CN103042338A - 一种基于零件再制造修复的反应氮弧熔覆耐磨涂层制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于零件再制造修复的反应氮弧熔覆耐磨涂层制备工艺，属于零件再制造工程领域。该工艺包括：确定零件修复尺寸，检验零件内部是否有损伤；对零件待修复表面进行除油、除锈处理；将原材料钛粉和石墨用球磨机均匀混合后用酒精稀释粘结剂调制成糊状浆料，并采用刷涂法将其涂覆在待修复表面并按一定规范烘干；选用TIG焊机，以工业纯氮为保护气体，直流正接，进行搭接烧熔；保温缓冷后用无损探伤方法检查修复层质量；对修复层进行机械加工以满足零件尺寸要求和表面质量要求。本发明具有修复层耐磨性优异、工艺设备简单、成本低廉的特点，适用于表面磨损而基体内部无损伤零件的再制造修复及技术升级。
Description
技术领域
本发明提供一种基于零件再制造修复的反应氮弧熔覆耐磨涂层制备工艺，属于零件再制造技术领域，适用于表面磨损而基体内部无损伤零件的再制造修复和技术升级。
技术背景
随着现代科学技术和工业的迅猛发展，各行各业对材料的表面性能要求不断提高，尤其一些经常在高温、高压、高速、重载、腐蚀的恶劣条件下服役的大型、关键设备零部件。机械产品的故障往往是由个别零部件的表面失效造成，而摩擦磨损是材料表面失效的主要形式。颗粒增强金属基复合材料涂层因其高比强度、高比模量和优异的耐磨性，已成为金属材料表面强化的重要方法。其中，通过外加物料间或外加物料与基体间的相互反应形成硬质颗粒增强相的耐磨涂层反应合成制备方法，由于增强相与涂层同时形成，增强相具有颗粒细小、性能稳定、分布均匀、界面洁净、与基体结合良好的优点，是目前制备性能优良耐磨涂层的主要方法之一。
再制造是指将机电产品运用高科技进行专业化修复或升级改造，使它恢复到像新品一样或优于新品的批量化制造过程。零件再制造修复是通过运用相应的清洗技术、修复技术和表面处理技术，使废旧零部件达到或超过新品的性能，恢复或延长产品的使用寿命。零件再制造修复充分利用了废旧零部件中蕴含的二次资源，节约了制造新产品所需的能源和原材料，降低了维修成本，而且具有使用方便、操作简单、方便维修的特点。
TiN和TiC含钛陶瓷涂层以其高硬度、高耐磨性和良好的化学稳定性而成为具有巨大应用前景的涂层材料。但TiC涂层太脆，在使用中容易崩落；而TiN涂层在高温条件下抗氧化、抗磨损能力方面不足，限制了其进一步发展。TiCN是一种性能优良、用途广泛的非氧化物材料，亦是一种性能优异的涂层材料，它是TiN和TiC的固溶体，兼有两者的特性和优点。与TiC相比，TiCN的塑性、耐磨性更优异；与TiN相比，TiCN有更好的抗粘着磨损和抗磨粒磨损性能及更低的摩擦因数。目前，研究人员就化学气相沉积、物理气相沉积、离子束辅助沉积、等离子体沉积、激光熔覆制备TiCN涂层的工艺、机理及性能进行了大量研究，并取得了丰硕的成果。但上述TiCN涂层制备方法普遍需要超高真空和高压，而且设备价格昂贵、耗能多、成本高、工艺复杂，因而限制了在零件再制造修复中更加普遍的。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种低成本、高效率、可靠的零件再制造修复工艺，适用于表面磨损而基体内部无损伤零件的再制造修复及技术升级。
本发明的目的通过以下措施实现，采用传统TIG焊机，采用直流正接，以高纯氮气为保护气体，以工业钛铁粉和石墨粉为原材料，利用氮弧熔覆技术，在金属零件表面原位合成TiCN颗粒增强金属陶瓷耐磨涂层。本发明的技术方案如下：
(1)零件检验：检验零件磨损量，通过无损探伤选择磨损量δ＝0.2～4.5mm的内部无损伤零件作为再制造修复对象。
(2)球磨混粉：将纯度不低于98％的钛铁粉和碳质量分数不低于98％的石墨粉按钛碳摩尔比1∶1用球磨机混合，球磨介质为酒精。
(3)调制浆料：将上述球磨混合后的粉末用酒精稀释聚丙烯酸腊有机粘结剂调成糊状浆料，浆料中聚丙烯酸腊有机粘结剂与混合粉末的质量百分比为1％。
(4)零件预处理：将零件置于PH值为11、温度为85℃的NaOH溶液中煮洗30min，去除零件表面及渗入零件内部的油污；采用铸钢砂对待修复表面进行干喷砂处理直到出现金属光泽；用酒精溶液清洗经喷砂处理表面并用热风吹干。
(5)预置涂层：采用刷涂法在处理后的零件表面均匀刷涂厚度d＝δ+0.3～0.5mm的糊状浆料，之后将其置入烘干箱烘干直至无水分为止。
(6)氮弧熔覆：在氮气保护下用TIG焊机对上述预置涂层进行搭接烧熔。烧熔工艺条件为：直流正接，钨极直径1～5mm，电弧长度1～3mm，焊接电流50～500A，氮气流量10～15L/min，氮气纯度99.5％～99.99％，焊接速度1～4mm/s，烧熔道次重叠率30％～50％。
(7)涂层后处理：将上述氮弧熔覆后的零件置于600～700℃的热处理炉，断电后随炉冷却至室温。
(8)涂层检验：无探伤检查涂层是否存在裂纹、气孔、夹渣、未熔透、未焊合缺陷。对涂层中含有所述缺陷的零件予以报废或剔除涂层后重复步骤(3)～(6)，直至探伤无所述缺陷为止。
(9)涂层后加工：按照零件尺寸和表面质量要求，对涂层无缺陷的零件进行机械加工。
本发明具有积极的效果：本发明提供的基于零件再制造修复的反应氮弧熔覆耐磨涂层制备工艺，无需预先合成TiCN粉体，而是利用TiCN形成元素在氮弧烧熔过程中通过反应直接合成TiCN颗粒增强金属陶瓷涂层。熔覆过程中，氮弧能量将预涂钛粉和石墨粉的金属零件基体熔化或熔融为低熔点液态合金的同时使部分氮气电离，电离的氮气及未被电离的氮气与熔化或熔融的钛及石墨反应生成碳氮化钛硬质相，冷却凝固后形成以碳氮化钛为硬质相，零件基体金属为基体相(粘结相)的碳氮化钛颗粒增强金属复合耐磨涂层。本发明具有方法简单、修复成本低、修复层耐磨性好、应用范围广的特点，拓展了TIG焊的应用，为零件再制造修复提供了新工艺。
附图说明
图1是零件再制造修复的反应氮弧熔覆耐磨涂层工艺流程图，图2是反应氮弧熔覆耐磨涂层与45#钢(调质处理)的磨痕对比图。
具体实施方式
实施例1：
本发明采用上述基于零件再制造修复的反应氮弧熔覆耐磨涂层制备工艺，对一材质为45#钢的光轴轴颈部分进行再制造修复。工艺流程见图1，具体工艺步骤如下：
(1)用外径百分表测得轴颈磨损尺寸为0.45mm，X射线无损探伤发现轴内部没有损伤。
(2)将钛粉(宁晋县恒发钛粉厂生产，化学成分见表1)和碳质量分数不低于98％的石墨粉(天津大茂化学试剂厂生产)按钛碳摩尔比1∶1(质量比47.9∶12)用DQM型行星式球磨机混合，球磨介质为浓度95％的酒精，球料比5∶1，球磨转速120r/min，球磨时间12h。
表1 钛粉化学成分
(3)用浓度95％的酒精稀释聚丙烯酸腊作为粘结剂，将上述球磨混合后的粉末调成糊状浆料。调制时，聚丙烯酸腊与混合粉末按质量百分比1％选取。
(4)将待修复轴颈置于PH值为11、温度为85℃的NaOH溶液中煮洗30min。
(5)对待修复的轴颈表面进行干喷砂直到出现金属光泽，干喷砂的砂料选用铸钢砂。
(6)用浓度95％的酒精涮洗喷砂表面并用热风吹干。
(7)采用刷涂法将糊状浆料均匀刷涂在经上述处理后的轴颈表面，刷涂厚度0.8mm，刷涂时不断压实刷涂层。
(8)将刷涂好浆料的待修复光轴置入60℃的烘干箱烘干直至无水分。
(9)在氮气保护下用松下YC-500WX型TIG焊机对上述烘干后的浆料层进行搭接烧熔。烧熔工艺条件为：直流正接，钨极直径1.6mm，电弧长度3mm，焊接电流120A，氮气流量12L/min，氮气纯度99.9％，焊接速度3mm/s，烧熔道次重叠率40％±5％。
(10)将上述氮弧熔覆后的轴置于650℃的热处理炉中，断电后随炉冷却至室温。
(11)分别用渗透探伤和X射线探伤检查涂层表面质量，未发现裂纹、气孔、夹渣、未熔透、未焊合缺陷存在。
(12)按照轴颈技术要求，对涂层进行磨削加工。
从附图2可知，涂层局部出现有明显塑性流变区的磨坑，磨坑部位有细而浅的划痕。调质处理的45#钢基体磨痕为贯穿于整个摩擦面的平行深犁沟，且犁沟没有阻断现象。由此得知，本发明提供的基于零件再制造修复的反应氮弧熔覆耐磨涂层具有优异耐磨性。
实施例2：
本发明采用上述基于零件再制造修复的反应氮弧熔覆耐磨涂层制备工艺，对一材质为Q235A的盖板进行再制造修复。工艺流程见图1，具体工艺步骤如下：
(1)用外径百分表测得零件磨损尺寸为2.54mm，X射线无损探伤发现轴内部没有损伤。
(2)将钛粉(宁晋县恒发钛粉厂生产，化学成分见表1)和碳质量分数不低于98％的石墨粉(天津大茂化学试剂厂生产)按钛碳摩尔比1∶1(质量比47.9∶12)用DQM型行星式球磨机混合，球磨介质为浓度95％的酒精，球料比5∶1，球磨转速120r/min，球磨时间12h。
(3)用浓度95％的酒精稀释聚丙烯酸腊作为粘结剂，将上述球磨混合后的粉末调成糊状浆料。调制时，聚丙烯酸腊与混合粉末按质量百分比1％选取。
(4)将待修复的盖板置于PH值为11、温度为85℃的NaOH溶液中煮洗30min。
(5)对待修复的盖板磨损表面进行干喷砂直到出现金属光泽，干喷砂的砂料选用铸钢砂。
(6)用浓度95％的酒精涮洗经喷砂处理的表面并用热风吹干。
(7)采用刷涂法在上述处理后的表面刷涂糊状浆料，刷涂厚度3mm，刷涂时不断压实刷涂层。
(8)将刷涂好浆料的盖板置于60℃的烘干箱烘干直至无水分。
(9)在氮气保护下用松下YC-500WX型TIG焊机对上述烘干后的浆料层进行搭接烧熔。烧熔工艺条件为：直流正接，钨极直径3.2mm，电弧长度2mm，焊接电流300A，氮气流量15L/min，氮气纯度99.9％，焊接速度2mm/s，烧熔道次重叠率40％±5％。
(10)将上述氮弧熔覆后的盖板置于650℃的热处理炉中，断电后随炉冷却至室温。
(11)分别用渗透探伤和X射线探伤检查涂层表面质量，未发现裂纹、气孔、夹渣、未熔透、未焊合缺陷存在。
(12)按照盖板技术要求，对涂层进行磨削加工。
将修复后的盖板装机运行，结果表明，涂层与基体结合良好，涂层无剥落现象，涂层耐磨性优异。
Claims (2)
1.一种基于零件再制造修复的反应氮弧熔覆耐磨涂层制备工艺，其特征在于包括如下步骤和工艺条件：
(1)零件检验：检验零件磨损量，通过无损探伤选择磨损量δ＝0.2～4.5mm的内部无损伤零件作为再制造修复对象。
(2)球磨混粉：将纯度不低于98％的钛铁粉和碳质量分数不低于98％的石墨粉按钛碳摩尔比1∶1用球磨机混合，球磨介质为酒精。
(3)调制浆料：将上述球磨混合后的粉末用酒精稀释聚丙烯酸腊有机粘结剂调成糊状浆料，浆料中聚丙烯酸腊有机粘结剂与混合粉末的质量百分比为1％。
(4)零件预处理：将零件置于PH值为11、温度为85℃的NaOH溶液中煮洗30min，去除零件表面及渗入零件内部的油污；采用铸钢砂对待修复表面进行干喷砂处理直到出现金属光泽；用酒精溶液清洗经喷砂处理表面并用热风吹干。
(5)预置涂层：采用刷涂法在处理后的零件表面均匀刷涂厚度d＝δ+0.3～0.5mm的糊状浆料，之后将其置入60℃烘干箱烘干直至无水分为止。
(6)氮弧熔覆：在氮气保护下用TIG焊机对上述预置涂层进行搭接烧熔。烧熔工艺条件为：直流正接，钨极直径1～5mm，电弧长度1～3mm，焊接电流50～500A，氮气流量10～15L/min，氮气纯度99.5％～99.99％，焊接速度1～4mm/s，烧熔道次重叠率40％±5％。
(7)涂层后处理：将上述氮弧熔覆后的零件置于650℃的热处理炉，断电后随炉冷却至室温。
(8)涂层检验：无探伤检查涂层是否存在裂纹、气孔、夹渣、未熔透、未焊合缺陷。对涂层中含有所述缺陷的零件予以报废或剔除涂层后重复步骤(3)～(6)，直至探伤无所述缺陷为止。
(9)涂层后加工：按照零件尺寸和表面质量要求，对涂层无缺陷的零件进行机械加工。
2.根据权利要求1所述的一种基于零件再制造修复的反应氮弧熔覆耐磨涂层制备工艺，其特征在于：氮弧能量将预涂钛粉和石墨粉的金属零件基体熔化或熔融为低熔点液态合金的同时使部分氮气电离，电离的氮气及未被电离的氮气与熔化或熔融的钛及石墨反应生成碳氮化钛硬质相，所述耐磨涂层为以碳氮化钛为硬质相，零件基体金属为基体相(粘结相)的碳氮化钛颗粒增强金属复合耐磨涂层。
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| CN201110309131.4A CN103042338B (zh) | 2011-10-12 | 一种基于零件再制造修复的反应氮弧熔覆耐磨涂层制备工艺 |
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