CN103469142B

CN103469142B - 一种紫铜表面超音速火焰喷涂耐磨蚀合金的方法

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Publication number: CN103469142B
Application number: CN201310450880.8A
Authority: CN
Inventors: 李亚江; 王娟
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: CN103469142A

Abstract

本发明公开了一种紫铜表面超音速火焰喷涂耐磨蚀合金的方法，包括如下工艺步骤：（1）喷涂前对紫铜工件表面进行预处理；（2）采用超音速火焰喷涂方法喷涂镍包铝打底层；（3）采用超音速火焰喷涂方法喷涂WC+Co耐磨蚀合金工作层。本发明与表面堆焊和常规火焰或亚音速火焰喷涂方法相比，采用本发明所述的超音速火焰喷涂耐磨蚀合金的工艺方法制备的高炉紫铜风口套，具有较高的抗氧化性、抗热振性和优异的耐磨蚀性等，综合性能优异，能大大提高紫铜风口套在炼铁高温苛刻环境下的使用寿命。这项技术还具有成本低、操作简便、适用性强的特点，便于推广应用。

Description

一种紫铜表面超音速火焰喷涂耐磨蚀合金的方法

技术领域

本发明属于金属表面喷涂技术领域，涉及一种改善紫铜表面抗热磨蚀性能的超音速火焰喷涂工艺方法，属于金属表面强化技术领域。

背景技术

紫铜（含Cu量不低于99.9%的工业纯铜）密度为8.89g/cm³，熔点为1087℃，具有面心立方晶格结构，具有优良的导电、导热等性能特点，在导电元器件、热交换器传热元件及高炉风口套等零部件中得到广泛应用。但在某些应用场合下，受工作环境的影响，需要提高紫铜表面的抗热磨蚀性能和耐磨性。

以炼铁高炉常用的铸造紫铜制风口套为例，风口套作为炼铁高炉的“咽喉”零件，由于长期工作在2200℃以上的高温下，受铁水、炉渣的侵蚀以及炉料热风、气流煤粉的冲刷，工作条件异常恶劣，风口套经常出现局部磨蚀而破坏，使用寿命较短。炼铁高炉风口属于连续工作而且无法在使用中检修更换的设备，紫铜风口套寿命的降低不仅使备件费用增加，而且高炉需停产更换，经济损失很大。因此提高紫铜风口套表面的耐磨蚀和抗热冲击能力，对于冶金工业生产具有重大的经济效益和社会意义。

近年来，随着新材料的不断开发和应用，金属碳化物以其耐高温及优于Al₂O₃、Zr₂O₃等氧化物的高温耐磨性而受到国内外研究者的关注。若在紫铜表面喷涂一层金属碳化物，能够大大提高紫铜表面的抗热冲击能力和耐磨蚀性能。但是，是这项技术的困难在于紫铜与碳化物的线胀系数相差太大，两者之间难以形成良好的冶金结合，而且在热喷涂过程中在结合界面会产生较大的应力，导致零部件在使用过程中容易产生涂层剥离，影响产品质量和使用寿命。为此，人们多年来进行了大量的试验研究，采用的措施主要有堆焊、多元共渗和热喷涂。其中采用钨极氩弧焊（TIG）在紫铜表面进行堆焊，焊前须采用氧-乙炔火焰预热450～500℃，工艺复杂、生产率低，成本较高。

随着热喷涂技术的发展，在铜制零部件表面进行喷涂以提高其使用寿命也受到人们的关注。本溪钢厂采用Ni-Cr合金作为打底层、采用Al₂O₃陶瓷材料作为工作层在紫铜表面进行喷涂，可以大大提高其耐磨性能。新日本制铁公司以含Co、Cr等的镍基自熔合金为打底层，采用Al₂O₃+Zr₂O₃为工作层对紫铜表面进行喷涂，也取得提高零部件使用寿命的效果。但是，传统的火焰喷涂工艺以氧-乙炔火焰来熔化待喷涂的粉末，由于焰流速度慢，热量不集中，粉末在空气中飞行时间长，因而形成的涂层粗糙多孔（孔隙率10%～15%），氧化物和未熔颗粒多，涂层的结合硬度和结合强度较低（为20～30MPa），而且易产生裂纹和剥离。

近年来，随着超音速火焰喷涂工艺的研发，涂层性能产生了质的飞跃。超音速火焰喷涂（HVOF）是将气态或液态燃料与高压氧气混合后在特定的燃烧室或喷嘴中燃烧，产生的高温、高速的燃烧焰流被用来喷涂。超音速喷枪结构独特，在燃烧室末端咽喉部位采用了拉瓦尔曲线设计，使得燃烧室的压力增加，通过该处的焰流获得数倍于音速的加速，由于能量集中，粉末粒子的动能大，速度快，粒子在空气中的飞行时间极短，被氧化的机会极少。再加上喷枪系统本身的温度不高（2870℃），所以涂层中几乎没有氧化物，孔隙率也极低（小于2%）。涂层致密，剪切强度和结合强度高，涂层内的残余应力几乎都是压应力，使得涂层不至于产生裂纹和剥落。

与Al₂O₃陶瓷、Al₂O₃+Zr₂O₃以及碳化物（WC）+Ni基自熔合金相比，WC+Co合金耐热和耐磨蚀性更好、抗高温氧化能力强，如果能在紫铜风口套表面成功喷涂WC+Co耐热合金层，能够大大延长紫铜风口套在高温苛刻环境中的使用寿命。

经检索，有关在高炉紫铜风口套表面通过超音速火焰喷涂WC+Co耐热合金的方法还未见报道。

发明内容

本发明针对现有高炉紫铜风口套表面高温耐磨蚀性较差的问题，提出一种采用超音速火焰喷涂方法在紫铜风口套表面喷涂耐磨蚀合金的工艺方法。采用这种方法，可在紫铜风口套表面获得抗热冲击能力和耐磨蚀性较好的合金涂层，满足紫铜风口套在高温恶劣条件下使用的要求。

本发明的主要技术特点是采用镍包铝复合粉末作为打底层、用WC+Co自熔性合金粉末作为工作层，紫铜风口套表面经过预处理后，采用超音速火焰喷涂工艺进行喷涂。与常规火焰或亚音速火焰喷涂有本质不同的是超音速火焰喷涂采用特殊设计的燃烧室和喷嘴，驱动大流量的燃料并用高压氧气助燃，从而获得了极高的燃烧焰流用以喷涂，达到提高紫铜风口套表面的抗热冲击性能和耐磨蚀性的目的。

超音速火焰喷涂的热焓输出相当于普通氧-乙炔火焰喷涂的20多倍，温度约2600～3200℃，熔融粉末飞行速度>720m/s，涂层性能优越。本发明提出的在紫铜风口套表面通过超音速火焰喷涂WC+Co耐磨蚀合金的工艺方法，由下述工艺步骤组成：

（1）喷涂前对紫铜风口套工件表面进行预处理。

（2）采用JP5000超音速火焰喷涂设备进行喷涂。先喷涂镍包铝打底层，再喷涂WC+Co耐热合金工作层。

（3）采用超音速火焰喷涂方法喷涂镍包铝打底层，工艺参数为：燃料气体丙烷的压力为0.35MPa～0.40MPa，燃气流量36L/min～38L/min；助燃气体氧气的压力0.45MPa～0.55MPa，氧气流量450L/min～510L/min；送粉气体氮气的压力为0.30MPa～0.35MPa（流量约为30L/min），送粉量10g/min～20g/min；喷涂距离120mm～180mm，喷涂角度75°～85°，获得的打底层厚度40μm～60μm。

（4）采用超音速火焰喷涂方法喷涂WC+Co耐磨蚀合金工作层，工艺参数为：燃料气体丙烷的压力为0.35MPa～0.45MPa，燃气流量36L/min～40L/min；助燃气体氧气的压力0.45MPa～0.55MPa，氧气流量440L/min～510L/min；送粉气体氮气的压力为0.30MPa～0.38MPa（流量为30L/min～35L/min），送粉量20g/min～30g/min；喷涂距离120mm～200mm，喷涂角度75°～85°，一般需喷涂2～4层，获得的工作层厚度190μm～280μm。

上述在紫铜风口套表面通过超音速火焰喷涂耐磨蚀合金的工艺方法中，步骤（1）所述的预处理包括对紫铜风口套的表面清理和粗化处理。

其中表面清理是对紫铜风口套待喷涂表面进行车削加工，以去除紫铜表面的油污和锈蚀。粗化处理是指对紫铜表面进行喷砂处理或砂轮打磨，喷砂用的磨料是白刚玉砂，喷砂压缩空气的压力为0.2MPa～0.3MPa，喷砂距离为100mm～120mm，喷砂后试样表面粗糙度为Ra3.0μm～3.5μm，喷涂前用丙酮清洗基材表面。

上述在紫铜风口套表面通过超音速火焰喷涂耐磨蚀合金的工艺方法中，步骤（2）所述的打底层镍包铝是放热型自粘结复合粉末，具有耐高温和抗多种金属熔体侵蚀的特点，其成分以重量百分比计为：Ni75%～85%、Al15%～25%；打底层粉末粒经为30μm～45μm。

上述在紫铜风口套表面通过超音速火焰喷涂耐磨蚀合金的工艺方法中，步骤（2）所述的WC+Co耐磨蚀合金工作层，是碳化钨含量为45%～55%的钴基自熔型合金粉末，其成分以重量百分比计为：C0.5%，Si2%，B1.5%，Fe＜2.5%，碳化钨（WC）45%～55%，其余为Co。

上述在紫铜风口套表面通过超音速火焰喷涂耐热合金的工艺方法中，所用的WC-Co合金粉末是烧结-粉碎型，工作层粉末粒经为30μm～40μm。

本发明提出的在紫铜风口套表面通过超音速火焰喷涂耐磨蚀合金的工艺方法采用镍包铝复合粉末，这种粉末在超音速焰流喷涂过程中，Ni与Al之间发生剧烈的化学反应，并放出大量的热量，有利于促进打底层与紫铜基体之间形成微区冶金结合。获得的打底层和工作层组织致密，孔隙率更低，涂层呈压应力状态，涂层内部多角形的WC颗粒之间相互嵌合。涂层内部的这种组织形态改善了细微颗粒间的结合状况，提高了基体与打底层以及打底层与工作层之间的界面结合强度（达60MPa以上），涂层厚度1mm～3mm，碳化物涂层不易脱落。

对WC-Co涂层进行X射线衍射分析，表明超音速火焰涂层中WC相为主要相，其余是杂质相。

本发明的有益效果是，与表面堆焊和常规氧-乙炔火焰喷涂方法相比，采用本发明所述的超音速火焰喷涂耐磨蚀合金的工艺方法制备的紫铜风口套，具有较高的抗氧化性、抗热振性和优异的耐磨蚀性等，综合性能优异，能大大提高紫铜风口套在炼铁高温苛刻环境下的使用寿命。这项技术还具有成本低、操作简便、适用性强的特点，便于推广应用。

具体实施方式

实施例1：

厚度为40mm的圆锥形高炉紫铜风口套，上底面直径为Φ200mm，下底面直径为Φ350mm。采用超音速火焰喷涂紫铜风口套表面的工艺步骤为：

（1）喷砂清理紫铜风口套表面，去除油污和锈蚀。

（2）用手动砂轮打磨紫铜风口套表面，使之露出光洁粗化的金属表面，喷涂前用丙酮清洗紫铜风口套表面。

（3）采用JP5000超音速火焰喷涂设备进行喷涂，在紫铜风口套表面喷涂厚度为20μm～40μm的镍包铝合金粉末作为打底层。工艺参数为：燃料气体丙烷的压力为0.36MPa，助燃气体氧气的压力0.52MPa，送粉气体氮气的压力为0.35MPa，送粉量15g/min；喷涂距离160mm，喷涂角度75°，获得的打底层厚度约50μm。

（4）采用JP5000超音速火焰喷涂设备，在打底层上喷涂每层厚度60μm～80μm的WC+Co自熔性合金粉末作为耐磨蚀工作层。工艺参数为：燃料气体丙烷的压力为0.45MPa，助燃气体氧气的压力0.55MPa，送粉气体氮气的压力为0.38MPa，送粉量25g/min；喷涂距离180mm，喷涂角度85°，喷涂3层。

步骤（3）所述的打底层采用镍包铝自粘结复合粉末，粉末粒经为30μm～40μm，其成分以重量百分比计为：Ni83%、Al17%。

步骤（4）所述的WC+Co自熔性合金粉末，粉末粒经为30μm～40μm，其成分以重量百分比计为：C0.5%，Si2%，B1.5%，Fe＜2.5%，碳化钨（WC）45%～55%，其余为Co。

由于镍包铝打底层与紫铜基体结合良好，镍包铝打底层与WC+Co工作层之间也形成了牢固的结合，涂层厚度约280μm～330μm，涂层与基体结合强度达65MPa。这种工艺方法提高了高炉紫铜风口套工件表面的抗热冲击性和耐磨蚀性能，其中耐磨蚀性能比紫铜基体提高了3倍以上。

实施例2：

厚度为30mm的紫铜板材，长、宽尺寸分别为280mm×160mm，在其表面采用超音速火焰喷涂一层耐热耐磨蚀合金层，工艺步骤为：

（1）喷砂清理紫铜板材表面，去除油污和锈蚀。

（2）用手动砂轮打磨紫铜表面，使之露出光洁粗化的金属表面，喷涂前用丙酮清洗紫铜表面。

（3）采用JP5000超音速火焰喷涂设备进行喷涂，在紫铜板材表面喷涂厚度为20μm～30μm的镍包铝合金粉末作为打底层。工艺参数为：燃料气体丙烷的压力为0.35MPa，助燃气体氧气的压力0.45MPa，送粉气体氮气的压力为0.30MPa，送粉量15g/min；喷涂距离160mm，喷涂角度75°。

打底层采用镍包铝自粘结复合粉末，粉末粒经为30μm～45μm，其成分以重量百分比计为：Ni83%、Al17%。

（4）采用JP5000超音速火焰喷涂设备，在打底层上喷涂厚度60μm～80μm的WC+Co自熔性合金粉末作为工作层。工艺参数为：燃料气体丙烷的压力为0.40MPa，助燃气体氧气的压力0.45MPa，送粉气体氮气的压力为0.30MPa，送粉量25g/min；喷涂距离200mm，喷涂角度80°，喷涂2层。

WC+Co自熔性合金的粉末粒经为30μm～40μm，其成分以重量百分比计为：C0.5%，Si2%，B1.5%，Fe＜2.5%，碳化钨（WC）45%～55%，其余为Co。

本发明的实施，能够在紫铜基体表面获得结合牢固的涂层，涂层厚度260μm～300μm，涂层与基体结合强度达68MPa。这种方法可用于纯铜零部件表面的强化与修复，也可用于其他类型的纯铜或铜合金基体表面耐磨蚀、抗热冲击涂层的制备。

Claims

1.一种紫铜表面超音速火焰喷涂耐磨蚀合金的方法，其特征是，包括如下工艺步骤：

(1)喷涂前对紫铜工件表面进行预处理；

(2)采用超音速火焰喷涂方法喷涂镍包铝打底层，工艺参数为：燃料气体丙烷的压力为0.35MPa～0.40MPa，燃气流量36L/min～38L/min；助燃气体氧气的压力0.45MPa～0.55MPa，氧气流量450L/min～510L/min；送粉气体氮气的压力为0.30MPa～0.35MPa，流量为30L/min，送粉量10g/min～20g/min；喷涂距离120mm～180mm，喷涂角度75°～85°，获得的打底层厚度40μm～60μm；

(3)采用超音速火焰喷涂方法喷涂WC+Co耐磨蚀合金工作层，工艺参数为：燃料气体丙烷的压力为0.35MPa～0.45MPa，燃气流量36L/min～40L/min；助燃气体氧气的压力0.45MPa～0.55MPa，氧气流量440L/min～510L/min；送粉气体氮气的压力为0.30MPa～0.38Mpa，流量为30L/min～35L/min，送粉量20g/min～30g/min；喷涂距离120mm～200mm，喷涂角度75°～85°，喷涂2～4层，获得的工作层厚度190μm～280μm；

步骤(3)所述的WC+Co耐磨蚀合金工作层，是碳化钨含量为45％～55％的钴基自熔型合金粉末，其成分以重量百分比计为：C 0.5％，Si 2％，B 1.5％，Fe＜2.5％，碳化钨45％～55％，其余为Co。

2.如权利要求1所述的紫铜表面超音速火焰喷涂耐磨蚀合金的方法，其特征是，步骤(1)所述的预处理包括对紫铜表面清理和粗化处理。

3.如权利要求2所述的紫铜表面超音速火焰喷涂耐磨蚀合金的方法，其特征是，其中表面清理是对紫铜待喷涂表面进行车削加工，以去除紫铜表面的油污和锈蚀。

4.如权利要求2所述的紫铜表面超音速火焰喷涂耐磨蚀合金的方法，其特征是，粗化处理是指对紫铜表面进行喷砂处理或砂轮打磨。

5.如权利要求4所述的紫铜表面超音速火焰喷涂耐磨蚀合金的方法，其特征是，喷砂用的磨料是白刚玉砂，喷砂压缩空气的压力为0.2MPa～0.3MPa，喷砂距离为100mm～120mm，喷砂后试样表面粗糙度为Ra 3.0μm～3.5μm，喷涂前用丙酮清洗基材表面。

6.如权利要求1所述的紫铜表面超音速火焰喷涂耐磨蚀合金的方法，其特征是，步骤(2)所述的打底层镍包铝是放热型自粘结复合粉末，其成分以重量百分比计为：Ni 75％～85％、Al 15％～25％；打底层粉末粒径为30μm～45μm。

7.如权利要求1所述的紫铜表面超音速火焰喷涂耐磨蚀合金的方法，其特征是，所用的WC-Co合金粉末是烧结-粉碎型，工作层粉末粒径为30μm～40μm。