CN101220475A - 以陶瓷颗粒为增强相的表层复合材料的氩弧熔化注射方法 - Google Patents

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郭面焕
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以陶瓷颗粒为增强相的表层复合材料的氩弧熔化注射方法，它涉及一种制造以陶瓷颗粒为增强相的表层复合材料的方法，以解决现有激光熔覆技术中存在的陶瓷增强相分解严重、增强效果差以及采用激光熔化－注射技术费用昂贵的问题。将氩弧熔化注射枪调整到基体材料的一端并达到引燃电弧的条件；向氩弧枪中通入氩气，接通引弧电源引燃电弧；将氩弧熔化注射枪沿基体材料的表面移动，使基体材料上形成拖尾状的熔池；通过送料装置在注射枪中加入增强粉末颗粒，并将增强粉末颗粒送入熔池的尾部；重复步骤三至步骤六直至基体材料的表层都被复合材料覆盖。本发明提升了表层复合材料的整体性能、适用范围宽，生产成本较低、容易实现产业化、用途广的特点。

Description

以陶瓷颗粒为增强相的表层复合材料的氩弧熔化注射方法
技术领域
本发明属于表面工程领域，具体涉及一种制造以陶瓷颗粒为增强相的表层复合材料的方法。
背景技术
随着工业领域对表面性能、尤其是耐磨性能的要求日益提高，多种表面强化的薄膜技术和涂层技术也随之发展起来。制备以表层陶瓷颗粒增强复合材料为表层复合材料的技术多种多样，目前主要采用外部加入陶瓷颗粒增强相的方法制备。按照采用的热源和陶瓷增强颗粒的添加方式分类，如下表所示：
热源 预制涂层方法          同步送粉条件下
颗粒部分或全部熔化 颗粒不熔或微熔
激光 激光熔覆 激光熔覆 激光熔化-注射
等离子 等离子熔覆 等离子粉末堆焊
火焰 两步法喷焊 一步法喷焊
聚焦光束 聚焦光束堆焊
感应炉 感应熔敷
电弧 管状碳化钨堆焊
电炉 压力铸造、真空吸铸、铸渗、离心铸造
陶瓷颗粒增强表层复合材料的制备目前多采用的是激光熔覆技术，采用这种技术的优点是能够获得极高的耐磨性能，但是激光熔覆技术存在着陶瓷增强相分解严重和裂纹问题。在激光熔覆过程中，提前预置的或同步送入的增强相颗粒处于激光束的直接作用下，被激光加热到极高的温度，发生比较严重的分解，极大降低了增强效果。
为了降低陶瓷颗粒增强相的分解程度、提高陶瓷颗粒的增强效果，J.A.Verling等人采用了激光熔化-注射技术(Laser Melt Injection，LMI)来制备表层复合材料。和同步送粉激光熔覆技术不同，激光熔化-注射技术中粉末从熔池后部送入，在不和激光束作用的情况下，直接送入熔池，以减少陶瓷颗粒对激光的吸收。因此，激光熔化-注射技术可以有效的降低陶瓷颗粒增强相的分解，但是，由于激光设备价格昂贵，激光熔化-注射技术不利于大规模工业化推广应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有激光熔覆技术中存在的陶瓷增强相分解严重、增强效果差以及采用激光熔化-注射技术费用昂贵的问题，提供了一种以陶瓷颗粒为增强相的表层复合材料的氩弧熔化注射方法。本发明包括以下步骤：
步骤一、对基体材料1的表面进行除油、除锈、除水处理；
步骤二、将基体材料1固定在工作转台2上；
本发明还包括以下步骤：
步骤三、将氩弧熔化注射枪3调整到基体材料1的一端，并调整氩弧熔化注射枪3距离基体材料1表面的高度，使其达到引燃电弧的条件；
步骤四、向氩弧熔化注射枪3的氩弧枪3-1中通入氩气，然后接通引弧电源7引燃电弧4；
步骤五、将氩弧熔化注射枪3沿基体材料1的表面移动，使基体材料1的表面上形成拖尾状的熔池5；
步骤六、通过送料装置8在氩弧熔化注射枪3的注射枪3-2中加入增强粉末颗粒6，并且在氩弧熔化注射枪3的移动过程中将增强粉末颗粒6送入熔池5的尾部；
步骤七、当氩弧熔化注射枪3从基体材料1的一端移动到基体材料1的另一端形成一条表层复合材料带后，重复步骤三至步骤六直至基体材料1的表层都被复合材料覆盖。
有益效果：本发明通过将陶瓷粒子材料有机地融入金属基体中，有效的保持了金属和陶瓷共有的特性，大幅度的提升了表层复合材料的整体性能；本发明的方法对基体材料适用范围宽，可采用钢、铝、铜等多种金属材料，增强相材料选择范围广，根据所用基体材料及所要求性能可采用不同种类的陶瓷粉末或金属陶瓷粉末；本发明的氩弧熔化注射方法与激光熔化注射技术相比还具有生产成本较低、容易实现产业化、用途广的特点。
附图说明
图1是完成本发明方法的装置结构示意图，图2是氩弧熔化注射枪3工作状态的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1、图2，本实施方式由以下步骤组成：
步骤一、以Q235钢作为基体材料1，对Q235钢的表面进行除油、除锈、除水处理，以获得清洁、干燥的金属表面；
步骤二、将Q235钢固定在工作转台2上，并调整好氩弧熔化注射枪3的角度，使氩弧枪3-1的轴线与Q235钢表面的垂直方向呈15°～35°角，注射枪3-2的轴线与Q235钢表面的垂直方向呈10°～35°角；
步骤三、将氩弧熔化注射枪3调整到Q235钢的一端，并调节氩弧熔化注射枪3的高度，使其达到引燃电弧的条件；
步骤四、向氩弧熔化注射枪3的氩弧枪3-1中通入氩气，通入氩气的流速为15～20L/min、压力为0.4MPa，然后接通引弧电源7引燃电弧4，引弧电源7的工作电压为30～40V，工作电流为直流70～100A；
步骤五、将氩弧熔化注射枪3沿Q235钢的表面移动，移动速度为4～6mm/s，使Q235钢的表面上形成拖尾状的熔池5；
步骤六、以直径为25～45μm的碳化钨粉末作为增强粉末颗粒6，通过送料装置8在氩弧熔化注射枪3的注射枪3-2中加入碳化钨粉末，并且在氩弧熔化注射枪3的移动过程中将碳化钨粉末送入熔池5的尾部，送入速度为380～420mg/s，当电弧4离开熔池5后，熔池5逐渐凝固，将碳化钨粉末固定在Q235钢的表面上，形成一条表层复合材料带；
步骤七、对于平板状的Q235钢，当氩弧熔化注射枪3从Q235钢的一端移动到Q235钢的另一端形成一条表层复合材料带后，重复步骤三至步骤六直至Q235钢的全部表面都被复合材料覆盖，新制备的复合材料带和上一条复合材料带搭接的面积为一条复合材料带面积的30％～35％。
引弧电源7的用途是为熔化基体材料1形成所需熔池形状而提供热源，可选用普通的氩弧焊机进行改装后即可，熔池形状可通过设备上的参数调节器调节控制；氩弧熔化注射枪3作为熔化基体材料1和注射陶瓷颗粒增强相材料的一体化注射枪，通过连接引弧电源7可熔化基体材料1的表层并形成熔池5，同时通过送料装置8向熔池5中注射陶瓷颗粒增强相材料；制造陶瓷颗粒增强相表层复合材料的工作转台2可以转动工件或移动氩弧熔化注射枪3；送料装置8的用途是输送陶瓷颗粒增强相材料，具有控制送料量和控制粉料喷射速度的功能。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于由以下步骤组成：
步骤a、对所用材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢的待加工柱塞采用氧乙炔火焰灼烧进行除油处理，然后对待加工柱塞的表面喷砂，喷砂压力0.8MPa，直到表面全部呈现金属光泽为止；
步骤b、将待加工柱塞设置在工作转台2上，调整工作转台2的转速，使待加工柱塞表面旋转线速度达到4～5mm；
步骤c、向氩弧熔化注射枪3的氩弧枪3-1中通入氩气，通入氩气的流速为13～17L/min、压力为0.4MPa，然后接通引弧电源7引燃电弧4，引弧电源7的工作电压为35～45V，工作电流为直流60～80A；
步骤d、将氩弧熔化注射枪3沿待加工柱塞的表面移动，移动速度为4～6mm/s，待加工柱塞旋转的同时，氩弧熔化注射枪3水平移动，使熔化焊道螺旋前进，焊道搭接量2mm，使待加工柱塞的表面上形成拖尾状的熔池5；
步骤e、通过送料装置8在氩弧熔化注射枪3的注射枪3-2中加入直径为25～45μm的NiCr-Cr3C2粉末，并且在氩弧熔化注射枪3的移动过程中将NiCr-Cr3C2粉末送入熔池5的尾部，送入速度为180～220mg/s，当电弧4离开熔池5后，熔池5逐渐凝固，将NiCr-Cr3C2粉末固定在待加工柱塞的表面上，形成高Cr含量合金层，其中一部分碳重新析出，形成Cr7C3碳化物。
油田所使用的注聚泵的柱塞工作于腐蚀环境中，所用材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢，由于柱塞不断往复运动，而1Cr18Ni9Ti耐磨性较差，造成柱塞磨损严重，寿命很短。为提高柱塞使用寿命，降低维护维修费用，需要对柱塞表面进行强化。采用本发明的方法，在柱塞表面制备一层耐磨、耐腐蚀的复合材料层，可以在不降低零件机械性能的前提下提高其使用寿命。本实施方式最后的步骤中在1Cr18Ni9Ti不锈钢表面形成的Cr7C3碳化物分布在合金层中，合金层中镶嵌着大量Cr3C2颗粒，耐磨性极好，并且没有气孔、裂纹等缺陷，能够有效提高柱塞的使用寿命。

Claims (1)

1.以陶瓷颗粒为增强相的表层复合材料的氩弧熔化注射方法，它包括以下步骤：
步骤一、对基体材料(1)的表面进行除油、除锈、除水处理；
步骤二、将基体材料(1)固定在工作转台(2)上；
其特征在于它还包括以下步骤：
步骤三、将氩弧熔化注射枪(3)调整到基体材料(1)的一端，并调整氩弧熔化注射枪(3)距离基体材料(1)表面的高度，使其达到引燃电弧的条件；
步骤四、向氩弧熔化注射枪(3)的氩弧枪(3-1)中通入氩气，然后接通引弧电源(7)引燃电弧(4)；
步骤五、将氩弧熔化注射枪(3)沿基体材料(1)的表面移动，使基体材料(1)的表面上形成拖尾状的熔池(5)；
步骤六、通过送料装置(8)在氩弧熔化注射枪(3)的注射枪(3-2)中加入增强粉末颗粒(6)，并且在氩弧熔化注射枪(3)的移动过程中将增强粉末颗粒(6)送入熔池(5)的尾部；
步骤七、当氩弧熔化注射枪(3)从基体材料(1)的一端移动到基体材料(1)的另一端形成一条表层复合材料带后，重复步骤三至步骤六直至基体材料(1)的表层都被复合材料覆盖。
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