炔亚音速火焰在钢铁件表面喷涂青铜合金的方法中：步骤(3)所述的打底层采用镍包铝复合粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比计为：Ni 75％～85％、Al 15％～25％；镍包铝复合粉末在亚音速火焰喷涂时能产生强烈的化学反应，生成Ni₃Al等金属间化合物的自粘结成分，促进界面结合。

上述用氧-乙炔亚音速火焰在钢铁件表面喷涂青铜合金的方法中：步骤(4)所述的铝青铜合金粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比计为：Al 8％～10％，Mn 1.5％～2.5％，杂质＜1.7％，其余为Cu。

上述用氧-乙炔亚音速火焰在钢铁件表面喷涂青铜合金的方法中：步骤(3)和步骤(4)所述的亚音速火焰喷涂，是采用压力达0.88MPa的高压燃烧室和压缩-膨胀喷嘴的亚音速喷枪。采用这种喷枪可达到对粉末粒子进行高速火焰喷涂的目的，该高速焰流因未超过临界音速(340m/s)，故称为“亚音速”。

上述用氧-乙炔亚音速火焰在钢铁件表面喷涂青铜合金的方法中：步骤(4)所述的喷涂工艺参数优选：氧气压力0.5MPa～0.8MPa，乙炔压力0.08MPa～0.12MPa，压缩空气送粉气的压力0.35MPa～0.55MPa，喷涂距离150mm～180mm，送粉量30g/min～35g/min，喷涂角度78°～82°。

本发明提出的打底层采用氧-乙炔亚音速火焰喷涂镍包铝合金粉末，这种粉末的特点是在微小的铝粉核外面均匀地包覆着金属镍，当喷涂过程中加热到一定温度，并通过亚音速焰流高速喷射到工件表面时，粉粒受到巨大的撞击力而破裂，在焰流高温的诱发下产生Ni、Al反应和Al的氧化反应，这种强烈的化学反应放出的热量对于基体表面起着强化加热作用，从而使熔融颗粒与基体表面产生微观冶金结合。而打底涂层表面也比较粗糙，为下一步喷涂青铜表面层提供了较理想的打底界面。

采用本发明所述的在钢铁件表面喷涂青铜合金的工艺方法制备的零部件，经金相显微镜观察，结合界面的显微组织有明显的80μm～100μm的过渡层。将喷涂后的试样迅速加热到600℃、800℃并分别投入冷水中进行试验，没有出现喷涂层界面开裂的现象。

本发明的实施，能够在钢铁件表面获得界面结合牢固的青铜合金涂层。采用本发明喷涂后的钢铁件表面平滑、喷涂层质量良好、界面结合强度高。钢铁喷涂件表面具有较高的耐腐蚀性，能大大提高室外钢铁件的使用寿命。同时，本发明所述的技术还具有操作简便、表面成形美观、成本低、适用性强的特点，便于推广应用。本发明的方法用于室外大型铸铁(或铸钢)造型或塑像的表面喷涂具有独特的优势。采用本发明所述的工艺方法，也可以在钢铁材料表面喷涂其他类型的铜合金。

四、具体实施方式

实施例1

针对直径为100mm、长度450mm的轴类铸钢件(活塞)，采用氧-乙炔亚音速火焰在铸钢表面喷涂青铜合金的工艺步骤如下：

(1)采用粒度为15～30目的金刚玉或硅砂对铸钢表面进行喷砂处理，使铸钢表面呈干净的灰白色；用手动砂轮进行打磨，直至表面露出金属光泽；

(2)用氧-乙炔火焰对铸钢件表面进行低温预热，预热温度为60℃～120℃；

(3)采用氧-乙炔亚音速喷枪，在预热的铸钢件表面火焰喷涂镍包铝合金粉末(镍包铝复合粉末的粒度不小于300目，其成分以重量百分比计为：Ni 80％～83％、Al 17％～20％)作为打底层，喷涂工艺参数为：氧气压力0.50MPa～0.75MPa，乙炔压力0.08MPa～0.11MPa，压缩空气送粉气的压力0.3MPa～0.5MPa，喷涂距离150mm～180mm，送粉量15g/min～22g/min，喷涂角度75°～85°，打底层厚度控制在0.06mm～0.10mm；

(4)采用氧-乙炔亚音速喷枪，在打底层上火焰喷涂青铜合金粉末(铜合金粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比计为：Al 9％，Mn 2％，杂质＜1.7％，其余为Cu)，喷涂工艺参数为：氧气压力0.50MPa～0.85MPa，乙炔压力0.08MPa～0.11MPa，压缩空气送粉气的压力0.4MPa～0.6MPa，喷涂距离150mm～180mm，送粉量30g/min～40g/min，喷涂角度80°～85°；连续重复喷涂2次，获得的青铜合金层厚度为0.6mm～1.0mm；

(5)喷涂青铜合金后立即采用微晶石蜡作为封孔剂对喷涂表面进行封孔处理。

步骤(3)和步骤(4)是采用压力达0.88MPa的高压燃烧室和压缩-膨胀喷嘴的亚音速喷枪。

按上述工艺方法喷涂的铸钢活塞表面与打底层、打底层与青铜合金层之间形成了良好的界面结合，结合强度大于65MPa，表面硬度为130HB。金相显微镜下观察打底层和青铜合金层内部无夹杂、气孔、疏松等缺陷，喷涂层表面成形美观。

实施例2

针对外圆直径500mm、内圆直径250mm、厚度30mm的球墨铸铁环形件，采用氧-乙炔亚音速火焰喷涂铝青铜合金制作气闸阀门的工艺步骤如下：

(1)采用粒度为15～40目的金刚玉或硅砂对球墨铸铁件环形件表面进行喷砂处理，然后用手动砂轮进行打磨，直至球墨铸铁表面露出金属光泽；

(2)用氧-乙炔火焰对球墨铸铁件表面进行低温预热，预热温度为80℃～150℃；

(3)采用氧-乙炔亚音速喷枪，在预热后的球墨铸铁表面火焰喷涂镍包铝合金粉末(镍包铝复合粉末的粒度不小于300目，其成分以重量百分比计为：Ni 83％、Al 17％)作为打底层，喷涂工艺参数为：氧气压力0.4MPa～0.6MPa，乙炔压力0.06MPa～0.10MPa，压缩空气送粉气的压力0.3MPa～0.5MPa，喷涂距离160mm～180mm，送粉量10g/min～20g/min，喷涂角度80°～83°，打底层厚度控制在0.08mm～0.12mm；

(4)采用氧-乙炔亚音速喷枪，在打底层上火焰喷涂铝青铜合金粉末(铝青铜合金粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比计为：Al 10％，Mn 1.8％，杂质＜1.7％，其余为Cu)，喷涂工艺参数为：氧气压力0.5MPa～0.8MPa，乙炔压力0.08MPa～0.12MPa，压缩空气送粉气的压力0.4MPa～0.6MPa，喷涂距离160mm～180mm，送粉量30g/min～40g/min，喷涂角度80°～85°；连续重复喷涂3次，获得的铝青铜合金层厚度为0.8mm～1.2mm；

(5)喷涂青铜合金后立即采用微结石蜡作为封孔剂对喷涂表面进行封孔处理。

按上述工艺方法喷涂的球墨铸铁表面与打底层、打底层与铝青铜合金层之间形成了良好的界面结合，结合强度大于50MPa，表面硬度为150HB。金相显微镜下观察打底层和铝青铜合金层内部无夹杂、气孔、疏松等缺陷，喷涂合金表面经过机械加工可用于气闸阀门。

Claims

1.一种用氧-乙炔亚音速火焰在钢铁表面喷涂青铜合金的工艺方法，由以下步骤组成：

(1)喷涂前对钢铁件表面进行去油、除锈及表面粗化处理，直至表面露出金属光泽；

(2)采用氧-乙炔火焰对钢铁件表面进行低温预热，预热温度50℃～160℃；

(4)采用氧-乙炔亚音速火焰喷枪在打底层上喷涂铝青铜合金层，喷涂工艺参数为：氧气压力0.20MPa～0.95MPa，乙炔压力0.06MPa～0.14MPa，压缩空气送粉气的压力0.2MPa～0.6MPa，喷涂距离120mm～200mm，送粉量25g/min～55g/min，喷涂角度70°～86°，连续重复喷涂2-4次，喷涂的铝青铜合金层厚度为0.50mm～1.20mm；

(5)喷涂铝青铜层后立即对喷涂表面用微晶石蜡作为封孔剂进行封孔处理。

2.如权利要求1所述的用氧-乙炔亚音速火焰在钢铁表面喷涂青铜合金的工艺方法，其特征是，步骤(1)所述的去油、除锈及表面粗化处理是采用喷砂、抛丸处理或砂轮打磨，直至钢铁基体表面露出金属光泽和均匀的粗化表面；表面处理完成后，工件表面应干燥、无油污、无锈蚀和氧化皮。

3.如权利要求2所述的用氧-乙炔亚音速火焰在钢铁表面喷涂青铜合金的工艺方法，其特征是，所述喷砂处理是用粒度为15～40目的金刚玉或硅砂；所述喷丸处理用的铁丸直径在0.4mm～0.8mm；所述砂轮打磨是采用手动砂轮直接打磨工件表面。

4.如权利要求1所述的用氧-乙炔亚音速火焰在钢铁表面喷涂青铜合金的工艺方法，其特征是，步骤(3)所述的打底层采用镍包铝复合粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比计为：Ni 75％～85％、Al 15％～25％。

5.如权利要求1所述的用氧-乙炔亚音速火焰在钢铁表面喷涂青铜合金的工艺方法，其特征是，步骤(4)所述的铝青铜合金粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比计为：Al 8％～10％，Mn 1.5％～2.5％，杂质＜1.7％，余量为Cu。

6.如权利要求1所述的用氧-乙炔亚音速火焰在钢铁表面喷涂青铜合金的工艺方法，其特征是，步骤(3)和步骤(4)所述的亚音速火焰喷涂，是采用压力达0.88MPa的高压燃烧室和压缩-膨胀喷嘴的亚音速喷枪。

7.如权利要求1所述的用氧-乙炔亚音速火焰在钢铁表面喷涂青铜合金的工艺方法，其特征是，步骤(4)所述的喷涂工艺参数是：氧气压力0.5MPa～0.8MPa，乙炔压力0.08MPa～0.12MPa，压缩空气送粉气的压力0.4MPa～0.6MPa，喷涂距离150mm～180mm，送粉量30g/min～35g/min，喷涂角度78°～82°。