CN112548249A - 一种膏状金属涂层材料及修复方法 - Google Patents

一种膏状金属涂层材料及修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种膏状金属涂层材料及修复方法，该材料包括质量分数为50％～60％的涂层材料、3％～5％粘结剂和35％～45％化学添加物，涂层材料包括质量分数为50％～70％的Ni包碳化物粉末、20％～45％的BNi‑7合金粉末、5％～10％的工业纯镍粉，化学添加物包括质量分数为62％～68％的乙二醇、12％～15％的丙酮、15％～18％的松香树脂、2％～6％的甘油；利用该材料的金属修复方法包括制备材料、将材料注射到金属制件表面、利用真空设备对其进行高温处理，即得到处理好的金属制件。该材料使用方便，使用时修复层的厚度、尺寸大小可以根据需求控制和调整，作业时能够适应各种不规则的金属制件的修复；材料粘性好、成分均匀，制备出的修复层硬度高，与母体结合强度高，成本低。

Description

一种膏状金属涂层材料及修复方法
技术领域
本发明涉及一种涂层材料及修复方法，更具体地，涉及一种膏状金属涂层材料及修复方法。
背景技术
金属管道作为一种气体或液体输送的主要工具，在地质勘探、航空航天、国防军事、核工业、石油、电力、生物工程开发等领域都有应用范围，在高温、高压、高速、辐射、腐蚀等极其苛刻的环境下，会影响其正常的使用寿命并带来相应的安全隐患，不仅会造成经济损失而且污染了环境，更严重的会造成人员的伤亡，因此管道内壁都有防磨损、抗腐蚀和耐高温的要求，目前主要使用的表面处理方法有：喷涂、堆焊、气相沉积、激光熔覆等，物理气相沉积法和化学气相沉积法只能取得很薄的涂层；等离子喷涂和火焰喷涂一般只能达到约1mm厚的堆焊层；表面堆焊用于较厚的堆焊层；激光熔覆涂层受管道直径和长度的影响，内壁一定的区域不可实现，而且激光熔覆涂层不耐冲击载荷；随着表面工程技术的发展，耐磨耐腐蚀性能有了较大的改善，但是由于空间位置以及硬质合金覆盖层加工处理困难，使得基体表面覆盖涂层厚度难以精确控制等问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够不受操作空间影响、使用方便的膏状金属涂层材料，本发明的另一目的是提供一种操作便利的金属制件修复方法。
技术方案：本发明所述的膏状金属涂层材料，包括质量分数为50％～60％的涂层材料、3％～5％粘结剂和35％～45％化学添加物，涂层材料包括质量分数为50％～70％的Ni包碳化物粉末、20％～45％的BNi-7合金粉末、5％～10％的工业纯镍粉，化学添加物包括质量分数为62％～68％的乙二醇、12％～15％的丙酮、15％～18％的松香树脂、2％～6％的甘油。
其中，粘接剂包括有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂，有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂重量之比为2：4～5，有机硅树脂粘接剂为聚四氟乙烯，环氧树脂粘接剂包含主剂和固化剂，主剂与固化剂重量之比为5：1～2，主剂由以下重量百分比的组分组成：54％～73％双酚A型环氧树脂、13％～28％异氰酸酯、14％～18％聚酯树脂，固化剂由以下重量百分比的组分组成：13％～29％对羟基苯乙酮、15％～30％二聚环戊二烯、18％～33％羧酸树脂、22％～28％聚酰胺树脂。
其中，Ni包碳化物粉末为WC-nNi或CoC-nNi，n＝10％～20％，Ni包碳化物粉末包括粒径为5～15μm的小颗粒粉末和粒径为30～45μm的大颗粒粉末，小颗粒粉末和大颗粒粉末质量比为5：1～2，工业纯镍粉末粒径为20～30μm；BNi-7合金粉尺寸为25～35μm。
利用本发明所述的膏状金属涂层材料修复金属制件的方法，包括以下步骤：
(1)称取涂层材料、粘结剂和化学添加物；
(2)将涂层材料和粘结剂装入自动搅拌设备器皿中搅拌均匀得到混合体；
(3)将混合体利用工业轧机上进行反复来回轧制，直到混合体成为一整块片状材料；
(4)将片状材料打碎，与化学添加物混合装入自动搅拌设备器皿，搅拌均匀后得到膏状金属涂层材料；
(5)对待处理金属制件表面进行预处理；
(6)将膏状金属涂层材料挤压注射到待处理金属制件表面；
(7)将待处理金属制件放置于真空设备内，在350～400℃保温20～30min，然后升温至550～600℃，保温30～60min；然后升温至820℃，保温15～20min，然后升温至940～990℃，保温30～60min；再以5～8℃/min的降温速率降温至600℃后，随炉冷却至室温。
其中，步骤1中粘结剂包括有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂，所述有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂重量之比为2：4～5，所述有机硅树脂粘接剂为聚四氟乙烯，所述环氧树脂粘接剂包含主剂和固化剂，所述主剂与固化剂重量之比为5：1～2，所述主剂由以下重量百分比的组分组成：54％～73％双酚A型环氧树脂、13％～28％异氰酸酯、14％～18％聚酯树脂，所述固化剂由以下重量百分比的组分组成：13％～29％对羟基苯乙酮、15％～30％二聚环戊二烯、18％～33％羧酸树脂、22％～28％聚酰胺树脂。
其中，步骤4中待处理金属制件为金属管件，步骤6中真空设备的真空度不低于1.5×10-3Pa，升温速率为10～15℃/min。
工作原理：本发明提出的膏状金属涂层材料中的镍包碳化物粉作为硬质相能够提高修复后的材料磨损性能和抗腐蚀性能，BNi-7合金粉熔点低于待修复金属制件、硬质相和纯镍粉，在高温下先熔化，起到连接镍包碳化物和镍粉的作用；纯镍粉硬度和高温性能介于硬质相和待修复金属制件之间，对性能起到梯度调节作用，粘结剂在膏状金属涂层材料中的作用是起到“骨架”作用，能使得涂层材料各组元均匀分布在“骨架”上，从而使得最终所制备出来的涂层性能均匀一致，化学添加剂包括乙二醇、丙酮、松香树脂、甘油，能够使得涂层材料各组元组成的“骨架”均匀分布在液态的化学添加物中，使得膏状修复材料有较好的流动性和粘性，使得常温下能够方便使用，粘性好，在常温和高温下，能够牢固地粘在待修复材料表面并有一定的结合力，化学添加物有一定的增稠性能，防止高温时液态的BNi-7合金粉上浮、镍包碳化物硬质相和纯镍粉下沉；并且在使用过程中，在高温下分解成气体，方便溢出，减少了缺陷的产生，保证了修复层的制备质量。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、使用方便，使用时修复层的厚度、尺寸大小可以根据需求控制和调整；2、能够适应各种不规则的金属制件的修复；3、粘性好、成分均匀，制备出的修复层硬度高，与母体结合强度高，成本低。
附图说明
图1是本发明使用过程示意图。
具体实施方式
实施例1
取金属管道，在其内壁制备耐磨耐腐蚀金属涂层，管道牌号为SCH80，管道长度890mm：
(1)按质量百分比称取原料：50％的涂层材料、5％粘结剂和45％化学添加物，其中：涂层材料包括重量百分比为50％的WC-10％Ni、10％工业纯镍粉，40％的BNi-7合金粉，其中：WC-10％Ni粉末尺寸包括质量比为5：1的10μm小颗粒粉末和40μm的大颗粒粉末，工业纯镍粉末尺寸为30μm；BNi-7合金粉尺寸为30μm；粘接剂包括有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂，有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂重量之比为2：4；有机硅树脂粘接剂采用聚四氟乙烯，氧树脂粘接剂包含主剂和固化剂，主剂与固化剂重量之比为5：1，主剂包括重量百分比为54％的双酚A型环氧树脂、28％异氰酸酯、18％聚酯树脂；固化剂包括重量百分比为29％的对羟基苯乙酮、15％二聚环戊二烯、28％羧酸树脂、28％聚酰胺树脂；化学添加物包括重量百分比为68％的乙二醇、12％丙酮、15％松香树脂、5％甘油；
(2)将涂层材料各组元装入自动搅拌设备器皿中，并加入粘结剂各组元，然后将器皿封闭，搅拌得到均匀的混合体；
(3)将涂层材料和粘结剂的混合体放在工业轧机上进行反复来回轧制，直到混合体成一整块片状材料；
(4)将片状材料装入自动搅拌设备器皿中，打碎并搅拌均匀，使得粘结剂各组元在轧机压力的反复作用下，形成网格骨架，进而使得涂层材料各组元均匀分布在网格骨架上，然后将打碎的片状材料和化学化学添加物混合装入自动搅拌设备器皿，充分搅拌均匀后得到膏状金属涂层材料；
(5)对金属管道内壁表面进行清理、除去表面的铁锈、油污和油漆；
(6)如图1所示，将膏状金属涂层材料利用注射器挤压注射到金属管道内壁表面，并涂抹均匀；
(7)将金属管道放置于真空度为1.5×10-3Pa的真空设备内的均温区工作台上，首先以15℃/min的升温速率升温至350℃，保温30min，使粘结剂和化学添加物部分分解，再以10℃/min的升温速率升温至550℃，保温60min，使得粘结剂和化学添加物进一步完全分解跑出涂层材料以外，再以10℃/min的升温速率升温至820℃，保温15min，使得真空设备内在高温下获得较高的真空度，再以10℃/min的升温速率升温至940℃，保温30min，此时为BNi-7合金熔化钎焊工作温度，再以5℃/min的降温速率降温至600℃后，随炉冷却至室温。
取出金属管件后，管道内壁制备出的涂层成型良好，金相观察发现钎焊涂层与金属界面形成良好的界面结合，对于钎焊涂层表面进行多点测试并计算平均值，其硬度为HRC51，结合强度为332.9Mpa。
实施例2
取金属管道，在其内壁制备耐磨耐腐蚀金属涂层，管道牌号为20#，管道长度1200mm：
(1)按质量百分比称取原料：60％的涂层材料、5％粘结剂和35％化学添加物，其中：涂层材料包括重量百分比为70％的WC-20％Ni、10％工业纯镍粉，20％的BNi-7合金粉，其中：WC-10％Ni粉末尺寸包括质量比为5：2的5μm小颗粒粉末和30μm的大颗粒粉末，工业纯镍粉末尺寸为20μm；BNi-7合金粉尺寸为35μm；粘接剂包括有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂，有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂重量之比为2：5；有机硅树脂粘接剂采用聚四氟乙烯，氧树脂粘接剂包含主剂和固化剂，主剂与固化剂重量之比为5：1，主剂包括重量百分比为73％的双酚A型环氧树脂、13％异氰酸酯、14％聚酯树脂；固化剂包括重量百分比为15％的对羟基苯乙酮、30％二聚环戊二烯、33％羧酸树脂、22％聚酰胺树脂；化学添加物包括重量百分比为62％的乙二醇、15％丙酮、17％松香树脂、6％甘油；
(2)将涂层材料各组元装入自动搅拌设备器皿中，并加入粘结剂各组元，然后将器皿封闭，搅拌得到均匀的混合体；
(3)将涂层材料和粘结剂的混合体放在工业轧机上进行反复来回轧制，直到混合体成一整块片状材料；
(4)将片状材料装入自动搅拌设备器皿中，打碎并搅拌均匀，使得粘结剂各组元在轧机压力的反复作用下，形成网格骨架，进而使得涂层材料各组元均匀分布在网格骨架上，然后将打碎的片状材料和化学化学添加物混合装入自动搅拌设备器皿，充分搅拌均匀后得到膏状金属涂层材料；
(5)对金属管道内壁表面进行清理、除去表面的铁锈、油污和油漆；
(6)如图1所示，将膏状金属涂层材料利用注射器挤压注射到金属管道内壁表面，并涂抹均匀；
(7)将金属管道放置于真空度为1.5×10-3Pa的真空设备内的均温区工作台上，首先以15℃/min的升温速率升温至400℃，保温20min，使粘结剂和化学添加物部分分解，再以10℃/min的升温速率升温至580℃，保温40min，使得粘结剂和化学添加物进一步完全分解跑出涂层材料以外，再以10℃/min的升温速率升温至820℃，保温15min，使得真空设备内在高温下获得较高的真空度，再以10℃/min的升温速率升温至990℃，保温60min，此时为BNi-7合金熔化钎焊工作温度，再以5℃/min的降温速率降温至600℃后，随炉冷却至室温。
取出金属管件后，管道内壁制备出的涂层成型良好，金相观察发现钎焊涂层与金属界面形成良好的界面结合，对于钎焊涂层表面进行多点测试并计算平均值，其硬度为HRC58，结合强度为320Mpa。
实施例3
取金属管道，在其内壁制备耐磨耐腐蚀金属涂层，管道牌号为SCH40，管道长度550mm：
(1)按质量百分比称取原料：55％的涂层材料、3％粘结剂和42％化学添加物，其中：涂层材料包括重量百分比为50％的WC-20％Ni、5％工业纯镍粉，45％的BNi-7合金粉，其中：WC-10％Ni粉末尺寸包括质量比为5：2的15μm小颗粒粉末和45μm的大颗粒粉末，工业纯镍粉末尺寸为20μm；BNi-7合金粉尺寸为25μm；粘接剂包括有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂，有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂重量之比为2：5；有机硅树脂粘接剂采用聚四氟乙烯，氧树脂粘接剂包含主剂和固化剂，主剂与固化剂重量之比为5：2，主剂包括重量百分比为73％的双酚A型环氧树脂、13％异氰酸酯、14％聚酯树脂；固化剂包括重量百分比为13％的对羟基苯乙酮、30％二聚环戊二烯、33％羧酸树脂、24％聚酰胺树脂；化学添加物包括重量百分比为65％的乙二醇、15％丙酮、18％松香树脂、2％甘油；
(2)将涂层材料各组元装入自动搅拌设备器皿中，并加入粘结剂各组元，然后将器皿封闭，搅拌得到均匀的混合体；
(3)将涂层材料和粘结剂的混合体放在工业轧机上进行反复来回轧制，直到混合体成一整块片状材料；
(4)将片状材料装入自动搅拌设备器皿中，打碎并搅拌均匀，使得粘结剂各组元在轧机压力的反复作用下，形成网格骨架，进而使得涂层材料各组元均匀分布在网格骨架上，然后将打碎的片状材料和化学化学添加物混合装入自动搅拌设备器皿，充分搅拌均匀后得到膏状金属涂层材料；
(5)对金属管道内壁表面进行清理、除去表面的铁锈、油污和油漆；
(6)如图1所示，将膏状金属涂层材料利用注射器挤压注射到金属管道内壁表面，并涂抹均匀；
(7)将金属管道放置于真空度为1.5×10-3Pa的真空设备内的均温区工作台上，首先以15℃/min的升温速率升温至350℃，保温30min，使粘结剂和化学添加物部分分解，再以10℃/min的升温速率升温至550℃，保温60min，使得粘结剂和化学添加物进一步完全分解跑出涂层材料以外，再以10℃/min的升温速率升温至820℃，保温15min，使得真空设备内在高温下获得较高的真空度，再以10℃/min的升温速率升温至960℃，保温45min，此时为BNi-7合金熔化钎焊工作温度，再以5℃/min的降温速率降温至600℃后，随炉冷却至室温。
取出金属管件后，管道内壁制备出的涂层成型良好，金相观察发现钎焊涂层与金属界面形成良好的界面结合，对于钎焊涂层表面进行多点测试并计算平均值，其硬度为HRC54，结合强度为336Mpa。
实施例4
本实施例与实施例1的区别是：将WC-10％Ni用CoC-10％Ni来代替，制备出的涂层硬度为HRC49，结合强度为370.5Mpa。
实施例5
本实施例与实施例2的区别是：将WC-20％Ni用CoC-20％Ni来代替，制备出的涂层硬度为HRC56，结合强度为315Mpa。

Claims (10)

1.一种膏状金属涂层材料，其特征在于，包括质量分数为50％～60％的涂层材料、3％～5％粘结剂和35％～45％化学添加物，所述涂层材料包括质量分数为50％～70％的Ni包碳化物粉末、20％～45％的BNi-7合金粉末、5％～10％的工业纯镍粉，所述化学添加物包括质量分数为62％～68％的乙二醇、12％～15％的丙酮、15％～18％的松香树脂、2％～6％的甘油。
2.根据权利要求1所述的膏状金属涂层材料，其特征在于，所述粘接剂包括有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂，所述有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂重量之比为2：4～5。
3.根据权利要求2所述的膏状金属涂层材料，其特征在于，所述有机硅树脂粘接剂为聚四氟乙烯，所述环氧树脂粘接剂包含主剂和固化剂，所述主剂与固化剂重量之比为5：1～2，所述主剂由以下重量百分比的组分组成：54％～73％双酚A型环氧树脂、13％～28％异氰酸酯、14％～18％聚酯树脂，所述固化剂由以下重量百分比的组分组成：13％～29％对羟基苯乙酮、15％～30％二聚环戊二烯、18％～33％羧酸树脂、22％～28％聚酰胺树脂。
4.根据权利要求1所述的膏状金属涂层材料，其特征在于，所述Ni包碳化物粉末为WC-nNi或CoC-nNi，n＝10％～20％。
5.根据权利要求1所述的膏状金属涂层材料，其特征在于，所述Ni包碳化物粉末包括粒径为5～15μm的小颗粒粉末和粒径为30～45μm的大颗粒粉末，所述小颗粒粉末和大颗粒粉末质量比为5：1～2。
6.根据权利要求1所述的膏状金属涂层材料，其特征在于，所述工业纯镍粉末粒径为20～30μm；BNi-7合金粉尺寸为25～35μm。
7.一种利用权利要求1所述的膏状金属涂层材料修复金属制件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称取涂层材料、粘结剂和化学添加物；
(2)将涂层材料和粘结剂装入自动搅拌设备器皿中搅拌均匀得到混合体；
(3)将混合体利用工业轧机上进行反复来回轧制，直到混合体成为一整块片状材料；
(4)将片状材料打碎，与化学添加物混合装入自动搅拌设备器皿，搅拌均匀后得到膏状金属涂层材料；
(5)对待处理金属制件表面进行预处理；
(6)将膏状金属涂层材料挤压注射到待处理金属制件表面；
(7)将待处理金属制件放置于真空设备内，在350～400℃保温20～30min，然后升温至550～600℃，保温30～60min；然后升温至820℃，保温15～20min，然后升温至940～990℃，保温30～60min；再以5～8℃/min的降温速率降温至600℃后，随炉冷却至室温。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤1中粘结剂包括有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂，所述有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂重量之比为2：4～5，所述有机硅树脂粘接剂为聚四氟乙烯，所述环氧树脂粘接剂包含主剂和固化剂，所述主剂与固化剂重量之比为5：1～2，所述主剂由以下重量百分比的组分组成：54％～73％双酚A型环氧树脂、13％～28％异氰酸酯、14％～18％聚酯树脂，所述固化剂由以下重量百分比的组分组成：13％～29％对羟基苯乙酮、15％～30％二聚环戊二烯、18％～33％羧酸树脂、22％～28％聚酰胺树脂。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤4中待处理金属制件为金属管件。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤6中真空设备的真空度不低于1.5×10-3Pa，升温速率为10～15℃/min。
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