CN101372073B - 铝热堆焊辊压工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝热堆焊辊压工艺，是在待堆焊的钢板表面用铝热法堆焊铁/陶瓷混合物涂层材料后，在涂层材料凝固过程中用铝热堆焊辊压装置进行辊压，使所述涂层材料在压力下结晶，在变形中凝固，从而获得高密度复合材料涂层，所述用铝热法堆焊铁/陶瓷混合物涂层材料所用的堆焊原料为铝热焊剂，所述铝热焊剂以Fe₂O₃+2Al＝Al₂O₃+2Fe+828.894(kJ)铝热反应方程为基本配方，根据堆焊层性能要求不同，添加合金元素，调整堆焊原料配方，所述铝热焊剂的点火剂为按原子比为1∶1的Ti粉与C粉的混合物。本发明铝热堆焊辊压工艺能提高焊剂材料与基体匹配性、提高堆焊层密度和与基体的结合强度。

Description

铝热堆焊辊压工艺

技术领域

本发明涉及一种制备表面涂层的方法，具体涉及一种钢材表面制备高密度陶瓷基复合材料堆焊涂层的方法。属表面工程技术领域。

背景技术

堆焊可使涂层与基体实现完全的冶金结合，是目前涂层与基体结合强度最高的制备表面涂层的方法。堆焊工艺具有成本低、操作灵活的优势，因而堆焊工艺易被大多数工厂接受。早期应用于对已损坏的零件进行修复，并使被修复表面性能得到一定的加强。如今已不甘于在维修领域中大显身手，而是越来越多地将触角伸进制造业领域。

目前，国内外普遍采用的堆焊方法主要有手工电弧堆焊、氧-乙炔液堆焊、埋弧堆焊、气体保护和自保护明弧堆焊和电渣堆焊，另外还有新兴的等离子弧堆焊、电子束堆焊、激光堆焊和聚焦光束堆焊法等。就上述各种堆焊工艺而言，目前存在的最大问题是堆焊层开裂和剥离。其原因很复杂，主要有：①堆焊焊剂材料与基体不匹配。目前，焊条的种类很多，但与成千上万种钢材相比毕竟有限，无法很好地适应各种基体材料。②传统的堆焊工艺下，涂层金属自由结晶，制备的堆焊层为铸态组织，存在枝晶、缩孔、偏析、夹杂等诸多缺陷。③堆焊过程中产生的热应力和冷却后的残余拉应力没有消除。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种能提高焊剂材料与基体匹配性、提高堆焊层密度和与基体的结合强度的铝热堆焊辊压工艺。

本发明的目的是这样实现的：一种铝热堆焊辊压工艺，是在待堆焊的钢板表面用铝热法堆焊铁/陶瓷混合物涂层材料后，在涂层材料凝固过程中用铝热堆焊辊压装置进行辊压，使所述涂层材料在压力下结晶，在变形中凝固，从而获得高密度复合材料涂层，

所述堆焊铁/陶瓷混合物涂层材料所用的堆焊原料为铝热焊剂，所述铝热焊剂以Fe₂O₃+2Al＝Al₂O₃+2Fe+828.894(kJ)铝热反应方程为基本配方，根据堆焊层性能要求不同，添加合金元素，调整堆焊原料配方，

所述铝热焊剂的点火剂为按原子比为1:1的Ti粉与C粉的混合物。

本发明利用廉价的原料，通过铝热化学放热(1500℃～4000℃)反应，节省昂贵的陶瓷颗粒材料和常规堆焊需要的电或气等外加能源，待铝热反应产物浇铸到钢表面，呈半固态或高温塑性状态时进行辊压，借助辊压力提高堆焊层密度和与基体的结合强度。将铝热反应热压致密化、堆焊和半固态辊压技术有机融合。

常用的铝热反应方程式为：Fe₂O₃+2Al＝Al₂O₃+2Fe+828.894(kJ)。如果采用该方程式为铝热堆焊材料基本配方，反应产物不经过滤直接浇铸到金属表面时，则在一定的保温条件下，堆焊层的熔体还将按密度大小分层，大密度组分的铁水下沉，与其相接触的基体钢材表面形成冶金结合，低密度的三氧化二铝陶瓷颗粒浮在高密度的铁水表面。整个熔体冷却过程中经过具有触变性或高温塑性类似于半固态的状态。此时对其辊压，在涂层钢板四周有限流装置的条件下，钢水将向上流动，充满上层的陶瓷颗粒缝隙，表面形成一层相当于用浸渗法制备的陶瓷颗粒增强复合材料。表层的陶瓷颗粒在强大的三向压应力作用下轧入钢中，与金属界面牢固地结合，在外力作用下很难拉脱，因而将显著地提高复合材料堆焊层的致密性、与基体的结合强度和耐磨性。如果在铝热焊剂中再加入氟化钙，则堆焊层不但耐磨而且减磨，如果加入耐腐蚀的合金元素则将提高堆焊层的抗腐蚀能力。总之，采用铝热堆焊工艺，可以根据需要通过调整铝热焊剂粉末配方，灵活地进行合金化处理。铝热反应除具有节省能源的优点外，另一显著特点是速度快，整个铝热反应过程在几秒之内即可完成，如果一次参与铝热反应的焊剂量大，可以实现大面积快速熔涂。与传统的堆焊工艺比，堆焊层经半固态辊压后，表面光洁度也将大幅度提高。

由于采用上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、节能：铝热反应充分利用化学反应本身放出的热量，在合成过程中温度可达1500-4000℃；

2、高效：无需热量从外部传递到物料的过程，反应速度一般为0.1-20cm/s；

3、设备小、精度高、质量好：在合成过程中，燃烧前沿温度极高，可蒸发掉挥发性的杂质，因而产物通常是高纯度的。反应后的一段时间内产物具有触变性，流动性好，辊压装置吨位小、致密化的涂层密度高、质量好；

4、成本低：原材料廉价、设备简单、工艺节能、材料利用率高。

5、易于从试验转入规模生产；

6、铝热反应产生的陶瓷高温性能突出、化学稳定性好、硬度高、韧性好；

7、材料可设计：可通过加入填料改性，使堆焊层材料具有可设计性；

8、堆焊后的快速辊压显著提高涂层的致密度及与钢板基体的结合强度。与铸件和锻件的均质结构相比，堆焊层强度将由约为其1/3，提高到接近钢板基体的强度。

附图说明

图1为本发明所涉及的铝热堆焊辊压装置结构示意图。

图2为图1的半剖图。

图3为图1中的辊压轮外观图。

图4为图3中的辊压轮半剖图。

图5为图1中的漏斗形坩埚半剖图。

图6为图5的右侧视图。

图中：支撑臂1、配重水箱2、盖3、合金壳体4、前小轮5、辊压轮6、石墨刷7、把手8、加固杆9、漏斗形坩埚10、耐火材料10.1、限流区10.2、反应区10.3、堆焊区10.4、凸台6.1、冷却水腔6.2。

具体实施方式

本发明涉及的一种铝热堆焊辊压工艺，是在待堆焊的钢板表面用铝热法堆焊铁/陶瓷混合物涂层材料后，在涂层材料凝固过程中用铝热堆焊辊压装置进行辊压，使所述涂层材料在压力下结晶，在变形中凝固，从而获得高密度复合材料涂层。所述堆焊铁/陶瓷混合物涂层材料所用的堆焊原料为铝热焊剂，所述铝热焊剂以Fe₂O₃+2Al＝Al₂O₃+2Fe+828.894(kJ)铝热反应方程为基本配方，根据堆焊层对耐磨性、高温强度、硬度、韧性、耐蚀性、耐冲击、热震性等单一或综合性能要求不同，添加合金元素，调整堆焊原料配方。所述铝热焊剂的点火剂为按原子比为1:1的Ti粉与C粉的混合物。

本发明所采用的铝热堆焊辊压装置如图1～2所示，主要由金壳体4、盖3、配重水箱2、前小轮5、辊压轮6、石墨刷7、支撑臂1、把手8和加固杆9组成。合金壳体4前下部安装前小轮5，合金壳体4后上部安装有配重水箱2，配重水箱2的顶部设置有进水口，一侧开有出水口。在配重水箱2左右两侧固定有两支撑臂1，两支撑臂1上端向后安装把手8，两支撑臂1上端内侧之间连接加固杆9，两支撑臂1的下端安装辊压轮6，辊压轮6置于合金壳体4后下部，辊压轮为空心轮，中空处用于进出冷却水。两支撑臂1内有水道连接配重水箱2和辊压轮6。为了限制液态的铝热焊剂侧向流动，在辊压轮6的两端设计有两个凸台6.1，如图3和图4。为了防止铁水粘辊，在辊压轮6旁侧的合金壳体4上安装石墨刷7，在辊压轮滚动时石墨刷可将混有机油的石墨刷在辊压轮上。所述合金壳体4内置耐火材料10.1，耐火材料加工成漏斗形坩埚10，用以盛装铝热焊剂，并起保温作用。漏斗形坩埚上端有环形槽与盖3配合，漏斗形坩埚下端有圆形通道通向底部的限流区10.2，限流区形状为“[”形，限流区开口向后通向辊压轮6，如图5和图6。通过改变配重水箱中的水来调整辊压的辊压力。同时水箱中的水又可以作为冷却水向辊压轮提供。为使铁水在辊压前不致于快速凝固，基体钢板下垫耐火材料。

本发明典型的实施例是：

将占重量比为30％、粒度为20-30目的铝粉与占重量比为70％、粒度小于100目的氧化铁粉充分混和成铝热焊剂。堆焊时，采用图1所示的铝热堆焊辊压装置。先将图1所示辊压装置的辊压轮旋转几周，使辊压轮均匀沾上石墨，将圆形石棉垫堵塞在合金壳体内置的漏斗形坩埚的下口，漏斗形坩埚内加入铝热焊剂、点火剂，将漏斗形坩埚的下端口对准待堆焊的基体钢板部位，点燃漏斗形坩埚中的点火剂，盖上盖，通过点火剂引燃与之接触的铝热焊剂，发生铝热反应，生成铁水和三氧化二铝颗粒，当铁水和三氧化二铝颗粒烧穿堵塞漏斗形坩埚下口的石棉垫后，流到待堆焊的基体钢板表面，待反应产物铁水和三氧化二铝都下落到待堆焊的基体钢板上时，推动辊压装置，辊压轮将基体钢板表面上的铝热反应产物铁水、三氧化二铝陶瓷颗粒压实，完成堆焊辊压。在这种铁/陶瓷混合物凝固过程中进行辊压，使其在压力下结晶，从而获得高密度复合材料涂层。

Claims (3)

1.一种铝热堆焊辊压工艺，其特征在于所述工艺是在待堆焊的钢板表面用铝热法堆焊铁和陶瓷的混合物涂层材料后，在涂层材料凝固过程中用铝热堆焊辊压装置进行辊压，使所述涂层材料在压力下结晶，在变形中凝固，从而获得高密度复合材料涂层，

所述用铝热法堆焊铁和陶瓷的混合物涂层材料所用的堆焊原料为铝热焊剂，所述铝热焊剂以Fe₂O₃+2Al＝Al₂O₃+2Fe+828.894(kJ)铝热反应方程为基本配方，根据堆焊层性能要求不同，添加合金元素，调整堆焊原料配方，

所述铝热焊剂的点火剂为按原子比为1∶1的Ti粉与C粉的混合物，

所述铝热堆焊辊压装置包括合金壳体(4)、盖(3)、配重水箱(2)、前小轮(5)、辊压轮(6)、石墨刷(7)、支撑臂(1)、把手(8)和加固杆(9)，合金壳体(4)前下部安装前小轮(5)，合金壳体(4)后上部安装配重水箱(2)，在配重水箱(2)左右两侧固定两支撑臂(1)，两支撑臂(1)上端向后安装把手(8)，两支撑臂(1)上端内侧之间连接加固杆(9)，两支撑臂(1)的下端安装辊压轮(6)，辊压轮(6)置于合金壳体(4)后下部，在辊压轮(6)的两端设计有两个凸台(6.1)，在辊压轮(6)旁侧的合金壳体(4)上安装石墨刷(7)，所述合金壳体(4)内置耐火材料(10.1)，耐火材料加工成漏斗形坩埚(10)，漏斗形坩埚(10)上端与盖(3)配合，漏斗形坩埚(10)下端有圆形通道通向底部的限流区(10.2)，限流区形状为“[”形，限流区开口向后通向辊压轮(6)。

2.根据权利要求1所述的一种铝热堆焊辊压工艺，其特征在于所述工艺具体是：堆焊时，先将辊压装置的辊压轮旋转几周，使辊压轮均匀沾上石墨，将圆形石棉垫堵塞在合金壳体内置的漏斗形坩埚的下口，漏斗形坩埚内加入铝热焊剂、点火剂，将漏斗形坩埚的下端口对准所述圆形通道，点燃漏斗形坩埚中的点火剂，盖上盖，通过点火剂引燃与之接触的铝热焊剂，发生铝热反应，生成铁水和三氧化二铝颗粒，当铁水和三氧化二铝颗粒烧穿堵塞漏斗形坩埚下口的石棉垫后，流到待堆焊的基体钢板表面，待反应产物铁水和三氧化二铝都下落到待堆焊的基体钢板上时，推动辊压装置，辊压轮将基体钢板表面上的铝热反应产物铁水、三氧化二铝陶瓷颗粒压实，完成堆焊辊压，在这种铁和陶瓷的混合物凝固过程中进行辊压，使其在压力下结晶，从而获得高密度复合材料涂层。

3.根据权利要求1所述的一种铝热堆焊辊压工艺，其特征在于所述配重水箱(2)的顶部设置有进水口，一侧开有出水口，辊压轮为空心轮，所述两支撑臂(1)内有水道连接配重水箱(2)和辊压轮(6)。

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