CN113862602B - 一种在工件表面喷涂Stellite 20合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在工件表面喷涂Stellite 20合金的方法，有以下步骤：1）表面处理：检测加工工件尺寸，清洗，工件表面喷砂粗化，使工件的表面的粗糙度为Ra 10～13um；2）喷涂工件表面预热至70～90℃，采用喷涂设备将Stellite 20合金粉末喷涂在工件表面，多道次沉积涂层，使涂层厚度0.25～0.35mm。采用本发明所述的方法，工件表面的涂层厚度均匀，涂层与基体之间结合力好，涂层孔隙率低、氧化物夹杂少，涂层的耐磨性和耐腐蚀性好，能满足阀门应用领域要求的技术指标：硬度≥750HV0.3，孔隙率≤1%，结合力≥70MPa,氧化物含量≤2%。
Description
技术领域
本发明属于喷涂领域，特别涉及一种在工件表面喷涂Stellite 20合金的方法。
背景技术
司太力合金是一种具有优异的耐摩擦磨损、耐酸碱腐蚀、耐高温氧化的硬质合金。对航空航天、汽车、冶金、高温化工等行业的发展做出了重要贡献。司太立合金有30多种牌号，常用的牌号有Stellite 1、Stellite 6、Stellite 12、Stellite 20和Stellite 21等。司太立合金除做成铸件外，常用来制作小型零件如模具、刀片、喷嘴等，而大型零件均采用热喷涂技术，在工作面上制备司太立涂层，以节约昂贵的制造成本。
超音速火焰喷涂（HVOF）技术是20世纪80年代出现的一种热喷涂技术。近些年来，该技术的飞速发展与应用给热喷涂领域带来了一次革命性的进步。相较于采用等离子喷涂技术制备的硬质合金涂层孔隙率高、结合强度差、氧化物夹杂等问题，超音速火焰喷涂技术的工艺特点是具有非常高的颗粒飞行速度（1200m/s），同时喷涂焰流温度又相对较低（3400K），大幅度地提高了涂层的结合强度，降低了孔隙率，甚至消除了氧化物夹杂。
对于阀门领域，阀门密封面材料及表面硬化技术对于应对介质工况的复杂性起着至关重要的作用。采用超音速火焰喷涂技术在阀门关键零部件表面喷涂硬质合金粉末，已成为一种成熟、可靠、经济的制造工艺。超音速火焰喷涂具有很高的焰流速度和相对较低的焰流温度，这就使得超音速火焰喷涂的Stellite 20合金涂层具有很高的结合力和自身组织稳定性，涂层硬度更是普遍高于1000HV0.3，具有广阔的应用市场。
然而，目前多数喷涂厂通过超音速火焰喷涂技术制备的Stellite 20合金涂层，其金相检测测得涂层孔隙高，通常达到了3%左右，远低于阀门应用领域所需的技术指标（≤1%），大幅度降低其耐磨性和耐腐蚀性。此外，由于工件预加工尺寸和喷涂工序细节的控制不到位，导致涂层厚度不均、氧化物夹杂，涂层内部应力集中，降低了涂层与基体的结合强度。
发明内容
本发明的目的是提供一种在工件表面喷涂Stellite 20合金的方法，采用本发明所述的方法，工件表面的涂层厚度均匀，涂层与基体之间结合力好，涂层孔隙率低、氧化物夹杂少，涂层的耐磨性和耐腐蚀性好，能满足阀门应用领域要求的技术指标：硬度≥800HV0.3，孔隙率≤1%，结合力≥70MPa，氧化物含量≤2%。
本发明的技术方案是：
在工件表面喷涂Stellite 20合金的方法，有以下步骤：
1）表面处理
检测加工工件尺寸，清洗，采用喷砂设备将工件表面喷砂粗化，使工件的表面粗糙度为Ra 10～13um；
喷砂磨料为24号棕刚玉，所述喷砂设备的空气压力为0.7～0.8MPa，所述喷嘴到工件表面的距离为280～300mm，喷嘴与工件表面的法向夹角为20～25°。
所述喷砂设备每60分钟进行一次排污，并且其压缩空气需洁净、干燥、无油。
工件喷砂结束后与喷涂合金粉末之间的时间间隔不能超出1小时，防止表面氧化层的再次生成。
2）喷涂
工件表面预热至70～90℃，采用喷涂设备将Stellite 20合金粉末喷涂在工件表面，多道次沉积涂层，使涂层厚度0.25～0.35mm。
步骤2）所述喷涂的氧气流量1800～1850L/min，煤油流量5.5～7.5L/min，冷却气体流量9～11m3/min，喷涂距离360～380mm，送粉量700～725mm/s。
步骤2）所述沉积的沉积率70～80%，单道次沉积厚度0.01～0.02mm。
步骤2）所述多道次沉积的每单道次沉积厚度0.01~0.02mm。
当涂层厚度每沉积0.08～0.10mm时，需检测涂层是否含有夹杂。
步骤2）所述涂层的硬度800~1000HV0.3，孔隙率≤1%，结合强度≥70Mpa。
步骤2）所述涂层在喷涂过程中温度控制≤100℃。
步骤2）所述Stellite 20合金粉末各组分的百分含量为：2.3≤C≤2.5 wt%，31≤Cr≤34 wt%，0≤Fe≤3 wt%，0≤Mn≤0.5 wt%，0≤Mo≤1 wt%，0≤Ni≤3 wt%，0≤P≤0.03wt%，0≤S≤0.03 wt%，0≤Si≤1 wt%，16≤W≤18 wt%，余量为Co ；粉末颗粒平均粒度25~40um。
本发明的有益效果是：
1.喷涂前通过检测、控制工件预加工的尺寸公差和形位公差，保证工件各个方向上在喷涂过程中沉积的涂层厚度的均匀性，以保证工件各个方向上涂层与基材的结合力的一致性；涂层的厚度为0.25～0.35mm，过厚，增加后续研磨的加工时间；过薄，需要返工重新喷涂，增加生产成本。
2. 本发明所述方法，极大程度消除了Stellite 20合金粉末喷涂过程中涂层中可能含有的氧化物夹杂，降低了涂层内部应力集中的风险（由于本申请所述涂层用于阀门等领域，需要承受一定的介质压力，因此涂层与基材的结合强度要≥70MPa，才能保证使用过程中，涂层不会因承受不住挤压而脱落），确保涂层与基材的结合强度≥70MPa，达到ASTMC633标准。
3. 本发明方法，合金粉末在喷涂过程中达到充分熔融或半融状态，粉末粒子充分铺展开来，制备的Stellite 20合金涂层金相组织均匀、致密，使涂层硬度达到了800~1000HV0.3，具有优异的耐磨性；同时，涂层孔隙率降低到1%以下，极大地提高涂层的耐腐蚀性。
附图说明
图1为涂层截面显微硬度分布图；
图2为Stellite 20涂层的结合强度断口形貌图；
图3为stellite20涂层在不同溶液中的腐蚀形貌；其中，（a）为Stellite20在2%HCl溶液中的腐蚀形貌；（b）为Stellite20在10%NaOH溶液中的腐蚀形貌；（c）为Stellite20在5%NaCl溶液中的腐蚀形貌；（d）为Stellite20在5%H2SO4溶液中的腐蚀形貌；
图4为Stellite 20合金涂层截面形貌。
具体实施方式
1. Stellite 20合金粉末（购买于肯纳司太立金属（上海）有限公司）：
所述合金粉末成分：2.3≤C≤2.5 wt%，31≤Cr≤34 wt%，0≤Fe≤3 wt%，0≤Mn≤0.5 wt%，0≤Mo≤1 wt%，0≤Ni≤3 wt%，0≤P≤0.03 wt%，0≤S≤0.03 wt%，0≤Si≤1 wt%，16≤W≤18 wt%，余量为Co ；粉末颗粒平均粒度25~40um。
2.工件预加工尺寸检测：
取工件，用千分尺对工件预加工尺寸进行检测并记录，尺寸公差和形位公差必须满足工艺上的技术要求，以保证工件各个方向上涂层厚度的均匀性；
3.喷砂粗化：
采用喷砂机进行喷砂。喷砂时要求压缩空气洁净、干燥、无油，喷砂机必须每60分钟进行一次排污；喷砂机的磨料采用具有较高硬度、耐磨性和尖锐棱角的24号棕刚玉，且磨料必须保持清洁与干燥；压力式喷砂机的压力为0.7～0.8MPa，喷嘴到工件表面的距离是280～300mm，喷嘴与工件表面的法向夹角为20～25°；喷砂后工件表面的清洁度达到GB/T8923.1-2011中最高清洁度等级Sa3（肉眼观察，与GB/T8923.1-2011标准要求进行比对，观察工件表面有无氧化皮、油污、外来夹杂），即完全去除氧化皮、油污、外来夹杂等，表面的粗糙度为Ra 10-13um；喷砂结束后，工件停留时间应尽可能的短，不能超出1小时，防止表面氧化层的再次生成；
4.Stellite 20合金涂层制备：
采用美国PRAXAIR-JP8000超音速火焰喷涂设备制备Stellite 20合金涂层；工件表面预热，预热温度控制在70～90℃，去除金属表面的水气与粉尘，提高粉末与母体的结合质量；喷涂时控制氧气流量1800～1850L/min，航空煤油流量5.5~7.5L/min，冷却气体流量9~11m3/min，喷涂距离360-380mm，送粉量700~725mm/s，沉积率70~80%，单道次沉积厚度0.01~0.02mm。
喷涂时，涂层厚度每沉积0.08~0.10mm时，用千分尺测量涂层厚度并记录；同时，检查工件表面已喷涂层是否含有夹杂（喷涂层中若有黑点，则有夹杂，若出现夹杂，则需要重复第3~4步骤，至喷涂层无夹杂）；整个喷涂过程中，工件表面温度不能超出100℃。
5.Stellite 20合金涂层性能：
所得Stellite 20合金涂层的物理性能：涂层厚度0.25~0.35mm，涂层孔隙率≤1%，参见图4；涂层硬度800~1000HV0.3，涂层与基体之间的结合强度≥70MPa；
涂层硬度实验：
根据ASTM E384标准，涂层的显微硬度采用INNOVATEST FALCON 500维氏硬度测量仪进行检测，加载载荷和加载时间分别设定为 3N 和 15 s，在涂层截面的视场区域内，从试样顶部涂层处沿垂直方向等间距依次测量，每次测3个数据取平均值。
由图1可知，F316基材的平均显微硬度约170HV0.3，Stellite 20涂层涂层硬度值分布均匀，体现了喷涂整体质量的可靠性，平均显微硬度值达到了1000 HV0.3。较高的硬度，保证了涂层具备优异的耐磨性。
结合强度实验：
结合强度测试参照ASTM C633中规定的对偶件拉伸实验法，采用E7胶(该胶的抗拉强度大于70MPa)将涂层试样与喷砂后的不锈钢对偶件粘接，经固化后在万能拉伸试验设备上进行拉伸，试样的拉伸速率为1mm/min。取8个同批次喷涂Stellite 20合金涂层的试样进行拉伸。从涂层的结合强度断口形貌看（图2），均为E7胶断裂，说明测试数据均大于70MPa。
耐腐蚀性实验：
均匀腐蚀实验参照JB/T 7901-1999，喷涂试块为直径10mm高10mm的F316不锈钢，在圆柱平面上喷涂Stellite 20合金涂层。涂层经研磨、抛光后，达到粗糙度Ra0.2。再经过耐酸碱腐蚀的环氧树脂镶嵌包裹后，只露出涂层面。将试块分别放入2%HCl溶液、10%NaOH、5%NaCl、5%H2SO4溶液中，每种溶液放入3个试块进行均匀腐蚀试验。实验温度为室温，实验时间为8天。从图3可以看出，经过8天的溶液浸泡，Stellite 20涂层均未腐蚀，说明该工艺制备的Stellite 20涂层具有优异的耐腐蚀性。
Claims (3)
1.一种在工件表面喷涂Stellite 20合金的方法，其特征在于，有以下步骤：
1）表面处理
检测加工工件尺寸，清洗，工件表面喷砂粗化，使工件表面的粗糙度为Ra 10～13um；
采用喷砂设备喷砂粗化，喷砂的空气压力为0.7～0.8MPa，喷嘴到工件表面的距离为280～300mm，喷嘴与工件表面的法向夹角为20～25°；
2）喷涂
工件表面预热至70～90℃，采用超音速喷涂设备将Stellite 20合金粉末喷涂在工件表面，多道次沉积涂层，所述沉积的沉积率70～80%，单道次沉积厚度0.01～0.02mm，使涂层厚度0.25～0.35mm，当涂层厚度每沉积0.08～0.10mm时，需检测涂层是否含有夹杂；
所述涂层的硬度800~1000HV0.3，孔隙率≤1%，结合强度≥70Mpa；
所述涂层在喷涂过程中温度控制≤100℃；
所述喷涂的氧气流量1800～1850L/min，煤油流量5.5～7.5L/min，冷却气体流量9～11m3/min，喷涂距离360～380mm，送粉量700～725mm/s；
所述Stellite 20合金粉末颗粒平均粒度25~40um。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：喷砂设备每60分钟进行一次排污，并且其压缩空气需洁净、干燥、无油。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2）所述Stellite 20合金粉末各组分的百分含量为：2.3≤C≤2.5 wt%，31≤Cr≤34 wt%，0≤Fe≤3 wt%，0≤Mn≤0.5 wt%，0≤Mo≤1 wt%，0≤Ni≤3 wt%，0≤P≤0.03 wt%，0≤S≤0.03 wt%，0≤Si≤1 wt%，16≤W≤18wt%，余量为Co 。
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| properties of HVOF-sprayed satellite-6 coatings;Paolo sassatelli;《surface & coatings technology》;第338卷;第45-62页 * |
| 水轮机抗汽蚀合金涂层性能评价;许宏伟;虞鸿江;赵明;吴章勤;杨迎春;;腐蚀与防护(第08期);全文 * |
| 超音速火焰喷涂Cr_3C_2/NiCr、Stellite6、Inconel625、Inconel718涂层耐冲蚀性能研究;杨思泽;;风机技术(第02期);全文 * |
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