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不锈 钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法

阅读：168发布：2020-05-14

专利汇可以提供不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种熔化极惰性气体保护焊（MIG）堆焊NiCr 合金和电弧喷涂铝涂层相结合的工艺，属指耐热复合涂层的制备工艺方法。该方法经过表面脱脂、喷砂粗化、熔化极气体保护堆焊及电弧喷涂4步骤，满足一定的工艺参数条件下，实现堆焊和电弧喷涂相结合的工艺。本发明的目的为开发一种熔化极惰性气体保护焊（MIG）堆焊NiCr合金和电弧喷涂铝涂层相结合的工艺，旨在提供一种低成本、高结合、制备耐热复合涂层的工艺。，下面是不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：所述方法按照以下步骤进行：
步骤1.表面脱脂：在不改变零件尺寸的前题下，选用氢氧化钠碱洗液去除预堆焊零件表面的油污；
步骤2.喷砂粗化：使用180目～200目的棕刚玉磨粒对不锈钢表面进行喷砂处理，喷砂角度为80°～90°，压缩空气的压力为0.6MPa～0.7MPa，喷砂距离为100mm～150mm，以表面出现银白色金属光泽为佳；之后利用压缩空气吹净表面粘黏的沙粒；喷砂后试样的表面粗糙度为Ra3.0μm～Ra3.5μm；
步骤3.熔化极气体保护堆焊：使用材料为直径为Φ1.2mm的NiCr 合金丝，其中成分质量分数Cr含量为45％～48％，Ti含量为0.3％～1.0％，其余为Ni；堆焊工艺参数为：焊接电流70A～80A，电弧电压18V～20V，焊接速度5mm/s～8mm/s，保护气体为Ar，气体流量为9～12L/min；
步骤4.电弧喷涂：使用材料为直径Φ2.0mm的99.5％～99.7％铝丝材作为喷涂原材料，使用与喷砂粗化一致的工艺参数，将堆焊后的堆焊层进行表面喷砂处理后，进行电弧喷涂操作，喷涂距离为100mm～150mm，送丝速度3m/min～4m/min，电流I＝130A～150A，电
3 3
压U＝30～35V，压缩气体0.65～0.75MPa，流量保证在1.6m/min～2.0m/min，喷涂时间为1min～3min；为提高涂层的抗氧化性，将试件表面用钢丝刷打磨或使用喷刷酚醛树脂进行封孔处理。
2.根据权利要求1所述的不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：在步骤1中，选用质量百分比为4.0％～5.0％的氢氧化钠碱洗液的，将其加热到
70℃，浸渍3.0min～5.0min。
3.根据权利要求1所述的不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：在步骤2中，堆焊前用丙酮清洗基材表面，再用酒精擦拭，吹干。
4.根据权利要求1所述的不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：在步骤3中，适当提高Cr含量在47％～48％，可形成致密的Cr2O3膜或硫化物膜。
5.根据权利要求1所述的不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：在步骤3中，由于NiCr合金丝有自放热的特点，故基材不需要预热；若堆焊过程中熔滴喷射较大，使用水性防飞溅液，能在工件表面形成保护膜。
6.根据权利要求1所述的不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：在步骤4中，铝丝材中含有Si元素，以质量百分比计，占铝丝材的0.1％～
0.2％，喷涂加热过程中形成的α-Al中能固溶少量Si，对铝涂层有固溶强化作用，使强度提高。
7.根据权利要求1所述的不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：在步骤4中，由于铝丝材较软，要防止压紧力损坏丝材表面造成送丝困难，需调节送丝机构的夹紧压力。
8.根据权利要求1所述的不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：在步骤4的喷刷酚醛树脂进行封孔处理中，喷刷时要用甲酮、芳香烃和无水乙醇作稀释剂进行稀释。

说明书全文

不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种熔化极惰性气体保护焊(MIG)堆焊NiCr 合金和电弧喷涂铝涂层相结合的工艺，属指耐热复合涂层的制备工艺方法。

背景技术

[0002] 不锈钢指的是一类以Fe～Cr～Ni、Fe～Cr和Fe～Cr～C为合金系的高合金钢，其突出的特点为耐空气、蒸气、水等介质，在高温环境中有一定的抗氧化性，在高温下仍能保持其优良的物理机械性能，广泛用于电厂、锅炉、煤矿、核电等领域；特别是在电厂使用的锅炉管道和水冷壁中，由于工作环境恶劣，长期处于硫化腐蚀和高温氧化、粒子冲蚀的环境中，且燃烧产物易形成Na2SO4、K2SO4等沉积于管壁表面，导致不锈钢件壁厚减少，乃至于最终失效，有此造成巨大损失。

[0003] 为了提高不锈钢表面的耐高温和耐腐蚀性，经常采用堆焊或者喷涂的方法进行涂层制备，利用涂层隔绝不锈钢基体与外界介质，延长其使用时间。在电厂锅炉管道的防护中，以往采用电弧喷涂NiCr合金丝的方法，这种技术广泛应用于美国、瑞典、德国、英国、日本、前苏联等，在锅炉水冷壁部件上喷涂高Ni、Cr含量的合金材料，对减缓锅炉管子的磨损和高温腐蚀，延长大修期，都有明显的效果。在国内，陆续有发电厂和电站采用此种方法延长锅炉寿命。虽然NiCr合金丝在喷涂过程中会放热，提高与基体的结合力，但由于喷涂是以机械结合为主，局部形成冶金结合，涂层与基体的结合强度有待进一步提高。

[0004] 相对于喷涂方法，在工件表面堆焊一层硬质合金层，是一种非常经济和方便的表面改性手段，可以使涂层与基体形成冶金结合，强度高且易于实现自动化。常用的方法有气体保护焊堆焊、埋弧堆焊、等离子堆焊、手工电弧堆焊、激光堆焊等，而选用的涂层材料为Ni基和Co基合金。熔化极气体保护焊堆焊可见度好，适合堆焊区域复杂、形状不规则的工件，可实现自动焊或半自动焊，生产效率高，主要用氩气或二氧化碳气体或加少量氧气的混合气体保护，设备成本低，易于维护。

[0005] 采用熔化极气体保护焊方法在不锈钢基体上进行NiCr合金的堆焊，现在的研究较少。而如何进一步提高堆焊层的耐高温氧化性和延长使用寿命，在热喷涂领域多采用复合涂层的方法，也就是将NiCr层作为粘结层，在其上喷涂Al2O3陶瓷材料，提高耐磨和耐高温性。然而在使用过程中发现，由于热膨胀系数的差别较大，陶瓷层易出现与粘结层剥离的现象。不直接喷涂陶瓷材料，在NiCr粘结层表面喷涂Al涂层，使其在加热过程中表面形成氧化铝阻挡层，可以有效延长使用寿命，同时金属与金属间的结合力较强，热膨胀系数接近，在氧化过程中还会形成元素的互扩散。发明内容：

[0006] 发明目的：

[0007] 本发明的目的为开发一种熔化极惰性气体保护焊(MIG)堆焊NiCr合金和电弧喷涂铝涂层相结合的工艺，旨在提供一种低成本、高结合、制备耐热复合涂层的工艺。

[0008] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0009] 一种不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：所述方法按照以下步骤进行：

[0010] 步骤1.表面脱脂：在不改变零件尺寸的前题下，选用氢氧化钠碱洗液去除预堆焊零件表面的油污；

[0011] 步骤2.喷砂粗化：使用180目～200目的棕刚玉磨粒对不锈钢表面进行喷砂处理，喷砂角度为80°～90°，压缩空气的压力为0.6MPa～0.7MPa，喷砂距离为100mm～150mm，以表面出现银白色金属光泽为佳；之后利用压缩空气吹净表面粘黏的沙粒；喷砂后试样的表面粗糙度为Ra3.0μm～Ra3.5μm；

[0012] 步骤3.熔化极气体保护堆焊：使用材料为直径为Φ1.2mm的NiCr合金丝，其中成分质量分数Cr含量为45％～48％，Ti含量为0.3％～1.0％，其余为Ni；堆焊工艺参数为：焊接电流70A～80A，电弧电压18V～20V，焊接速度5mm/s～8mm/s，保护气体为Ar，气体流量为9～12L/min；

[0013] 步骤4.电弧喷涂：使用材料为直径Φ2.0mm的99.5％～99.7％铝丝材作为喷涂原材料，使用与喷砂粗化一致的工艺参数，将堆焊后的堆焊层进行表面喷砂处理后，进行电弧喷涂操作，喷涂距离为100mm～150mm，送丝速度3m/min～4m/min，电流I＝130A～3 3
150A，电压U＝30～35V，压缩气体0.65～0.75MPa，流量保证在1.6m/min～2.0m/min，喷涂时间为1min～3min；为提高涂层的抗氧化性，将试件表面用钢丝刷打磨或使用喷刷酚醛树脂进行封孔处理。

[0014] 在步骤1中，选用质量百分比为4.0％～5.0％的氢氧化钠碱洗液的，将其加热到70℃，浸渍3.0min～5.0min。

[0015] 在步骤2中，堆焊前用丙酮清洗基材表面，再用酒精擦拭，吹干。

[0016] 在步骤3中，适当提高Cr含量在47％～48％，可形成致密的Cr2O3膜或硫化物膜，有效阻止了硫化物的侵蚀，达到抗硫效果。

[0017] 在步骤3中，由于NiCr合金丝有自放热的特点，故基材不需要预热；若堆焊过程中熔滴喷射较大，使用水性防飞溅液，能在工件表面形成保护膜。

[0018] 在步骤4中，由于铝丝材较软，要防止压紧力损坏丝材表面造成送丝困难，需调节送丝机构的夹紧压力。

[0019] 在步骤4的喷刷酚醛树脂进行封孔处理中，喷刷时要用甲酮、芳香烃和无水乙醇作稀释剂进行稀释。

[0020] 优点及效果：本发明制备的涂层与基体结合较好，堆焊层厚度在50μm，铝涂层厚度在100μm。堆焊层与基体形成牢固的冶金结合(强度在300MPa以上)，相对于喷涂涂层，堆焊层组织更为致密，几乎没有孔隙存在。硬度测试显示，NiCr层的维氏显微硬度值在243Hv左右。喷涂的铝涂层为典型的喷涂层结构，由于喷涂过程中的加热氧化，会形成少量的氧化铝夹在在其中。而纯铝丝中含有<0.2％的Si，可以在α-Al中少量固溶，对铝涂层有一定的固溶强化作用，提高涂层强度。经过50h，900℃的高温氧化加热后，利用能谱分析发现，铝涂层中含有少量的氧化铝，属于喷涂过程中形成，而NiCr堆焊层靠近基体部分，有微量铝元素，属于加热中的内氧化元素迁移所致。根据高温氧化原理，氧化过程中会有一些元素被氧化成氧化物，从而涂层导致重量增加，根据增重数据画出试样增重曲线图，见附图
1。可以发现，12h后，增重变得缓慢，说明保护性的氧化膜形成，阻止氧元素进入涂层组织内部。经过50h后，涂层对基体依然保护完好，无任何表面剥落，起到完善的隔绝氧气、减缓氧化作用。
附图说明：

[0021] 图1为本发明电子显微镜下的复合涂层横截面微观形貌；

[0022] 图2为本发明NiCr/Al复合涂层高温氧化增重曲线。具体实施方式：

[0023] 下面结合附图对本发明进行具体说明：

[0024] 不锈钢表面堆焊和喷涂相结合的耐热复合涂层制备方法，其特征在于：所述方法按照以下步骤进行：

[0025] 步骤1.表面脱脂：去除预堆焊零件油污并不改变零件的尺寸，表面脱脂选择使用氢氧化钠(质量百分比为4.0％～5.0％)的碱洗液，将其加热到70℃，浸渍3.0min～5.0min，目的是为了去除零件表面的油脂；

[0026] 步骤2.喷砂粗化：使用180目～200目的棕刚玉磨粒对304不锈钢表面进行喷砂处理，喷砂角度为80°～90°，压缩空气的压力为0.6MPa～0.7MPa，喷砂距离为100mm～150mm，以表面出现银白色金属光泽为佳，喷砂后试样的表面粗糙度为Ra3.0μm～Ra3.5μm，之后利用压缩空气吹净表面粘黏的沙粒。堆焊前用丙酮清洗基材表面，再用酒精擦拭，吹干；

[0027] 步骤3.熔化极气体保护堆焊：使用材料为直径为Φ1.2mm的NiCr合金丝，其中成分质量分数Cr含量＞45％，最高可达48％，Ti含量为0.3％～1.0％，其余为Ni。适当提高Cr含量，可形成致密的Cr2O3膜(或硫化物膜)，有效阻止了硫化物的侵蚀，达到抗硫效果。堆焊工艺参数为：焊接电流70A～80A，电弧电压18V～20V，焊接速度5mm/s～8mm/s，保护气体为Ar，气体流量为9～12L/min。由于NiCr合金丝有自放热的特点，故基材一般不需要预热，若堆焊过程中熔滴喷射较大，可使用水性防飞溅液，在工件表面形成保护膜，易于清理焊渣。

[0028] 步骤4.电弧喷涂：使用材料为直径Φ2.0mm的99.5％～99.7％铝丝材作为喷涂原材料，调节送丝机构的夹紧压力，由于铝丝材较软，要防止压紧力损坏丝材表面造成送丝困难。使用与喷砂粗化一致的工艺参数，将堆焊后的堆焊层进行表面喷砂处理后，进行电弧喷涂操作。喷涂距离为100mm～150mm，送丝速度3m/min～4m/min，电流I＝130A～150A，3 3
电压U＝30～35V，压缩气体0.65～0.75MPa，流量保证在1.6m/min～2.0m/min，喷涂时间为1min～3min。为获得高质量的涂层，应在电弧稳定的前提下，采用尽量低的电弧电压。为了提高涂层的抗氧化性，可将试件表面用钢丝刷打磨或使用喷刷酚醛树脂进行封孔处理。喷刷时要用甲酮、芳香烃和无水乙醇作稀释剂进行稀释。

[0029] 实施例：在厚度为3mm的40mm×30mm不锈钢(牌号304)板上进行堆焊/喷涂复合涂层。试板浸入质量百分比为4.0％～5.0％的氢氧化钠碱洗液，将碱洗液加热到70℃，浸渍3.0min，去除零件表面的油脂。使用180目～200目的棕刚玉磨粒对304不锈钢表面进行喷砂处理，喷砂角度为90°，压缩空气的压力为0.65MPa，喷砂距离为130mm，喷砂后测试试样的表面粗糙度为Ra3.5μm，随后利用压缩空气吹净表面粘黏的沙粒。用丙酮清洗试板表面，再用酒精擦拭，吹干。使用材料为直径为Φ1.2mm的NiCr合金丝进行熔化极气体保护堆焊，其中成分质量分数Cr含量为45％，Ti含量为0.5％，其余为Ni。堆焊工艺参数为：焊接电流70A，电弧电压18V，焊接速度5mm/s，保护气体为Ar，气体流量为10L/min。使用材料为直径Φ2.0mm的99.60％铝丝材作为电弧喷涂原材料，调节送丝机构的夹紧压力，试板堆焊层经喷砂粗化后，进行电弧喷涂操作。喷涂距离为130mm，送丝速度3m/min，电流I3
＝130A，电压U＝35V，压缩气体0.7MPa，流量保证在1.6m/min，喷涂时间为1min。经扫描电镜下观察发现，NiCr堆焊层与不锈钢基体以及铝涂层与NiCr层均结合牢固，没有出现分离。测试NiCr层维氏显微硬度值在243Hv左右。堆焊层厚度在50μm，喷涂层为100μm，见图1所示。经900℃50h高温氧化后发现，基体和涂层内部无氧气进入，氧化增重符合抛物线规律，见附图2。

[0030] 图1为扫描电子显微镜下观察的复合涂层横截面。如图所示，经过以上工艺处理后，NiCr层厚度达到50μm，与304不锈钢基体结合牢固，形成良好的冶金结合。铝涂层厚度约为100μm，利用Image 软件对涂层孔隙率测定，约为3.5％，呈现出典型的热喷涂涂层结构。图2为900℃下，加热至50h，根据增重数据绘制出不同时间段的试样增重曲线，在12h之前，涂层增重较快，后期在最外层形成了Al2O3热障层后，氧化逐渐变缓，整个过程复合抛物线规律，说明涂层的抗氧化效果较好。

[0031] 在其他不锈钢上也适用本发明所述方法，如牌号301、302、307等等。

[0032] 喷砂后的表面粗糙度是一个非常关键的技术参数，它是实现堆焊和电弧喷涂相结合的关键因素，喷砂后要保证表面不残留水分和细微的沙粒，可用压缩空气对表面进行清理，表面粗糙度为Ra3.4μm～Ra3.5μm效果最佳。

[0033] 本发明的另一关键点是成分质量分数Cr含量为47％～48％，Ti含量为0.3％～1.0％，其余为Ni；它是保证堆焊和电弧喷涂相结合后的质量效果，提高Cr元素含量可形成致密的Cr2O3膜，但Cr含量过高则导致NiCr合金丝硬度过大，不易加工成形，因此含量在
47～48％为最佳。

[0034] 本发明的第三个关键点是铝丝材中可含有0.1％～0.2％的Si(以质量百分比计)，在电弧喷涂形成的铝涂层中，Si可在α-Al中少量固溶，对涂层有一定的固溶强化作用，能够提高涂层强度和抗蚀性。但过量的Si会降低溶解度，产生脆性相，使涂层中的孔隙增加，反而使抗拉强度下降，因此要控制在0.2％以内。

[0035] 使用的水性防飞溅液为市场普通产品，本发明采用恒鑫化工的焊接防飞溅剂效果达到要求。

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