CN110819931A - 一种粉芯焊丝及其制备方法和应用、多孔涂层及其制备方法 - Google Patents

一种粉芯焊丝及其制备方法和应用、多孔涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于表面涂层技术领域，特别涉及一种粉芯焊丝及其制备方法和应用、多孔涂层及其制备方法。本发明提供了一种粉芯焊丝，包括焊芯和外皮，以质量百分比计，所述焊芯包括以下成分：Cr 15.0～30.0％，Si 1.5～2.5％，Ni 5.0～10.0％，TiH2 1.0～5.0％，余量为Fe；所述外皮的材质为钢。实施例测试结果表明，使用本发明提供的粉芯焊丝经超音速电弧喷涂得到的多孔涂层，涂层孔隙率达到46％，涂层结合强度达到45MPa，具有良好的孔隙结构和结合强度。

Description

一种粉芯焊丝及其制备方法和应用、多孔涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于表面涂层技术领域，特别涉及一种粉芯焊丝及其制备方法和应用、多孔涂层及其制备方法。
背景技术
炼油、石油化工行业大量使用换热设备，强化传热提高换热设备的换热效率以降低能耗是流程工业实现节能的重要途径，其中，提高换热器的传热系数，增加换热量是最为有效的强化传热手段。高通量管是一种表面多孔管，具有相变的换热过程热温差小，增加换热面上的汽化核心，可提高换热系数等优点，广泛应用于石油、化工以及冶金等领域。
目前，表面多孔管表面多孔涂层的制备方法主要有化学腐蚀法、火焰喷涂法、电镀法、机械加工法和烧结法。化学腐蚀法是电解液中利用晶间和小孔腐蚀原理，在不锈钢内、外表面腐蚀出表面多孔层，但这种方法得到的多孔层的孔径较小，孔分布不均匀，且容易发生晶间腐蚀，使材料的基体强度降低，同时该方法加工工艺复杂，加工周期长，成本和能耗较大；火焰喷涂法采用特殊的火焰喷涂枪将不同粒度的金属粉末和作为辅助造孔剂的有机高分子材料粉末或低熔点金属粉末混合物高速地喷射到经处理、预热好的金属管外表面基体上，使之产生一定的化学冶金结合，然后再用火焰将多余的有机高分子材料粉末烧掉，但该方法的缺点是很难保证粉末烧结层的厚度以及存在安全污染等问题；电镀法是在电镀液中将铜粉镀到铜管外表面，或在铜管外表面包一层聚氨酯泡沫，然后镀铜，铜粉通过聚氨酯的小孔进入管外壁形成多孔层，但这种方法分解得到的多孔层孔径小，对表面张力较大的介质使用效果不显著，并且加工工序复杂，投资和能耗较大；机械加工法是利用机械加工的方法在金属管壁上开出不同形状的孔，成本较低，加工简单，但适用范围小，仅用于软金属管材，且无法加工很小的孔隙；烧结法是在管的内、外表面上均匀地涂上一层黏结剂，再覆以一定目数的金属粉末，然后在充有保护气体的炉子中升温，将金属粉末烧结到管上，烧结强化效果较好，但烧结工艺复杂，且难以控制，成本较高。
因此，寻求一种涂层孔隙率高、涂层结合强度高且制备工艺简单、成本低、环保无污染的多孔涂层及其原料，具有重要的产业意义和极大的经济价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种粉芯焊丝及其制备方法，使用本发明提供的粉芯焊丝制备得到的多孔涂层具有孔隙率高、涂层结合能力强的特点，且粉芯焊丝的制备工艺和应用过程工艺简单、成本低、环保无污染。本发明还提供了一种多孔涂层及其制备方法。
为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种粉芯焊丝，包括焊芯和外皮，以质量百分比计，所述焊芯包括以下成分：
Cr 15.0～30.0％，Si 1.5～2.5％，Ni 5.0～10.0％，TiH21.0～5.0％，余量为Fe；
所述外皮的材质为钢。
优选的，所述粉芯焊丝的直径为2～3mm；所述粉芯焊丝的填充率为30～40％。
优选的，所述焊芯中粉体粒径为20～80μm。
本发明还提供了上述技术方案所述粉芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：
将焊芯原料混合后依次进行球磨和烘干，得到填充粉末；
将所述填充粉末填充于U型包覆材料的U型槽中后依次进行闭合U型槽和拉丝，得到粉芯焊丝；
所述U型包覆材料的材质为钢。
优选的，所述拉丝的速率为180～240mm/s。
本发明还提供了上述技术方案所述粉芯焊丝或上述技术方案所述制备方法制备得到的粉芯焊丝在多孔涂层领域中的应用。
本发明还提供了一种多孔涂层，由上述技术方案所述粉芯焊丝或上述技术方案所述制备方法制备得到的粉芯焊丝制备得到。
本发明还提供了上述技术方案所述多孔涂层的制备方法，包括以下步骤：
提供表面清洁的钢管；
在所述表面清洁的钢管表面利用粉芯焊丝进行超音速电弧喷涂，得到所述多孔涂层。
优选的，所述超音速电弧喷涂的电压为28～32V，电流为160～175A，气压为0.8～1.0MPa。
优选的，所述超音速电弧喷涂中喷嘴与喷涂平面的距离为150～200mm，送丝速度为80～84cm/min；所述钢管的外径为19～25mm；所述钢管的旋转速度为40～80rpm；所述超音速电弧喷涂中喷嘴沿钢管径向的移动速度为10～20mm/s。
本发明提供了一种粉芯焊丝，包括焊芯和外皮，以质量百分比计，所述焊芯包括以下成分：Cr 15.0～30.0％，Si 1.5～2.5％，Ni 5.0～10.0％，TiH21.0～5.0％，余量为Fe；所述外皮的材质为钢。本发明提供的粉芯焊丝含有发泡材料TiH2，有利于在使用超音速电弧喷涂方式进行涂层制备时形成多孔结构；且TiH2与其他焊芯材料良好融合，有利于孔隙均匀分布于涂层中，涂层组分与钢管基体均匀结合，内应力小，进而有利于保证形成的多孔涂层与钢管基体之间具有良好的结合力。
实施例测试结果表明，使用本发明提供的粉芯焊丝经超音速电弧喷涂得到的多孔涂层，涂层孔隙率达到46％，涂层结合强度达到45MPa，具有良好的孔隙结构和结合强度。
附图说明
图1为本发明应用例2的多孔涂层横截面形貌100倍SEM图；
图2为本发明应用例2的多孔涂层横截面形貌300倍SEM图。
具体实施方式
本发明提供了一种粉芯焊丝，包括焊芯和外皮，以质量百分比计，所述焊芯包括以下成分：
Cr 15.0～30.0％，Si 1.5～2.5％，Ni 5.0～10.0％，TiH21.0～5.0％，余量为Fe；
所述外皮的材质为钢。
在本发明中，所述粉芯焊丝包括焊芯和外皮。
以质量百分比计，本发明所述焊芯包括Cr 15.0～30.0％，优选为16.0～25.0％，更优选为17.0～20.0％。
以质量百分比计，本发明所述焊芯包括Si 1.5～2.5％，优选为1.6～2.4％，更优选为1.7～2.2％。本发明所述Si和Cr有利于协同提高涂层的耐磨性能。
以质量百分比计，本发明所述焊芯包括Ni 5.0～10.0％，优选为6～9.5％，更优选为8～9.3％。本发明所述Ni有利于焊芯具有自熔性。
以质量百分比计，本发明所述焊芯包括TiH21.0～5.0％，优选为1.3～4.0％，再优选为2.0～3.0％。本发明所述TiH2有利于在使用超音速电弧喷涂方式进行涂层制备时形成多孔结构；且TiH2与其他焊芯材料良好融合，有利于孔隙均匀分布于涂层中，涂层组分与钢管基体均匀结合，内应力小，进而有利于保证形成的多孔涂层与钢管基体之间具有良好的结合力。
以质量百分比计，本发明所述焊芯包括余量的Fe。
在本发明中，所述焊芯中粉体粒径优选为20～80μm，更优选为25～75μm，再优选为30～70μm。
在本发明中，所述粉芯焊丝的直径优选为2～3mm，更优选为2.2～2.8mm，再优选为2.4～2.6mm。在本发明中，所述粉芯焊丝的填充率优选为30～40％，更优选为32～38％，再优选为34～36％。
本发明所述外皮的材质为钢，优选为碳钢，更优选为冷轧带钢。在本发明的实施例中，所述冷轧带钢，以质量百分比计，包括C 0.009～0.018％、Si0.007～0.025％、Mn 0.25～0.30％、P 0.007～0.012％、S 0.0005～0.008％和余量的Fe。
本发明还提供了上述技术方案所述粉芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：
将焊芯原料混合后依次进行球磨和烘干，得到填充粉末；
将所述填充粉末填充于U型包覆材料的U型槽中后依次进行闭合U型槽和拉丝，得到粉芯焊丝；
所述包覆材料的材质为钢。
本发明将焊芯原料混合后依次进行球磨和烘干，得到填充粉末。
在本发明中，所述焊芯原料中各组分与上述技术方案所述焊芯中各成分一致，在此不再赘述。
本发明对所述混合没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的混合即可。在本发明中，所述球磨的时间优选为2～4h，更优选为2.5～3.5h，最优选为3h；所述球磨的速率优选为200～300rpm，更优选为220～280rpm，再优选为240～260rpm。在本发明中，所述球磨的球料比优选为(8～12)：1，更优选为(9～11)：1再优选为(9.5～10.5)：1。在本发明中，所述烘干的温度优选为100～120℃，更优选为105～115℃，再优选为108～113℃；所述烘干的时间优选为1.5～2.5h，更优选为1.8～2.3h，再优选为1.9～2.1h。
得到填充粉末后，本发明将所述填充粉末填充于U型包覆材料的U型槽中后依次进行闭合U型槽和拉丝，得到粉芯焊丝。
在本发明中，所述U型包覆材料的材质为钢。在本发明中，所述包覆材料与上述技术方案所述外皮的材质一致，在此不再赘述。在本发明中，所述包覆材料的厚度优选为0.7～0.9mm，更优选为0.75～0.85mm，最优选为0.8mm。本发明所述U型包覆材料优选为将所述包覆材料冷弯成U型制备得到；本发明对所述冷弯的工艺没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的冷弯工艺即可。在本发明中，所述填充粉末与包覆材料的质量比优选为(0.43～0.67)：1，更优选为(0.5～0.65)：1，再优选为(0.58～0.61)：1。本发明对所述填充的方法没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的填充方法即可。本发明对所述闭合U型槽的方法没有特殊限定，以能够实现U型槽闭合且填充粉末无外漏为准。
在本发明中，所述拉丝的速率优选为180～240mm/s，更优选为190～230mm/s，再优选为200～220mm/s。在本发明中，所述拉丝的设备优选为拔丝机。
本发明还提供了上述技术方案所述粉芯焊丝或上述技术方案所述制备方法制备得到的粉芯焊丝在多孔涂层领域中的应用。在本发明中，所述应用优选为将所述粉芯焊丝作为多孔涂层的原料。
本发明还提供了一种多孔涂层，由上述技术方案所述粉芯焊丝或上述技术方案所述制备方法制备得到的粉芯焊丝制备得到。在本发明中，所述多孔涂层的厚度优选为0.1～0.3mm，更优选为0.15～0.25mm，再优选为0.18～0.22mm。在本发明中，所述多孔涂层的孔隙率优选为14～47％，更优选为15～46％。在本发明中，所述多孔涂层的结合强度优选为23～46MPa，更优选为24～45MPa。
本发明还提供了上述技术方案所述多孔涂层的制备方法，包括以下步骤：
提供表面清洁的钢管；
在所述表面清洁的钢管表面利用粉芯焊丝进行超音速电弧喷涂，得到所述多孔涂层。
本发明提供表面清洁的钢管。本发明对所述钢管的材质没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的钢管材质即可。在本发明中，优选对钢管进行喷砂处理得到所述表面清洁的钢管。在本发明中，所述喷砂处理用砂丸的材质优选为棕刚玉；所述砂丸的粒径优选为10～25目，更优选13～22目，再优选为15～20目。在本发明中，所述喷砂处理的气压优选为0.7～0.9MPa，更优选为0.72～0.85MPa，再优选为0.75～0.80MPa。本发明对所述喷砂处理的时间没有特殊限定，以能够去除钢管表面的污渍和锈迹即可。
得到表面清洁的钢管后，本发明在所述表面清洁的钢管表面利用粉芯焊丝进行超音速电弧喷涂，得到所述多孔涂层。
在本发明中，所述超音速电弧喷涂的电压优选为28～32V，更优选为29～31V，再优选为29.5～30.5V；电流优选为160～175A，更优选为163～172A，再优选为165～170A，所述超音速电弧喷涂的气压优选为0.8～1.0MPa，更优选为0.85～0.95MPa，再优选为0.88～0.92MPa。
在本发明中，所述超音速电弧喷涂中喷嘴与喷涂平面的距离优选为150～200mm，更优选为160～190mm，再优选为170～180mm；送丝速度优选为80～84cm/min，更优选为81～83cm/min，再优选为81.5～82.5cm/min。在本发明中，所述喷涂平面优选为喷涂瞬间钢管喷涂点的切面。在本发明中，所述钢管的外径优选为19～25mm，更优选为20～24mm，再优选为21～23mm；所述钢管的旋转速度优选为40～80rpm，更优选为45～75rpm，再优选为50～70rpm；所述超音速电弧喷涂中喷嘴沿钢管径向的移动速度优选为10～20mm/s，更优选为12～18mm/s，再优选为14～16mm/s。
本发明采用超音速电弧喷涂，保证在多孔涂层制备过程中粉芯焊丝均匀喷涂在钢管基体上，形成均匀多孔结构并保证多孔涂层的结合力。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种粉芯焊丝及其制备方法和应用、多孔涂层及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
按照Cr 18.3wt％、Si 1.8wt.％、Ni 8.5wt.％、TiH21.5wt.％和余量Fe的比例，将粒径为30～70μm的原料粉末置于球磨机中，控制球料比为10：1，在转速为260rpm的条件下球磨3h后于110℃条件下保温2h，得到填充粉末；
将冷轧带钢经裁剪、清洗后冷弯成U型，得到U型包覆材料；
将所得填充粉末置于所得U型包覆材料的U型槽中，其中填充粉末与包覆材料的质量比为0.61：1，闭合U型包覆材料的U型槽，在拔丝机上经过拉丝模将其以180mm/s的速度拉丝减径，得到直径为2.0mm、填充率为38％的粉芯焊丝。
应用例1
将外径19mm的碳钢钢管表面采用25目的棕刚玉砂丸，在气压为0.7MPa条件下进行喷砂处理，得到表面清洁的钢管；
利用超音速电弧喷涂设备，将实施例1所得的粉芯焊丝喷涂至所得表面清洁的钢管外表面，其中喷涂工艺的参数为：喷涂电压为30V，喷涂电流为170A，喷涂气压为0.9MPa，喷涂距离为180mm，送丝速度为82cm/min，钢管的旋转速度为60rpm，喷枪移动速度为15mm/s，即得厚度为0.1～0.3mm的多孔涂层。
实施例2
按照Cr 19.5wt％、Si 2.1wt.％、Ni 9.2wt.％、TiH22.0wt.％和余量Fe的比例，将粒径为30～70μm的原料粉末置于球磨机中，控制球料比为10：1，在转速为260rpm的条件下球磨3h后于110℃条件下保温2h，得到填充粉末；
将冷轧带钢经裁剪、清洗后冷弯成U型，得到U型包覆材料；
将所得填充粉末置于所得U型包覆材料的U型槽中，其中填充粉末与包覆材料的质量比为0.61：1，闭合U型包覆材料的U型槽，在拔丝机上经过拉丝模将其以190mm/s的速度拉丝减径，得到直径为2.0mm、填充率为38％的粉芯焊丝。
应用例2
将外径19mm的碳钢钢管表面采用25目的棕刚玉砂丸，在气压为0.7MPa条件下进行喷砂处理，得到表面清洁的钢管；
利用超音速电弧喷涂设备，将实施例2所得的粉芯焊丝喷涂至所得表面清洁的钢管外表面，其中喷涂工艺的参数为：喷涂电压为30V，喷涂电流为170A，喷涂气压为0.9MPa，喷涂距离为180mm，送丝速度为82cm/min，钢管的旋转速度为60rpm，喷枪移动速度为15mm/s，即得厚度为0.1～0.3mm的多孔涂层。
对所得多孔涂层的横截面形貌进行SEM测试，所得多孔涂层横截面形貌100倍SEM图见图1；对所得多孔涂层的横截面形貌进行SEM测试，所得多孔涂层横截面形貌300倍SEM图见图2。由图1和图2可见，本发明提供的多孔涂层内部疏松多孔，且与钢管结合良好。
实施例3
按照Cr 19.5wt％、Si 2.1wt.％、Ni 9.2wt.％、TiH23.0wt.％和余量Fe的比例，将粒径为30～70μm的原料粉末置于球磨机中，控制球料比为10：1，在转速为260rpm的条件下球磨3h后于110℃条件下保温2h，得到填充粉末；
将冷轧带钢经裁剪、清洗后冷弯成U型，得到U型包覆材料；
将所得填充粉末置于所得U型包覆材料的U型槽中，其中填充粉末与包覆材料的质量比为0.61：1，闭合U型包覆材料的U型槽，在拔丝机上经过拉丝模将其以190mm/s的速度拉丝减径，得到直径为2.0mm、填充率为38％的粉芯焊丝。
应用例3
将外径19mm的碳钢钢管表面采用25目的棕刚玉砂丸，在气压为0.7MPa条件下进行喷砂处理，得到表面清洁的钢管；
利用超音速电弧喷涂设备，将实施例3所得的粉芯焊丝喷涂至所得表面清洁的钢管外表面，其中喷涂工艺的参数为：喷涂电压为30V，喷涂电流为170A，喷涂气压为0.9MPa，喷涂距离为180mm，送丝速度为82cm/min，钢管的旋转速度为60rpm，喷枪移动速度为15mm/s，即得厚度为0.1～0.3mm的多孔涂层。
采用IQmaterial图像分析软件依据灰度法测量应用例1～3所得多孔涂层的孔隙率，测试结果见表1；按照GB/T8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定标准测试应用例1～3所得多孔涂层的结合强度，测试结果见表1。
表1应用例1～3所得多孔涂层的测试结果
孔隙率/％ 结合强度/MPa
应用例1 15～20 32～45
应用例2 28～36 28～41
应用例3 35～46 24～34
由表1可见，本发明提供的多孔涂层孔隙率可达15～46％，孔隙率高；结合强度可达24～45MPa，与钢管基体之间具有优异的结合性能。
本发明的粉芯焊丝及制备工艺简单；本发明提供的多孔涂层制备工艺简单且成本低廉，具有硬度高、结合强度好、孔隙率较高的特点，为高通量管体的制备提供了新的途径，具有良好的工业应用价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种粉芯焊丝，包括焊芯和外皮，其特征在于，以质量百分比计，所述焊芯包括以下成分：
Cr 15.0～30.0％，Si 1.5～2.5％，Ni 5.0～10.0％，TiH2 1.0～5.0％，余量为Fe；
所述外皮的材质为钢。
2.根据权利要求1所述的粉芯焊丝，其特征在于，所述粉芯焊丝的直径为2～3mm；所述粉芯焊丝的填充率为30～40％。
3.根据权利要求1所述的粉芯焊丝，其特征在于，所述焊芯中粉体粒径为20～80μm。
4.权利要求1～3任一项所述粉芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将焊芯原料混合后依次进行球磨和烘干，得到填充粉末；
将所述填充粉末填充于U型包覆材料的U型槽中后依次进行闭合U型槽和拉丝，得到粉芯焊丝；
所述U型包覆材料的材质为钢。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述拉丝的速率为180～240mm/s。
6.权利要求1～3任一项所述粉芯焊丝或权利要求4～5任一项所述制备方法制备得到的粉芯焊丝在多孔涂层领域中的应用。
7.一种多孔涂层，其特征在于，由权利要求1～3任一项所述粉芯焊丝或权利要求4～5任一项所述制备方法制备得到的粉芯焊丝制备得到。
8.权利要求7所述多孔涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供表面清洁的钢管；
在所述表面清洁的钢管表面利用粉芯焊丝进行超音速电弧喷涂，得到所述多孔涂层。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述超音速电弧喷涂的电压为28～32V，电流为160～175A，气压为0.8～1.0MPa。
10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，所述超音速电弧喷涂中喷嘴与喷涂平面的距离为150～200mm，送丝速度为80～84cm/min；所述钢管的外径为19～25mm；所述钢管的旋转速度为40～80rpm；所述超音速电弧喷涂中喷嘴沿钢管径向的移动速度为10～20mm/s。
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