CN113046744B - 一种紫铜管表面等离子熔覆wc强化镍基合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紫铜管表面等离子熔覆WC强化镍基合金的方法，包括步骤：将紫铜管进行预处理后套设在旋转杆上，旋转杆与旋转底座相连，可带动紫铜管绕其轴线转动；焊枪垂直于紫铜管的轴线设置，并可平行于轴线来回摆动；将Ni60A和WC通过气雾化法制备成包裹型球形粉末作为堆焊材料；对紫铜管进行预热；旋转紫铜管，同时采用等离子粉末堆焊设备对紫铜管表面进行堆焊；对紫铜管的表面堆焊完毕后，保温后空冷至室温。

Description

一种紫铜管表面等离子熔覆WC强化镍基合金的方法
技术领域
本发明涉及一种紫铜管表面熔覆WC强化镍基合金复合涂层工艺，属表面强化工艺技术领域。
背景技术
铜是人类利用最早的金属之一，现如今，铜及其合金应用在诸多行业，如电气、轻工、建筑工业、机械制造及国防工业等。因为铜及铜合金具有良好的导热性和耐蚀性，被广泛的应用于供热供冷管道，结晶器和贯流式高炉风口小套。但是由于铜及铜合金质地较软，硬度较低，其耐磨性较差，导致使用寿命变短。如果在使用过程中失效，对生活和生产带来不利影响，如管道破裂、高炉停产、连铸质量差等，对国民经济带来巨大损失。故有必要提高铜表面硬度和耐磨性。
近年来，人们广泛采用电镀，热喷涂，共渗等方法提高紫铜表面耐磨性能，但由于制备出来的涂层与基体的结合是机械结合，在使用过程中容易失效，应用受到了限制。因此在涂层与基体之间形成紧密冶金结合的表面处理技术，如等离子熔覆技术，激光熔覆开始备受关注。
等离子堆焊相比激光熔覆的优势是等离子弧热量高、加热速度快、能量利用率高(不存在光反射)、堆焊层质量可控、材料选择范围广、易于操作、设备成本较低、适用于大规模生产。
尽管现在等离子熔覆、等离子喷涂，激光熔覆等技术做了许多研究，但是现有的镍基、钴基、铁基等合金涂层在磨粒磨损、滑动磨损和冲击磨损严重的情况下很难胜任。现有研究表明向自溶性合金粉末中添加高硬度，高耐磨的陶瓷颗粒制备金属陶瓷复合涂层，能兼顾金属的韧性又能保持陶瓷的耐磨性能。但是现在梯度涂层，金属陶瓷复合涂层依然存在界面连接差，润湿性差，内应力大，裂纹敏感性大等缺陷，所以在实际工作中会出现开裂、脱落和氧化等问题，导致涂层失效。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是。
为实现上述目的，本发明提供了一种紫铜管表面等离子堆焊碳化钨强化镍基合金的方法，提供了一种具有高硬度，优异的耐磨性的紫铜圆管表面熔覆技术。以解决背景技术中提到的现有复合涂层的不足，提高紫铜圆管的使用寿命，除紫铜管外，也可适用紫铜棒材和柱材。
为实现以上目的，本发明提供一种紫铜管表面等离子熔覆WC强化镍基合金的方法，包括步骤：
将紫铜管进行预处理后套设在旋转杆上，旋转杆与旋转底座相连，可带动紫铜管绕其轴线转动；焊枪垂直于紫铜管的轴线设置，并可平行于轴线来回摆动；
将Ni60A和WC通过气雾化法制备成包裹型球形粉末作为堆焊材料；
对紫铜管进行预热；
旋转紫铜管，同时采用等离子粉末堆焊设备进行对紫铜管表面进行堆焊，堆焊方式采用摆弧焊，设相邻两条焊道距离为L1，焊枪的摆动行程为Ly，摆弧速度为Vy，紫铜管的转动速度为Vx，则L1、Ly、Vy和Vx被设置为满足下式关系：
Figure BDA0002975500810000021
对紫铜管的表面堆焊完毕后，保温后空冷至室温。
进一步地，紫铜管的预热温度为600℃-700℃。
进一步地，堆焊材料中WC的质量百分比在0％-55％之间。
进一步地，堆焊后在200℃-300℃保温0.5h-1h。
进一步地，Ly为15mm-25mm；Vx为3mm/s-6mm/s；L1为1mm-3mm。
进一步地，采用感应加热设备对紫铜管进行预热。
进一步地，对紫铜管的预处理包括对紫铜管的表面进行打磨，除锈，除油。
进一步地，采用氩气作为堆焊时的保护气体。
本发明相比现有技术具有以下优点：加工后基体与熔覆层结合强度高，硬度和耐磨性显著提高，延长了紫铜圆管的使用寿命；熔覆过程中减少了WC陶瓷颗粒的烧损，氧化，降低了内应力；解决了转盘速度和熔覆速度的匹配问题。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例中的粉末的扫面电镜图；
图2是本发明的一个较佳实施例中的等离子堆焊示意图；
图3是本发明的一个较佳实施例中的焊道的示意图；
图4是本发明的一个较佳实施例中的焊枪和紫铜管的侧视图；
图5是本发明的一个较佳实施例中的将焊枪设置在十字导轨上的示意图；
图6是本发明的一个较佳实施例中的将焊枪设置在十字导轨上时焊道的示意图；
图7是本发明的一个较佳实施例中的维氏硬度测试结果；
图8是本发明的一个较佳实施例中的摩擦系数对比图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
本发明提供以下技术方案：
材料选择紫铜管材、棒材或柱材，堆焊材料选择Ni60A加0％-55％WC，气雾化法制备成包裹性，球型、近球型粉末，粒度100目-300目；
堆焊前对铜管进行600℃-700℃预热，堆焊后200℃-300℃保温0.5h-1h。紫铜的实心棒材和柱材预热温度为700℃-800℃。
紫铜管材堆焊电流为140A-170A，转盘速度为3mm/s-6mm/s，送粉量为25g/min-40g/min，堆焊过程中保护气在不吹走粉末的范围内尽量大：9L/min-12L/min。对于实心棒材和柱材焊接电流为150A-180A。
堆焊方式采取摆弧焊，摆弧宽度为15mm-25mm，摆动速度为40mm-50mm/s，焊枪高度：10mm；
摆弧焊过程中，焊枪高度不动时，则可看作平面摆弧焊。按照多道搭接堆焊的计算方式，必须保证相邻两条焊道距离L1足够小且恰好搭接，可通过单道的摆弧宽度B确定L1。即焊枪Y方向摆一个来回2Ly，X方向前进L1的距离，时间t相同，则过程中的各参数可总结为式(1)：
Figure BDA0002975500810000031
Ly为摆弧宽度(设置值)：15mm-25mm；Vx为转盘速度(设置值)：3mm/s-6mm/s；L1为相邻焊道距离：1-3mm，因此Vy摆弧速度也可以通过计算得出。圆管转动的过程，相对焊枪也是展开成平面的过程。要使圆管表面整个涂层平整，需要解决转盘速度Vx和摆弧速度Vy的匹配问题，式(1)正好解决了这个问题。即此摆弧焊公式适用范围：平面及圆柱面。
根据本发明的上述方案的实施例的具体制备步骤包括：
(1)如图2所示：紫铜管1直径50mm，壁厚10mm，长50mm，Cu含量＞99.99％，先将铜管外壁进行80目砂纸打磨，除锈，除油，套在不锈钢杆2上，把不锈钢杆2夹持在旋转底座3上同轴转动，焊枪4在表面熔覆，焊枪高度10mm；其焊道如图3所示。
进一步地，如图4、5所示，将焊枪4设置在十字导轨5之上，使焊枪4在y方向上摆弧焊接时，在x方向上同时反复运动，使其实际运动路径为一虚拟矩形ABCD的对角线及短边AD和BC，使得焊道相互平行，如图6所示。这样焊道之间重叠范围小，避免焊道相互影响，且可使得焊料覆盖更为均匀，焊料利用更为充分。
(2)采用刮板式送粉器的等离子粉末堆焊设备，型号BX-ZD-400B，粉末质量百分比：75％Ni60A，25％WC，气雾化法制备成球型或者近球形，粉末粒度100-300目，用FEI NovaNanoSEM450场发射扫描电子显微镜观察粉末形貌如图1；
(3)工艺参数为：离子气3L/min，保护气(氩气)12L/min，送粉气3L/min，焊枪高度10mm，焊接电流140A，转盘速度Vx为3.27mm/s，摆弧焊方向X轴，摆弧宽度Ly为15mm，本实施例优化后L1取2mm。由上述式(1)可得摆动速度Vy为50mm/s。
(4)堆焊前用感应加热设备，半包围式感应线圈，对铜管进行预热，预热温度600℃。
(5)堆焊过程如示意图2所示，转盘带动紫铜管顺时针转动，焊枪4左右摆动，具体参数如(3)。
(6)堆焊后300℃保温0.5小时，取出空冷至室温。
(7)对实施例的工艺参数进行重复实验，证实其可重复。
(8)用线切割将一个堆焊好的紫铜管环切。
(9)取堆焊前中后段进行硬度测试，硬度测试设备：自动转塔数显显微硬度计，产品型号：HVS-100M。从熔覆层顶端到铜基体，每个200um去一个点，共取20个点，载荷取200gf，保荷10s，硬度测试结果如图7所示，相比于铜基体，硬度提高了8-14倍。
(10)耐磨设备为：高温端面摩擦磨损试验机，型号：MMUD-58，试验时间：15min，实验环境：25℃，试验力：50N，试验转速：100r/min，样品为直径3.94mm的圆柱，对比例1为紫铜。用精度为0.1mg的电子天平，型号：FA2004B，称取试样及标样的磨损量，用相对耐磨性(标样磨损量/试样磨损量)作为评价试样耐磨性的标准。摩擦系数对比如图8所示，实验重复三次取磨损量平均值，如表1所示，相对耐磨性大约提高了10倍。
表1
Figure BDA0002975500810000041
本发明工艺的优点是：(1)等离子堆焊粉末选择金属钎料Ni60A和陶瓷强化相WC，气雾化制备成包裹型；Ni60A与紫铜无限互溶，热膨胀系数相近，降低了热应力，熔点接近，有利于同时熔化，形成熔池；WC是耐磨性极佳的硬质材料，可借助于金属钎料形成硬质合金或相应的耐磨材料及复合涂层，且WC与镍基合金有很好的润湿性，WC在常温下具有相当高的硬度，且至1000℃其硬度也下降较少，是高温硬度最高的碳化物；气雾化法制备的包裹性粉末，减少了熔覆和使用过程中WC的烧损和氧化。(2)预热温度的选择，预热温度过高会导致稀释率过大，降低了复合涂层的性能；预热温度过低，成球，焊道不均匀，600℃预热，堆焊后保温，减少了热应力，降低了裂纹敏感性(3)堆焊中12L/min的氩气保护，降低了WC陶瓷颗粒的氧化，烧损。(4)与多道搭接相比，摆弧堆焊的优势是：只需控制转盘速度和摆弧速度的匹配，而无一道对后一道起焊温度的影响。在合适的摆弧宽度下，摆弧速度越快，越有利于相邻焊道的搭接，但气孔率会升高。本发明工艺方法通过计算，解决了摆弧速度参数和转盘速度的匹配问题，减少了气孔，提高了熔覆面的均匀性。(5)利用等离子堆焊技术，以Ni60A为金属钎料，以陶瓷颗粒WC作为增强相，获得的金属陶瓷复合涂层，显著提高了紫铜管表面的硬度和耐磨性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种紫铜管表面等离子熔覆WC强化镍基合金的方法，其特征在于，包括步骤：
将紫铜管进行预处理后套设在旋转杆上，所述旋转杆与旋转底座相连，可带动所述紫铜管绕其轴线转动；焊枪垂直于所述紫铜管的轴线设置，并可平行于所述轴线来回摆动；
将Ni60A和WC通过气雾化法制备成包裹型球形粉末作为堆焊材料；
对所述紫铜管进行预热；
旋转所述紫铜管，同时采用等离子粉末堆焊设备进行对所述紫铜管表面进行堆焊，堆焊方式采用摆弧焊，设相邻两条焊道距离为L1，所述焊枪的摆动行程为Ly，摆弧速度为Vy，所述紫铜管的转动速度为Vx，则L1、Ly、Vy和Vx被设置为满足下式关系：
L1/Vx=2Ly/Vy；
对所述紫铜管的表面堆焊完毕后，保温后空冷至室温；
堆焊时将所述焊枪设置在十字导轨之上，使所述焊枪在y方向上摆弧焊接时，在x方向上同时反复运动，使其实际运动路径为一虚拟矩形ABCD的对角线AB、CD及短边AD、BC；
其中，所述的紫铜管的堆焊电流为140A-170A，送粉量为25g/min -40g/min；
其中，所述的紫铜管的预热温度为600℃-700℃；
其中，所述堆焊材料中WC的质量百分比在25%-55%之间；
其中，堆焊后在200℃-300℃保温0.5h-1h；
其中，保护气流量为9 L/min-12 L/min ；Ly为15mm-25mm；Vx为3mm/s-6mm/s；L1为1mm-3mm。
2.如权利要求1所述的紫铜管表面等离子熔覆WC强化镍基合金的方法，其中，采用感应加热设备对所述紫铜管进行预热。
3.如权利要求1所述的紫铜管表面等离子熔覆WC强化镍基合金的方法，其中，对所述的紫铜管的预处理包括对所述紫铜管的表面进行打磨，除锈，除油。
4.如权利要求1所述的紫铜管表面等离子熔覆WC强化镍基合金的方法，其中，采用氩气作为堆焊时的保护气体。
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