CN112139510A - 一种等离子堆焊用近球形金属粉末的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子堆焊用近球形金属粉末及其制备方法,该种金属粉末的成分包括:C:3.0‑5.0%;Si:3.0‑4.0%;Cr:27.0‑29.0%;Ni:5.0‑6.0%;Mo:3.0‑4.0%;B:1.5‑2.5%,且该金属粉末的松装密度:3.5‑4.0g/cm3;流动性:≤22s/50g;粒度:范围53‑180微米,其中,+150微米≤5%,‑45微米:≤1%,本发明通过独特成分组合,采用液压倾倒坩埚熔炼系统熔炼原料并进行高压氮气雾化冷却,使金属液滴具备足够的球化时间及凝固时间,从而获得优异的近球形金属粉末,提高了等离子堆焊层耐磨性以及抗腐蚀性能,可满足车轮轨道和齿轮等使用要求。

Description

一种等离子堆焊用近球形金属粉末的制备方法
技术领域
本发明属于金属粉末技术领域,具体涉及一种等离子堆焊用近球形金属粉末的制备方法。
背景技术
等离子堆焊是以等离子弧作为热源,利用等离子弧产生的高温将金属粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、凝固,等离子束离开后自激冷却,形成一层高性能的合金层,从而实现零件表面的强化与硬化的堆焊工艺。等离子弧具有电弧温度高、传热率大、稳定性好、熔深可控性强等特点,通过调节相关的堆焊参数,可对堆焊层的厚度、宽度、硬度在一定范围内自由调整。
等离子粉末堆焊后基体材料和堆焊材料之间形成融合界面,堆焊层组织致密,使用等离子粉末堆焊具有较高的生产率,美观的成型,同时在堆焊过程易于实现机械化及自动化。利用合金原料的设计,可适应堆焊难熔材料,同时可提高工件的综合性能。
发明专利CN103276339A公开一种用于热喷涂的镍基钨稀土合金粉末及其制备方法,其组成为镍:59.9-48.5%;钨:40.0-50.0%;稀土金属镱:0.1-1.5%,用中频感应炉对原材料进行熔化,并通过氮气雾化系统提高颗粒球形度,生产的粉末颗粒均匀细化,适合于热喷涂工艺。但是,该种合金粉末镍含量较高,尺寸易收缩,不适用于车轮轨道、齿轮等耐压固定件的制备。
发明内容
为解决现有技术存在的问题,对现有工艺进行进一步优化,本发明提供一种等离子堆焊用近球形金属粉末的制备方法,以实现提高等离子堆焊层的硬度、耐磨性以及抗腐蚀性能,满足车轮轨道和齿轮等使用要求的发明目的。
为解决以上技术问题,本发明采用以下技术方案:
一种等离子堆焊用近球形金属粉末,其特征在于,所述金属粉末,成分包括:C:3.0-5.0%;Si:3.0-4.0%;Cr:27.0-29.0%;Ni:5.0-6.0%;Mo:3.0-4.0%;B:1.5-2.5%;
所述金属粉末的松装密度:3.5-4.0g/cm3;流动性:≤22s/50g;粒度:范围53-180微米,其中,+150微米≤5%,-45微米:≤1%;
所述等离子堆焊用近球形金属粉末的制备方法,包括备料、熔炼、中间包预热、雾化和收粉步骤;
所述备料,金属粉末的原材料组成,按重量分数计,包括:
纯铁45-50%、低碳铬铁10-15%、高碳铬铁35-40%、镍0.1-0.2%、锰0.2-0.5%、硅0.5-1.0%;
所述熔炼,中频炉升温速率在40-60℃/min,升温时间在25-35min,升至原材料熔化后,维持温度在1500-1550℃;
所述熔炼,包括加入脱氧剂,所述脱氧剂,包括金属钙、铁和钇粉,其质量比为钙:铁:钇=6-9:2-3:1;所述脱氧剂加入量是5-6%;
所述熔炼,还包括加入石灰和萤石,所述石灰和萤石的比例为3-4:1;石灰和萤石的加入总量占体系总量的1-2%;
所述中间包预热,所述中间包为层状结构,外层为石墨坩埚,内层为刚玉坩埚,升温速率为40-42°C/min,中间包温度达到1200℃,预热30-40分钟;
所述雾化,高速气流为氩气,气体压力为2-3MPa,喷出速率为660-800m/s,雾化过程气流与钢液的流量比为3-5:1;
所述雾化,控制雾化桶内氧含量0-5ppm;
所述雾化,在雾化桶内冷却降温,雾化桶内层分上下冷却段分别提供不同的冷却降温,上层冷却,冷却筒内吹出氮气冷风,温度10-20℃;下层冷却,采用冰盐浴持续蒸发冷却,温度-15~-18℃;
所述收粉,雾化结束1小时后,粉末冷却至室温后进行收粉,先用60目旋振筛粗筛分,再分别使用53μm和180μm的筛网进行细筛分,选取53-180微米粉末。
本发明为等离子堆焊用近球形金属粉末的制备方法,通过独特粉成分组合,采用高压氮气雾化方法,采用液压倾倒坩埚熔炼系统熔炼原料并雾化,每炉可粉末质量在180-200KG,中间包升温保温系统为独特层状结构,外层为石墨坩埚,内层为刚玉坩埚,保证钢液 在雾化阶段良好的流动性,雾化桶采用氮气冷却,雾化桶内层分上下冷却段分别提供不同的冷却降温,从而使金属液滴具备足够的球化时间及凝固时间,获得近球形合金粉末。
采用上述技术方案,本发明的有益效果为:
1、气雾化改变传统电炉水雾化电炉底部出钢液生产方式,采用液压倾倒坩埚熔炼系统,直接雾化产出成分合适的粉末,在保证每炉可产出粉末180-200KG生产量下,提高53-180微米粒度粉末的比重,从30-40%提高到40-50%,可以稳定批量的生产金属合金粉末;
2、采用本发明的制备方法,通过对粉末成分进行调整,使得粉末堆焊后HRC从38-45提高到45-52;
3、中间包升温保温系统为独特层状结构,外层为石墨坩埚,内层为刚玉坩埚,可以快速稳定升温,升温速率40-42°C/min,坩埚又具有良好的保温效果,可保证钢液在雾化阶段良好的流动性;
4、本制备方法的雾化桶采用氮气冷却,雾化桶内层分上下冷却段分别提供不同的冷却降温,最大程度的保证钢液滴到固体粉末成分的稳定性;制得粉末成分:C:3.0-5.0%;Si:3.0-4.0%;Cr:27.0-29.0%;Ni:5.0-6.0%;Mo:3.0-4.0%;B:1.5-2.5%;
松装密度:3.5-4.0g/cm3;流动性:≤22s/50g;
粒度:范围53-180微米,+150微米≤5%,-45微米:≤1%;
5、采用本发明的方法制备的金属粉末,提高了等离子堆焊层耐磨性以及抗腐蚀性能,可满足车轮轨道和齿轮等使用要求。
耐磨性指标,抗腐蚀性能指标
具体实施方式:
下面结合具体的实施例,进一步阐述本发明。
实施例1一种等离子堆焊用近球形金属粉末的制备方法
所述近球形金属粉末的制备方法,具体包括以下步骤:
1、备料
根据合金成分配料,称重各种原材料和辅料,准备完毕开始熔炼;
所述原材料及混合比例,按重量分数计,包括:
纯铁45%、低碳铬铁15%、高碳铬铁39%、镍0.2%、锰0.3%、硅0.5%;
2、熔炼
先在炉底铺石灰和萤石,再依次加入纯铁、低碳铬铁、高碳铬铁、镍板和锰,形成熔池;
所述石灰和萤石的加入总量占体系总量的1.5%;
所述石灰和萤石的比例为3.2:1;
中频炉升高温度,升温速率在40℃/min,升温时间在35min,升至原材料熔化后,维持温度在1500℃;
加入脱氧剂,并在脱氧后加入硅,溶清后停电2分钟,使钢液渣料充分上浮,化清后,钢液表面有一层覆盖层;
所述脱氧剂,包括金属钙、铁和钇粉,其质量比为钙:铁:钇=6:2:1;
所述脱氧剂加入量是6.0%;
电加热调整温度,取样成分分析合适后,桶体内充入氮气至气压与外界平衡,温度达到1650℃出钢;
所述钢液成分分析,测试结果为,C:3.5%;Si:3.0%;Cr:27.0%;Ni:5.5%;Mo:3.0%;B:1.5%;
3、中间包预热
装配中间包,装配好后以3MPa压力试压,后抽负压达到0.02MPa后,开始中间包预热,防止钢液进入中间包受冷凝固,堵住露眼,中间包温度达到1200℃,预热30分钟;
所述中间包为层状结构,外层为石墨坩埚,内层为刚玉坩埚,升温速率为40°C/min;
4、雾化
开启液压倾倒装置,钢液进入预热后的中间包中,气体压力为0.4MPa,让钢液顺着中间包、漏嘴,通过雾化喷嘴后,被高速气流破碎形成小液滴,在雾化桶内完成降温成型,此过程至中频炉钢液完全倾倒入中间包,中间包内钢液完全粉末化后完成;
所述雾化,控制雾化桶内氧含量1.5ppm;
所述雾化,高速气流为氩气,气体压力为2MPa,喷出速率为660m/s;
所述雾化,雾化过程气流与钢液的流量比为3:1;
所述降温,在雾化桶内冷却降温,雾化桶内层分上下冷却段分别提供不同的冷却降温,上层冷却,冷却筒内吹出氮气冷风,温度10-15℃;下层冷却,采用冰盐浴持续蒸发冷却,温度-15~-18℃;
5、收粉
雾化结束1小时后,粉末冷却至室温后进行收粉,粉末是先用60目旋振筛粗筛分,再分别使用53μm和180μm的筛网进行细筛分,选取53-180微米粉末;
松装密度:3.6g/cm3;流动性:21.0s/50g;
粒度:范围53-180微米 ,+150微米3.5%,-45微米1.0%。
实施例2一种等离子堆焊用近球形金属粉末的制备方法
所述近球形金属粉末的制备方法,具体包括以下步骤:
1、备料
根据合金成分配料,称重各种原材料和辅料,准备完毕开始熔炼;
所述原材料及混合比例,按重量分数计,包括:
纯铁50%、低碳铬铁13.4%、高碳铬铁35%、镍0.1%、锰0.5%、硅1.0%;
2、熔炼
先在炉底铺石灰和萤石,再依次加入纯铁、低碳铬铁、高碳铬铁、镍板和锰,形成熔池;
所述石灰和萤石的加入总量占体系总量的2.0%;
所述石灰和萤石的比例为3.8:1;
中频炉升高温度,升温速率在60℃/min,升温时间在25min,升至原材料熔化后,维持温度在1550℃;
加入脱氧剂,并在脱氧后加入硅,溶清后停电2分钟,使钢液渣料充分上浮,化清后,钢液表面有一层覆盖层;
所述脱氧剂,包括金属钙、铁和钇粉,其质量比为钙:铁:钇=9:3:1;
所述脱氧剂加入量是5.6%;
电加热调整温度,取样成分分析合适后,桶体内充入氮气至气压与外界平衡,温度达到1650℃出钢;
所述钢液成分分析,测试结果为,C:3.0%;Si:3.5%;Cr:27.2%;Ni:5.0%;Mo:3.5%;B:2.0%;
3、中间包预热
装配中间包,装配好后以3MPa压力试压,后抽负压达到0.035MPa后,开始中间包预热,防止钢液进入中间包受冷凝固,堵住露眼,中间包温度达到1200℃,预热30分钟;
所述中间包为层状结构,外层为石墨坩埚,内层为刚玉坩埚,升温速率为40°C/min;
4、雾化
开启液压倾倒装置,钢液进入预热后的中间包中,气体压力为0.4MPa,让钢液顺着中间包、漏嘴,通过雾化喷嘴后,被高速气流破碎形成小液滴,在雾化桶内完成降温成型,此过程至中频炉钢液完全倾倒入中间包,中间包内钢液完全粉末化后完成;
所述雾化,控制雾化桶内氧含量3ppm;
所述雾化,高速气流为氩气,气体压力为3MPa,喷出速率为800m/s;
所述雾化,雾化过程气流与钢液的流量比为5:1;
所述降温,在雾化桶内冷却降温,雾化桶内层分上下冷却段分别提供不同的冷却降温,上层冷却,冷却筒内吹出氮气冷风,温度10-15℃;下层冷却,采用冰盐浴持续蒸发冷却,温度-15~-18℃;
6、收粉
雾化结束1小时后,粉末冷却至室温后进行收粉,粉末是先用60目旋振筛粗筛分,再分别使用53μm和180μm的筛网进行细筛分,选取53-180微米粉末;
松装密度:4.0g/cm3;流动性:20.2s/50g;
粒度:范围53-180微米 ,+150微米4.0%,-45微米0.6%。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种等离子堆焊用近球形金属粉末,其特征在于,所述金属粉末,成分包括:C:3.0-5.0%;Si:3.0-4.0%;Cr:27.0-29.0%;Ni:5.0-6.0%;Mo:3.0-4.0%;B:1.5-2.5%。
2.根据权利要求1所述的金属粉末,其特征在于,所述金属粉末的松装密度:3.5-4.0g/cm3;流动性:≤22s/50g;粒度:范围53-180微米,其中,+150微米≤5%,-45微米:≤1%。
3.一种等离子堆焊用近球形金属粉末的制备方法,其特征在于,包括备料、熔炼、中间包预热和雾化步骤。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述熔炼,中频炉升温速率在40-60℃/min,升温时间在25-35min,升至原材料熔化后,维持温度在1500-1550℃。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述熔炼,包括加入脱氧剂,所述脱氧剂,包括金属钙、铁和钇粉,其质量比为钙:铁:钇=6-9:2-3:1;所述脱氧剂加入量是5-6%。
6.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述雾化,高速气流为氩气,气体压力为2-3MPa,喷出速率为660-800m/s,雾化过程气流与钢液的流量比为3-5:1。
7.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述中间包预热,所述中间包为层状结构,外层为石墨坩埚,内层为刚玉坩埚,升温速率为40-42°C/min,中间包温度达到1200℃,预热30-40分钟。
8.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述备料,金属粉末的原材料组成,按重量分数计,包括:
纯铁45-50%、低碳铬铁10-15%、高碳铬铁35-40%、镍0.1-0.2%、锰0.2-0.5%、硅0.5-1.0%。
9.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述雾化,控制雾化桶内氧含量0-5ppm。
10.根据权利要求9所述的制备方法,其特征在于,所述雾化,在雾化桶内冷却降温,雾化桶内层分上下冷却段分别提供不同的冷却降温,上层冷却,冷却筒内吹出氮气冷风,温度10-20℃;下层冷却,采用冰盐浴持续蒸发冷却,温度-15~-18℃。
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