CN117626273A - 一种球墨铸铁管的表面处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及球墨铸铁管铸造生产领域，具体公开了一种球墨铸铁管的表面处理工艺。本发明通过对球墨铸铁管依次进行退火处理、激光熔覆合金粉末和调质热处理，成功制备了一种表面无空洞，力学性能优异且防腐性能和服役寿命高的球墨铸铁管。利用本发明提供的球墨铸铁管的表面处理工艺有效解决了现有技术中填孔烧结处理的操作复杂，且易导致球墨铸铁管出现新的组织应力以及填孔材料与球墨铸铁管的结合有限的技术问题，为球墨铸铁管的发展提供了新思路。
Description
技术领域
本发明涉及球墨铸铁管铸造生产领域，具体公开了一种球墨铸铁管的表面处理工艺。
背景技术
球墨铸铁管具有管壁薄、韧性好、强度高、耐腐蚀等优点，其采用柔性接口，施工方便，运行安全，机械性能接近钢管但耐腐蚀性能却优于钢管，是目前国际上最通用的输水管材。由于在铸造过程中操作不当，容易造成管材表面出现孔洞，导致后续涂覆不良，管材的防腐蚀性差，缩短管材的服役寿命。
目前，主要通过填孔加烧结处理的方式来解决上述问题。但是，填孔烧结的操作过于复杂，对操作者要求较高，且部分填孔处理烧结会导致球墨铸铁其他没有烧结的部位出现新的组织应力，从而导致球墨铸铁管出现质量缺陷。
并且，现有技术中所用填孔材料多是通过粘结剂涂覆于球墨铸铁管表面，即便是经过烧结处理，但是其与球墨铸铁管的结合力有限，在实际使用过程中，会出现部分脱落，导致球墨铸铁管的使用寿命降低。因此，研发一种新的球墨铸铁管的表面处理工艺对于球墨铸铁管的发展具有重要进步意义。
发明内容
针对现有技术中填孔烧结处理的操作复杂，且易导致球墨铸铁管出现新的组织应力以及填孔材料与球墨铸铁管的结合有限的技术问题，本发明提供了一种球墨铸铁管的表面处理工艺。本发明利用退火处理工艺、激光熔覆工艺和调质热处理工艺结合，有限消除了球墨铸铁管中基材的组织应力，且避免了产生新的组织应力，而且通过激光熔覆的方法在球墨铸铁管表面熔覆了一层合金粉末，填孔的同时不仅提高了球墨铸铁管的力学性能和防腐性能，还有效提高了球墨铸铁管的服役寿命。
为达到上述发明目的，本发明提供了如下的技术方案。
步骤一、将球墨铸铁管送入退火炉中，升温至900℃-980℃，保温，快速降温至700℃-750℃，再缓慢降温至500℃-600℃，出炉，冷却，得退火处理的球墨铸铁管；
步骤二、将所述退火处理的球墨铸铁管表面打磨，采用激光熔覆工艺将合金粉末熔覆在其表面，得表面处理的球墨铸铁管；
步骤三、将所述表面处理的球墨铸铁管送入调质炉中，一次升温至800℃-850℃，进行一次保温，水冷，然后二次升温至500℃-550℃，进行二次保温，出炉，冷却，得球墨铸铁管。
其中，所述合金粉末包括如下质量份数的原料组分：20-30份的铜镍合金粉末、10-20份的镍锌合金粉末、5-10份的高熵合金粉末和余量铜锌合金粉末。
相比于现有技术，本发明将球墨铸铁管进行退火处理后，又采用及激光熔覆工艺将合金粉末熔覆于球墨铸铁管表面，最后通过调质热处理完成球墨铸铁管的表面处理工艺。本发明将球墨铸铁管进行高温退火处理，利用分段式冷却的操作，能够细化球墨铸铁管的基材组织，利用快速降温和缓慢降温结合，放大球墨铸铁管表面的孔洞，便于后续熔覆，消除了球墨铸铁管组织间的内应力，也减少了球墨铸铁管管材的变形和裂纹的倾向。退火处理后，本发明对球墨铸铁管表面进行了激光熔覆处理，将合金粉末熔覆与球墨铸铁管表面，不仅可以填补球墨铸铁管表面的孔洞，也可以提高球墨铸铁管外表面的防腐性能。此外，本发明还对熔覆了合金粉末层的球墨铸铁管进行了调质热处理，调质热处理一方面可以将退火后残余的应力消除，提升球墨铸铁管的力学性能，还可以利用热处理进一步提升熔覆在其表面的合金粉末层的附着强度，避免使用过程出现脱落导致降低球墨铸铁管的使用寿命。
优选的，所述合金粉末包括如下质量份数的原料组分：25-28份的铜镍合金粉末、12-16份的镍锌合金粉末、7-9份的高熵合金粉末和余量铜锌合金粉末。
进一步优选的，所述合金粉末的粒径为0.05mm-0.1mm。
优选的，所述高熵合金粉末为AlCoCuFeNi系高熵合金，其化学通式为AlxCoCuFeNi2，其中，0.3≤x≤0.5。
进一步优选的，所述高熵合金粉末为Al0.4CoCuFeNi2高熵合金粉末。
进一步优选的，所述AlCoCuFeNi系高熵合金粉末的制备方法包括如下步骤：
S1、以铝粉、钴粉、铜粉、铁粉和镍粉为原料，按照原子摩尔比计算称取各原料粉末，混合均匀，得所述混合金属粉末；
S2、在惰性氛围下，将所述混合金属粉末于球磨机中以600rpm-700rpm的转速球磨15h-18h，干燥1h-3h，得所述AlCoCuFeNi系高熵合金粉末。
优选的，步骤一中，所述升温采用程序升温的方式进行升温，升温速率为20℃/min-30℃/min。
优选的，步骤一中，所述快速降温和缓慢降温均采用程序降温的方式进行降温，其中，所述快速降温的降温速率为35℃/min-40℃/min，所述缓慢降温的降温速率为15℃/min-20℃/min。
优选的，步骤二中，所述激光熔覆工艺的激光功率为2000W-2500W，光斑直径1.5mm-2.0mm，扫描线速度为200mm/min-350mm/min。
优选的，步骤二中，所述熔覆厚度为0.5mm-1mm。
优选的，步骤一中，所述保温的时间为20min-50min。
优选的，步骤三中，所述一次保温的时间为1h-2h。
优选的，步骤三中，所述二次保温的时间为2h-3h。
优选的，步骤三中，所述一次升温和二次升温均采用程序升温的方式进行升温，其中，所述一次升温的升温速率为20℃/min-30℃/min；所述二次升温的升温速率为15℃/min-20℃/min。
综上所述，本发明提供了一种球墨铸铁管的表面处理工艺，本发明利用退火工艺、激光熔覆工艺结合调质热处理工艺成功制得一种表面熔覆合金粉末层的球墨铸铁管。本发明所提供的球墨铸铁管不仅具有优异的力学性能，还具备高防腐性能和长服役寿命，有效解决了现有技术中填孔烧结处理的操作复杂，且易导致球墨铸铁管出现新的组织应力以及填孔材料与球墨铸铁管的结合有限的技术问题。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供了一种球墨铸铁管的表面处理工艺，具体包括如下步骤：
步骤一、将球墨铸铁管送入退火炉中，以25℃/min的升温速率升温至930℃，保温30min，以40℃/min的降温速率快速降温至720℃，再以20℃/min的降温速率缓慢降温至540℃，出炉，自然冷却至室温，得退火处理的球墨铸铁管；
步骤二、将所述退火处理的球墨铸铁管表面用砂纸打磨，采用激光熔覆工艺将合金粉末熔覆在其表面，其中，所述激光熔覆工艺的激光功率为2200W，光斑直径1.8mm，扫描线速度为300mm/min，得表面处理的球墨铸铁管；
步骤三、将所述表面处理的球墨铸铁管送入调质炉中，以25℃/min的升温速率一次升温至820℃，一次保温1.5h，水冷至室温，再以15℃/min的升温速率二次升温至520℃，二次保温2.5h，出炉，冷却至室温，得球墨铸铁管。
其中，所述合金粉末包括如下质量份数的原料组分：250g的铜镍合金粉末、150g的镍锌合金粉末、80g的Al0.4CoCuFeNi2高熵合金粉末和余量铜锌合金粉末。
所述高熵合金粉末的制备方法包括如下步骤：
S1、以2.8g铝粉、15.34钴粉、16.64铜粉、14.56铁粉和30.68镍粉为原料，称取各原料粉末，混合均匀，得所述混合金属粉末；
S2、在惰性氛围下，将所述混合金属粉末于球磨机中以650rpm的转速球磨17h，干燥2h，得所述Al0.4CoCuFeNi2高熵合金粉末。
实施例2
本实施例提供了一种球墨铸铁管的表面处理工艺，具体包括如下步骤：
步骤一、将球墨铸铁管送入退火炉中，以22℃/min的升温速率升温至950℃，保温30min，以35℃/min的降温速率快速降温至700℃，再以18℃/min的降温速率缓慢降温至576℃，出炉，自然冷却至室温，得退火处理的球墨铸铁管；
步骤二、将所述退火处理的球墨铸铁管表面用砂纸打磨，采用激光熔覆工艺将合金粉末熔覆在其表面，其中，所述激光熔覆工艺的激光功率为2000W，光斑直径1.5mm，扫描线速度为250mm/min，得表面处理的球墨铸铁管；
步骤三、将所述表面处理的球墨铸铁管送入调质炉中，以22℃/min的升温速率一次升温至810℃，一次保温1.5h，水冷至室温，再以20℃/min的升温速率二次升温至520℃，二次保温2.5h，出炉，冷却至室温，得球墨铸铁管。
其中，所述合金粉末包括如下质量份数的原料组分：270g的铜镍合金粉末、100g的镍锌合金粉末、80g的Al0.4CoCuFeNi2高熵合金粉末和余量铜锌合金粉末。
所述高熵合金粉末的制备方法包括如下步骤：
S1、以2.8g铝粉、15.34钴粉、16.64铜粉、14.56铁粉和30.68镍粉为原料，称取各原料粉末，混合均匀，得所述混合金属粉末；
S2、在惰性氛围下，将所述混合金属粉末于球磨机中以600rpm的转速球磨18h，干燥3h，得所述Al0.4CoCuFeNi2高熵合金粉末。
实施例3
本实施例提供了一种球墨铸铁管的表面处理工艺，具体包括如下步骤：
步骤一、将球墨铸铁管送入退火炉中，以20℃/min的升温速率升温至900℃，保温30min，以35℃/min的降温速率快速降温至735℃，再以20℃/min的降温速率缓慢降温至560℃，出炉，自然冷却至室温，得退火处理的球墨铸铁管；
步骤二、将所述退火处理的球墨铸铁管表面用砂纸打磨，采用激光熔覆工艺将合金粉末熔覆在其表面，其中，所述激光熔覆工艺的激光功率为2500W，光斑直径1.8mm，扫描线速度为350mm/min，得表面处理的球墨铸铁管；
步骤三、将所述表面处理的球墨铸铁管送入调质炉中，以25℃/min的升温速率一次升温至820℃，一次保温1.5h，水冷至室温，再以15℃/min的升温速率二次升温至520℃，二次保温2.5h，出炉，冷却至室温，得球墨铸铁管。
其中，所述合金粉末包括如下质量份数的原料组分：200g的铜镍合金粉末、200g的镍锌合金粉末、50g的Al0.4CoCuFeNi2高熵合金粉末和余量铜锌合金粉末。
所述高熵合金粉末的制备方法包括如下步骤：
S1、以1.8g铝粉、9.58钴粉、10.39铜粉、9.09铁粉和19.16镍粉为原料，称取各原料粉末，混合均匀，得所述混合金属粉末；
S2、在惰性氛围下，将所述混合金属粉末于球磨机中以650rpm的转速球磨17h，干燥2h，得所述Al0.4CoCuFeNi2高熵合金粉末。
实施例4
本实施例提供了一种球墨铸铁管的表面处理工艺，具体包括如下步骤：
步骤一、将球墨铸铁管送入退火炉中，以25℃/min的升温速率升温至930℃，保温30min，以40℃/min的降温速率快速降温至720℃，再以20℃/min的降温速率缓慢降温至550℃，出炉，自然冷却至室温，得退火处理的球墨铸铁管；
步骤二、将所述退火处理的球墨铸铁管表面用砂纸打磨，采用激光熔覆工艺将合金粉末熔覆在其表面，其中，所述激光熔覆工艺的激光功率为2200W，光斑直径1.8mm，扫描线速度为300mm/min，得表面处理的球墨铸铁管；
步骤三、将所述表面处理的球墨铸铁管送入调质炉中，以25℃/min的升温速率一次升温至820℃，一次保温1.5h，水冷至室温，再以15℃/min的升温速率二次升温至520℃，二次保温2.5h，出炉，冷却至室温，得球墨铸铁管。
其中，所述合金粉末包括如下质量份数的原料组分：250g的铜镍合金粉末、150g的镍锌合金粉末、100g的Al0.4CoCuFeNi2高熵合金粉末和余量铜锌合金粉末。
所述高熵合金粉末的制备方法包括如下步骤：
S1、以3.51g铝粉、19.16钴粉、20.79铜粉、18.19铁粉和38.33镍粉为原料，称取各原料粉末，混合均匀，得所述混合金属粉末；
S2、在惰性氛围下，将所述混合金属粉末于球磨机中以700rpm的转速球磨17h，干燥3h，得所述Al0.4CoCuFeNi2高熵合金粉末。
实施例5
本实施例提供了一种球墨铸铁管的表面处理工艺，具体包括如下步骤：
步骤一、将球墨铸铁管送入退火炉中，以25℃/min的升温速率升温至930℃，保温30min，以40℃/min的降温速率快速降温至720℃，再以20℃/min的降温速率缓慢降温至550℃，出炉，自然冷却至室温，得退火处理的球墨铸铁管；
步骤二、将所述退火处理的球墨铸铁管表面用砂纸打磨，采用激光熔覆工艺将合金粉末熔覆在其表面，其中，所述激光熔覆工艺的激光功率为2200W，光斑直径1.8mm，扫描线速度为300mm/min，得表面处理的球墨铸铁管；
步骤三、将所述表面处理的球墨铸铁管送入调质炉中，以20℃/min的升温速率一次升温至820℃，一次保温1.5h，水冷至室温，再以20℃/min的升温速率二次升温至520℃，二次保温2.5h，出炉，冷却至室温，得球墨铸铁管。
其中，所述合金粉末包括如下质量份数的原料组分：300g的铜镍合金粉末、100g的镍锌合金粉末、80g的Al0.4CoCuFeNi2高熵合金粉末和余量铜锌合金粉末。
所述高熵合金粉末的制备方法包括如下步骤：
S1、以2.8g铝粉、15.34钴粉、16.64铜粉、14.56铁粉和30.68镍粉为原料，称取各原料粉末，混合均匀，得所述混合金属粉末；
S2、在惰性氛围下，将所述混合金属粉末于球磨机中以650rpm的转速球磨17h，干燥2h，得所述Al0.4CoCuFeNi2高熵合金粉末。
对比例1
本对比例提供了一种球墨铸铁管的表面处理工艺，与实施例1的区别在于所用合金粉末不含高熵合金粉末，具体包括如下步骤：
步骤一、将球墨铸铁管送入退火炉中，以25℃/min的升温速率升温至930℃，保温30min，以40℃/min的降温速率快速降温至720℃，再以20℃/min的降温速率缓慢降温至550℃，出炉，自然冷却至室温，得退火处理的球墨铸铁管；
步骤二、将所述退火处理的球墨铸铁管表面用砂纸打磨，采用激光熔覆工艺将合金粉末熔覆在其表面，其中，所述激光熔覆工艺的激光功率为2200W，光斑直径1.8mm，扫描线速度为300mm/min，得表面处理的球墨铸铁管；
步骤三、将所述表面处理的球墨铸铁管送入调质炉中，以25℃/min的升温速率一次升温至820℃，一次保温1.5h，水冷至室温，再以15℃/min的升温速率二次升温至520℃，二次保温2.5h，出炉，冷却至室温，得球墨铸铁管。
其中，所述合金粉末包括如下质量份数的原料组分：250g的铜镍合金粉末、150g的镍锌合金粉末和余量铜锌合金粉末。
对比例2
本对比例提供了一种球墨铸铁管的表面处理工艺，与实施例1的区别在于步骤三的调质热处理只有一次升温，其他的成分和工艺不变，具体包括如下步骤：
步骤一、将球墨铸铁管送入退火炉中，以25℃/min的升温速率升温至930℃，保温30min，以40℃/min的降温速率快速降温至720℃，再以20℃/min的降温速率缓慢降温至550℃，出炉，自然冷却至室温，得退火处理的球墨铸铁管；
步骤二、将所述退火处理的球墨铸铁管表面用砂纸打磨，采用激光熔覆工艺将合金粉末熔覆在其表面，其中，所述激光熔覆工艺的激光功率为2200W，光斑直径1.8mm，扫描线速度为300mm/min，得表面处理的球墨铸铁管；
步骤三、将所述表面处理的球墨铸铁管送入调质炉中，以25℃/min的升温速率升温至820℃，保温1.5h，出炉，冷却至室温，得球墨铸铁管。
其中，所述合金粉末包括如下质量份数的原料组分：250g的铜镍合金粉末、150g的镍锌合金粉末、90g的Al0.4CoCuFeNi2高熵合金粉末和余量铜锌合金粉末。
所述高熵合金粉末的制备方法包括如下步骤：
S1、以2.8g铝粉、15.34钴粉、16.64铜粉、14.56铁粉和30.68镍粉为原料，称取各原料粉末，混合均匀，得所述混合金属粉末；
S2、在惰性氛围下，将所述混合金属粉末于球磨机中以650rpm的转速球磨17h，干燥2h，得所述Al0.4CoCuFeNi2高熵合金粉末。
对比例3
本对比例提供了一种球墨铸铁管的表面处理工艺，与实施例1的区别在于步骤一中不需要分段降温，其他的成分和工艺不变，具体包括如下步骤：
步骤一、将球墨铸铁管送入退火炉中，以25℃/min的升温速率升温至930℃，保温30min，以40℃/min的降温速率快速降温至550℃，出炉，自然冷却至室温，得退火处理的球墨铸铁管；
步骤二、将所述退火处理的球墨铸铁管表面用砂纸打磨，采用激光熔覆工艺将合金粉末熔覆在其表面，其中，所述激光熔覆工艺的激光功率为2200W，光斑直径1.8mm，扫描线速度为300mm/min，得表面处理的球墨铸铁管；
步骤三、将所述表面处理的球墨铸铁管送入调质炉中，以25℃/min的升温速率一次升温至820℃，一次保温1.5h，水冷至室温，再以15℃/min的升温速率二次升温至520℃，二次保温2.5h，出炉，冷却至室温，得球墨铸铁管。
其中，所述合金粉末包括如下质量份数的原料组分：250g的铜镍合金粉末、150g的镍锌合金粉末、90g的Al0.4CoCuFeNi2高熵合金粉末和余量铜锌合金粉末。
所述高熵合金粉末的制备方法包括如下步骤：
S1、以2.8g铝粉、15.34钴粉、16.64铜粉、14.56铁粉和30.68镍粉为原料，称取各原料粉末，混合均匀，得所述混合金属粉末；
S2、在惰性氛围下，将所述混合金属粉末于球磨机中以650rpm的转速球磨17h，干燥2h，得所述Al0.4CoCuFeNi2高熵合金粉末。
为了进一步体现本发明的技术效果，本发明对实施例1-5和对比例1-3提供的处理后的球墨铸铁管进行了性能测试，根据GB/T13295-2019标准测试了所得球墨铸铁管的力学性能，还测试了所得球墨铸铁管的耐磨性能(ASTM D4060标准)、耐腐蚀性能以及抗冲击性能(ASTM G14-2004标准)。其中，所述耐腐蚀性的具体操作为：将球墨铸铁管表面涂覆腐蚀液，所用腐蚀液为35％的硫酸溶液或15％的氢氧化钠溶液，放置3个月，观察情况。具体测试结果如表1所示。
表1球墨铸铁管性能测试结果
根据表1可以看出，本发明实施例提供的球墨铸铁管的机械性能良好，耐腐蚀性能优异，抗冲击性能也较优异。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种球墨铸铁管的表面处理工艺，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将球墨铸铁管送入退火炉中，升温至900℃-980℃，保温，快速降温至700℃-750℃，再缓慢降温至500℃-600℃，出炉，冷却，得退火处理的球墨铸铁管；
步骤二、将所述退火处理的球墨铸铁管表面打磨，采用激光熔覆工艺将合金粉末熔覆在其表面，得表面处理的球墨铸铁管；
步骤三、将所述表面处理的球墨铸铁管送入调质炉中，一次升温至800℃-850℃，进行一次保温，水冷，然后二次升温至500℃-550℃，进行二次保温，出炉，冷却，得球墨铸铁管；
其中，所述合金粉末包括如下质量份数的原料组分：20-30份的铜镍合金粉末、10-20份的镍锌合金粉末、5-10份的高熵合金粉末和余量铜锌合金粉末。
2.如权利要求1所述的球墨铸铁管的表面处理工艺，其特征在于：所述合金粉末包括如下质量份数的原料组分：25-28份的铜镍合金粉末、12-16份的镍锌合金粉末、7-9份的高熵合金粉末和余量铜锌合金粉末。
3.如权利要求1或2任一项所述的球墨铸铁管的表面处理工艺，其特征在于：所述高熵合金粉末为AlCoCuFeNi系高熵合金，其化学通式为AlxCoCuFeNi2，其中，0.3≤x≤0.5。
4.如权利要求3所述的球墨铸铁管的表面处理工艺，其特征在于：所述AlCoCuFeNi系高熵合金粉末的制备方法包括如下步骤：
S1、以铝粉、钴粉、铜粉、铁粉和镍粉为原料，按照原子摩尔比计算称取各原料粉末，混合均匀，得所述混合金属粉末；
S2、在惰性氛围下，将所述混合金属粉末于球磨机中以600rpm-700rpm的转速球磨15h-18h，干燥1h-3h，得所述AlCoCuFeNi系高熵合金粉末。
5.如权利要求1所述的球墨铸铁管的表面处理工艺，其特征在于：步骤一中，所述升温采用程序升温的方式进行升温，升温速率为20℃/min-30℃/min。
6.如权利要求1所述的球墨铸铁管的表面处理工艺，其特征在于：步骤一中，所述快速降温和缓慢降温均采用程序降温的方式进行降温，其中，所述快速降温的降温速率为35℃/min-40℃/min，所述缓慢降温的降温速率为15℃/min-20℃/min。
7.如权利要求1所述的球墨铸铁管的表面处理工艺，其特征在于：步骤二中，所述激光熔覆工艺的激光功率为2000W-2500W，光斑直径1.5mm-2.0mm，扫描线速度为200mm/min-350mm/min。
8.如权利要求1所述的球墨铸铁管的表面处理工艺，其特征在于：步骤二中，所述熔覆厚度为0.5mm-1mm。
9.如权利要求1所述的球墨铸铁管的表面处理工艺，其特征在于：步骤一中，所述保温的时间为20min-50min；和/或
步骤三中，所述一次保温的时间为1h-2h；和/或
步骤三中，所述二次保温的时间为2h-3h。
10.如权利要求1所述的球墨铸铁管的表面处理工艺，其特征在于：步骤三中，所述一次升温和二次升温均采用程序升温的方式进行，其中，所述一次升温的升温速率为20℃/min-30℃/min；所述二次升温的升温速率为15℃/min-20℃/min。
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