CN103510036A - 用等离子喷涂铜铝合金粉对风口小套进行表面强化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属表面处理技术领域，特别提供了一种用等离子喷涂铜铝合金粉对高炉风口小套进行表面强化的方法。主要解决热喷涂存在的涂层基体结合强度低，涂层易脱落，抗机械冲击性差的技术问题。技术方案：一种用等离子喷涂铜铝合金粉对高炉风口小套进行表面强化的方法，其特征是包括以下步骤：a、风口小套表面预处理；b、采用等离子喷涂工艺，以铜铝合金粉为喷涂粉对铜基体表面进行喷涂；c、将喷涂后的风口进行高温长时间热处理；d、将强化后得到的风口强化层表面打磨，得到光滑的风口表面。本发明主要用于对高炉风口小套进行表面强化。

Description

用等离子喷涂铜铝合金粉对风口小套进行表面强化的方法
技术领域
本发明属于金属表面处理技术领域，特别提供了一种用等离子喷涂铜铝合金粉对高炉风口小套进行表面强化的方法。
背景技术
自19纪现代高炉炼铁产生以来，风口小套一直是高炉生产所必需的关键部件。其使用寿命的长短直接影响到高炉生产的安全、低耗、顺行和高效。对于大中型高炉而言，每座高炉有14～40个风口，风口处于高炉炉腹与炉缸之间。
由于纯铜导热性优良，水冷效果好，目前国内高炉风口小套大多由纯铜制造。但纯铜耐磨性能、耐高温性能、抗氧化性能不佳，风口小套主要以三种方式损坏：1）被高炉内的渣铁熔蚀损坏；2）风口小套前表面的氧化龟裂和磨损；3）煤粉的冲刷侵蚀，平均寿命只有2~3个月。可以通过表面强化达到提高纯铜风口小套寿命的目的。
目前常见的提高高炉风口小套使用寿命的方法主要有多元共渗、热喷涂及堆焊耐磨合金等。其中多元共渗元素多采用Cu-Al-Fe-Mo系，风口使用过程中，金属原子特别是铁原子在铜晶格中不断扩散, 导致风口的导热能力逐渐下降, 风口壁温度不断上升，易发生熔损。热喷涂的主要问题是涂层基体结合强度低，涂层易脱落，抗机械冲击性差。堆焊多采用的耐磨材料为Ni-Cr合金，而这种材料本身延展性差，冷却时容易产生裂纹而导致涂层合金脱落。急需找到一种方法解决上述方法中存在的问题。
经检索，公开号：CN101492749，《高炉风口表面复合涂层及其制备方法》发明关键技术为高炉风口表面复合涂层由打底层、过渡层和表层组成，其中打底层为Ni基合金材料，采用等离子堆焊工艺；过渡层为NiCrAl合金材料，采用超音速火焰喷涂工艺；表层为ZrO2.Y2O3与Al2O3的混合物。这与本发明工艺所采取的铜铝合金粉末喷涂原理有本质区别。公开号：CN101109026，《一种高炉风口套表面耐磨抗热复合涂层的激光熔焊方法》发明是通过激光熔焊在小套基体上形成Ni-Co合金强化层，这与本发明利用等离子喷涂铜铝合金粉末，在小套上获得弥散强化铜强化层技术有本质差别。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用等离子喷涂铜铝合金粉对高炉风口小套进行表面强化的方法，主要解决热喷涂存在的涂层基体结合强度低，涂层易脱落，抗机械冲击性差的技术问题。本发明在提高风口小套表面硬度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损的性能的同时，解决了强化层与基体结合差，降低铜基体导热率的问题。
本发明的技术方案是：本发明采用铝质量百分含量为2~10%，粒度为150目~320目的铜铝合金粉末作为喷涂粉，对铜基体表面进行等离子喷涂，然后进行高温长时间热处理，得到高性能的铜基体表面强化层。具体工艺包括以下步骤：
a、 风口小套表面预处理
首先用丙酮洗去铜基体表面的油污和细小杂物，再采用酸洗来消除铜基体表面氧化膜。使用质量百分浓度50~80%浓硝酸和20~30%浓盐酸的混合溶液来冲洗铜基体。然后对铜基体表面进行机械打磨和干式喷砂处理的预处理；
b、采用等离子喷涂工艺，以铜铝合金粉为喷涂粉对铜基体表面进行喷涂。具体等离子喷涂工艺参数如下：
喷涂功率：16~28kW
工作气体（N2）流量：1.8~2.5m3· h-1
工作气体（H2）流量：0.2~0.5m3· h-1
送粉气（N2）流量：0.3~0.8 m3· h-1
送粉率：1~1.5kW· h-1
喷涂距离：100～200mm
喷涂角度：90°
喷涂厚度：1~5mm；
c、将喷涂后的风口进行高温长时间热处理。工艺为：在井式炉中，氮气气氛下700～900℃保温3～10h；
d、将强化后得到的风口强化层表面打磨，得到光滑的风口表面。
经过以上处理的铜基体表面强化涂层性能可达到硬度≥HV200，软化温度≥800℃，结合强度≥50MPa；强化后铜基体整体导热率≥纯铜的90%。
本发明的优点在于：采用等离子喷涂的工艺，且喷涂粉为铜铝合金粉，喷涂层与基体都为铜合金，所以喷涂层与基体润湿性好，结合强度高。在喷涂后的热处理过程中，在氮气气氛下，利用喷涂过程中获得的氧，使得铜铝合金涂层中的铝发生选择性氧化（内氧化），生成弥散分布的氧化铝颗粒，形成了氧化铝颗粒弥散强化的铜合金。所得到的氧化铝颗粒细小、分布均匀，起到很好的弥散强化作用，大大提高涂层硬度和软化温度，并且强化层具有较高的导热率，且不影响风口基体的导热率，得到了高性能的强化层。在热处理的过程中，强化层与基体之间发生扩散焊接，进一步提高了强化层与基体的结合强度。本强化技术工艺简单，成本低，生产效率高，适合大规模生产。
具体实施方式
实施例1
a、风口小套表面预处理
首先用丙酮洗去铜基体表面的油污和细小杂物，再采用酸洗来消除铜基体表面氧化膜。使用质量百分浓度50%浓硝酸和质量百分浓度20%浓盐酸的混合溶液冲洗铜基体。然后对铜基体表面进行机械打磨和干式喷砂处理的预处理；
b、采用等离子喷涂工艺，以铝质量百分含量为4%铜铝合金粉为喷涂粉对铜基体表面进行喷涂。具体等离子喷涂工艺参数如下：
喷涂功率： 28kW
工作气体（N2）流量：2.5m3· h-1
工作气体（H2）流量：0.5m3· h-1
送粉气（N2）流量：0.8 m3· h-1
送粉率：1kW· h-1
喷涂距离：100mm
喷涂角度：90°
喷涂厚度：1mm；
c、将喷涂后的风口进行高温长时间热处理。工艺为：在井式炉中，氮气气氛下900℃保温10h；
d、将强化后得到的风口强化层表面打磨，得到光滑的风口表面。
经过以上处理的风口小套表面强化涂层性能达到HV硬度215，软化温度815℃，结合强度61Mpa，强化后铜基体整体导热率为纯铜风口的92%，使风口寿命提高1.7倍。
实施例2
a、同实施例1；
b、采用等离子喷涂工艺，以铝质量百分含量为3%铜铝合金粉为喷涂粉对铜基体表面进行喷涂。具体等离子喷涂工艺参数如下：
喷涂功率：25kW
工作气体（N2）流量：2.0m3· h-1
工作气体（H2）流量：0.3m3· h-1
送粉气（N2）流量：0.5m3· h-1
送粉率：1.2kW· h-1
喷涂距离：150mm
喷涂角度：90°
喷涂厚度：1.5mm；
c、将喷涂后的风口进行高温长时间热处理。工艺为：在井式炉中，氮气气氛下800℃保温5h；
d、同实施例1。
经过以上处理的风口小套表面强化涂层硬度可达到HV203，软化温度802℃，结合强度56Mpa，强化后铜基体整体导热率为纯铜风口的92%，使风口寿命提高1.6倍。
实施例3
a、同实施例1；
b、采用等离子喷涂工艺，以铝质量百分含量为6%铜铝合金粉为喷涂粉对铜基体表面进行喷涂。具体等离子喷涂工艺参数如下：
喷涂功率：16W
工作气体（N2）流量：1.8m3· h-1
工作气体（H2）流量：0.2m3· h-1
送粉气（N2）流量：0.3m3· h-1
送粉率：1W· h-1
喷涂距离：200mm
喷涂角度：90°
喷涂厚度：2mm；
c、将喷涂后的风口进行高温长时间热处理。工艺为：在井式炉中，氮气气氛下700℃保温3h；
d、同实施例1。
经过以上处理的风口小套表面强化涂层性能达到HV硬度220，软化温度830℃，结合强度53Mpa，强化后铜基体整体导热率为纯铜风口的90%，使风口寿命提高1.5倍。

Claims (4)

1.一种用等离子喷涂铜铝合金粉对高炉风口小套进行表面强化的方法，其特征是包括以下步骤：
a、风口小套表面预处理
首先用丙酮洗去铜基体表面的油污和细小杂物，再采用酸洗来消除铜基体表面氧化膜，然后对铜基体表面进行机械打磨和干式喷砂处理的预处理；
b、采用等离子喷涂工艺，以铜铝合金粉为喷涂粉对铜基体表面进行喷涂；
c、将喷涂后的风口进行高温长时间热处理；
d、将强化后得到的风口强化层表面打磨，得到光滑的风口表面。
2.根据权利要求1所述的用等离子喷涂铜铝合金粉对高炉风口小套进行表面强化的方法，其特征是步骤a所述的酸洗是使用质量百分浓度为50~80%浓硝酸和质量百分浓度为20~30%浓盐酸的混合溶液来冲洗铜基体。
3.根据权利要求1所述的用等离子喷涂铜铝合金粉对高炉风口小套进行表面强化的方法，其特征是步骤b所述的铝铜合金粉为铝质量百分含量为2~10%，粒度为150目~320目的铜铝合金粉，等离子喷涂工艺参数如下：
喷涂功率：16~28kW
工作气体（N2）流量：1.8~2.5m3· h-1
工作气体（H2）流量：0.2~0.5m3· h-1
送粉气（N2）流量：0.3~0.8 m3· h-1
送粉率：1~1.5kW· h-1
喷涂距离：100～200mm
喷涂角度：90°
喷涂厚度：1~5mm。
4.根据权利要求1所述的用等离子喷涂铜铝合金粉对高炉风口小套进行表面强化的方法，其特征是步骤c热处理工艺为：在井式炉中，氮气气氛下700～900℃保温3～10h。
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