CN101532121B - 一种金属表面电弧喷熔加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属表面电弧喷熔加工工艺，在金属基体上制备喷涂层，然后用电弧对喷涂层进行加热，使之完成熔化、结晶、脱氧脱硫等物化冶金过程，金属基体表层轻微熔化，熔化金属在液态下混合，温度下降后获得具有一定的组织组成和性能的表面层。采用电弧作为热源对电弧喷涂层进行改性处理，获得设计成分、组织和性能的表面层。本发明工艺获得的表面层成形良好，表面平整，一般不用机械加工就可以投入使用。电弧喷熔技术不仅适用于镍基材料，而且可以用于铁基材料。既可以用于新件制造，在工件表面获得有一定厚度和硬度的具有耐磨、耐蚀等性能的金属表面层，又可以用于旧件修复。

Description

一种金属表面电弧喷熔加工工艺

技术领域：

本发明涉及金属表面加工技术，尤其是提供了一种金属表面电弧喷熔加工工艺，属于金属表面材料制备及表面加工技术领域。

背景技术：

在金属加工技术领域中，热喷涂是利用热源将喷涂材料加热至熔融状态，通过高速气流使其雾化并喷射到零件表面，以形成喷涂层的表面加工技术。喷涂层与基材之间为机械结合是热喷涂技术最基本的特征。喷涂层与基体之间，以及喷涂层中颗粒之间主要通过镶嵌、咬合、填塞这种机械形式连接，其次是微区冶金结合以及化学键结合，另外，喷涂层还存在固有的缺陷，例如：喷涂层为层状结构，涂层中有较多裂纹和孔隙。因此，喷涂层与基体之间结合强度较低，不适于重载、冲击和高应力工作条件。为了满足受力较大工况条件下的技术要求，有必要对喷涂层进行处理，消除内部缺陷，提高与基体的结合强度。

也可利用喷涂层金属在低于基体熔点的温度熔融后与基体金属之间相互扩散，形成牢固的结合，在金属表面获得喷焊层。一般是采用转移型等离子弧为等离子喷焊热源，在金属表面喷焊合金粉未并与基体金属熔合的方法。优点是熔深较浅，基材对表面层合金的冲淡率低，电弧对熔池的搅拌作用较强，熔池的冶金过程进行的比较充分，喷焊层气孔和夹渣少。但设备较贵重，等离子喷焊枪容易堵塞烧损，维修费用高。激光重熔和电子束重熔均需要贵重的大型设备。

发明内容

本发明涉及一种金属表面电弧喷熔加工工艺，使喷涂层与基体的结合由原来的机械结合为主变为完全冶金结合，堆叠的层状组织变为致密均匀的结晶组织，消除了孔隙、氧化物等喷涂层固有缺陷。

本发明的技术解决方案主要包括工艺步骤如下：

表面清理：对基体材料需喷熔处理的部位进行表面清理，可以根据表面赃物的特性选择适当的介质进行清洗，如用碱液去油，酸洗去除氧化皮等，也可以进行机械清理。

表面粗化处理：采用喷砂、机加或电拉毛等工艺进行表面粗化，处理后要求表面粗糙度为Ra12.5-100。

电弧喷涂：使用铁基药芯电弧喷熔丝材，直径2.4/3.0mm，压缩空气压力为0.3～0.8MPa，流量为3～8m³/min；设备为普通的电弧喷涂机，电弧电压为20～40伏，电弧电流为100～500安，按照工件的工作条件和寿命要求喷涂至0.5～3.0mm。要求喷涂层与基体结合良好，无裂纹和脱落等严重缺损。

加热重熔：利用钨极氩弧焊设备产生的电弧对电弧喷涂层加热使之熔融，重熔主要工艺参数为：电弧电流60-350A，电弧电压8-25V，氩气流量5-15L/min。注意完全熔透喷涂层，配合适当的行走速度，控制基体熔化量，保证成型良好。

电弧喷熔层组织性能检测：经金相观察分析，要求耐磨性良好的电弧喷熔层主要由马氏体、残余奥氏体、贝氏体、碳化物、硼化物等组织组成，在不同的成分、组织和工艺参数条件下，喷熔层宏观硬度在HRC25-65内变化。要求耐蚀性的喷熔层，多采用单相奥氏体不锈钢类型，硬度不做要求。

修整加工：表面形状和尺寸要求较高的工件，电弧喷熔处理后，可使用机加设备对喷熔部位进行修整加工，平板件可以刨/铣削加工，旋转件可以车/磨削加工，加工至满足技术要求。

将电弧喷涂技术和熔化技术顺次实施，将电弧喷涂层用电弧加热，利用高温物理化学冶金过程，使表面层与基体材料实现冶金结合，并可以改变工艺参数，获得一定厚度和硬度的具有耐磨、耐蚀等性能的合金表面层。电弧喷熔技术是以电弧热喷涂技术和电弧熔化技术为基本技术组成，将二者顺次作用获得的一种新型表面加工技术。对喷涂层进行重熔处理能消除喷涂层中的气孔和氧化物夹渣，并与金属基材产生溶解扩散冶金结合，从而大幅度提高致密性和结合强度，使涂层有更好的耐腐蚀、耐磨损和抗冲击性能。

一、喷涂层与重熔组织比较

喷涂层与重熔层的典型组织如图1～3。电弧喷涂后，喷涂层为堆叠的层状组织，可以清晰看到界面分明的喷涂粒子，以及大块喷涂粒子变形堆积的形貌(见图1)。重熔处理后，表面层成分及组织均匀，根据成分与重熔工艺的不同，表面层组织类型有马氏体与残余奥氏体等基体和碳/硼化物等硬质相及其共晶组织(图2、3)。

二、喷涂层与重熔层性能比较

喷涂层与重熔层的性能对比见表1。重熔处理后，表面层的硬度和耐磨性有明显提高。

三、喷焊技术的特点简介

喷焊技术便于实施，适于制造和修复表面工作层厚度为0.5-3mm、硬度为HRC25-65的耐磨损工件。可以根据具体工作条件设计表面层成分、组织和性能。

本发明相对于电弧喷涂、火焰喷焊、堆焊等传统工艺的优点在于：电弧喷熔技术使用普通电弧喷涂和氩弧焊设备，操作简单方便，便于控制和实施。电弧喷熔所用的材料是金属丝材，可以连续喷涂，沉积效率高。电弧重熔后可以消除电弧喷涂层的冶金和工艺缺陷，获得与基体材料为完全冶金结合的耐磨、耐蚀表面层。电弧喷熔表面层成型良好，表面平整，一般可以直接使用，降低加工成本。

本发明工艺可广泛应用于钢铁厂、水泥厂、发电厂等企业的各种辊类件，利于降低成本、延长工作寿命、提高生产效率。

附图说明

图1为喷涂层金相照片；

图2为本发明工艺获得的电弧喷熔层金相照片；

图3为本发明工艺获得的电弧喷熔层金相照片。

具体实施方式：

为了便于理解本发明，特例举以下实施例。其作用被理解为是对本发明的阐释而非对本发明的任何形式的限制。

实施例1

利用电弧喷涂设备在Q235钢板制造的硫酸槽体内表面制备耐腐蚀合金表面层。具体步骤如下：

钢板表面清理：清理焊渣、毛刺、飞溅物以及修复表面缺陷。

表面清洗：采用弱酸清洗剂，清洗硫酸槽内表面，去除油污。

表面粗化处理：利用喷砂机对硫酸槽内表面进行喷砂，喷砂的工艺参数为：压缩空气压力为0.7MPa，流量为4m³/min，用16#金刚砂，喷砂后钢板表面粗糙度达到Ra25左右。

电弧喷涂：用1Cr18Ni9Ti不锈钢焊丝做喷熔材料，对硫酸槽内表面进行电弧喷涂，喷涂层厚度2mm。喷涂参数为：压缩空气压力为0.6MPa，压缩空气流量为5m³/min；电弧电压为32V；电流为260A。

加热重熔：用钨极氩弧焊机进行重熔，工艺参数为：电弧电流200A，电弧电压16V，氩气流量10L/min。经检测，耐腐蚀喷熔层厚度达1.6mm，组织为单相奥氏体组织。

修整加工：利用机加设备对喷熔部位进行加工处理。

实施例2

旋压轮电弧喷熔制造：旋压轮是一种旋压加工的工具。旋压部位要求耐高温、耐高压和高耐磨性。基体采用45#钢，旋压加工部位采用电弧喷熔技术进行表面改性处理。电弧喷熔层与基体形成完全冶金结合，表面硬度达到HRC58～62。具体步骤如下：

表面清理：对喷熔部位进行整理与保护。

表面清洗：采用弱酸清洗剂，清洗旋压轮表面，去除油污。

表面粗化处理：利用喷砂机对旋压轮工作表面进行喷砂粗化处理，喷砂的工艺参数为：压缩空气压力为0.7MPa，流量为4m³/min，用16#金刚砂，喷砂后钢板表面粗糙度达到Ra25左右。

电弧喷涂：用铁基电弧喷熔丝材(1.5C28Cr3Si1.3BMn)做喷熔材料，对旋压轮工作表面进行电弧喷涂，喷涂层厚度2mm。电弧喷涂参数为：压缩空气压力为0.8MPa，流量为4m³/min；电弧电压为30V；电流为280A。

加热重熔：用钨极氩弧焊机进行重熔，工艺参数为：电弧电流280A，电弧电压23V，氩气流量14L/min。喷熔层硬度为HRC58-62(金相照片见图2)。

修整加工：利用机加设备对喷熔部位进行加工处理。

实施例3

支撑辊表面电弧喷熔

表面清理：对支撑辊表面需喷熔处理的部位进行表面清理；

表面粗化处理：表面粗糙度为Ra50；

电弧喷涂：使用铁基电弧喷熔丝材(1C 13Cr2.4SiBMn)，压缩空气压力为0.3MPa，流量为8m³/min；电弧电压为40伏，电弧电流为460安，喷涂层为0.5mm；

加热重熔：利用钨极氩弧焊设备产生的电弧对电弧喷涂层加热使之熔融，重熔主要工艺参数为：电弧电流80A，电弧电压12V，氩气流量6L/min；喷熔层宏观硬度为HRC52-55(金相照片见图3)。

Claims (1)

1.一种金属表面电弧喷熔加工工艺，包括以下步骤：

表面清理：对基体材料需喷熔处理的部位进行表面清理；

表面粗化处理：表面粗糙度为Ra25～50；

电弧喷涂：使用铁基电弧喷熔丝材，压缩空气压力为0.6～0.8MPa，流量为4～5m³/min；电弧电压为30～32伏，电弧电流为260～280安，喷涂层厚度为2.0mm；

电弧重熔：利用钨极氩弧焊设备产生的电弧对电弧喷涂层加热使之熔融，电弧重熔主要工艺参数为：电弧电流200～280A，电弧电压12～16V，氩气流量10～14L/min；喷熔层宏观硬度为HRC52～62。

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