專利名稱：鑄鋼工件表面高速火焰噴涂耐熱合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬表面噴涂技術(shù)，尤其是一種改善鑄鋼表面抗熱沖擊性能的鑄鋼工件 表面高速火焰噴涂耐熱合金的方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著噴涂技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在材料基體上制備涂層的技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。 其中氧一乙炔火焰噴涂具有成本低、噴涂效率高、操作簡(jiǎn)便及應(yīng)用范圍廣泛等特點(diǎn)而受到關(guān) 注。但是，常規(guī)火焰噴涂是以氧一乙炔火焰來(lái)熔化待噴涂的合金粉末，普通噴槍中沒(méi)有可供 氧與燃料進(jìn)行燃燒的高溫高壓燃燒室，燃燒產(chǎn)物直接由混合室噴出，所以焰流速度慢、熱量 不集中、粉末在空氣中的時(shí)間長(zhǎng)，使涂層粗糙多孔，而且氧化物和未熔顆粒多，涂層的結(jié)合 強(qiáng)度低，易產(chǎn)生裂紋并剝落，涂層的厚度也受到限制。所以采用常規(guī)的氧一乙炔火焰噴涂難 以在鑄鋼表面形成結(jié)合牢固的耐熱涂層。
高速火焰噴涂是利用燃?xì)馀c高壓氧氣在特定的高溫高壓燃燒室內(nèi)混合，在壓縮一膨脹式 噴嘴中燃燒并產(chǎn)生高速焰流(焰流速度可達(dá)300m/s以上)，將合金粉末送入該焰流，可將噴 涂粒子加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，并加速噴射出去。高速噴涂顆粒在空氣中停留的時(shí)間很短， 發(fā)生氧化的機(jī)會(huì)極小，所以高速火焰噴涂可減小甚至消除涂層中的氧化物，大幅度提高涂層 的致密度和界面結(jié)合強(qiáng)度。
在鑄鋼表面噴涂一層耐熱合金，能夠大大提高鑄鋼件表面的抗熱沖擊能力。但是，這項(xiàng) 技術(shù)的困難在于鑄鋼與耐熱合金涂層的線膨脹系數(shù)相差大，兩者之間難以形成穩(wěn)定的冶金結(jié) 合，而且在熱噴涂過(guò)程中在結(jié)合界面會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致零部件在使用過(guò)程中易產(chǎn)生涂 層剝離，影響產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。為此，人們多年來(lái)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，采用的措施 主要有堆焊、多元共滲和熱噴涂。其中采用等離子弧在鑄鋼表面進(jìn)行堆焊，焊前須采用氧-乙炔火焰將工件預(yù)熱到450 — 50(TC，工藝復(fù)雜、生產(chǎn)率低，成本較高。
隨著熱噴涂技術(shù)的發(fā)展，在鋼鐵零部件表面進(jìn)行噴涂以提高其使用壽命受到人們的關(guān)注。 新日本制鐵公司以含Co、 Cr等的鎳基自熔合金為打底層，采用Al203+Zr必為工作層對(duì)材料表 面進(jìn)行噴涂，取得提高零部件使用壽命的效果。與AlA+ZrA粉末合金相比，Ni-Cr合金粉末 成本低、抗高溫氧化能力強(qiáng)，如果能在鑄鋼零部件表面成功噴涂含Ni-Cr合金的合金層，將 能夠大大延長(zhǎng)鑄鋼零部件在高溫環(huán)境中的使用壽命。經(jīng)檢索，有關(guān)在鑄鋼表面通過(guò)高速氧一 乙炔火焰噴涂耐熱合金尤其是Ni-Cr合金的方法還未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可在鑄鋼零部件表面獲得抗熱沖 擊能力好的合金涂層，滿足鑄鋼零部件在高溫條件下使用要求的鑄鋼工件表面高速火焰噴涂 耐熱合金的方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案 一種鑄鋼工件表面高速氧一乙炔火焰噴涂 耐熱合金的方法，包括以下步驟
1) 對(duì)鑄鋼工件表面進(jìn)行預(yù)處理和粗化處理；
2) 采用高速氧-乙炔火焰熱噴涂方法對(duì)鑄鋼工件表面噴涂打底層，工藝參數(shù)為氧氣壓力 0.2MPa — 0.8MPa，乙炔壓力O. 06MPa —0. 12MPa,噴涂距離120咖一 180mm，送粉量10g/min — 25g/min,噴涂角度75。 一85° ，獲得的打底層厚度20 y m_60 u m;
3) 采用高速氧-乙炔火焰熱噴涂方法對(duì)鑄鋼工件表面噴涂工作層，工藝參數(shù)為氧氣壓 力0.3MPa —0.9MPa,乙炔壓力O. 06MPa_0. 14MPa，噴涂距離120mm—200mm,送粉量20g/min 一45g/min,噴涂角度75°—85°，獲得的工作層厚度40 P m—120w m;工作層以步驟3)的方法 和條件重復(fù)噴涂2—4層。
上述在鑄鋼工件表面高速氧一乙炔火焰噴涂耐熱耐磨合金的方法中，所述鑄鋼工件的化 學(xué)成分以重量百分比計(jì)為C 0. 12%—0. 62%, Mn 0. 35%-0. 80%, Si 0. 20%—0. 45%， S和P分別 為0. 04%-0. 06%，其余為Fe。
所述步驟l)中的預(yù)處理是指對(duì)鑄鋼工件待噴涂表面進(jìn)行噴砂處理或車削加工，以去除鑄 鋼工件表面的油污和銹蝕。
所述步驟l)中的粗化處理是指對(duì)鑄鋼工件表面用手動(dòng)砂輪進(jìn)行打磨，使之露出光潔粗化 的金屬表面。
所述步驟2)中的打底層采用鎳包鋁復(fù)合粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百 分比計(jì)為Ni 75% 80%、 Al 20% 25%。
所述步驟2)中的工藝參數(shù)優(yōu)選氧氣壓力O. 4MPa—0. 6MPa，乙炔壓力O. 08MPa—0. 10MPa, 噴涂距離140鵬一160咖，送粉量10g/min—20g/min，噴涂角度77。 一82° 。
所述步驟3)中的工作層是含Ni-Cr合金的鎳基自熔性合金粉末，粉末粒度不小于300目， 其成分以重量百分比計(jì)為C 0.5%, Si 3%, B 2%， Fe<3.3%, Ni-Cr合金359t 5096，其余為 Ni。
其中，上述含Ni-Cr合金的鎳基自熔性合金粉末優(yōu)選的成分量，以重量百分比計(jì)為C 0.5%, Si 396， B 2%， Fe<3. 3%' Ni-Cr合金4(W 47X，其余為Ni。
所述步驟3)中的工藝參數(shù)優(yōu)選氧氣壓力O. 5MPa—0. 7MPa，乙炔壓力O. 09MPa—0. 12MPa， 噴涂距離150mm—170咖，送粉量20g/min—45g/min，噴涂角度77。 一82° 。
5本發(fā)明提出的在鑄鋼零部件表面通過(guò)高速氧一乙炔火焰噴涂耐熱合金的工藝方法采用鎳 包鋁復(fù)合粉末，這種粉末在熱噴涂過(guò)程中，當(dāng)被火焰加熱到鋁的熔點(diǎn)(660'C)以上時(shí)，Ni、 Al之間發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，并放出大量的熱量，有利于促進(jìn)打底層與鑄鋼基體之間形成冶
口 o
采用本發(fā)明所述的在鑄鋼表面通過(guò)高速氧一乙炔火焰噴涂耐熱合金的工藝方法獲得的打
底層和工作層組織致密、孔隙率低，噴涂層內(nèi)部多角形的Ni-Cr合金顆粒之間相互嵌合。噴涂
層內(nèi)部的這種組織形態(tài)不僅改善了細(xì)微顆粒間的結(jié)合狀況，而且提高了基體與噴涂層以及噴 涂層與噴涂層之間的界面結(jié)合強(qiáng)度。
與表面等離子弧堆焊和表面滲金屬等工藝方法相比，采用本發(fā)明所述的在鑄鋼表面通過(guò) 高速氧一乙炔火焰噴涂耐熱合金的工藝方法制備的零部件，具有較高的抗氧化性和抗熱震性， 能大大提高鑄鋼零部件的使用壽命。同時(shí)，本發(fā)明所述的技術(shù)還具有操作簡(jiǎn)便、成本低、適 用性強(qiáng)的特點(diǎn)，便于推廣應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例l:
厚度為40mm的圓錐形鑄鋼件，上底面直徑為200mm,下底面直徑為350mra。所述鑄鋼的化 學(xué)成分以重量百分比計(jì)為C 0.20%， Mn 0.55%%， Si 0.36%， S和P分別小于O. 04%，其余為 Fe。在鑄鋼表面采用高速氧-乙炔火焰噴涂的工藝步驟為
(1) 噴砂清理鑄鋼件表面，去除油污和銹蝕。
(2) 用手動(dòng)砂輪打磨待噴涂的鑄鋼泰面，使之露出光潔粗化的金屬表面。
(3) 采用高速氧-乙炔火焰噴涂方法，在鑄鋼件表面噴涂厚度為40um的鎳包鋁合金粉末 作為打底層。工藝參數(shù)為氧氣壓力O. 6MPaMPa，乙炔壓力O. 09MPaMPa，噴涂距離160mm，送 粉量20g/min,噴涂角度80°。
(4) 采用高速氧-乙炔火焰噴涂方法，在打底層上噴涂厚度60um的含Ni-Cr合金的鎳基 自熔性合金粉末作為工作層。工藝參數(shù)為氧氣壓力O. 7MPaMPa，乙炔壓力O. lOMPa,噴涂距 離170mm,送粉量30g/min，噴涂角度82。。
工作層以步驟(4)方法和條件需重復(fù)噴涂3層。
步驟(3)所述的打底層采用鎳包鋁復(fù)合粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百 分比計(jì)為Ni 80%、 Al 20%。
步驟(4)所述的含Ni-Cr合金的鎳基自熔性合金粉末，粉末粒度不小于300目，其成分 以重量百分比計(jì)為C 0.5%， Si 3%， B 2%, Fe<3. 3%， Ni-Cr合金35呢，其余為Ni。
由于鎳包鋁打底層與鑄鋼基體結(jié)合良好，鎳包鋁打底層與工作層之間也形成了良好的冶 金結(jié)合，因此工作層與基體之間實(shí)現(xiàn)了牢固的冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度達(dá)50MPa。這種工藝方法 提高了鑄鋼工件表面的抗熱沖擊性能，其中抗氧化性能比鑄鋼基體提高5倍以上。
6實(shí)施例2:
厚度為30鵬的鑄鋼板，長(zhǎng)、寬尺寸為300ramX100mra。所述鑄鋼的化學(xué)成分以重量百分比 計(jì)為CO. 35%, MnO.60%, Si 0,30%， S和P分別小于O. 04%,其余為Fe。在其表面采用高速 氧-乙炔火焰噴涂一層耐熱合金層，工藝步驟為
(1) 噴砂清理鑄鋼板表面，去除油污和銹蝕。
(2) 用手動(dòng)砂輪打磨鑄鋼板表面，使之露出光潔粗化的金屬表面。
(3) 采用高速氧-乙炔火焰噴涂方法，在鑄鋼表面噴涂厚度為30nm的鎳包鋁合金粉末作 為打底層。工藝參數(shù)為氧氣壓力O. 5MPa,乙炔壓力0. 07MPa,噴涂距離150m,送粉量20g/min, 噴涂角度85°。
(4) 采用高速氧-乙炔火焰噴涂方法，在打底層上噴涂厚度40um的含Ni-Cr合金的鎳基 自熔性合金粉末作為工作層。工藝參數(shù)為氧氣壓力0.6MPa，乙炔壓力0.08MPa，噴涂距離 160鵬，送粉量40g/min,噴涂角度85。。
所述的含Ni-Cr合金的鎳基自熔性合金粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分 比計(jì)為C 0.5%， Si 3%， B 2.5%, Fe<3. 3%, Ni-Cr合金451)6， ！其余為Ni。
由于隨著含Ni-Cr合金的鎳基自熔性合金辨末中Ni-Cr合金含量的增加，得到的噴涂表面 工作層的耐熱性大大提高。
所述的打底層采用鎳包鋁復(fù)合粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比計(jì)為 Ni 80%、 Al 20%。
實(shí)施例3:
厚度為20mm的鑄鋼管材，外徑150mm、長(zhǎng)度250咖。所述鑄鋼的化學(xué)成分以重量百分比計(jì) 為CO. 45%, MnO. 60%， Si 0.35%， S和P分別小于O. 05%，其余為Fe。在該鑄鐵管內(nèi)外表面 采用高速氧-乙炔火焰噴涂一層耐熱合金層，工藝步驟為
(1) 噴涂前對(duì)鑄鋼工件表面進(jìn)行預(yù)處理和粗化處理；所述預(yù)處理是指對(duì)鑄鋼件待噴涂表 面進(jìn)行噴砂處理或車削加工，以去除鑄鋼表面的油污和銹蝕所述粗化處理是指對(duì)鑄鋼表面 進(jìn)行手動(dòng)砂輪打磨，使之露出光潔粗化的金屬表面。
(2) 采用高速氧-乙炔火焰噴涂方法對(duì)鑄鋼工件表面噴涂打底層，工藝參數(shù)為氧氣壓 力0.5MPa，乙炔壓力0.09MPa，噴涂距離150咖，送粉量15g/min,噴涂角度80°,獲得的打底 層厚度40um;
(3) 采用高速氧-乙炔火焰噴涂方法對(duì)鑄鋼工件表面噴涂工作層，工藝參數(shù)為氧氣壓 力O. 6MPa—0.7MPa，乙炔壓力O. 09MPa,噴涂距離160mm，送粉量28/min,噴涂角度78。，獲 得的工作層厚度70nm;
工作層以步驟(3)方法和條件重復(fù)噴涂3層。
步驟(2)所述的打底層采用鎳包鋁復(fù)合粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百 分比計(jì)為Ni 75%、 Al 25%。
步驟(3)所述的工作層是含Ni-Cr合金的鎳基自熔性合金粉末，粉末粒度不小于300目， 其成分以重量百分比計(jì)為C 0.5%, Si 3%， B 2%, Fe<3. 3%， Ni-Cr合金4(^ 47^其余為Ni。
本發(fā)明的實(shí)施，能夠在鑄鋼零部件表面獲得_結(jié)合牢固的含Ni-Cr合金的耐熱合金噴涂層， 可用于鑄鋼零部件表面的耐熱強(qiáng)化與修復(fù)，如耐熱閥門密封面、汽輪機(jī)缸蓋、爐管底座等鑄 鋼件的表面噴涂。也可用于其他類型的鋼鐵材料零部件表面抗熱沖擊涂層的制備或修復(fù)。
權(quán)利要求
1. 一種鑄鋼工件表面高速火焰噴涂耐熱合金的方法，其特征在于，包括以下步驟1)對(duì)鑄鋼工件表面進(jìn)行預(yù)處理和粗化處理；2)采用高速氧-乙炔火焰熱噴涂方法對(duì)鑄鋼工件表面噴涂打底層，工藝參數(shù)為氧氣壓力0.2MPa—0.8MPa，乙炔壓力0.06MPa—0.12MPa，噴涂距離120mm—180mm，送粉量10g/min—25g/min，噴涂角度75°—85°，獲得的打底層厚度20μm—60μm；3)采用高速氧-乙炔火焰熱噴涂方法對(duì)鑄鋼工件表面噴涂工作層，工藝參數(shù)為氧氣壓力0.3MPa—0.9MPa，乙炔壓力0.06MPa—0.14MPa，噴涂距離120mm—200mm，送粉量20g/min—45g/min，噴涂角度75°—85°，獲得的工作層厚度40μm—120μm；工作層以步驟3)的方法和條件重復(fù)噴涂2—4層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄鋼工件表面高速火焰噴涂耐熱合金的方法，其特征在于所述 鑄鋼工件的化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為C 0.12%_0. 62%, Mn 0. 35%-0. 80%， Si 0. 20%—0. 45%, S和P分別為O. 04%-0. 06%,其余為Fe。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄鋼工件表面高速火焰噴涂耐熱合金的方法，其特征在于所述 步驟l)中的預(yù)處理是指對(duì)鑄鋼工件待噴涂表面進(jìn)行噴砂處理或車削加工，以去除鑄鋼工件表 面的油污和銹蝕。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄鋼工件表面高速火焰噴涂耐熱合金的方法，其特征在于所述歩驟l)中的粗化處理是指對(duì)鑄鋼工件表面用手動(dòng)砂輪進(jìn)行打磨，使之露出光潔粗化的金屬表 面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄鋼工件表面高速火焰噴涂耐熱合金的方法，其特征在于所述步驟2)中的打底層采用鎳包鋁復(fù),粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以重量百分比計(jì)為 Ni 75% 80%、 Al 20% 25%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄鋼工件表面高速火焰噴涂耐熱合金的方法，其特征在于所述 步驟2)中的工藝參數(shù)優(yōu)選氧氣壓力O. 4MPa—0. 6MPa，乙炔壓力O. 08MPa—0.10MPa，噴涂距 離140nnn—160nim，送粉量13 g/min—17g/min,噴涂角度77?！?2° 。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄鋼工件表面高速火焰噴涂耐熱合金的方法，其特征在于所述 步驟3)中的工作層是含Ni-Cr合金的鎳基自熔性合金粉末，粉末粒度不小于300目，其成分以 重量百分比計(jì)為C 0.5%, Si 3%， B 2%, Fe<3.3%, Ni-0合金35% 50%，其余為Ni;其中，上述含Ni-Cr合金的鎳基自熔性合金粉末優(yōu)選的成分量，以重量百分比計(jì)為「 0.5%， Si 3%, B 2%， Fe<3. 3%， Ni-Cr合金4(W 47鬼，其余為Ni。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄鋼工件表面高速火焰噴涂耐熱合金的方法，其特征在于所述步驟3)中的工藝參數(shù)優(yōu)選氧氣壓力0.5MPa—0.7MPa，乙炔壓力0. 09MPa—0.12MPa,噴 涂距離150,—170mm，送粉量27g/min—33g/min，噴涂角度77° —82° 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鑄鋼工件表面高速火焰噴涂耐熱合金的方法，包括以下步驟1)對(duì)鑄鋼工件表面進(jìn)行預(yù)處理和粗化處理；2)采用高速氧-乙炔火焰熱噴涂方法對(duì)鑄鋼工件表面噴涂打底層；3)采用高速氧-乙炔火焰熱噴涂方法對(duì)鑄鋼工件表面噴涂工作層，工作層以步驟3)的方法和條件重復(fù)噴涂2-4層。本發(fā)明采用在鑄鋼表面通過(guò)高速氧-乙炔火焰噴涂耐熱合金的工藝方法制備的零部件，具有較高的抗氧化性和抗熱震性，能大大提高鑄鋼零部件的使用壽命。同時(shí)，本發(fā)明所述的技術(shù)還具有操作簡(jiǎn)便、成本低、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，便于推廣應(yīng)用。
文檔編號(hào)C23C4/08GK101463458SQ20081023855
公開(kāi)日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2008年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月18日
發(fā)明者張永蘭, 李亞江, 娟 王 申請(qǐng)人:山東大學(xué)