CN110951996A - 一种金属工件表面修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种金属工件表面修复方法，包括以下步骤：S1.将预处理剂涂敷于金属工件表面损伤部位，30分钟后进行喷砂处理，用丙酮清洗去除金属工件表面损失部位的污渍和杂质，用热风机烘干；S2.在氩气氛围下，将旋转电极置于金属工件表面损失部位附近，以旋转电极为正极，以金属工件为负极，在旋转电极和金属工件表面产生高能量脉冲放电，使得旋转电极的部分电极金属与金属工件表面损失部位形成冶金结合，得到合金化表面涂覆层。本发明的修复效果较好，且金属工件几乎没有产生热应力和变形。

Description

一种金属工件表面修复方法
技术领域
本发明涉及一种金属工件表面修复方法。
背景技术
金属工件在加工或使用过程中，由于材料自身特性、加工过程或者使用过程中产生应力、腐蚀、磨损等，使工件表面产生尺寸为纳米量级或者微米量级的微裂纹。例如：硬质合金呈脆性，且自身硬度较高，在加工成刀具的过程中表面容易产生微裂纹，从而影响刀具使用寿命；汽轮机或水轮机的叶片的在工作过程中受到流体的冲击，长期运行后，叶片表面会产生疲劳裂纹。以往这些带有微裂纹的金属或被报废抛弃，或“带伤”继续使用直至彻底无法使用后被报废抛弃，造成能源和材料的浪费。
目前金属表面修复的方法众多，针对不同尺度的裂纹，选择修复的方法也不同，如机械类重锤敲击技术，离子注入法，电镀法等。然而，机械类重锤敲击的方法在减缓或消除裂纹扩张的同时会产生热应力和变形，离子注入或电镀之类的方法的修复效果不佳。
申请号为CN201710280455.7的中国发明公开了“一种金属工件表面处理方法”，包括：S1、对工件进行清洗处理，得到清洗后的工件；S2、将所述清洗后的工件进行阳极氧化处理，得到阳极氧化后的工件；S3、将所述阳极氧化后的工件喷涂可固化树脂；S4、将S3处理后的所述工件喷涂油漆附着层；S5、将S4处理后的所述工件喷涂油漆。该发明存在的问题是：其修复效果不佳，使用的油漆对金属工件起不到很好的保护作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种金属工件表面修复方法，其修复效果较好，且金属工件几乎没有产生热应力和变形。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种金属工件表面修复方法，包括以下步骤：
S1.将预处理剂涂敷于金属工件表面损伤部位，30分钟后进行喷砂处理，用丙酮清洗去除金属工件表面损失部位的污渍和杂质，用热风机烘干；
S2.在氩气氛围下，将旋转电极置于金属工件表面损失部位附近，以旋转电极为正极，以金属工件为负极，在旋转电极和金属工件表面产生高能量脉冲放电，使得旋转电极的部分电极金属与金属工件表面损失部位形成冶金结合，得到合金化表面涂覆层。
进一步地，本发明所述步骤S1中，预处理剂的制备步骤为：将甜菜碱盐酸盐、三氯甲磺酰氯、尿素90℃下真空烘干，按照1:0.1:2.5的摩尔比加入反应瓶中，置于90℃恒温油浴锅中搅拌3小时，转入真空干燥箱中90℃下干燥24小时得到预处理剂。
进一步地，本发明所述步骤S2中，高能量脉冲放电的电流密度为105-106A/cm2。
进一步地，本发明所述步骤S2中，旋转电极的部分电极金属与金属工件表面损失部位形成冶金结合时的温度为5000-10000℃。
进一步地，本发明所述步骤S2中，旋转电极的转速为500-800rpm。
进一步地，本发明所述步骤S2中，旋转电极由镍基合金制成，所述镍基合金的重量百分比组分为：铬10％，钨5％，硅1％，铝2％，钛2％，氧化钕0.2％，氧化铼0.3％，其余为镍，各组分的重量百分比为100％。
进一步地，本发明所述镍基合金的制备步骤为：将各组分混合均匀后真空烘干得到混合粉，将混合粉200Mpa压力下等静压成型得到压坯，将压坯置于真空炉中2000℃下烧结6h得到镍基合金。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明利用旋转电极与金属工件之间产生的瞬间高能量脉冲放电的原理，在非常小的放电区域内瞬间产生高的密度电流，短时间和微小空间的高度集中放电产生大量的热能，在放电的微小区域内产生高温，使旋转电极和金属工件上极微小的放电点处的金属熔化，将熔化的电极金属抛离旋转电极的表面而过渡到金属工件表面，在旋转电极作用下与呈熔融态的金属工件表层被挤压在一起，并有部分电极材料熔渗、扩散与熔融的工件表层金属实现冶金结合，从而得到含有电极材料的合金化表面涂敷层而达到表面修复的效果。由于使用的能量密度很高，在时间和空间上高度集中，对基体的热输入也非常集中，热量在金属工件中的传导和扩散范围极小，所以金属工件的组织和性能发生变化的热影响区很小，几乎没有热应力和变形，使得金属工件在修复后能保证较好的表面光洁度和尺寸。
2)本发明在对金属工件表面进行喷砂处理之前还使用了预处理剂，该预处理剂由甜菜碱盐酸盐、三氯甲磺酰氯、尿素制备而成，能很好地溶解金属工件表面由于受到磨损、锈蚀等产生的杂质，提高金属工件表面损伤部位的清洗效果，还能有效提高修复后形成的合金化表面涂覆层的耐腐蚀和耐冲击性能。
3)本发明在旋转电极的镍基合金材料中添加了氧化钕和氧化铼，这两个组分能提高修复后形成的合金化表面涂覆层的表面光洁度和耐磨性能，而且还能进一步提高耐腐蚀和耐冲击性能。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
金属工件表面修复方法，包括以下步骤：
S1.将预处理剂涂敷于金属工件表面损伤部位，30分钟后进行喷砂处理，用丙酮清洗去除金属工件表面损失部位的污渍和杂质，用热风机烘干；
S2.在氩气氛围下，将转速为600rpm的旋转电极置于金属工件表面损失部位附近，以旋转电极为正极，以金属工件为负极，在旋转电极和金属工件表面产生高能量脉冲放电，高能量脉冲放电的电流密度为8×105A/cm2，使得旋转电极的部分电极金属与金属工件表面损失部位8000℃下形成冶金结合，得到合金化表面涂覆层。
步骤S1中，预处理剂的制备步骤为：将甜菜碱盐酸盐、三氯甲磺酰氯、尿素90℃下真空烘干，按照1:0.1:2.5的摩尔比加入反应瓶中，置于90℃恒温油浴锅中搅拌3小时，转入真空干燥箱中90℃下干燥24小时得到预处理剂。
步骤S2中，旋转电极由镍基合金制成，镍基合金的重量百分比组分为：铬10％，钨5％，硅1％，铝2％，钛2％，氧化钕0.2％，氧化铼0.3％，其余为镍，各组分的重量百分比为100％。镍基合金的制备步骤为：将各组分混合均匀后真空烘干得到混合粉，将混合粉200Mpa压力下等静压成型得到压坯，将压坯置于真空炉中2000℃下烧结6h得到镍基合金。
实施例2
金属工件表面修复方法，包括以下步骤：
S1.将预处理剂涂敷于金属工件表面损伤部位，30分钟后进行喷砂处理，用丙酮清洗去除金属工件表面损失部位的污渍和杂质，用热风机烘干；
S2.在氩气氛围下，将转速为500rpm的旋转电极置于金属工件表面损失部位附近，以旋转电极为正极，以金属工件为负极，在旋转电极和金属工件表面产生高能量脉冲放电，高能量脉冲放电的电流密度为105A/cm2，使得旋转电极的部分电极金属与金属工件表面损失部位5000℃下形成冶金结合，得到合金化表面涂覆层。
步骤S1中，预处理剂的制备步骤为：将甜菜碱盐酸盐、三氯甲磺酰氯、尿素90℃下真空烘干，按照1:0.1:2.5的摩尔比加入反应瓶中，置于90℃恒温油浴锅中搅拌3小时，转入真空干燥箱中90℃下干燥24小时得到预处理剂。
步骤S2中，旋转电极由镍基合金制成，镍基合金的重量百分比组分为：铬10％，钨5％，硅1％，铝2％，钛2％，氧化钕0.2％，氧化铼0.3％，其余为镍，各组分的重量百分比为100％。镍基合金的制备步骤为：将各组分混合均匀后真空烘干得到混合粉，将混合粉200Mpa压力下等静压成型得到压坯，将压坯置于真空炉中2000℃下烧结6h得到镍基合金。。
实施例3
金属工件表面修复方法，包括以下步骤：
S1.将预处理剂涂敷于金属工件表面损伤部位，30分钟后进行喷砂处理，用丙酮清洗去除金属工件表面损失部位的污渍和杂质，用热风机烘干；
S2.在氩气氛围下，将转速为800rpm的旋转电极置于金属工件表面损失部位附近，以旋转电极为正极，以金属工件为负极，在旋转电极和金属工件表面产生高能量脉冲放电，高能量脉冲放电的电流密度为106A/cm2，使得旋转电极的部分电极金属与金属工件表面损失部位10000℃下形成冶金结合，得到合金化表面涂覆层。
步骤S1中，预处理剂的制备步骤为：将甜菜碱盐酸盐、三氯甲磺酰氯、尿素90℃下真空烘干，按照1:0.1:2.5的摩尔比加入反应瓶中，置于90℃恒温油浴锅中搅拌3小时，转入真空干燥箱中90℃下干燥24小时得到预处理剂。
步骤S2中，旋转电极由镍基合金制成，镍基合金的重量百分比组分为：铬10％，钨5％，硅1％，铝2％，钛2％，氧化钕0.2％，氧化铼0.3％，其余为镍，各组分的重量百分比为100％。镍基合金的制备步骤为：将各组分混合均匀后真空烘干得到混合粉，将混合粉200Mpa压力下等静压成型得到压坯，将压坯置于真空炉中2000℃下烧结6h得到镍基合金。
实施例4
金属工件表面修复方法，包括以下步骤：
S1.将预处理剂涂敷于金属工件表面损伤部位，30分钟后进行喷砂处理，用丙酮清洗去除金属工件表面损失部位的污渍和杂质，用热风机烘干；
S2.在氩气氛围下，将转速为700rpm的旋转电极置于金属工件表面损失部位附近，以旋转电极为正极，以金属工件为负极，在旋转电极和金属工件表面产生高能量脉冲放电，高能量脉冲放电的电流密度为5×105A/cm2，使得旋转电极的部分电极金属与金属工件表面损失部位7000℃下形成冶金结合，得到合金化表面涂覆层。
步骤S1中，预处理剂的制备步骤为：将甜菜碱盐酸盐、三氯甲磺酰氯、尿素90℃下真空烘干，按照1:0.1:2.5的摩尔比加入反应瓶中，置于90℃恒温油浴锅中搅拌3小时，转入真空干燥箱中90℃下干燥24小时得到预处理剂。
步骤S2中，旋转电极由镍基合金制成，镍基合金的重量百分比组分为：铬10％，钨5％，硅1％，铝2％，钛2％，氧化钕0.2％，氧化铼0.3％，其余为镍，各组分的重量百分比为100％。镍基合金的制备步骤为：将各组分混合均匀后真空烘干得到混合粉，将混合粉200Mpa压力下等静压成型得到压坯，将压坯置于真空炉中2000℃下烧结6h得到镍基合金。
对比实施例1
与实施例1不同的是步骤S1中不包括用预处理剂涂覆的步骤。
对比实施例2
与实施例1不同的是旋转电极材料的镍基合金中不包含氧化钕和氧化铼。
对照例
对照例是申请号为CN201710280455.7的中国发明的实施例一。
应用例：
某火力发电厂1单元汽轮机为31-25-2型，额定功率为25MW，在大修过程中发现汽轮机大轴轴颈部位有多处凹槽及磨损，最深处有1.2mm，最宽处有23mm，采用本发明实施例1修复后，表面光洁度和尺寸都非常好，基本上能保持转子的原精度不变，证明本发明的修复效果较好。
试验例1：
试验方法：取七块同样尺寸的28CrMoNiV钢制成的钢板，对其表面进行同样的破坏处理产生损伤部位，分别用实施例1-4、对比例1-2和对照例对钢板进行修复，修复完后测定修复部位与其他部位的表面粗糙度，计算出表面粗糙度比，表面粗糙度比＝修复部位表面粗糙度/其他部位表面粗糙度，表面粗糙度比越低表明修复结果越好。测试结果如表1所示：
Figure BDA0002327831920000051
Figure BDA0002327831920000061
表1
表1显示出，实施例1-4的表面粗糙度比均明显低于对照例，表明修复效果很好，其中实施例1的修复效果最好。对比实施例1-2的部分步骤与实施例1不同，对比实施例2的表面粗糙度比有明显升高，说明旋转电极材料的镍基合金中的氧化钕和氧化铼能有效提高修复后形成的合金化表面涂覆层的表面光洁度。
试验例2：
试验方法：将经过试验例1试验后的实施例1-4、对比实施例1-2以及对照例各个钢板的修复部位截取一部分，使用磨损试验机进行摩擦磨损试验测出磨损率，磨损率＝(试验前质量-试验后质量)/试验前质量×100％，磨损率越低表明修复后形成的合金化表面涂覆层耐磨性能越好。摩擦磨损试验条件：对磨材料为80#刚玉砂布，摩擦载荷为100N，转速为100rpm，摩擦时间为1小时。测试结果如表2所示：
磨损率(％)
实施例1 0.086
实施例2 0.090
实施例3 0.091
实施例4 0.089
对比实施例1 0.086
对比实施例2 0.128
对照例 0.144
表2
表2显示出，实施例1-4的磨损率均明显低于对照例，表明经过本发明修复后形成的合金化表面涂覆层的耐磨性能较好，其中实施例1的耐磨性能最好。对比实施例1-2的部分步骤与实施例1不同，对比实施例2的磨损率有明显升高，说明旋转电极材料的镍基合金中的氧化钕和氧化铼能有效提高修复后形成的合金化表面涂覆层的耐磨性能。
试验例3：
试验方法：将经过试验例1试验后的实施例1-4、对比实施例1-2以及对照例各个钢板的修复部位截取一部分，参考GB/T 229-2007测定出冲击功，冲击功越大表明修复后形成的合金化表面涂覆层的耐冲击性能越好。测试结果如表3所示：
冲击功(J)
实施例1 38.5
实施例2 38.0
实施例3 38.1
实施例4 38.2
对比实施例1 36.3
对比实施例2 32.6
对照例 28.4
表3
表3显示出，实施例1-4的冲击功均明显大于对照例，表明经过本发明修复后形成的合金化表面涂覆层的耐冲击性能较好，其中实施例1的耐冲击性能最好。对比实施例1-2的部分步骤与实施例1不同，对比实施例2的冲击功有明显降低，说明旋转电极材料的镍基合金中的氧化钕和氧化铼能有效提高修复后形成的合金化表面涂覆层的耐冲击性能；对比实施例1的冲击功有小幅降低，说明预处理剂对修复后形成的合金化表面涂覆层的耐冲击性能也能起到一定的提高效果。
试验例4：
试验方法：将经过试验例1试验后的实施例1-4、对比实施例1-2以及对照例各个钢板的修复部位截取一部分，参考GB/T 4334-2008进行腐蚀试验，腐蚀溶液由1000mL50％质量浓度的硫酸溶液和50g硫酸铁混合而成，试验时间为120小时，试验结束后进行敏化处理，测定出腐蚀速率，腐蚀速率越低表明修复后形成的合金化表面涂覆层的耐腐蚀性能越好。测试结果如表4所示：
Figure BDA0002327831920000071
Figure BDA0002327831920000081
表4
表4显示出，实施例1-4的腐蚀速率均明显低于对照例，表明经过本发明修复后形成的合金化表面涂覆层的耐腐蚀性能较好，其中实施例1的耐腐蚀性能最好。对比实施例1-2的部分步骤与实施例1不同，对比实施例2的腐蚀速率有明显升高，说明旋转电极材料的镍基合金中的氧化钕和氧化铼能有效提高修复后形成的合金化表面涂覆层的耐腐蚀性能；对比实施例1的腐蚀速率有小幅升高，说明预处理剂对修复后形成的合金化表面涂覆层的耐腐蚀性能也能起到一定的提高效果。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种金属工件表面修复方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.将预处理剂涂敷于金属工件表面损伤部位，30分钟后进行喷砂处理，用丙酮清洗去除金属工件表面损失部位的污渍和杂质，用热风机烘干；
S2.在氩气氛围下，将旋转电极置于金属工件表面损失部位附近，以旋转电极为正极，以金属工件为负极，在旋转电极和金属工件表面产生高能量脉冲放电，使得旋转电极的部分电极金属与金属工件表面损失部位形成冶金结合，得到合金化表面涂覆层。
2.根据权利要求1所述的一种金属工件表面修复方法，其特征在于：所述步骤S1中，预处理剂的制备步骤为：将甜菜碱盐酸盐、三氯甲磺酰氯、尿素90℃下真空烘干，按照1:0.1:2.5的摩尔比加入反应瓶中，置于90℃恒温油浴锅中搅拌3小时，转入真空干燥箱中90℃下干燥24小时得到预处理剂。
3.根据权利要求2所述的一种金属工件表面修复方法，其特征在于：所述步骤S2中，高能量脉冲放电的电流密度为105-106A/cm2。
4.根据权利要求3所述的一种金属工件表面修复方法，其特征在于：所述步骤S2中，旋转电极的部分电极金属与金属工件表面损失部位形成冶金结合时的温度为5000-10000℃。
5.根据权利要求4所述的一种金属工件表面修复方法，其特征在于：所述步骤S2中，旋转电极的转速为500-800rpm。
6.根据权利要求5所述的一种金属工件表面修复方法，其特征在于：所述步骤S2中，旋转电极由镍基合金制成，所述镍基合金的重量百分比组分为：铬10％，钨5％，硅1％，铝2％，钛2％，氧化钕0.2％，氧化铼0.3％，其余为镍，各组分的重量百分比为100％。
7.根据权利要求6所述的一种金属工件表面修复方法，其特征在于：所述镍基合金的制备步骤为：将各组分混合均匀后真空烘干得到混合粉，将混合粉200Mpa压力下等静压成型得到压坯，将压坯置于真空炉中2000℃下烧结6h得到镍基合金。
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