CN104726815A

CN104726815A - 不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法

Info

Publication number: CN104726815A
Application number: CN201510107158.3A
Authority: CN
Inventors: 张楠楠; 张悦; 张忠礼; 李德元; 曹文慧; 林丹阳
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Dalian Xinhe Heavy Industry Co., Ltd.
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2035-03-11
Also published as: CN104726815B

Abstract

本发明涉及一种熔化极惰性气体保护焊（MIG）堆焊NiCr合金和电弧喷涂铝涂层相结合的工艺，属指耐热复合涂层的制备工艺方法。该方法经过表面脱脂、喷砂粗化、熔化极气体保护堆焊及电弧喷涂4步骤，满足一定的工艺参数条件下，实现堆焊和电弧喷涂相结合的工艺。本发明的目的为开发一种熔化极惰性气体保护焊（MIG）堆焊NiCr合金和电弧喷涂铝涂层相结合的工艺，旨在提供一种低成本、高结合、制备耐热复合涂层的工艺。

Description

不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法

技术领域

本发明涉及一种熔化极惰性气体保护焊(MIG)堆焊NiCr合金和电弧喷涂铝涂层相结合的工艺，属指耐热复合涂层的制备工艺方法。

背景技术

不锈钢指的是一类以Fe～Cr～Ni、Fe～Cr和Fe～Cr～C为合金系的高合金钢，其突出的特点为耐空气、蒸气、水等介质，在高温环境中有一定的抗氧化性，在高温下仍能保持其优良的物理机械性能，广泛用于电厂、锅炉、煤矿、核电等领域；特别是在电厂使用的锅炉管道和水冷壁中，由于工作环境恶劣，长期处于硫化腐蚀和高温氧化、粒子冲蚀的环境中，且燃烧产物易形成Na₂SO₄、K₂SO₄等沉积于管壁表面，导致不锈钢件壁厚减少，乃至于最终失效，有此造成巨大损失。

为了提高不锈钢表面的耐高温和耐腐蚀性，经常采用堆焊或者喷涂的方法进行涂层制备，利用涂层隔绝不锈钢基体与外界介质，延长其使用时间。在电厂锅炉管道的防护中，以往采用电弧喷涂NiCr合金丝的方法，这种技术广泛应用于美国、瑞典、德国、英国、日本、前苏联等，在锅炉水冷壁部件上喷涂高Ni、Cr含量的合金材料，对减缓锅炉管子的磨损和高温腐蚀，延长大修期，都有明显的效果。在国内，陆续有发电厂和电站采用此种方法延长锅炉寿命。虽然NiCr合金丝在喷涂过程中会放热，提高与基体的结合力，但由于喷涂是以机械结合为主，局部形成冶金结合，涂层与基体的结合强度有待进一步提高。

相对于喷涂方法，在工件表面堆焊一层硬质合金层，是一种非常经济和方便的表面改性手段，可以使涂层与基体形成冶金结合，强度高且易于实现自动化。常用的方法有气体保护焊堆焊、埋弧堆焊、等离子堆焊、手工电弧堆焊、激光堆焊等，而选用的涂层材料为Ni基和Co基合金。熔化极气体保护焊堆焊可见度好，适合堆焊区域复杂、形状不规则的工件，可实现自动焊或半自动焊，生产效率高，主要用氩气或二氧化碳气体或加少量氧气的混合气体保护，设备成本低，易于维护。

采用熔化极气体保护焊方法在不锈钢基体上进行NiCr合金的堆焊，现在的研究较少。而如何进一步提高堆焊层的耐高温氧化性和延长使用寿命，在热喷涂领域多采用复合涂层的方法，也就是将NiCr层作为粘结层，在其上喷涂Al₂O₃陶瓷材料，提高耐磨和耐高温性。然而在使用过程中发现，由于热膨胀系数的差别较大，陶瓷层易出现与粘结层剥离的现象。不直接喷涂陶瓷材料，在NiCr粘结层表面喷涂Al涂层，使其在加热过程中表面形成氧化铝阻挡层，可以有效延长使用寿命，同时金属与金属间的结合力较强，热膨胀系数接近，在氧化过程中还会形成元素的互扩散。

发明内容：

发明目的：

本发明的目的为开发一种熔化极惰性气体保护焊(MIG)堆焊NiCr合金和电弧喷涂铝涂层相结合的工艺，旨在提供一种低成本、高结合、制备耐热复合涂层的工艺。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：所述方法按照以下步骤进行：

步骤1.表面脱脂：在不改变零件尺寸的前题下，选用氢氧化钠碱洗液去除预堆焊零件表面的油污；

步骤2.喷砂粗化：使用180目～200目的棕刚玉磨粒对不锈钢表面进行喷砂处理，喷砂角度为80°～90°，压缩空气的压力为0.6MPa～0.7MPa，喷砂距离为100mm～150mm，以表面出现银白色金属光泽为佳；之后利用压缩空气吹净表面粘黏的沙粒；喷砂后试样的表面粗糙度为Ra3.0μm～Ra3.5μm；

步骤3.熔化极气体保护堆焊：使用材料为直径为Φ1.2mm的NiCr合金丝，其中成分质量分数Cr含量为45％～48％，Ti含量为0.3％～1.0％，其余为Ni；堆焊工艺参数为：焊接电流70A～80A，电弧电压18V～20V，焊接速度5mm/s～8mm/s，保护气体为Ar，气体流量为9～12L/min；

步骤4.电弧喷涂：使用材料为直径Φ2.0mm的99.5％～99.7％铝丝材作为喷涂原材料，使用与喷砂粗化一致的工艺参数，将堆焊后的堆焊层进行表面喷砂处理后，进行电弧喷涂操作，喷涂距离为100mm～150mm，送丝速度3m/min～4m/min，电流I＝130A～150A，电压U＝30～35V，压缩气体0.65～0.75MPa，流量保证在1.6m³/min～2.0m³/min，喷涂时间为1min～3min；为提高涂层的抗氧化性，将试件表面用钢丝刷打磨或使用喷刷酚醛树脂进行封孔处理。

在步骤1中，选用质量百分比为4.0％～5.0％的氢氧化钠碱洗液的，将其加热到70℃，浸渍3.0min～5.0min。

在步骤2中，堆焊前用丙酮清洗基材表面，再用酒精擦拭，吹干。

在步骤3中，适当提高Cr含量在47％～48％，可形成致密的Cr₂O₃膜或硫化物膜，有效阻止了硫化物的侵蚀，达到抗硫效果。

在步骤3中，由于NiCr合金丝有自放热的特点，故基材不需要预热；若堆焊过程中熔滴喷射较大，使用水性防飞溅液，能在工件表面形成保护膜。

在步骤4中，由于铝丝材较软，要防止压紧力损坏丝材表面造成送丝困难，需调节送丝机构的夹紧压力。

在步骤4的喷刷酚醛树脂进行封孔处理中，喷刷时要用甲酮、芳香烃和无水乙醇作稀释剂进行稀释。

优点及效果：本发明制备的涂层与基体结合较好，堆焊层厚度在50μm，铝涂层厚度在100μm。堆焊层与基体形成牢固的冶金结合(强度在300MPa以上)，相对于喷涂涂层，堆焊层组织更为致密，几乎没有孔隙存在。硬度测试显示，NiCr层的维氏显微硬度值在243Hv左右。喷涂的铝涂层为典型的喷涂层结构，由于喷涂过程中的加热氧化，会形成少量的氧化铝夹在在其中。而纯铝丝中含有<0.2％的Si，可以在α-Al中少量固溶，对铝涂层有一定的固溶强化作用，提高涂层强度。经过50h，900℃的高温氧化加热后，利用能谱分析发现，铝涂层中含有少量的氧化铝，属于喷涂过程中形成，而NiCr堆焊层靠近基体部分，有微量铝元素，属于加热中的内氧化元素迁移所致。根据高温氧化原理，氧化过程中会有一些元素被氧化成氧化物，从而涂层导致重量增加，根据增重数据画出试样增重曲线图，见附图1。可以发现，12h后，增重变得缓慢，说明保护性的氧化膜形成，阻止氧元素进入涂层组织内部。经过50h后，涂层对基体依然保护完好，无任何表面剥落，起到完善的隔绝氧气、减缓氧化作用。

附图说明：

图1为本发明电子显微镜下的复合涂层横截面微观形貌；

图2为本发明NiCr/Al复合涂层高温氧化增重曲线。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行具体说明：

不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：所述方法按照以下步骤进行：

步骤1.表面脱脂：去除预堆焊零件油污并不改变零件的尺寸，表面脱脂选择使用氢氧化钠(质量百分比为4.0％～5.0％)的碱洗液，将其加热到70℃，浸渍3.0min～5.0min，目的是为了去除零件表面的油脂；

步骤2.喷砂粗化：使用180目～200目的棕刚玉磨粒对304不锈钢表面进行喷砂处理，喷砂角度为80°～90°，压缩空气的压力为0.6MPa～0.7MPa，喷砂距离为100mm～150mm，以表面出现银白色金属光泽为佳，喷砂后试样的表面粗糙度为Ra3.0μm～Ra3.5μm，之后利用压缩空气吹净表面粘黏的沙粒。堆焊前用丙酮清洗基材表面，再用酒精擦拭，吹干；

步骤3.熔化极气体保护堆焊：使用材料为直径为Φ1.2mm的NiCr合金丝，其中成分质量分数Cr含量＞45％，最高可达48％，Ti含量为0.3％～1.0％，其余为Ni。适当提高Cr含量，可形成致密的Cr₂O₃膜(或硫化物膜)，有效阻止了硫化物的侵蚀，达到抗硫效果。堆焊工艺参数为：焊接电流70A～80A，电弧电压18V～20V，焊接速度5mm/s～8mm/s，保护气体为Ar，气体流量为9～12L/min。由于NiCr合金丝有自放热的特点，故基材一般不需要预热，若堆焊过程中熔滴喷射较大，可使用水性防飞溅液，在工件表面形成保护膜，易于清理焊渣。

步骤4.电弧喷涂：使用材料为直径Φ2.0mm的99.5％～99.7％铝丝材作为喷涂原材料，调节送丝机构的夹紧压力，由于铝丝材较软，要防止压紧力损坏丝材表面造成送丝困难。使用与喷砂粗化一致的工艺参数，将堆焊后的堆焊层进行表面喷砂处理后，进行电弧喷涂操作。喷涂距离为100mm～150mm，送丝速度3m/min～4m/min，电流I＝130A～150A，电压U＝30～35V，压缩气体0.65～0.75MPa，流量保证在1.6m³/min～2.0m³/min，喷涂时间为1min～3min。为获得高质量的涂层，应在电弧稳定的前提下，采用尽量低的电弧电压。为了提高涂层的抗氧化性，可将试件表面用钢丝刷打磨或使用喷刷酚醛树脂进行封孔处理。喷刷时要用甲酮、芳香烃和无水乙醇作稀释剂进行稀释。

实施例：在厚度为3mm的40mm×30mm不锈钢(牌号304)板上进行堆焊/喷涂复合涂层。试板浸入质量百分比为4.0％～5.0％的氢氧化钠碱洗液，将碱洗液加热到70℃，浸渍3.0min，去除零件表面的油脂。使用180目～200目的棕刚玉磨粒对304不锈钢表面进行喷砂处理，喷砂角度为90°，压缩空气的压力为0.65MPa，喷砂距离为130mm，喷砂后测试试样的表面粗糙度为Ra3.5μm，随后利用压缩空气吹净表面粘黏的沙粒。用丙酮清洗试板表面，再用酒精擦拭，吹干。使用材料为直径为Φ1.2mm的NiCr合金丝进行熔化极气体保护堆焊，其中成分质量分数Cr含量为45％，Ti含量为0.5％，其余为Ni。堆焊工艺参数为：焊接电流70A，电弧电压18V，焊接速度5mm/s，保护气体为Ar，气体流量为10L/min。使用材料为直径Φ2.0mm的99.60％铝丝材作为电弧喷涂原材料，调节送丝机构的夹紧压力，试板堆焊层经喷砂粗化后，进行电弧喷涂操作。喷涂距离为130mm，送丝速度3m/min，电流I＝130A，电压U＝35V，压缩气体0.7MPa，流量保证在1.6m³/min，喷涂时间为1min。经扫描电镜下观察发现，NiCr堆焊层与不锈钢基体以及铝涂层与NiCr层均结合牢固，没有出现分离。测试NiCr层维氏显微硬度值在243Hv左右。堆焊层厚度在50μm，喷涂层为100μm，见图1所示。经900℃50h高温氧化后发现，基体和涂层内部无氧气进入，氧化增重符合抛物线规律，见附图2。

图1为扫描电子显微镜下观察的复合涂层横截面。如图所示，经过以上工艺处理后，NiCr层厚度达到50μm，与304不锈钢基体结合牢固，形成良好的冶金结合。铝涂层厚度约为100μm，利用Image软件对涂层孔隙率测定，约为3.5％，呈现出典型的热喷涂涂层结构。图2为900℃下，加热至50h，根据增重数据绘制出不同时间段的试样增重曲线，在12h之前，涂层增重较快，后期在最外层形成了Al₂O₃热障层后，氧化逐渐变缓，整个过程复合抛物线规律，说明涂层的抗氧化效果较好。

在其他不锈钢上也适用本发明所述方法，如牌号301、302、307等等。

喷砂后的表面粗糙度是一个非常关键的技术参数，它是实现堆焊和电弧喷涂相结合的关键因素，喷砂后要保证表面不残留水分和细微的沙粒，可用压缩空气对表面进行清理，表面粗糙度为Ra3.4μm～Ra3.5μm效果最佳。

本发明的另一关键点是成分质量分数Cr含量为47％～48％，Ti含量为0.3％～1.0％，其余为Ni；它是保证堆焊和电弧喷涂相结合后的质量效果，提高Cr元素含量可形成致密的Cr₂O₃膜，但Cr含量过高则导致NiCr合金丝硬度过大，不易加工成形，因此含量在47～48％为最佳。

本发明的第三个关键点是铝丝材中可含有0.1％～0.2％的Si(以质量百分比计)，在电弧喷涂形成的铝涂层中，Si可在α-Al中少量固溶，对涂层有一定的固溶强化作用，能够提高涂层强度和抗蚀性。但过量的Si会降低溶解度，产生脆性相，使涂层中的孔隙增加，反而使抗拉强度下降，因此要控制在0.2％以内。

使用的水性防飞溅液为市场普通产品，本发明采用恒鑫化工的焊接防飞溅剂效果达到要求。

Claims

1.一种不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：所述方法按照以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：在步骤1中，选用质量百分比为4.0％～5.0％的氢氧化钠碱洗液的，将其加热到70℃，浸渍3.0min～5.0min。

3.根据权利要求1所述的不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：在步骤2中，堆焊前用丙酮清洗基材表面，再用酒精擦拭，吹干。

4.根据权利要求1所述的不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：在步骤3中，适当提高Cr含量在47％～48％，可形成致密的Cr₂O₃膜或硫化物膜。

5.根据权利要求1所述的不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：在步骤3中，由于NiCr合金丝有自放热的特点，故基材不需要预热；若堆焊过程中熔滴喷射较大，使用水性防飞溅液，能在工件表面形成保护膜。

6.根据权利要求1所述的不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：在步骤4中，铝丝材中含有Si元素，以质量百分比计，占铝丝材的0.1％～0.2％，喷涂加热过程中形成的α-Al中能固溶少量Si，对铝涂层有固溶强化作用，使强度提高。

7.根据权利要求1所述的不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：在步骤4中，由于铝丝材较软，要防止压紧力损坏丝材表面造成送丝困难，需调节送丝机构的夹紧压力。

8.根据权利要求1所述的不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：在步骤4的喷刷酚醛树脂进行封孔处理中，喷刷时要用甲酮、芳香烃和无水乙醇作稀释剂进行稀释。