CN111155084A - 一种等离子熔覆复合碳化钨涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子熔覆复合碳化钨涂层的方法，它是在预处理的工件表面，以等离子炬喷嘴两侧两个送粉孔的中心连线作为等离子束流的运动方向，熔覆时，两个送粉孔分别位于喷嘴前后端向工件表面的熔池中送粉，其中位于喷嘴前端的送粉孔送入镍基合金粉末，位于喷嘴后方的送粉孔送入碳化钨粉末，碳化钨粉末不经等离子束流的高温，直接注入镍基合金熔池中，冷却凝固形成复合碳化钨涂层。本发明工艺保证了碳化钨在涂层中的含量与颗粒完整性，最大限度地利用了碳化钨的耐磨性能，又不会改变镍基合金的冲击韧性，能够高效率地获得适用于矿山机械的高抗冲击高耐磨复合碳化钨厚涂层。

Description

一种等离子熔覆复合碳化钨涂层的方法

技术领域

本发明属于金属耐磨材料领域，尤其涉及矿山采掘粉碎运输等机械钢铁构件的表面耐磨厚涂层技术。

背景技术

目前应用于矿山采掘粉碎运输等机械钢铁构件的表面耐磨厚涂层技术，主要有药芯焊丝耐磨堆焊、送粉激光熔覆及送粉等离子熔覆。常用的耐磨厚涂层原材料有铁基高铬合金粉末和镍基碳化钨粉末，其中前者用于一般耐磨和抗冲击场合，后者用于高抗冲击高耐磨场合。从技术特征来看：

药芯焊丝耐磨堆焊是将合金粉末包裹在薄钢带中卷曲拉拔成管状焊丝，堆焊时管壁作为导体对工件表面放电，自由电弧的不稳定性导致了堆焊层的过烧、夹生及气孔裂纹等缺陷，尤其当粉末中包含碳化钨时，极易造成碳化钨的分解溶解氧化烧蚀，既降低了涂层应有的耐磨性能，又增加了涂层的脆性，因此目前除了少量采用镍基焊条粗颗粒烧结碳化钨堆焊外，主要用于高碳高铬合金堆焊。

送粉激光熔覆本质上是靠激光聚集斑点照射在粉末层表面熔化传热，进而熔化钢铁基体表面，形成冶金结合的熔覆涂层，其优点是功率密度可控，熔化均匀，特别适合于成分组织均一的薄涂层，而用于复合碳化钨厚涂层熔覆时，上表面的镍基合金粉末率先熔化形成熔池反光镜面，降低了光热转化效率，深度熔化时的过热又会造成碳化钨的分解烧蚀，恶化了涂层的性能。

送粉等离子熔覆是靠压缩电弧形成的等离子转移弧对钢铁基体直接放电，对涂层粉末是穿透性加热，热效率非常高，可瞬间形成与钢铁基体表面冶金结合的致密熔覆涂层，但是现有技术比如中国专利申请号201810725822.4公开的利用等离子熔覆制备耐磨耐腐蚀复合涂层的方法，在熔覆镍基碳化钨粉末时，一般都是两个斜向送粉孔分别等距离位于等离子炬喷嘴左右两侧，送粉孔的轴线与喷嘴轴线相交于被熔覆工件表面，熔覆时，镍基合金粉末和碳化钨粉末按比例混合后加入等离子炬上方的一个送粉器中，同时分别从左右送粉孔送入喷嘴下面等离子弧柱在工件表面形成的熔池中，使得碳化钨粉末历经了等离子束的高温，也存在碳化钨的烧蚀问题，影响涂层的耐磨性。

为了提高碳化钨涂层的耐磨性，中国专利申请号201911182206.X公开了一种高耐磨耐腐蚀等离子熔覆金属涂层及其制备方法，它是通过向镍基碳化钨粉末中添加微量氧化锆粉末，改善金属涂层中镍基粘结相对碳化钨颗粒的把持力，虽然部分提高了金属涂层的耐磨性，但是沿用目前通用的混合送粉方式所带来的碳化钨分解与烧蚀导致的对涂层性能损害，仍然占据主导地位。因此所有以改善涂层性能为目的而添加其他成分，在混合送粉等离子熔覆方式下，不仅成本升高，而且难以获得预期效果。

综合上述各技术特点分析，只要在不增加成本基础上解决了碳化钨的烧蚀问题，送粉等离子熔覆用于矿山采掘粉碎运输等机械钢铁构件表面高抗冲击高耐磨复合碳化钨厚涂层，是一项有发展前景的技术。

发明内容

本发明的目的是，既能利用送粉等离子熔覆厚涂层的技术优势，又要避免或减少碳化钨的烧蚀，在基本不增加成本的前提下，提出一种用于矿山采掘粉碎运输等机械钢铁构件表面高抗冲击高耐磨复合碳化钨厚涂层的等离子熔覆复合碳化钨涂层的方法。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种等离子熔覆复合碳化钨涂层的方法，其特征在于，它是在预处理的工件表面，以等离子炬喷嘴两侧两个送粉孔的中心连线作为等离子束流的运动方向，熔覆时，两个送粉孔分别位于喷嘴前后端向工件表面的熔池中送粉，其中位于喷嘴前端的送粉孔送入镍基合金粉末，位于喷嘴后方的送粉孔送入碳化钨粉末，碳化钨粉末不经等离子束流的高温，直接注入镍基合金熔池中，冷却凝固形成复合碳化钨涂层。

进一步，在等离子炬上方安装两个送粉器，其中一个送粉器向喷嘴前端的送粉孔送入镍基合金粉末，另一个送粉器向喷嘴后方的送粉孔送入碳化钨粉末。

本发明的积极效果是：

1、本发明不对原有等离子炬作任何改动，也不改变原有等离子熔覆电流气流及运行速度等主要工艺参数，实施时，仅将等离子炬上方的一个送粉器改为两个送粉器，且分别装入镍基合金粉末和碳化钨粉末，分别向等离子炬的前后两个送粉孔送入不同粉末，基本不增加成本。

2、本发明将现有的单送粉器同时送入镍基合金粉与碳化钨的混合粉改为双送粉器前后分别送入镍基合金粉及碳化钨粉，在保证镍基合金粉末充分熔化及与钢铁基体充分熔合的同时，避免了碳化钨粉末的烧蚀分解，保证了碳化钨在涂层中的含量与颗粒完整性，最大限度地利用了碳化钨的耐磨性能，又不会改变镍基合金的冲击韧性，能够高效率地获得适用于矿山机械的高抗冲击高耐磨复合碳化钨厚涂层。与以前同时送入相同配比的镍基合金碳化钨混合粉的等离子熔覆复合碳化钨涂层相比，金相组织中碳化钨颗粒数量明显增多，分布更为均匀。在National Research Council Camada加拿大国家测试中心做的同类涂层的磨粒磨损对比测试结果表明，在相同的测试条件和规范下，现有混合送粉方式制备的涂层磨损体积损失率为30.0mm³，本发明送粉方式制备的涂层磨损体积损失率为6.0mm³，磨损体积损失率比现有混合送粉方式制备的涂层降低了80％。在北美油田油砂破碎齿及澳大利亚露天铁矿电铲斗齿上应用本发明制备的抗冲击耐磨涂层，使用寿命比混合送粉方式制备的涂层提高了一倍以上。

长期以来，本领域技术人员在利用等离子炬熔覆涂层时，都是采取混合送粉的方式同时分别从左右送粉孔送入喷嘴下面，实施时，是以喷嘴两侧两个送粉孔的中心连线的垂直线作为等离子束流的运动方向，这样使得混合粉末中的碳化钨粉末历经了等离子束的高温产生烧蚀问题，在这一固定思维下，为了解决碳化钨粉末的烧蚀问题，技术人员总是尝试怎么改变混合粉末的成分来提高涂层的耐磨性。本发明人打破常规思维，不改变涂层粉末的成分和等离子炬的参数，只是将等离子束的运动方向在现有基础上转动90度，将现有的单送粉器改为双送粉器前后分别送入解决了碳化钨的烧蚀问题，用创造性思维发明出简单的技术方案解决了技术人员悬而未解决的技术难题，且取得了意想不到的技术效果，具备专利法第22条第3款规定的创造性。

具体实施方式

下面结合两个实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例一：

本发明实施例一是在油砂破碎齿上制备涂层，材质是高强度中碳调质合金结构钢。

第一步：在等离子炬上方安装两个数控送粉器，所述的等离子炬包括前后两个斜向送粉孔，两个数控送粉器分别为等离子炬的两个送粉孔送粉，为喷嘴前方送粉孔送粉的送粉器中装入粒度-80+200目的镍基合金粉末，为喷嘴后方送粉孔送粉的送粉器中装入粒度-80+200目的碳化钨粉末，调整两个送粉器的送粉量分别为镍基合金粉75-95g/min，碳化钨粉160-180g/min。

第二步：对油砂破碎齿表面进行喷砂处理。

第三步：在旋转夹头上装夹破碎齿，使得破碎齿的齿锥部位上表面母线呈水平状态。等离子炬处于齿锥上方，调整等离子炬喷嘴到齿锥上表面母线的距离为30-40mm，固定等离子距，破碎齿转速为10-20转/min。

第四步：开通并调整等离子工作气体氩气的流量为2.0-5.0l/min，在破碎齿旋转时引燃等离子弧，调整等离子电流为150-200A，开通两个送粉器送入粉末，开始沿圆周方向的熔覆过程。

第五步：逐圈熔覆完成后，关闭等离子电流、气流和送粉器，从旋转夹头上卸下破碎齿，从而在油砂破碎齿表面形成耐磨层，耐磨层厚度为3mm。

经装机实用，该方法制备的破碎齿涂层使用寿命比以往提高了1倍。

实施例二

实施例二是在电铲斗齿上制备涂层，材质是高强度中碳调质合金结构钢。

第一步：与实施例一中的第一步相同。

第二步：对电铲斗齿表面进行喷砂处理。

第三步：在数控变位机上装夹斗齿，保证熔覆过程中斗齿被熔覆部位始终处于最上表面位置。设定等离子炬与斗齿同步运行程序，使得处于上方的等离子炬喷嘴到斗齿被熔覆部位的距离始终在30-40mm范围内，斗齿被熔覆部位与等离子距的相对运动速度为100-200mm/min。

第四步：开通并调整等离子工作气体氩气的流量为2.0-5.0l/min，在斗齿运行时引燃等离子弧，调整等离子电流为150-200A，开通两个送粉器送入粉末，开始按照程序设定过程进行熔覆。

第五步：熔覆完成后，关闭等离子电流、气流和送粉器，从数控变位机上卸下斗齿。从而在电铲斗齿表面形成耐磨层，耐磨层厚度为3mm。

经装机实用，该方法制备的电铲斗齿涂层使用寿命比以往提高了1.5倍。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (4)

1.一种等离子熔覆复合碳化钨涂层的方法，其特征在于，它是在预处理的工件表面，以等离子炬喷嘴两侧两个送粉孔的中心连线作为等离子束流的运动方向，熔覆时，两个送粉孔分别位于喷嘴前后端向工件表面的熔池中送粉，其中位于喷嘴前端的送粉孔送入镍基合金粉末，位于喷嘴后方的送粉孔送入碳化钨粉末，碳化钨粉末不经等离子束流的高温，直接注入镍基合金熔池中，冷却凝固形成复合碳化钨涂层。

2.如权利要求1所述的等离子熔覆复合碳化钨涂层的方法，其特征在于，在所述的等离子炬上方安装两个送粉器，其中一个送粉器向喷嘴前端的送粉孔送入镍基合金粉末，另一个送粉器向喷嘴后方的送粉孔送入碳化钨粉末。

3.如权利要求1或2所述的等离子熔覆复合碳化钨涂层的方法，其特征在于，详细步骤为：

第一步：在等离子炬上方安装两个数控送粉器，所述的等离子炬包括前后两个斜向送粉孔，两个数控送粉器分别为等离子炬的两个送粉孔送粉，为喷嘴前方送粉孔送粉的送粉器中装入粒度-80+200目的镍基合金粉末，为喷嘴后方送粉孔送粉的送粉器中装入粒度-80+200目的碳化钨粉末，调整两个送粉器的送粉量分别为镍基合金粉75-95g/min，碳化钨粉160-180g/min；

第二步：对油砂破碎齿表面进行喷砂处理；

第三步：在旋转夹头上装夹破碎齿，使得破碎齿的齿锥部位上表面母线呈水平状态。等离子炬处于齿锥上方，调整等离子炬喷嘴到齿锥上表面母线的距离为30-40mm，固定等离子距，破碎齿转速为10-20转/min；

第四步：开通并调整等离子工作气体氩气的流量为2.0-5.0l/min，在破碎齿旋转时引燃等离子弧，调整等离子电流为150-200A，开通两个送粉器送入粉末，开始沿圆周方向的熔覆过程；

第五步：逐圈熔覆完成后，关闭等离子电流、气流和送粉器，从旋转夹头上卸下破碎齿，从而在油砂破碎齿表面形成耐磨层，耐磨层厚度为3mm。

4.如权利要求1或2所述的等离子熔覆复合碳化钨涂层的方法，其特征在于，详细步骤为：

第一步：在等离子炬上方安装两个数控送粉器，所述的等离子炬包括前后两个斜向送粉孔，两个数控送粉器分别为等离子炬的两个送粉孔送粉，为喷嘴前方送粉孔送粉的送粉器中装入粒度-80+200目的镍基合金粉末，为喷嘴后方送粉孔送粉的送粉器中装入粒度-80+200目的碳化钨粉末，调整两个送粉器的送粉量分别为镍基合金粉75-95g/min，碳化钨粉160-180g/min；

第二步：对电铲斗齿表面进行喷砂处理；

第三步：在数控变位机上装夹斗齿，保证熔覆过程中斗齿被熔覆部位始终处于最上表面位置。设定等离子炬与斗齿同步运行程序，使得处于上方的等离子炬喷嘴到斗齿被熔覆部位的距离始终在30-40mm范围内，斗齿被熔覆部位与等离子距的相对运动速度为100-200mm/min；

第四步：开通并调整等离子工作气体氩气的流量为2.0-5.0l/min，在斗齿运行时引燃等离子弧，调整等离子电流为150-200A，开通两个送粉器送入粉末，开始按照程序设定过程进行熔覆；

第五步：熔覆完成后，关闭等离子电流、气流和送粉器，从数控变位机上卸下斗齿。从而在电铲斗齿表面形成耐磨层，耐磨层厚度为3mm。