CN113512725A - 一种钢铁表面等离子熔覆与搅拌摩擦焊复合制备多金属基涂层的方法及制成的涂层 - Google Patents
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Abstract
本发明属于熔覆修复技术领域，公开了一种钢铁表面等离子熔覆与搅拌摩擦焊复合制备多金属基涂层的方法及制成的涂层。本发明用非氧化性的等离子束流把合金粉末或丝材熔覆在基体表面上形成熔融合金涂层，当熔覆区温度下降到再结晶温度区域范围内，立即对涂层进行搅拌摩擦焊处理，可形成综合力学性能优异的复合涂层；本发明利用等离子熔覆后的热量作为搅拌摩擦焊的材料塑性变形的能量，消除了复合搅拌摩擦焊前再次热处理的步骤，工艺更简便；搅拌摩擦焊可改变急热速冷下非平衡凝固的熔覆区组织，破碎生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，起到细化晶粒的作用；搅拌摩擦焊可改善熔覆合金熔体中的气孔、夹渣等质量问题，且可以释放熔覆区的热应力。
Description
技术领域
本发明属于熔覆修复技术领域，特别涉及一种钢铁表面等离子熔覆与搅拌摩擦焊复合制备多金属基涂层的方法及制成的涂层。
背景技术
等离子表面熔覆是在等离子喷焊、堆焊、激光熔覆等表面技术之后发展起来的，其基本原理是：以高温等离子束作为热源，将合金粉末与工件基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、反应、凝固，在表面形成一层高硬度耐磨层，具有与基体结合良好、设备成本低、工作环境无污染及操作简单等优点，因此该技术适用于处理抗冲击、耐磨和耐腐蚀的金属零件，是一种很有前途的金属表面改性技术。
搅拌摩擦焊是一个热—力耦合的、在局部区域产生大塑性变形的固相连接工艺。由搅拌针和轴肩构成的搅拌头高速旋转，在向下的轴向力作用下，以一定速率插入两块对接的工件接缝中；在搅拌针和轴肩的摩擦、搅拌和挤压作用下，工件材料局部被加热至塑性流动状态；当搅拌头沿着对接线运动时，塑性材料随着搅拌头的旋转发生迁移，从而在搅拌头经过之后形成可靠的冶金结合。
由于等离子熔覆急热急冷，合金涂层与基体在材料特性上的不匹配性，等离子熔覆后存在热应力，从而导致涂层出现裂纹，也存在气孔、夹渣等缺陷。搅拌摩擦焊可以破碎生长中的树枝状晶体，形成致密无缺陷的组织，对气孔和裂纹等涂层缺陷的消除效果优良，涂层成型质量好，等离子熔覆结合搅拌摩擦焊可以改变熔覆区的显微组织，使晶粒组织得到细化，提高基体表面质量，具有十分广阔的应用前景。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种钢铁表面等离子熔覆与搅拌摩擦焊复合制备多金属基涂层的方法；该方法相对传统的等离子熔覆方法来说，熔覆后结合搅拌摩擦焊会消除熔覆层内部存在的气孔、裂纹等缺陷，改变急热速冷下非平衡凝固的熔覆层组织，消除涂层内的热应力，细化晶粒，促使熔覆层组织回复再结晶，由此获得均匀的复合涂层组织成分，增强基体表面的力学性能，延长基体的使用寿命。
本发明的再一目的在于提供一种上述方法制成的涂层。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种钢铁表面等离子熔覆与搅拌摩擦焊复合制备多金属基涂层的方法，包括以下步骤：
(1)对基体表面以及熔覆粉末分别进行熔覆前预处理；
(2)将步骤(1)经过预处理的熔覆粉末送入等离子熔覆设备的送粉装置，利用送粉气将熔覆粉末送至喷枪，采用同步送粉法对基体进行等离子熔覆，熔覆过程中在保护气环境中进行，防止氧化，最后得到熔融合金涂层；
(3)采用搅拌摩擦焊技术将步骤(2)所得熔融合金涂层进行旋压处理，具体包括：搅拌头在旋转的同时伸入熔融合金涂层抵达基材，搅拌头的轴肩与工件之间的摩擦热使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，从而使结合区形成致密的结合层；
(4)对步骤(3)旋压处理后的涂层进行热处理。
步骤(1)所述基体表面的预处理是采用水韧处理、砂轮机打磨和丙酮清洗，去除基体表面的污渍和油污；所述基体为高锰钢、不锈钢、耐热钢、碳素钢、合金钢、硅钢、铬钢、硼钢、硅锰钢、高速钢、结构钢、渗碳钢、调质钢、718H模具钢或刃具钢。
步骤(1)所述熔覆粉末为低碳合金粉末、镍基自熔合金粉末和钴基自熔合金粉末中的一种以上。
步骤(1)所述熔覆粉末可替换为熔覆丝材，为低碳合金丝材、镍基自熔合金丝材和钴基自熔合金丝材中的一种以上。
步骤(1)所述熔覆粉末的预处理是在80～90℃下真空干燥处理干燥1h，去除粉末中的水分，避免形成的熔覆层中形成气孔，同时防止粉末结块，堵塞出粉管。
步骤(2)所述等离子熔覆按照以下参数：熔覆电流设置为120、140、160和180A，扫描速度设置为120、180、240和300mm/min，离子矩高度在6～12mm，离子气流量设置为4、5、5.5和6L/min。
步骤(2)所述等离子熔覆的过程中使用的送粉气、保护气、离子气均采用惰性气体氩气。
步骤(3)所述旋压处理之前是先采用红外热像仪检测熔融合金涂层温度下降变化趋势，当温度降低到再结晶温度区域时，立即对熔融合金涂层进行搅拌摩擦焊。
步骤(3)所述搅拌摩擦焊按照以下工艺参数：搅拌针轴向力为14～16kN，搅拌针转速为400～800r/min，焊接速度为100～200mm/min，偏移量为0.2～1.0mm，保护气体流量为8～30L/min。
步骤(4)所述热处理的温度设置为200、400、600和800℃，保温3～5小时，随后取出，在空气中冷却。
一种由上述的方法制备得到的多金属基涂层。
本发明用非氧化性的等离子束流把合金粉末或丝材熔覆在基材表面上，形成熔融合金涂层，当熔覆区温度下降到再结晶温度区域范围内，立即对涂层进行搅拌摩擦焊处理，可形成综合力学性能优异的复合涂层；本发明利用等离子熔覆后的热量作为搅拌摩擦焊的材料塑性变形的能量，消除了再次热处理的步骤，工艺更简便且降低成本；搅拌摩擦焊可改变急热速冷下非平衡凝固的熔覆区组织，破碎生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，起到细化晶粒的作用；搅拌摩擦焊对熔覆金属熔体中的气孔、夹渣等质量问题有比较好的效果，同时可以释放熔覆区的热应力；本发明得到的复合涂层与基材之间结合方式为冶金结合，结合性优良，不易脱落，涂层硬度高、致密性好、耐冲击、耐磨损、耐腐蚀，能进一步提高基体表面的质量。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明直接利用等离子熔覆后的热量作为搅拌摩擦焊的材料塑性变形的能量，减少了再次热处理的步骤，工艺更简便，降低成本；
(2)本发明采用搅拌摩擦焊技术对基体和熔覆层的结合区进行再加工，使得基体和熔覆区材料塑性流动增强，进一步提高了涂层的结合性能；
(3)在熔覆区冷却到再结晶温度区域进行搅拌摩擦焊，可以改变急热速冷下非平衡凝固的熔覆区组织；
(4)搅拌摩擦焊能释放熔覆区的热应力，并且搅拌摩擦焊所产生的应力小于熔覆区，可通过热处理消除其影响；
(5)熔覆区域容易出现气孔、夹渣、裂纹等质量问题，搅拌摩擦焊可使气泡、杂质加速上浮，可通过机加工去除；
(6)搅拌摩擦焊可以破碎生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，从而起到细化晶粒的作用，获得均匀的涂层组织成分，延长基体的使用寿命。
附图说明
图1是本发明工艺流程示意图；
图2是本发明等离子熔覆结合搅拌摩擦焊前后组织对比示意图；
图3是本发明等离子熔覆结合搅拌摩擦焊前后涂层与基体结合性对比示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实例中选择高锰钢作为基体，低碳Fe-Ni合金粉末作为熔覆粉末，制备多合金涂层的工艺流程如图1所示。
首先对基体进行熔覆前预处理，包括水韧处理、砂轮机打磨和丙酮清洗等，去除其表面的污渍；熔覆粉末需要进行真空干燥处理(80～90℃下干燥1h)，处理后的粉末送入等离子熔覆设备的送粉装置，采用同步送粉法进行等离子熔覆，等离子熔覆参数：熔覆电流设置为140A，扫描速度设置为160mm/min，离子矩高度在8mm，离子气流量设置为5L/min；利用红外热像仪检测熔覆层的温度，当温度降低为再结晶温度区域，立即对熔覆层进行搅拌摩擦焊接，工艺参数为：搅拌针轴向力为14kN，搅拌针转速为400r/min，焊接速度为100mm/min，偏移量为0.2mm，保护气体流量为8L/min。
实际具体操作是等离子熔覆喷枪把低碳Fe-Ni合金粉末熔敷到基体高锰钢表面，在熔融合金涂层温度下降的同时，利用搅拌摩擦焊设备的搅拌头在旋转的同时伸入熔融合金涂层抵达基体，搅拌头的轴肩与工件之间的摩擦热使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，从而使结合区形成致密的结合层；对复合搅拌摩擦焊后的试样进行时效处理，较优的时效温度为500℃，保温5h，随后取出，在空气中冷却。
对上述得到的多金属基复合涂层进行显微组织分析测试，得到单一等离子熔覆与本发明复合搅拌摩擦焊的涂层前后组织对比示意图，如图2所示，单一等离子熔覆区域组织晶粒粗大，并且含有气孔、裂纹等缺陷，复合搅拌摩擦焊后组织晶粒细小均匀，其内部缺陷明显减少。采用扫描电子显微镜观测单一等离子熔覆与本发明复合搅拌摩擦焊前后与基体结合性对比示意图，如图3所示，左图为单一等离子熔覆与基体结合性，结合方式为机械-冶金结合，涂层与基体之间还存在缝隙，结合强度不高，右图为本发明复合搅拌摩擦焊前后与基体结合性，结合方式为冶金结合，结合强度明显升高。
实施例2
具体的其他实施条件同实例1，改变搅拌摩擦焊工艺参数，为：搅拌针轴向力为15kN，搅拌针转速为600r/min，焊接速度为130mm/min，偏移量为0.5mm，保护气体流量为15L/min；对搅拌摩擦焊后的试样进行时效处理，较优的时效温度为500℃，保温5h，随后取出，在空气中冷却。
实施例3
具体的其他实施条件同实例1，改变搅拌摩擦焊工艺参数，为：搅拌针轴向力为15kN，搅拌针转速为600r/min，焊接速度为160mm/min，偏移量为0.6mm，保护气体流量为22L/min；对搅拌摩擦焊后的试样进行时效处理，较优的时效温度为500℃，保温5h，随后取出，在空气中冷却。
实施例4
具体的其他实施条件同实例1，改变搅拌摩擦焊工艺参数，为：搅拌针轴向力为16kN，搅拌针转速为800r/min，焊接速度为200mm/min，偏移量为1.0mm，保护气体流量为30L/min；对搅拌摩擦焊后的试样进行时效处理，较优的时效温度为500℃，保温5h，随后取出，在空气中冷却。
钢铁表面等离子熔覆合金粉末和搅拌摩擦焊后复合涂层的质量和工作效率与等离子熔覆工艺参数熔覆电流、扫描速度、离子矩高度、离子气流量以及搅拌摩擦焊参数搅拌针轴向力、转速、焊接速度、偏移量、保护气体流量等有关，因此可通过对工艺参数的调节控制来获得不同的工艺效果。
采用本发明钢铁表面等离子熔覆与搅拌摩擦焊复合制备多金属基涂层的方法得到的复合涂层，经过性能测试，等离子熔覆与搅拌摩擦焊复合制备的涂层与基体产生了冶金结合，结合强度优于单一等离子熔覆制备的涂层；单一等离子熔覆制备的涂层的表面平均硬度约为412.6HV，而本发明实施例1-4制备的复合涂层的表面平均硬度可以达到约为537.4HV、543.8HV、549.2HV、556.7HV，硬度显著提高；单一等离子熔覆制备的涂层磨损损失量为6.9mg，而本发明实施例1-4制备的复合涂层的磨损损失量为5.2mg、4.6mg、4.2mg、3.9mg，复合涂层的耐磨性显著提高。
相比于单一等离子熔覆的试样，复合涂层与基体之间的结合紧密性远强于未采用搅拌摩擦焊接的试样，且复合涂层致密性良好，内部气孔、夹渣、裂纹等缺陷大幅度减少，其硬度、耐磨性、耐腐蚀性均有显著的提升，鉴于上述优异性能，本发明方法简单，成本低，能够有效地提高钢铁材料表面的质量，可广泛应用于钢铁冶金行业，具有很强的实际应用价值。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钢铁表面等离子熔覆与搅拌摩擦焊复合制备多金属基涂层的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)对基体表面以及熔覆粉末分别进行熔覆前预处理；
(2)将步骤(1)经过预处理的熔覆粉末送入等离子熔覆设备的送粉装置，利用送粉气将熔覆粉末送至喷枪，采用同步送粉法对基体进行等离子熔覆，熔覆过程中在保护气环境中进行，防止氧化，最后得到熔融合金涂层；
(3)采用搅拌摩擦焊技术将步骤(2)所得熔融合金涂层进行旋压处理，具体包括：搅拌头在旋转的同时伸入熔融合金涂层抵达基体，搅拌头的轴肩与工件之间的摩擦热使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，从而使结合区形成致密的结合层；
(4)对步骤(3)旋压处理后的涂层进行热处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述基体表面的预处理是采用水韧处理、砂轮机打磨和丙酮清洗，去除基体表面的污渍和油污；所述基体为高锰钢、不锈钢、耐热钢、碳素钢、合金钢、硅钢、铬钢、硼钢、硅锰钢、高速钢、结构钢、渗碳钢、调质钢、718H模具钢或刃具钢。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述熔覆粉末为低碳合金粉末、镍基自熔合金粉末和钴基自熔合金粉末中的一种以上。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述熔覆粉末可替换为熔覆丝材，为低碳合金丝材、镍基自熔合金丝材和钴基自熔合金丝材中的一种以上。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述熔覆粉末的预处理是在80～90℃下真空干燥处理干燥1h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述等离子熔覆按照以下参数：熔覆电流设置为120、140、160和180A，扫描速度设置为120、180、240和300mm/min，离子矩高度在6～12mm，熔覆过程中全程采用氩气保护，离子气流量设置为4、5、5.5和6L/min。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)所述旋压处理之前是先采用红外热像仪检测熔融合金涂层温度下降变化趋势，当温度降低到再结晶温度区域时，立即对熔融合金涂层进行搅拌摩擦焊接。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)所述搅拌摩擦焊按照以下工艺参数：搅拌针轴向力为14～16kN，搅拌针转速为400～800r/min，焊接速度为100～200mm/min，偏移量为0.2～1.0mm，保护气体流量为8～30L/min。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)所述热处理的温度设置为200、400、600和800℃，保温3～5小时，随后取出，在空气中冷却。
10.一种由权利要求1所述的方法制备得到的多金属基涂层。
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| CN114921738A (zh) * | 2022-04-24 | 2022-08-19 | 中南大学深圳研究院 | 表面涂层的形成方法、复合材料及其应用 |
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2021
- 2021-07-08 CN CN202110774859.8A patent/CN113512725A/zh active Pending
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