CN115369350B - 一种在氩气保护下的结合电弧喷涂和轧制工艺制备不锈钢精密箔材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在氩气保护下的结合电弧喷涂和轧制工艺制备不锈钢精密箔材的方法，包括下述步骤：准备铜板基体、金属线材的预处理、预置喷涂参数、喷涂室抽真空及注入保护性气体氩气、喷涂、降压换气、检查喷涂效果及轧制，本发明替代了超薄不锈钢精密箔材的冗长复杂的轧制制备工艺，为精密箔材的成分设计和加工提供一种制备工艺简单、制备周期短的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种电弧喷涂与轧制工艺的结合技术，尤其是涉及一种在氩气保护下的结合电弧喷涂和轧制工艺制备不锈钢精密箔材的方法，可应用于航空航天、国防军工、仪器仪表、电子电路、医疗器械等高端制造领域。
背景技术
随着国民经济不断发展，不锈钢精密箔材的应用领域不断扩展，其对产品的制备周期、制备成本及综合性能的要求越来越高。2021年，中国的“手撕钢”研发又有新突破，继厚度从0.02毫米跨越到0.015毫米后，制造出目前全世界最宽最薄的“手撕钢板”。超薄不锈钢精密箔材具备优异的强度、精度、表面光洁度等性能，主要应用于航空航天、高端制造业等领域。有的“手撕钢”，使用6种宽度、5种锥度及锥长的20根轧辊，同时又需兼顾不同的凸度选择，把普通钢材轧制变薄。通常，0.8毫米厚度的普通钢材，每往薄轧一次，轧辊就要重新配比一次，加上锥度、凸度等变量因素，其制备工艺复杂，轧制加工工艺周期较长。并且，对于宽度600毫米、厚度0.015毫米的厚度已超出设备的设计极限，在轧制的过程中不断打滑，制备工艺难度高，并且不能灵活调控、制备箔材中的有益元素成分和含量。针对上述轧制制备过程中的工艺复杂、制备周期长等问题，本发明提出一种将电弧喷涂和轧制工艺有机结合的不锈钢精密箔材制备工艺。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供一种在氩气保护下的结合电弧喷涂和轧制工艺制备不锈钢精密箔材的方法，采用电弧喷涂与轧制工艺有机结合的方法，其目的是替代超薄不锈钢精密箔材的冗长复杂的轧制制备工艺，为精密箔材的成分设计和加工提供一种制备工艺简单、制备周期短的方法。
本发明的技术方案包括下述步骤：
步骤1，准备铜板基体：选择与工作台尺寸相匹配，厚度为3～5mm的铜板，铜板基体要求上下表面平整，表面粗糙度为Ra<0.1μm；
步骤2，金属线材的预处理，选直径为2.0mm的金属线材，对金属线材进行清洗、干燥、拉直与打磨，去除金属线材上的杂质；
步骤3，预置喷涂参数，连接喷涂室内各设备，根据事先试验确定的喷涂参数调整好喷涂机参数：放置喷涂沉积铜底板，调整好喷涂枪位置后，关闭喷涂室密封门；
步骤4，喷涂室抽真空及注入保护性气体氩气，喷涂前喷涂室抽真空到10pa；然后注入氩气至大气压并保持喷涂室内压力为0.1Mpa；
步骤5，喷涂；待铜板基体喷涂面完全喷涂后，停止喷涂设备，结束喷涂过程；
步骤6，喷涂结束后，首先将喷涂室减压阀开启，使室内压力降低至室内大气压0.1±10％Kpa，然后打开密封门，进行空气置换后，再进入室内取出喷涂铜板基体；
步骤7，检查喷涂效果，然后从铜板基体上取下喷涂薄板，并测试喷涂薄板厚度；
步骤8，将喷涂薄板进行轧制，以达到所需板厚的精薄板。
所述的步骤1中，对铜板基体的表面进行抛光处理。
所述的步骤3中，喷涂参数为：电流140～220A，电压28～33V，喷涂速度80～150mm/min。
所述的步骤3中，连接喷涂室内各设备包括：喷涂室通过气体压缩机入口管线与气体压缩机连接，气体压缩机通过喷涂气体前管路连接电弧喷涂机，电弧喷涂机与第一喷涂电缆、第二喷涂电缆及喷涂气体后管路的一端连接，第一喷涂电缆、第二喷涂电缆及喷涂气体后管路的另一端连接喷枪；第一焊丝盘和第二焊丝盘通过送丝机将第一喷丝和第二喷丝送至喷枪处；电弧喷涂机连接有系统控制柜；氩气气源、真空泵及喷涂室之间通过转换三通和管路连通。
所述的步骤5中，采用气体压缩机回收喷涂室内的惰性保护气体以形成高压喷射气流，将气体压缩机的气体入口连接到喷涂室的排气口，气体压缩机将喷涂室内的回收惰性气体回收压缩到0.5～0.8MPa压力后，通过喷涂管路送入到喷枪内进行熔滴雾化和喷射。
所述的步骤7中，通过高压气流冲击将喷涂薄板与铜板基体剥离。
所述的步骤7中，喷涂薄板厚度保持在70～110μm。
本发明的优点效果如下：
1.本发明经试验验证，采用在氩气保护下的电弧喷涂相较于冷喷涂或其它方式的喷涂，不仅能制备出具备优异的强度、精度、表面光洁度等性能超薄不锈钢精密箔材，而且原材料成本较低，喷涂过程中对原材料的利用率较高，设备成本较低，应用广泛；获得的涂层的缺陷含量较低及致密度较高，取得了显著的技术效果。
2.本发明在进行电弧喷涂前，对铜板基体的表面进行抛光处理，提高了基体表面光滑度，有利于最大程度降低涂层与铜板基体的机械结合，可以高效率地制备不锈钢精密箔材。
3.在电弧喷涂前增加了对金属线材的预处理工序，并且在电弧喷涂过程中使用氩气保护，能够有效避免喷涂过程中金属合金溶滴的氧化，从而提高了不锈钢熔滴的纯度，保证金属粒子能够更好地堆垛、成型，形成质地致密的涂层结构，进一步降低涂层内部的显微缺陷，提高了不锈钢薄板的综合性能。
4.喷涂开始后，气体压缩机回收喷涂室内的惰性保护气体并压缩形成高压气流进行喷涂，这样就能形成一个循环回路，减少保护气体的使用，可以进一步降低制备成本，有利于环境保护。
5.通过调控喷涂所用原材料中的不同合金成分来设计、制备箔材的各项性能，达到缩短制备周期，降低制备成本和提高结构设计及性能的目的。
附图说明
图1为本发明的喷涂过程示意图。
图2为本发明喷涂系统结构示意图。
图中，1.喷涂室，2.工作台及铜板，3.移动导轨，4.喷枪，5.第一喷丝，6.第二喷丝，7.气体压缩机入口管线，8.系统控制柜，9.气体压缩机，10.第一焊丝盘，11.送丝机，12.第二焊丝盘，13.喷涂气体前管路，14.喷涂机，15.喷涂电源输入线，16.第一喷涂电缆，17.喷涂气体后管路，18.第二喷涂电缆，19.氩气源，20.氩气管路，21.转换三通，22.真空泵，23.真空管路；24、喷涂状态的不锈钢箔材，25、电极，26、喷嘴，27、氩气，28、喷涂电源。
具体实施方式
实施例
一种结合电弧喷涂和轧制工艺制备不锈钢精密箔材的方法，包括下述步骤：步骤1，准备铜板基体：选择与工作台尺寸相匹配，厚度为3～5mm的铜板，对铜板基体的表面进行抛光处理，铜板基体要求上下表面平整，表面粗糙度为Ra0.1μm以下；下表面与工作台面接触良好，具有很好的导热性。
步骤2，金属线材的预处理，选直径为2.0mm的金属线材，对金属线材进行清洗、干燥、拉直与打磨，去除金属线材上的杂质；
步骤3，预置喷涂参数，根据事先试验确定的喷涂参数调整好喷涂机参数：放置喷涂沉积铜底板，调整好喷涂枪位置后，关闭喷涂室密封门；
步骤4，喷涂室抽真空及注入保护性气体氩气，喷涂前喷涂室抽真空到10pa；然后注入氩气至大气压并保持喷涂室内压力为0.1Mpa；
步骤5，喷涂；采用气体压缩机回收喷涂室内的惰性保护气体以形成高压喷射气流，将气体压缩机的气体入口连接到喷涂室的排气口，气体压缩机将喷涂室内的回收惰性气体回收压缩到0.5～0.8MPa压力后，通过喷涂管路送入到喷枪内进行熔滴雾化和喷射；待铜板基体喷涂面完全喷涂后，停止喷涂设备，结束喷涂过程；
步骤6，喷涂结束后，首先将喷涂室减压阀开启，使室内压力降低至室内大气压0.1±10％Kpa，然后打开密封门，进行空气置换后，再进入室内取出喷涂铜板基体；
步骤7，检查喷涂效果，然后从铜板基体上取下喷涂薄板，通过高压气流冲击将喷涂薄板与铜板基体剥离；并测试喷涂厚度；
步骤8，将喷涂薄板进行轧制，以达到所需板厚的精薄板。
如图所示，喷涂室1体积根据生产规模及喷涂件尺寸要求确定。对于试制可设置为5m*2m*2m。工作台2为长宽高3m*1.5m*(300～500)mm。台面为厚度时30mm的通水冷却。喷涂铜底板面积与工作台相当，厚度为3～5mm的铜板。对铜底板的要求是上下表面平整，表面粗糙度为Ra<0.1μm。
根据喷涂底板尺寸，选择能够满足喷涂区域要求的龙门式移动装置3设置在工作台的外围，对于试制可选择长度为3.5m*1.8m高度可调的龙门式调节装置。龙门式调节机构通过三个伺服电机及相应减速机构调速控制喷涂速度等参数。
喷涂室1通过气体压缩机入口管线7与气体压缩机9连接，气体压缩机9通过喷涂气体前管路13连接电弧喷涂机14，电弧喷涂机14与第一喷涂电缆16、第二喷涂电缆18及喷涂气体后管路17的一端连接，第一喷涂电缆16、第二喷涂电缆18及喷涂气体后管路17的另一端连接喷枪4；第一焊丝盘10和第二焊丝盘12通过送丝机11将第一喷丝5和第二喷丝6送至喷枪处；电弧喷涂机14连接有系统控制柜8；氩气气源19、真空泵22及喷涂室1之间通过转换三通21和管路连通。
本发明的方法主要包括喷涂前的准备，电弧喷涂制备箔材以及精密轧制三部分。在喷涂前，首先需要准备电弧喷涂设备及工作环境，即需要一个真空空间环境，在空间中放置喷涂平台底板，底板系由大厚铜板(厚度为10mm以上)制作，其中间为通冷却循环水系统。底板表面需平整且经过打磨抛光。喷涂设备以丝极电弧喷涂，第一喷丝5、第二喷丝6直径为2.0mm。为防止喷涂制备箔材在喷涂过程中材质发生变化，丝极电弧燃烧过程及熔滴的高压气流雾化过程都需要在惰性气体氩气保护下进行。为减少氩气的使用，雾化高压气流采用气体压缩机9回收喷涂室内的惰性保护气体以形成高压喷射气流，为此需要将气体压缩机气体入口7连接到喷涂室1的排气口。气体压缩机将喷涂室内的回收惰性气体回收压缩到0.5～0.8MPa压力后，通过喷涂气体前管路13、喷涂气体后管路17送入到喷枪4内进行熔滴雾化和喷射。在喷涂之前，首先需要将喷涂室1、气体压缩机9、喷涂气体前管路13、喷涂气体后管路17及氩气管路20的空气进行真空化处理，然后向系统内注入惰性保护气体。喷涂开始后，气体压缩机回收喷涂室内的惰性保护气体并压缩形成高压气流进行喷涂，这样就能形成一个循环回路，减少保护气体的使用。喷涂结束后，关闭气体压缩机9和电弧喷涂机14，打开喷涂室入口取出已经喷涂完毕的铜板底座，通过高压气流冲击进行剥离喷涂薄板。精密薄板轧制，将剥离下的喷涂薄板进行热轧或冷轧精轧制以达到所需板厚。本发明的喷涂过程需要自动化控制，主要控制喷涂枪的高度、喷涂摆动幅度以及铜底板的移动速度和喷涂参数(主要是喷涂送丝速度、喷涂电流、喷涂电压)以获得所需要的喷涂薄板厚度。本发明的喷涂之前的喷涂室真空处理以及喷涂过程中惰性气体的回收压缩过程以及喷涂过程中的气流调节都需要在相关自动控制或喷涂机器人操作条件下进行。
应用实施例1：
使用不锈钢丝牌号S316L，主要合金成分为C≤0.03，Si≤0.65，Mn1.0～2.5，P≤0.03，S≤0.03，Cr 18.0～20.0，Ni 11.0～14.0，Mo 2.0～3.0，Cu≤0.75，喷涂参数：电流140A，电压28V，喷涂速度150mm/min，得到厚度为83±5％μm的不锈钢箔材，最终轧制厚度为18±5％μm。
应用实施例2：
使用不锈钢丝牌号S309MoL，主要合金成分为C≤0.03，Si≤0.65，Mn1.0～2.5，P≤0.03，S≤0.03，Cr 23.0～25.0，Ni 12.0～14.0，Mo 2.0～3.0，Cu≤0.75，喷涂参数：电流150A，电压28V，喷涂速度150mm/min，得到厚度为88±5％μm的不锈钢箔材，最终轧制厚度为20±5％μm。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个引用结构”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种在氩气保护下的结合电弧喷涂和轧制工艺制备不锈钢精密箔材的方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1，准备铜板基体：选择与工作台尺寸相匹配，厚度为3～5mm的铜板，铜板基体要求上下表面平整，表面粗糙度为Ra<0.1μm；
步骤2，金属线材的预处理，选直径为2.0mm的金属线材，对金属线材进行清洗、干燥、拉直与打磨，去除金属线材上的杂质；
步骤3，预置喷涂参数，连接喷涂室内各设备，根据事先试验确定的喷涂参数调整好喷涂机参数：放置喷涂沉积铜底板，调整好喷涂枪位置后，关闭喷涂室密封门；
步骤4，喷涂室抽真空及注入保护性气体氩气，喷涂前喷涂室抽真空到10pa；然后注入氩气至大气压并保持喷涂室内压力为0.1Mpa；
步骤5，喷涂；待铜板基体喷涂面完全喷涂后，停止喷涂设备，结束喷涂过程；
步骤6，喷涂结束后，首先将喷涂室减压阀开启，使室内压力降低至室内大气压0.1±10％Kpa，然后打开密封门，进行空气置换后，再进入室内取出喷涂铜板基体；
步骤7，检查喷涂效果，然后从铜板基体上取下喷涂薄板，并测试喷涂薄板厚度；
步骤8，将喷涂薄板进行轧制，以达到所需板厚的精薄板。
2.根据权利要求1所述的一种在氩气保护下的结合电弧喷涂和轧制工艺制备不锈钢精密箔材的方法，其特征在于所述的步骤1中，对铜板基体的表面进行抛光处理。
3.根据权利要求1所述的一种在氩气保护下的结合电弧喷涂和轧制工艺制备不锈钢精密箔材的方法，其特征在于所述的步骤3中，喷涂参数为：电流140～220A，电压28～33V，喷涂速度80～150mm/min。
4.根据权利要求1所述的一种在氩气保护下的结合电弧喷涂和轧制工艺制备不锈钢精密箔材的方法，其特征在于所述的步骤3中，连接喷涂室内各设备包括：喷涂室通过气体压缩机入口管线与气体压缩机连接，气体压缩机通过喷涂气体前管路连接电弧喷涂机，电弧喷涂机与第一喷涂电缆、第二喷涂电缆及喷涂气体后管路的一端连接，第一喷涂电缆、第二喷涂电缆及喷涂气体后管路的另一端连接喷枪；第一焊丝盘和第二焊丝盘通过送丝机将第一喷丝和第二喷丝送至喷枪处；电弧喷涂机连接有系统控制柜；氩气气源、真空泵及喷涂室之间通过转换三通和管路连通。
5.根据权利要求1所述的一种在氩气保护下的结合电弧喷涂和轧制工艺制备不锈钢精密箔材的方法，其特征在于所述的步骤5中，采用气体压缩机回收喷涂室内的惰性保护气体以形成高压喷射气流，将气体压缩机的气体入口连接到喷涂室的排气口，气体压缩机将喷涂室内的回收惰性气体回收压缩到0.5～0.8MPa压力后，通过喷涂管路送入到喷枪内进行熔滴雾化和喷射。
6.根据权利要求1所述的一种在氩气保护下的结合电弧喷涂和轧制工艺制备不锈钢精密箔材的方法，其特征在于所述的步骤7中，通过高压气流冲击将喷涂薄板与铜板基体剥离。
7.根据权利要求1所述的一种在氩气保护下的结合电弧喷涂和轧制工艺制备不锈钢精密箔材的方法，其特征在于所述的步骤7中，喷涂薄板厚度保持在70～110μm。
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