CN109136919A - 一种用于螺栓表面耐腐蚀熔覆层的粉末材料及熔覆层的制备方法 - Google Patents

一种用于螺栓表面耐腐蚀熔覆层的粉末材料及熔覆层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于螺栓表面耐腐蚀熔覆层的粉末材料，其包括以下重量百分数的元素：C：0.06‑0.1wt％；Si：0.5‑1wt％；Mn：0.5‑1wt％；Cr：16‑20wt％；Ni：5‑6wt％；Cu：4‑5wt％；Mo:2‑8wt％；Nb：0.4‑0.8wt％；Fe:余量；粉末中杂质含量要求为：S：≤0.030wt％；P：≤0.035wt％。本发明有效解决了螺栓与其紧固螺母之间生锈而锁死问题，可以显著提高螺栓连接结构件的安全性，并延长螺栓的使用寿命。

Description

一种用于螺栓表面耐腐蚀熔覆层的粉末材料及熔覆层的制备 方法
技术领域
本发明属于螺栓的设计、制造及维护技术领域，具体涉及一种用于螺栓表面制备耐腐蚀熔覆层的粉末材料及熔覆层的制备方法。
背景技术
螺栓连接是各种机械设备中广泛应用的一种有效、方便的连接形式。在各种螺栓中，强度级别在8.8级以上的高强度螺栓在各种重要设备的紧固连接中得到了广泛应用，高强度螺栓的强度、抗疲劳性及耐蚀性能是影响工程构件的安全性和可靠性的重要因素。
以输配电系统为例，输电塔线体系是高负荷电能输送的载体。输电塔架结构、变电站、开关站大量采用各种尺寸的螺栓对设备部件进行连接，螺栓的寿命和可靠性将直接影响电网的安全和经济运行。输电塔结构在恶劣的自然环境下工作，当螺栓失效时，极易导致输电塔结构发生灾难性事故。
以我国西北部为例，由于地理位置的关系，其昼夜温差及四季温差很大，夏日最高温度可达45℃，冬日最低温可达-40℃。高低温变化极易引起螺栓、被紧固件的热胀冷缩，造成紧固件紧固能力及其夹紧力的变化。当螺栓出现松动及预紧力不够时，在自然风力作用下将加速螺栓的疲劳损伤，需要及时紧固螺母才能提高被紧固件的安全性。
根据有关资料，我国西北部地区土壤中含有大量由Mg、Na、Ca等金属与Cl形成的氯化物和硫酸盐化合物。其中，草甸土表层0-10cm深度范围内的总含盐量可达22％,其它泥沙土、荒漠土含盐量可达3-7％。
当上述含盐尘土附着在螺栓材料表面时，导致螺栓材料产生如下问题：(1)显著增加了金属表面的吸湿性能，即使在大气相对湿度小于60％条件下，也易在金属表面形成不可见水膜，导致金属腐蚀反应发生。(2)水膜中含有的盐加快了腐蚀反应速度，水膜中含有的氯离子促进了金属表面钝化膜的破坏,引起严重的点腐蚀；这也是沙漠环境下高强钢、不锈钢等材料出现较为严重腐蚀的重要原因。(3)当螺栓与其紧固螺母之间锈蚀严重时，会导致螺母被锁死而无法拧动。
螺栓与其紧固螺母之间生锈而锁死后，人们常釆用往螺栓连接口喷施螺栓松动剂的方法，但由于松动剂只能喷施在螺母与螺栓的接口处，当螺栓与螺帽之间锈蚀严重时难以拧动螺栓。当螺帽与螺栓连接处锈死且预紧力不够时，造成的危害如下：
(1)当螺栓松动时，因无法产生所需要的预紧力，造成结构件连接处松动，使结构件刚性和安全性下降；
(2)螺栓松动后，在荷载的作用下，本应固接在一起的两个接触面将产生轴向往复移动，原本无冲击荷载的螺栓连接结构间产生冲击荷载，螺栓及连接结构中的荷载效应大幅度升高，极易加速螺栓及连接结构的疲劳损伤，导致突发性的灾难事故。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于在螺栓表面制备耐腐蚀熔覆层的粉末材料及熔覆层的制备方法。本发明可有效解决螺栓与其紧固螺母之间生锈而锁死问题，可以显著提高螺栓连接结构件的安全性，并延长螺栓的使用寿命。
本发明的具体技术方案如下。
一、粉末成分与制备
一种用于在螺栓表面制备耐腐蚀熔覆层的粉末材料，其成分如下：
1、合金粉末组分
粉末材料中各元素重量百分数如下：
C：0.06-0.1wt.％；Si：0.5-1wt.％；Mn：0.5-1wt.％；Cr：16-20wt.％；Ni：5-6wt.％；Cu：4-5wt.％；Mo:2-8wt.％；Nb：0.4-0.8wt.％；Fe:余量。粉末中杂质含量要求为：S：≤0.030wt.％；P：≤0.035wt.％
2、合金粉末制备方法
(1)合金的熔炼
将所需的各种元素按以下重量百分数进行配比：C：0.06-0.1wt.％；Si：0.5-1wt.％；Mn：0.5-1wt.％；Cr：16-20wt.％；Ni：5-6wt.％；Cu：4-5wt.％；Mo:2-8wt.％；Nb：0.4-0.8wt.％；Fe:余量。上述各元素的纯度均≥99.9％。
按上述配比称量好各种元素，将其置于真空中频感应炉中熔炼；熔炼温度为1500℃-1700℃，将熔化的合金在1500℃-1700℃温度下保温30-50分钟。
(2)雾化制粉
氮气保护的雾化制粉为成熟的技术。将上述步骤(1)制备的合金溶液倒入一个气雾化设备所用的坩埚中，利用气雾化装置进行雾化制粉，得到合金粉末。
上述合金粉末的制备方法，所需雾化介质为氮气，合金溶液流动速率为0.8kg/min-1kg/min。
(3)筛分得成品粉末
将步骤(2)制备的粉末进行筛分，得到用于激光熔覆的粉末，其粒度在325-140目范围。
二、熔覆层制备工艺
熔覆层的制备为已有成熟技术。为提高熔覆效率，可选用功率2-3kW的高功率半导体激光器作为熔覆用热源。
制备熔覆层的具体步骤如下：
1)制备螺栓毛坯。如图1所示，螺栓一般由螺栓头、光滑部和螺纹部组成，设螺纹部长度为L0、螺纹大径为d1、螺纹小径为d2，为预留激光熔覆层所需区域，则激光熔覆段的长度L1在1.05L0-1.1L0范围，螺纹部毛坯直径d3＝0.9d2-0.95d2范围。
2)对螺栓毛坯进行表面除锈、除油处理后，将其固定在熔覆工作台上。
3)将“一、粉末成分与制备”中所制备的耐蚀合金粉末装入气动送粉器的储粉容器中，采用激光头静止、螺栓作相对运动、利用激光束将“一、粉末成分与制备”中所制备的合金粉末材料熔覆在所述螺栓毛坯表面；搭接熔覆的方法制备熔覆层。熔覆主要参数为：送粉量1-2kg/h，激光束功率密度30-40kW/cm2，激光光斑与工件相对运动速度3-6cm/s；单次熔覆时，相邻两道预熔覆层的搭接区宽度为1-1.5mm，单次熔覆所形成熔覆层厚度为500-1000μm。
在相同区域重复“二、熔覆层制备工艺”中的步骤(3)一至四次，可制备厚度为1000-5000μm的熔覆层。
三、耐蚀螺栓的加工与热处理
(1)对步骤二所述具有耐蚀熔覆层的螺栓毛坯进行机加工，使其达到所需精度的设计尺寸。
(2)对于8.8级以上的高强螺栓，为使其力学性能达到设计要求，需要参照按国家标准对螺栓进行热处理。
本发明的有益效果：本发明有效解决了螺栓与其紧固螺母之间生锈而锁死问题，可以显著提高螺栓连接结构件的安全性，并延长螺栓的使用寿命。所述粉末材料中，各组分作用如下：Cr是提高铁基熔覆层在大气环境中抗氧化性和耐腐蚀性的基本元素；Ni可有效促进熔覆层材料的马氏体转变，改善熔覆层的强度和韧性；Mo的加入能显著提高熔覆层的抗氯化物腐蚀能力；Cu是强化元素，可降低熔覆层中δ-铁素体含量；C的作用是固溶强化和形成弥散强化的碳化物；Nb是强烈的碳化物形成元素，Nb和C结合形成细小的NbC，NbC的生成既可提高熔覆层的强度，又能减轻晶界处因C析出导致的晶界贫Cr，从而提高熔覆层的耐蚀性；Mn是奥氏体形成元素，可改善熔覆层的韧性。
附图说明
图1本发明的螺栓结构示意图。图中的标记为：1—螺栓头，2—光滑部，3—耐蚀螺纹部。
图2本发明待激光熔覆的螺栓毛坯示意图。图中的标记为：4—预留的激光熔覆段，5—待进行激光熔覆段直径。
图3本发明具有激光熔覆层的螺栓毛坯示意图。图中的标记为：6—耐蚀熔覆层。
图4本发明激光熔覆层断面图。
图5本发明熔覆层断面硬度曲线。
图6本发明激光熔覆后螺栓毛坯实物图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1：制备耐蚀防锈死M52高强螺栓
一、粉末成分与制备
(1)合金的熔炼(成分1)
将所需的各种元素按以下重量百分数进行配比：C：0.06wt.％；Si：0.5wt.％；Mn：0.5wt.％；Cr：16wt.％；Ni：5wt.％；Cu：4wt.％；Mo:2wt.％；Nb：0.4wt.％；Fe:余量。
按上述配比称量好各种元素，将其置于真空中频感应炉中熔炼；熔炼温度为1500℃，将熔化的合金在1500℃温度下保温40分钟。
(2)雾化制粉
氮气保护的雾化制粉为成熟的技术。将上述步骤(1)制备的合金溶液倒入一个气雾化设备所用的坩埚中，利用气雾化装置进行雾化制粉，得到合金粉末。
上述合金粉末的制备方法，所需雾化介质为氮气，合金溶液流动速率为0.8kg/min。
(3)筛分得成品粉末
将步骤(2)制备的粉末进行筛分，得到用于激光熔覆的粉末，其粒度在325-140目范围。
二、熔覆层制备工艺
选用功率2.5kW的光纤耦合输出半导体激光器作为熔覆用热源,制备熔覆层的具体步骤如下：
(1)制备螺栓毛坯(尺寸1)。如图1所示，本发明所述的螺栓由螺栓头1、光滑部2和耐蚀螺纹部3组成，螺栓毛坯材料牌号为：42CrMo。制备所得螺栓的耐蚀螺纹部3的长度为129mm、螺纹大径52mm、螺纹小径49.835mm。激光熔覆之前制备螺栓毛坯试样，如图2所示，预留的激光熔覆段4的长度141.9mm；待进行激光熔覆段5的直径为47mm。
(2)对螺栓毛坯进行表面除锈、除油处理后，将其固定在熔覆工作台上。
(3)将“一、粉末成分与制备”所制备的耐蚀合金粉末装入气动送粉器的储粉容器中，采用激光头静止、螺栓毛坯作相对运动、利用激光束将所得粉末材料熔覆在所述螺栓毛坯表面；搭接熔覆的方法制备熔覆层。熔覆主要参数为：送粉量1.5kg/h，激光束功率密度30kW/cm2，激光光斑与工件相对运动速度3cm/s；单次熔覆时，相邻两道预熔覆层的搭接区宽度为1.2mm，所形成熔覆层平均厚度为800μm。
在相同区域重复“二、熔覆层制备工艺”中的步骤(3)三次，制备出平均厚度为3200μm的耐蚀熔覆层6。
三、耐蚀螺栓的加工与热处理
(1)对实施“步骤二”后所得的具有耐蚀熔覆层的螺栓毛坯进行机加工，使其达到所需精度的设计尺寸。
(2)按《金属热处理标准应用手册》、《GB/T3077-2015合金结构钢》和《GB/T16924-2008钢件的淬火与回火》对螺栓进行热处理。
实施例2：制备耐蚀防锈死M12螺栓
一、粉末成分与制备
(1)合金的熔炼
将所需的各种元素按以下重量百分数进行配比：C：0.1wt.％；Si：1wt.％；Mn：1wt.％；Cr：20wt.％；Ni：6wt.％；Cu：5wt.％；Mo:8wt.％；Nb：0.8wt.％；Fe:余量。
按上述配比称量好各种元素，将其置于真空中频感应炉中熔炼；熔炼温度为1650℃，将熔化的合金在1650℃温度下保温30分钟。
(2)雾化制粉
氮气保护的雾化制粉为成熟的技术。将上述步骤(1)制备的合金溶液倒入一个气雾化设备所用的坩埚中，利用气雾化装置进行雾化制粉，得到合金粉末。
上述合金粉末的制备方法，所需雾化介质为氮气，合金溶液流动速率为0.9kg/min。
(3)筛分得成品粉末
将步骤(2)制备的粉末进行筛分，得到用于激光熔覆的粉末，其粒度在325-140目范围。
二、熔覆层制备工艺
选用功率2kW的光纤耦合输出半导体激光器作为熔覆用热源,制备熔覆层的具体步骤如下：
(1)制备螺栓毛坯(尺寸2)。如图1所示，本发明所述的螺栓由螺栓头1、光滑部2和耐蚀螺纹部3组成，螺栓毛坯材料牌号为：Q235。制备所得螺栓的耐蚀螺纹部3的长度为30mm、螺纹大径12mm、螺纹小径10.376mm。激光熔覆之前制备螺栓毛坯试样，如图2所示，预留的激光熔覆段4的长度32mm；待进行激光熔覆段5的直径为9.5mm。
(2)对螺栓毛坯进行表面除锈、除油处理后，将其固定在熔覆工作台上。
(3)将“一、粉末成分与制备”所制备的耐蚀合金粉末装入气动送粉器的储粉容器中，采用激光头静止、螺栓毛坯作相对运动、利用激光束将所得粉末材料熔覆在所述螺栓毛坯表面；搭接熔覆的方法制备熔覆层。熔覆主要参数为：送粉量1.2kg/h，激光束功率密度30kW/cm2，激光光斑与工件相对运动速度5cm/s；单次熔覆时，相邻两道预熔覆层的搭接区宽度为1.2mm，所形成熔覆层平均厚度为700μm。
在相同区域重复“二、熔覆层制备工艺”中的步骤(3)三次，制备出平均厚度为2800μm的耐蚀熔覆层6。
三、耐蚀螺栓的加工
对步骤二所述具有耐蚀熔覆层的螺栓毛坯进行机加工，使其达到所需精度的设计尺寸。
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于螺栓表面耐腐蚀熔覆层的粉末材料，其特征在于，包括以下重量百分数的元素：
C：0.06-0.1wt％；
Si：0.5-1wt％；
Mn：0.5-1wt％；
Cr：16-20wt％；
Ni：5-6wt％；
Cu：4-5wt％；
Mo:2-8wt％；
Nb：0.4-0.8wt％；
Fe:余量；
粉末中杂质含量要求为：S：≤0.030wt％；P：≤0.035wt％。
2.根据权利要求1所述粉末材料，其特征在于，所述各元素的纯度均≥99.9％。
3.根据权利要求1所述粉末材料，其特征在于，所述粉末材料的粒度为325-140目。
4.一种螺栓表面耐腐蚀熔覆层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)熔炼粉末材料，将权利要求1所述的各元素进行熔炼，温度为1500℃-1700℃，将熔化的材料保温30-50分钟，得到合金溶液；
2)将步骤1)所得合金溶液置于坩埚中，进行雾化制粉，得到合金粉末；
3)将步骤2)所得合金粉末进行筛分，得到粒度325-140目的粉末材料；
4)对螺栓毛坯进行表面处理；
5)利用激光束将步骤3)所得粉末材料熔覆在步骤4)所述螺栓毛坯表面；
6)重复步骤5)一至四次，制备厚度为1000-5000μm的熔覆层。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述熔炼在真空中频感应炉中进行，所述保温条件是1500℃-1700℃。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述雾化使用气雾化设备进行，雾化介质为氮气，合金溶液流动速率为0.8kg/min-1kg/min。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤5)中所述激光熔覆采用激光头静止、螺栓作相对动方式进行。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤5)中所述激光束功率密度30-40kW/cm2，激光光斑与工件相对运动速度3-6cm/s；单次熔覆时，相邻两道预熔覆层的搭接区宽度为1-1.5mm，单次熔覆所形成熔覆层厚度为500-1000μm。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤6)后对所得螺栓毛坯进行机加工，使其达到所需精度的设计尺寸。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，对机加工后的螺栓进行热处理，使其达到相应国家标准。
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