CN112548250A

CN112548250A - 一种金属表面修复材料及修复方法

Info

Publication number: CN112548250A
Application number: CN202011361428.0A
Authority: CN
Inventors: 许祥平; 刘驰; 王锡玲; 杜文朝; 夏春智; 邹家生
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2021-03-26

Abstract

本发明公开了一种金属表面修复材料及修复方法，该材料包括32～48％的Ni包碳化钨颗粒、铜磷合金粉末42～54％、待修复母材金属同成分金属粉末5～15％、余量为粘接剂，Ni包碳化钨颗粒中Ni含量为10～20％；铜磷合金粉末为Cu‑10Ni‑5Sn‑3Ag‑nP，n＝6.5～9.5％；修复方法包括以下步骤：(1)轧制修复涂层布；(2)对待修复的金属表面预处理，裁剪修复涂层布；(3)将修复涂层布置于待修复表面上；(4)将金属倾斜，使修复涂层布与金属表面具有钎缝间隙，施焊，在被焊金属表面形成覆层。该材料及修复方法能够在不拆解设备的情况下进行设备表面修复，有利于大型设备的表面修复，提高了工作效率，修复时不使用钎剂，粘接剂不会滞留或影响钎焊连接性能，提高焊接质量，材料均匀性好，能够有效修复金属表面。

Description

一种金属表面修复材料及修复方法

技术领域

本发明涉及一种表面修复材料及修复方法，更具体地，涉及一种金属表面修复材料及修复方法。

背景技术

在工业化进程中，铜及铜合金广泛应用于电气工业、电子工业、能源及石化工业、交通工业、机械和冶金工业、轻工业、建筑与艺术行业等，因此对铜材料的抗腐蚀与抗磨损要求日益提高，尤其在高温、高压、高速、核辐射等极其苛刻的工作环境下，许多机械装备的部件都有要求具有耐磨、抗蚀和耐高温性能，目前铜表面处理主要有热喷涂、冷喷涂、电火花沉积、激光熔覆、热化学反应法等表面改性方法，但是这些方法都存在一定的不足之处，例如，热喷涂处理所获得的涂层与基体结合强度不高，存在较多孔隙，工艺较难控制，而冷喷涂技术制备的涂层，涂层与基体为机械结合，结合强度较低，纯铜表面电火花沉积技术制备涂层的缺点是操作过程需手工完成，涂层质量难以保证，纯铜表面激光熔覆技术成本高，操作困难，需要特殊的防护，纯铜表面热化学反应法制备的涂层与基体结合强度不高，涂层不够致密。近年来，用钎焊方法通过真空熔覆制备耐磨复合涂层有了很大的发展，钎焊耐磨复合涂层能够利用钎料和一定粒度的硬质颗粒增强相借助钎焊方法在零部件表面制备出具有高耐磨性的复合材料涂层，通过调整成分配比和增强相耐磨硬质相类型、数量等得到耐磨、耐热、耐蚀等多功能表面，但是真空钎焊包覆涂层需要在真空设备中进行，需要将设备拆解进行操作，操作环境要求较高，应用场景具有局限性、返工维修成本高昂；而火焰钎焊是能够在大气条件下实现结构件的现场钎焊方法，操作简单、效率高，火焰钎焊工作中需要添加钎剂来溶解金属表面的氧化层以及钎料表面的氧化膜，同时提高融化钎料的流动性，但钎剂会在钎焊加工后留下杂质，腐蚀结构件表面，影响焊接质量。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种不必使用钎剂、能够直接在大气环境下进行钎焊的金属表面修复材料，本发明的另一目的是提供金属表面修复方法。

技术方案：本发明所述的金属表面修复材料，包括32～48％的Ni包碳化钨颗粒、铜磷合金粉末42～54％、待修复母材金属同成分金属粉末5～15％、余量为粘接剂，Ni包碳化钨颗粒尺寸为5～15μm，Ni包碳化钨颗粒中Ni含量为10～20％；铜磷合金粉末为Cu-10Ni-5Sn-3Ag-nP，n＝6.5～9.5％，颗粒粒径为25～35μm，待修复母材金属同成分金属粉末尺寸为30～45μm。

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。

利用本发明所述的修复材料修复金属表面的方法包括以下步骤：

(1)将金属表面修复材料轧制为修复涂层布；

(2)对待修复的金属表面进行清洗、打磨、纯丙酮擦拭，根据金属表面待修补形状裁剪修复涂层布；

(3)将裁剪好的修复涂层布置于清洗后的待修复表面上，使修复涂层布紧贴于金属材料表面；

(4)将金属倾斜至与水平面夹角为80～85°，使修复涂层布与金属表面具有钎缝间隙，利用焊枪将修复材料预热，再利用火焰焊枪对修复涂层布均匀施焊，施焊温度为640℃～815℃，均匀加热5～15min，后空冷至室温，使修复涂层布在被焊金属表面形成覆层。

其中，步骤2中打磨待修复的金属表面时使用150～400目的砂纸进行打磨，待修复的金属为纯铜、低锌黄铜或脱氧铜，步骤4中利用焊枪外焰中心2～3mm对修复涂层布进行预热，预热温度为200～250℃，预热后保温5～10min，修复涂层布与待修复表面间隙单边为0.05～0.15mm。

工作原理：一般来说，金属氧化层熔点远远高出金属本身，而钎料本身也具有氧化膜，因此一般在钎焊时利用钎剂来促进氧化层的熔化，或在真空条件下焊接，本发明提出的修复材料含有6.5～9.5％磷，磷能够在空气中与氧化铜相互反应，从而去除待焊金属表面的氧化铜，并且增加了修复材料的流淌性，使得修复材料的铺展性能良好；Ni包覆碳化钨作为硬质相颗粒在熔化过程中与铜磷钎料颗粒重新排列，在凝固冷却后界面结合能够达到提高铜及铜合金表面的耐磨性的要求。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、能够在不拆解设备的情况下进行设备表面修复，有利于大型设备的表面修复，提高了工作效率；2、修复时不使用钎剂，金属表面无腐蚀，提高焊接质量，降低成本；3、金属材料表面受热均匀，减少了覆层材料的应力集中，粘接剂不会滞留或影响钎焊连接性能；4、修复材料拥有良好的均匀性，有效修复金属表面。

具体实施方式

实施例1

待修复纯铜试样：两块尺寸为40mm×40mm×3mm纯铜试样，纯铜为T2。

修复材料成分及质量百分比配比为：包括32％的Ni包碳化钨WC-20％Ni颗粒、铜磷合金粉末54％、待修复母材金属同成分纯铜金属粉末10％、粘接剂4％。Ni包碳化钨粉颗粒尺寸为5～15μm；铜磷合金粉末为Cu-10Ni-5Sn-3Ag-9.5％P，颗粒尺寸为25～35μm，待修复母材金属同成分金属粉末尺寸为30～45μm，粘接剂包括2份有机硅树脂粘接剂和4份环氧树脂粘接剂，有机硅树脂粘接剂采用聚四氟乙烯，环氧树脂粘接剂包含主剂和固化剂包含5份主剂和1份固化剂，主剂由以下重量百分比的组分组成：73％双酚A型环氧树脂、13％异氰酸酯、14％聚酯树脂；固化剂由以下重量百分比的组分组成：13％对羟基苯乙酮、30％二聚环戊二烯、33％羧酸树脂、24％聚酰胺树脂。

修复时，先配置好修复材料，搅拌均匀，根据修复表面的技术要求，确定轧制出的修复涂层布厚度，在工业级轧机上进行轧制合适的修复涂层布，对待修复的金属表面进行清洗，去除表面杂质以及油污，对金属表面用150～400目的砂纸依次轻微打磨，然后用纯丙酮擦拭，将修复涂层布裁剪为20mm×20mm大小；将剪裁好的修复涂层布置于清洗后的待修复表面上，使修复涂层布紧贴于金属材料表面，将金属倾斜至与水平面夹角为85°，使修复涂层布与金属表面具有钎缝间隙，单边间隙为0.1mm，利用焊枪外焰中心2～3mm对修复材料进行预热，预热温度为200℃，去除修复材料中的气孔，预热后保温10min，再利用外焰中心处对修复材料均匀施焊，使得温度保持700℃，均匀加热5min，后空冷至室温，使修复材料在被焊金属表面形成覆层。钎焊获得纯铜金属的表面覆层形成良好，金相观察发现钎焊连接区形成致密的界面结合，对钎焊覆层材料表面进行多点测试并计算平均值，其表面平均硬度为HRC35，涂层结合强度168Mpa。

实施例2

待修复黄铜试样：两块尺寸为40mm×40mm×3mm黄铜试样。

修复材料成分及质量百分比配比为：包括48％的Ni包碳化钨WC-10％Ni颗粒、铜磷合金粉末42％、待修复母材金属同成分黄铜粉末5％、粘接剂5％。Ni包碳化钨粉颗粒尺寸为5～15μm；铜磷合金粉末为Cu-10Ni-5Sn-3Ag-8.5％P，颗粒尺寸为25～35μm，待修复母材金属同成分金属粉末尺寸为30～45μm，粘接剂包括2份有机硅树脂粘接剂和5份环氧树脂粘接剂，有机硅树脂粘接剂采用聚四氟乙烯，环氧树脂粘接剂包含主剂和固化剂包含5份主剂和1份固化剂，主剂由以下重量百分比的组分组成：54％双酚A型环氧树脂、28％异氰酸酯、18％聚酯树脂；固化剂由以下重量百分比的组分组成：29％对羟基苯乙酮、20％二聚环戊二烯、28％羧酸树脂、23％聚酰胺树脂。

修复时，先配置好修复材料，搅拌均匀，根据修复表面的技术要求，确定轧制出的修复涂层布厚度，在工业级轧机上进行轧制合适的修复涂层布，对待修复的金属表面进行清洗，去除表面杂质以及油污，对金属表面用150～400目的砂纸依次轻微打磨，然后用纯丙酮擦拭，将修复涂层布裁剪为20mm×20mm大小；将剪裁好的修复涂层布置于清洗后的待修复表面上，使修复涂层布紧贴于金属材料表面，将金属倾斜至与水平面夹角为80°，使修复涂层布与金属表面具有钎缝间隙，单边间隙为0.05mm，利用焊枪外焰中心2～3mm对修复材料进行预热，预热温度为250℃，去除修复材料中的气孔，预热后保温5min，再利用外焰中心处对修复材料均匀施焊，使得温度保持750℃，均匀加热5min，后空冷至室温，使修复材料在被焊金属表面形成覆层。钎焊获得纯铜金属的表面覆层形成良好，金相观察发现钎焊连接区形成致密的界面结合，对钎焊覆层材料表面进行多点测试并计算平均值，其表面平均硬度为HRC45，涂层结合强度159MPa。

实施例3

待修复锡青铜试样：两块尺寸为40mm×40mm×3mm锡青铜试样。

修复材料成分及质量百分比配比为：5％的Ni包碳化钨WC-20％Ni颗粒、铜磷合金粉末45％、待修复母材金属同成分金属粉末15％、余量为粘接剂，Ni包碳化钨粉颗粒尺寸为5～15μm；铜磷合金粉末为Cu-10Ni-5Sn-3Ag-6.5％P，颗粒尺寸为25～35μm，待修复母材金属同成分金属粉末尺寸为30～45μm，粘接剂包括2份有机硅树脂粘接剂和5份环氧树脂粘接剂，有机硅树脂粘接剂采用聚四氟乙烯，环氧树脂粘接剂包含主剂和固化剂包含5份主剂和2份固化剂，主剂由以下重量百分比的组分组成：65％双酚A型环氧树脂、17％异氰酸酯、18％聚酯树脂；固化剂由以下重量百分比的组分组成：29％对羟基苯乙酮、30％二聚环戊二烯、18％羧酸树脂、23％聚酰胺树脂。

修复时，先配置好修复材料，搅拌均匀，根据修复表面的技术要求，确定轧制出的修复涂层布厚度，在工业级轧机上进行轧制合适的修复涂层布，对待修复的金属表面进行清洗，去除表面杂质以及油污，对金属表面用150～400目的砂纸依次轻微打磨，然后用纯丙酮擦拭，将修复涂层布裁剪为20mm×20mm大小；将剪裁好的修复涂层布置于清洗后的待修复表面上，使修复涂层布紧贴于金属材料表面，将金属倾斜至与水平面夹角为80°，使修复涂层布与金属表面具有钎缝间隙，单边间隙为0.15mm，利用焊枪外焰中心2～3mm对修复材料进行预热，预热温度为250℃，去除修复材料中的气孔，预热后保温10min，再利用外焰中心处对修复材料均匀施焊，使得温度保持750℃，均匀加热5min，后空冷至室温，使修复材料在被焊金属表面形成覆层。钎焊获得纯铜金属的表面覆层形成良好，金相观察发现钎焊连接区形成致密的界面结合，对钎焊覆层材料表面进行多点测试并计算平均值，其表面平均硬度为HRC36，涂层结合强度159MPa。

Claims

1.一种金属表面修复材料，其特征在于，包括32～48％的Ni包碳化钨颗粒、铜磷合金粉末42～54％、待修复母材金属同成分金属粉末5～15％、余量为粘接剂，所述Ni包碳化钨颗粒尺寸为5～15μm，Ni包碳化钨颗粒中Ni含量为10～20％；所述铜磷合金粉末为Cu-10Ni-5Sn-3Ag-nP，n＝6.5～9.5％，颗粒粒径为25～35μm，所述待修复母材金属同成分金属粉末尺寸为30～45μm。

2.根据权利要求1所述的金属表面修复材料，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所述的金属表面修复材料，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。

4.一种利用权利要求1～3任一权利要求所述的材料修复金属表面的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将金属表面修复材料轧制为修复涂层布；

5.根据权利要求4所述的修复金属表面的方法，其特征在于，所述步骤2中打磨待修复的金属表面时使用150～400目的砂纸进行打磨。

6.根据权利要求4所述的修复金属表面的方法，其特征在于，所述步骤2中待修复的金属为纯铜、低锌黄铜或脱氧铜。

7.根据权利要求4所述的修复金属表面的方法，其特征在于，所述步骤4中利用焊枪外焰中心2～3mm对修复涂层布进行预热，预热温度为200～250℃，预热后保温5～10min。

8.根据权利要求4所述的修复金属表面的方法，其特征在于，所述步骤4中修复涂层布与待修复表面间隙单边为0.05～0.15mm。