CN104313573A - 一种耐腐蚀磨损复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种耐腐蚀磨损复合材料，它是一种在金属基材表面带有厚度为1～5mm的合金粉末熔覆层的复合材料；所述合金粉末的成分的质量百分比为：C17～24％、Cr 55～72％、余量为Ni。上述复合材料的制备方法主要是：(1)对金属基材表面进行预处理；(2)采用等离子弧干烧金属基材表面；(3)按上述比例配制均匀混合的合金粉末；(4)采用气动送粉方式，通过等离子弧对干烧后的金属基材表面熔覆的合金粉末进行单道扫描，在金属基材表面形成厚度为1～5mm均匀熔覆层。本发明方法简单，成本低，制备的耐腐蚀磨损复合材料具有耐中高温、抗腐蚀、耐磨损性能。
Description
技术领域
本发明属于金属加工领域，特别涉及一种复合材料及其制备方法。
背景技术
随着现代工业的发展，中高温生产环境越来越多，而且该环境中常伴有腐蚀介质存在，进一步加剧了金属构件的磨损，造成金属结构远低于设计寿命就发生失效。例如冶金高炉的余压煤气系统，从高炉出来的高温余压煤气带有大量的硬质粉尘颗粒，其中还夹带有氯离子、还原气体，对余压煤气系统的管路等后端设备磨损非常严重，以致引起煤气泄漏等严重事故。目前，在国内冶金、焦化和石化等企业中，用于中高温腐蚀磨损工况下的材料主要采用不锈钢。但这些不锈钢材料成本高，硬度低且耐中高温磨损性能较差，严重影响到金属结构和零部件的使用寿命。
近年来，针对耐腐蚀磨损材料国内外开展了很多研究工作，但主要集中于单一材质的研究方面。由于单一材质在硬度、耐高温、抗磨损、耐腐蚀等方面性能无法兼顾，不能满足企业现场生产的需求。生产中迫切需要一种耐腐蚀磨损新材料，具有成本低，性能优，适应性强，保证中高温腐蚀磨损环境下零部件的长时间连续运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本低廉、耐中高温、抗腐蚀、耐磨损的耐腐蚀磨损复合材料及其制备方法。
本发明的耐腐蚀磨损复合材料是一种在金属基材表面带有厚度为1～5mm的合金粉末熔覆层的复合材料；所述金属基材是热轧钢板，其耐热工作温度要求高于500°；所述合金粉末的成分的质量百分比为：C 17～24％、Cr 55～72％、余量为Ni，该合金粉末的粒度为120～325目。
上述耐腐蚀磨损复合材料的制备方法如下：
(1)对所述金属基材表面进行除锈、涂黑等预处理；
(2)采用大功率等离子熔覆设备对预处理后的金属基材表面进行干烧，以提高金属基材表面硬度，等离子弧干烧的优选工艺参数：工作电流为30A，工作电压为30V，扫描宽度为6mm，无搭接，扫描速度为800mm/min，用氩气为保护和电离气体，保护气体量12L/min，电离气体量10L/min；
(3)将按上述比例好的合金粉末放入三维机械式混粉器中，混合1～2小时；
(4)利用大功率等离子熔覆设备在干烧后的金属基材表面熔覆上述合金粉末，等离子弧进行单道扫描，熔覆的工艺参数：工作电流为30～40A，工作电压为30～40V，扫描宽度为6mm，扫描速度为100～600mm/min，采用氩气作为保护和电离气体，保护气体量为12L/min，电离气体量为10L/min，送粉方式采用气动同轴送粉，送粉量为2～6ml/min，随着等离子弧的移动，在金属基材表面形成厚度为1～5mm的均匀熔覆层，制得耐腐蚀磨损复合材料。
在等离子弧熔覆合金粉末前，对预处理后的金属基材表面采用等离子弧进行干烧，目的是提高金属基材表面的硬度，形成硬度的梯度过渡，避免直接在软金属基材表面熔覆高硬度合金粉末而出现裂纹；采用这一工艺，形成了合理的硬度梯度过渡，不但避免了裂纹出现，而且明显提高了耐腐蚀磨损复合材料的使用寿命。
在金属基材表面通过高能等离子弧熔覆合金粉末，合金粉末吸收大量的热能而快速熔化、分解、电离，并把部分热量传递给金属基材，使基材表面一薄层金属同时被加热到熔融状态。熔化的合金粉末与金属基材表面金属形成共同的熔池，熔池以“液珠”的形式存在，熔池“液珠”在金属表面张力、气体动力、等离子弧吹力及重力的共同作用下，于金属基材表面铺展开来，气体上浮，当等离子弧移开后，在基材和空气的双重作用下，快速凝固结晶，实现高性能合金粉末与基材的冶金结合。熔覆过程中合金粉末冶金反应生成的Cr3C2颗粒成为熔覆层硬质相，具有良好的抗冲击磨损和磨粒磨损性能，明显提高了复合材料的耐腐蚀磨损性能和寿命。同时，在中高温下Cr3C2颗粒表面容易形成钝化膜，抗腐蚀能力极强，不但保护了合金层，还有效保护了金属基材不宜发生腐蚀。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、成本低廉、工艺简单、实施方便，便于大规模生产。
2、本发明制备的耐腐蚀磨损复合材料具有耐中高温、抗腐蚀、耐磨损性能。
3、发明方法制备的耐腐蚀磨损复合材料加工性能良好，可以满足不同零部件的尺寸和形状要求，制得要求具有优秀耐腐蚀磨损性能的零部件：如中高温环境下在工作的管道、衬板、阀体等。
4、广泛推广使用这种复合材料和制备方法，每年可以为国家降低大量合金消耗，产生明显的经济效益和社会效益。同时，由于耐腐蚀磨损复合材料的长寿命和高可靠性，避免了企业生产中由于腐蚀磨损而发生的事故。
具体实施方式
实施例1：
清除热轧钢板35CrMo金属基材表面的锈蚀、油污等；采用大功率等离子熔覆设备对预处理后的金属基材表面进行干烧，以提高金属基材表面硬度，等离子弧干烧的优选工艺参数：工作电流为30A，工作电压为30V，扫描宽度为6mm，无搭接，扫描速度为800mm/min，用氩气为保护和电离气体，保护气体量12L/min，电离气体量10L/min；制备合金粉末，各成分的质量百分比为：C17％、Cr 55％、余量为Ni，该合金粉末的粒度为120～325目；制备时，将按比例配制好的合金粉末放入三维机械式混粉器中，混合1小时后得到混合均匀的合金粉末；通过大功率等离子熔覆设备在干烧后的金属基材表面熔覆上述合金粉末，等离子弧进行单道扫描，工艺参数为：工作电流为30A，工作电压为30V，扫描宽度为6mm，扫描速度为100mm/min，用氩气为保护和电离气体，保护气体量12L/min，电离气体量10L/min，采用气动同轴送粉，送粉量为2ml/min，随着等离子弧的移动，在金属基材表面形成厚度为1mm均匀熔覆层，制得耐腐蚀磨损复合材料。
实施例2：
清除热轧钢板1Cr13金属基材表面的锈蚀、油污等；采用大功率等离子熔覆设备对预处理后的金属基材表面进行干烧，以提高金属基材表面硬度，等离子弧干烧的优选工艺参数：工作电流为30A，工作电压为30V，扫描宽度为6mm，无搭接，扫描速度为800mm/min，用氩气为保护和电离气体，保护气体量12L/min，电离气体量10L/min；制备合金粉末，各成分的质量百分比为：C19％，Cr 60％，余量为Ni，该合金粉末的粒度为120～325目；制备时，将按比例配制好的合金粉末放入三维机械式混粉器中，混合2小时后得到混合均匀的合金粉末；通过大功率等离子熔覆设备在干烧后的金属基材表面熔覆上述合金粉末，等离子弧进行单道扫描，工艺参数为：工作电流为35A，工作电压为35V，扫描宽度为6mm，扫描速度为200mm/min，用氩气为保护和电离气体，保护气体量12L/min，电离气体量10L/min，采用气动同轴送粉，送粉量为3ml/min，随着等离子弧的移动，在金属基材表面形成厚度为2mm均匀熔覆层，制得耐腐蚀磨损复合材料。
实施例3：
清除热轧钢板1Cr13金属基材表面的锈蚀、油污等；采用大功率等离子熔覆设备对预处理后的金属基材表面进行干烧，以提高金属基材表面硬度，等离子弧干烧的优选工艺参数：工作电流为30A，工作电压为30V，扫描宽度为6mm，无搭接，扫描速度为800mm/min，用氩气为保护和电离气体，保护气体量12L/min，电离气体量10L/min；制备合金粉末，各成分的质量百分比为：C21％，Cr 65％，余量为Ni，该合金粉末的粒度为120～325目；制备时，将按比例配制好的合金粉末放入三维机械式混粉器中，混合1小时后得到混合均匀的合金粉末；通过大功率等离子熔覆设备在干烧后的金属基材表面熔覆上述合金粉末，等离子弧进行单道扫描，工艺参数为：工作电流为35A，工作电压为35V，扫描宽度为6mm，扫描速度为300mm/min，用氩气为保护和电离气体，保护气体量12L/min，电离气体量10L/min，采用气动送粉，送粉量为3ml/min，随着等离子弧的移动，在金属基材表面形成厚度为2mm均匀熔覆层，制得耐腐蚀磨损复合材料。
实施例4：
清除热轧钢板2Cr13金属基材表面的锈蚀、油污等；采用大功率等离子熔覆设备对预处理后的金属基材表面进行干烧，以提高金属基材表面硬度，等离子弧干烧的优选工艺参数：工作电流为35A，工作电压为35V，扫描宽度为6mm，无搭接，扫描速度为800mm/min，用氩气为保护和电离气体，保护气体量12L/min，电离气体量10L/min；制备合金粉末，各成分的质量百分比为：C21％，Cr 65％，余量为Ni，该合金粉末的粒度为120～325目；制备时，将按比例配制好的合金粉末放入三维机械式混粉器中，混合1.5小时后得到混合均匀的合金粉末；通过大功率等离子熔覆设备在干烧后的金属基材表面熔覆上述合金粉末，等离子弧进行单道扫描，工艺参数为：工作电流为30A，工作电压为35V，扫描宽度为6mm，扫描速度为400mm/min，用氩气为保护和电离气体，保护气体量12L/min，电离气体量10L/min，采用气动同轴送粉，送粉量为4ml/min，随着等离子弧的移动，在金属基材表面形成厚度为3mm均匀熔覆层，制得耐腐蚀磨损复合材料。
实施例5：
清除热轧钢板ZG1Cr13金属基材表面的锈蚀、油污等；采用大功率等离子熔覆设备对预处理后的金属基材表面进行干烧，以提高金属基材表面硬度，等离子弧干烧的优选工艺参数：工作电流为30A，工作电压为30V，扫描宽度为6mm，无搭接，扫描速度为800mm/min，用氩气为保护和电离气体，保护气体量12L/min，电离气体量10L/min；制备合金粉末，各成分的质量百分比为：C 24％，Cr 65％，余量为Ni，该合金粉末的粒度为120～325目；制备时，将按比例配制好的合金粉末放入三维机械式混粉器中，混合2小时后得到混合均匀的合金粉末；通过大功率等离子熔覆设备在干烧后的金属基材表面熔覆上述合金粉末，等离子弧进行单道扫描，工艺参数为：工作电流为40A，工作电压为40V，扫描宽度为6mm，扫描速度为500mm/min，用氩气为保护和电离气体，保护气体量12L/min，电离气体量10L/min，采用气动同轴送粉，送粉量为5ml/min，随着等离子弧的移动，在金属基材表面形成厚度为4mm均匀熔覆层，制得耐腐蚀磨损复合材料。
实施例6：
清除冷轧钢板ZG2Cr13金属基材表面的锈蚀、油污等；采用大功率等离子熔覆设备对预处理后的金属基材表面进行干烧，以提高金属基材表面硬度，等离子弧干烧的优选工艺参数：工作电流为30A，工作电压为30V，扫描宽度为6mm，无搭接，扫描速度为800mm/min，用氩气为保护和电离气体，保护气体量12L/min，电离气体量10L/min；制备合金粉末，各成分的质量百分比为：C 24％，Cr 72％，余量为Ni，该合金粉末的粒度为120～325目；制备时，将按比例配制好的合金粉末放入三维机械式混粉器中，混合2小时后得到混合均匀的合金粉末；通过大功率等离子熔覆设备在干烧后的金属基材表面熔覆上述合金粉末，等离子弧进行单道扫描，工艺参数为：工作电流为40A，工作电压为40V，扫描宽度为6mm，扫描速度为600mm/min，用氩气为保护和电离气体，保护气体量12L/min，电离气体量10L/min，采用气动同轴送粉，送粉量为6ml/min，随着等离子弧的移动，在金属基材表面形成厚度为5mm均匀熔覆层，制得耐腐蚀磨损复合材料。
Claims (2)
1.一种耐腐蚀磨损复合材料，其特征是：它是一种在金属基材表面带有厚度为1～5mm的合金粉末熔覆层的复合材料；所述金属基材是热轧钢板，其耐热工作温度要求高于500°；所述合金粉末的成分的质量百分比为：C 17～24％、Cr 55～72％、余量为Ni，该合金粉末的粒度为120～325目。
2.权利要求1所述的耐腐蚀磨损复合材料的制备方法如下：
(1)对所述金属基材表面进行除锈、涂黑等预处理；
(2)采用大功率等离子熔覆设备对预处理后的金属基材表面进行干烧，以提高金属基材表面硬度，等离子弧干烧的优选工艺参数：工作电流为30A，工作电压为30V，扫描宽度为6mm，无搭接，扫描速度为800mm/min，用氩气为保护和电离气体，保护气体量12L/min，电离气体量10L/min；
(3)将按上述比例好的合金粉末放入三维机械式混粉器中，混合1～2小时；
(4)利用大功率等离子熔覆设备在干烧后的金属基材表面熔覆上述合金粉末，等离子弧进行单道扫描，熔覆的工艺参数：工作电流为30～40A，工作电压为30～40V，扫描宽度为6mm，扫描速度为100～600mm/min，采用氩气作为保护和电离气体，保护气体量为12L/min，电离气体量为10L/min，送粉方式采用气动同轴送粉，送粉量为2～6ml/min，随着等离子弧的移动，在金属基材表面形成厚度为1～5mm的均匀熔覆层，制得耐腐蚀磨损复合材料。
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