一種Cr-Ni系不鏽鋼熱熔覆表面強化方法
2023-06-02 04:38:41 2
專利名稱：一種Cr-Ni系不鏽鋼熱熔覆表面強化方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料表面處理技術，具體涉及一種Cr-Ni系不鏽鋼熱熔覆表面強化方法。
背景技術：
不鏽鋼是20世紀初材料領域最偉大的發明之一。由於不鏽鋼所特有的不鏽性、耐蝕性、耐熱性、低溫性、加工製造性、壽命長、可回收等優點，而被廣泛應用於工業、農業、國防和人們日常生活的各個領域，被認為是很有發展潛力的金屬材料。Cr-Ni系不鏽鋼是一種典型的不鏽鋼，因其具有較高的強度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性、抗衝擊性、抗氧化性等優點，被廣泛用於汽車工業、石油化工、核工業、水利行業等領域。Cr-Ni系不鏽鋼工作環境一般比較惡劣，材料表面在運行一段時間後，會存在一定的磨損，從而影響設備運行的穩定性和安全性，選擇合理的表面處理技術提高Cr-Ni系不 鏽鋼表面的強度、硬度和耐磨等性能是表面技術工作者亟待解決的問題。目前，常見的不鏽鋼表面處理方法有雷射表面淬火、表面堆焊表面熱噴塗、等離子噴塗、電弧噴塗和超音速噴塗等。雷射表面淬火和表面堆焊材料成本高；表面熱噴塗預處理塗層加工困難，塗層與基體結合差，塗層易疲勞剝落；等離子熔覆工藝不好控制，生產成本高，從工業實用化的角度來看，尚需作進一步的深入研究。
發明內容
本發明的目的在於克服上述方法強化Cr-Ni系不鏽鋼表面的不足，提供一種Cr-Ni系不鏽鋼熱熔覆表面強化方法，使得Cr-Ni系不鏽鋼表面硬度、耐磨性、耐衝擊性、耐腐蝕性得到提高，從而延長Cr-Ni系不鏽鋼的使用壽命，提高設備工作的穩定性。本發明採用以下技術方案
一種Cr-Ni系不鏽鋼熱熔覆表面強化方法，其中，採用如下步驟
(1)工件預處理在進行熱溶覆之前，對工件表面進行預處理；
(2)採用陶瓷硬質合金電極進行熱熔覆處理，熱溶覆搶採用自身旋轉方式，轉速為2000 2500r/min，電極為機械夾持方式；
(3)在惰性氣體氬氣保護下，使用熱熔覆設備進行處理，氬氣的流量控制在5.5 6.5L/min ；
(4)熱溶覆工藝參數為輸出功率為4000 6000W，輸出電壓為180 260V，放電頻率為1000-2400HZ，溶覆時間為I 2min/cm2 ;塗層厚度可達40 50iim，塗層硬度大於1900HV，結合強度大於350MP ;過渡層厚度可達190-230 y m，過渡層硬度可達1500 1900HV。進一步，所述預處理步驟為清洗工件表面，去除油汙、氧化皮。進一步，所述轉速為2000r/min，氬氣流量為5. 5L/min,熱溶覆工藝參數為輸出功率為4000W，輸出電壓為180V，放電頻率為1000HZ，熔覆時間為lmin/cm2。塗層可以達到40 u m,塗層硬度大於1900HV，結合強度大於350MP ;過渡層厚度可達190 u m,過渡層硬度可達 1500HV。進一步，所述轉速為2200r/min，氬氣流量為6. OL/min,熱溶覆工藝參數為輸出功率為5000W，輸出電壓為220V，放電頻率為1500HZ，熔覆時間為I. 3min/cm2。塗層可以達到45 u m,塗層硬度大於1900HV，結合強度大於350MP ;過渡層厚度可達200 u m,過渡層硬度可達 1600HV。進一步，所述轉速為2400r/min，氬氣流量為6. 2L/min,熱溶覆工藝參數為輸出功率為5500W，輸出電壓為240V，放電頻率為2200HZ，熔覆時間為I. 8min/cm2，塗層厚度可達48 ii m，塗層硬度大於1900HV，結合強度大於350MP ;過渡層厚度可達220 u m,過渡層硬度可達 1650HV。進一步，所述轉速為2500r/min，氬氣流量為6. 5L/min,熱溶覆工藝參數為輸出功率為6000W，輸出電壓為260V，放電頻率為2400HZ，熔覆時間為2min/cm2。塗層可以達到50 u m,塗層硬度大於1900HV，結合強度大於350MP ;過渡層厚度可達230 u m,過渡層硬度可達 1700HV。本發明的有益效果為
1、本發明採用熱熔覆設備，以Cr-Ni系不鏽鋼為熱熔覆對象，在大氣條件下，使用氬氣作為保護氣體，使用具有高強度、高耐磨性的陶瓷硬質合金作為電極材料，熱熔覆在Cr-Ni系不鏽鋼材料表面，形成了一層與基體冶金結合的合金層。熱熔覆技術處理後，工件表面不會產生熱變形，塗層與基體形成冶金結合，結合牢固，不會發生剝落；即可對已磨損件修復，也可在新工件表面大面積熔覆硬面塗層，提高工件的硬度和耐磨性；
2、本發明所採用的熱熔覆工藝方法不會使Cr-Ni系不鏽鋼材料產生熱變形，而且塗層產生的細小微晶結構，提高了塗層的性能。熔覆後的Cr-Ni系不鏽鋼表面強化點密集、均勻，表面塗層厚度可達到40 50 iim，表面硬度和耐磨性都有很大的提高，延長使用壽命；
3、在Cr-Ni系(不鏽鋼表面進行熱熔覆，熔覆塗層的厚度、粗糙度、耐磨性等與熔覆的功率、電壓、頻率、時間等操作因素相關，因此可以通過對熔覆工藝參數的選擇和優化，得到較高的塗層性能。4、本發明所採用的工藝方法不需要特殊、複雜的處理裝置和設施，表面強化處理費用較低，而且操作方便，表面強化處理參數易於控制和達到；
5、本發明設備簡單、操作方便、塗層結合強度高，不對金屬表面產生損傷等。經過處理後的表面組織為微米晶結構，而且這些微米晶粒彌散分布在硬面塗層中，使不鏽鋼表面的結合強度、耐磨性和耐磨性大大提高，增加了 Cr-Ni系不鏽鋼工作時的穩定性，延長了使用壽命。本發明的其他優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述，並且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。
圖I為本發明熱熔覆設備工作原理 圖2為0Crl3Ni5Mo不鏽鋼表面熱熔覆後的塗層界面形貌圖。
具體實施例方式以下用實施例結合附圖對本發明作進一步的詳細說明
0Crl3Ni4Mo、lCrl8Ni9Ti、0Crl3Ni5Mo、0Crl3Ni6Mo 等是 Cr-Ni 系不鏽鋼中一種典型的材料，因其具有較好的硬度和耐磨性而多被用於金屬易磨損件。圖I為本發明熱熔覆設備工作原理 圖，I為振動電源，2為振動器，3為電極(SP陽極)，4為工件(即Cr-Ni系不鏽鋼基體)。本發明對原有的設備電路部分進行了改造，改進後的熱熔覆設備可以提供大功率和大電流，採用上述工藝參數，其塗層的性能和厚度都有了明顯的改善和提聞。在氬氣環境中，直接利用電能的高密度能量對Cr-Ni系不鏽鋼基體的表面進行熔覆處理，塗層與工件表面形成冶金結合層，電極用螺釘夾持在熔覆槍內，工作時熔覆槍內的電極以圍著軸心高速旋轉的方式進行。熱熔覆過程中輸出功率和輸出電壓對塗層的厚度產生很大的影響；熔覆頻率主要影響塗層的質量和熔覆效率；在一定時間內，熔覆塗層的厚度隨著溶覆時間的延長在不斷的增厚，但當熔覆到一定厚度時，隨著熔覆時間的增長熔覆層的厚度也不再增長。如圖2所示，Cr-Ni系不鏽鋼表面通過熱熔覆硬質合金後，在鋼材表面形成三種與基體不同的金相組織，由表及裡，最表面一層為白亮層(即本發明中的塗層)；其次是過渡層，第三層是熱影響區，再往裡是不鏽鋼的原始基體組織。從圖2中能夠看到明顯的冶金結合。其白亮層顯露表面看腐蝕性好，仍呈白亮狀態，這層由熔化的電極和工件的組成元素所形成，因此這層的組織結構和成分取決於電極和工件的材料。與白亮層靠近的是過渡層，它是由塗層材料中的一些組成元素熔滲擴散到基體金屬材料中，然後被迅速淬火而成，從金相組織上看過渡層發黑，主要是因為高溫下冷卻，析出細小碳化物附在細化的馬氏體組織上面，腐蝕後變黑。熱影響區主要是由於放電的高溫作用，使這層鋼材的原始組織遭到不同的影響，它的主要組織是回火馬氏體。實施例I :以0Crl3Ni5Mo不鏽鋼作為熔覆處理對象，陶瓷硬質合金選用WC為例。具體工藝過程如下
(I)工件預處理在進行熱溶覆之前，對0Crl3Ni5Mo不鏽鋼工件表面進行預處理清洗工件表面、去除油汙、氧化皮等。(2)採用WC硬質合金電極做為陽極，0Crl3Ni5Mo不鏽鋼工件做為陰極，進行熱熔覆處理，熱熔覆搶採用自身旋轉方式，轉速為2000r/min，電極為機械夾持方式；
(3)在惰性氣體氬氣保護下，使用熱熔覆設備進行溶覆處理，氬氣的流量控制在5.5L/
min ；
(4)熱溶覆工藝參數為輸出功率為4000W，輸出電壓為180V，放電頻率為1000HZ，熔覆時間為lmin/cm2。塗層可以達到40 ym，塗層硬度大於1900HV，結合強度大於350MP ;過渡層厚度可達190 iim，過渡層硬度可達1500HV。以陶瓷硬質合金電極材料為陽極，以Cr-Ni系不鏽鋼基材作為陰極。在處理前，對強化修復區域先進行去氧化皮處理，使其表面光亮無雜質，對所採用的修復材料同樣需要進行去氧化皮處理，使其光亮。如圖2所示，OCrl3Ni5Mo不鏽鋼表面通過熱熔覆硬質合金後，在鋼材表面形成三種與基體不同的金相組織。由表及裡，最表面一層為白亮層；其次是過渡層，第三層是熱影響區，再往裡是不鏽鋼的原始基體組織。從圖2中能夠看到明顯的冶金結合。其白亮層顯露表面看腐蝕性好，仍呈白亮狀態，這層由熔化的電極和工件的組成元素所形成，因此這層的組織結構和成分取決於電極和工件的材料。與白亮層靠近的是過渡層，它是由塗層材料中的一些組成元素熔滲擴散到基體金屬材料中，然後被迅速淬火而成，從金相組織上看過渡層發黑，主要是因為高溫下冷卻，析出細小碳化物附在細化的馬氏體組織上面，腐蝕後變黑。熱影響區主要是由於放電的高溫作用，使這層鋼材的原始組織遭到不同的影響，它的主要組織是回火馬氏體。實施例2 以0Crl3Ni4Mo不鏽鋼作為熔覆處理對象，陶瓷硬質合金選用WC為例。具體工藝過程如下·
(I)工件預處理在進行熱溶覆之前，對0Crl3Ni4Mo不鏽鋼工件表面進行預處理清洗工件表面、去除油汙、氧化皮等。(2)採用WC硬質合金電極做為陽極0Crl3Ni4Mo不鏽鋼工件做為陰極，進行熱熔覆處理，熱熔覆搶採用自身旋轉方式，轉速為2200 r/min,電極為機械夾持方式；
(3)在惰性氣體氬氣保護下，使用熱熔覆設備進行溶覆處理，氬氣的流量控制在6.OL/
min ；
(4)熱溶覆工藝參數為輸出功率為5000W，輸出電壓為220V，放電頻率為1500HZ，熔覆時間為I. 3min/cm2。塗層可以達到45 ym，塗層硬度大於1900HV，結合強度大於350MP ;過渡層厚度可達200 iim，過渡層硬度可達1600HV。實施例3 以lCrl8Ni9Ti不鏽鋼作為熔覆處理對象，陶瓷硬質合金選用WC為例。具體工藝過程如下
(I)工件預處理在進行熱溶覆之前，對lCrl8Ni9Ti不鏽鋼工件表面進行預處理清洗工件表面、去除油汙、氧化皮等。(2)採用WC硬質合金電極做為陽極lCrl8Ni9Ti不鏽鋼工件做為陰極，進行熱熔覆處理，熱熔覆搶採用自身旋轉方式，轉速為2500r/min，電極為機械夾持方式；
(3)在惰性氣體氬氣保護下，使用熱熔覆設備進行溶覆處理，氬氣的流量控制在6.5L/
min ；
(4)熱溶覆工藝參數為輸出功率為6000W，輸出電壓為260V，放電頻率為2400HZ，熔覆時間為2min/cm2。塗層可以達到50 ym，塗層硬度大於1900HV，結合強度大於350MP ;過渡層厚度可達230 u m，過渡層硬度可達1700HV。實施例4 以0Crl3Ni6Mo不鏽鋼作為熔覆處理對象，陶瓷硬質合金選用WC為例。具體工藝過程如下
(I)工件預處理在進行熱溶覆之前，對0Crl3Ni6Mo不鏽鋼工件表面進行預處理清洗工件表面、去除油汙、氧化皮等。(2)採用WC硬質合金電極做為陽極0Crl3Ni6Mo不鏽鋼工件做為陰極，進行熱熔覆處理，熱熔覆搶採用自身旋轉方式，轉速為2400 r/min,電極為機械夾持方式；
(3)在惰性氣體氬氣保護下，使用熱熔覆設備進行溶覆處理，氬氣的流量控制在6.2L/
min ；
(4)熱溶覆工藝參數為輸出功率為5500W，輸出電壓為240V，放電頻率為2200HZ，熔覆時間為1.8min/cm2，塗層厚度可達48iim，塗層硬度大於1900HV，結合強度大於350MP ;過渡層厚度可達220 u m，過渡層硬度可達1650HV。
最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，本領域普通技術人員對本發明的技術方案所做的其他修改或者等同替換， 只要不脫離本發明技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.ー種Cr-Ni系不鏽鋼熱熔覆表面強化方法，其特徵在於採用如下步驟 (Oエ件預處理在進行熱溶覆之前，對エ件表面進行預處理； (2)採用陶瓷硬質合金電極進行熱熔覆處理，熱溶覆搶採用自身旋轉方式，轉速為2000 2500r/min，電極為機械夾持方式； (3)在惰性氣體氬氣保護下，使用熱熔覆設備進行處理，氬氣的流量控制在5.5 6.5L/min ； (4)熱溶覆エ藝參數為輸出功率為4000 6000W，輸出電壓為180 260V，放電頻率為1000-2400HZ，溶覆時間為I 2min/cm2 ;塗層厚度可達40 50μπι，塗層硬度大於1900HV，結合強度大於350ΜΡ ;過渡層厚度可達190-230 μ m，過渡層硬度可達1500 1700HV。
2.根據權利要求I所述的ー種Cr-Ni系不鏽鋼熱熔覆表面強化方法，其特徵在於所述預處理步驟為清洗エ件表面，去除油汙、氧化皮。
3.根據權利要求I或2所述的ー種Cr-Ni系不鏽鋼熱熔覆表面強化方法，其特徵在於所述轉速為2000r/min，氬氣流量為5. 5L/min，熱溶覆エ藝參數為輸出功率為4000W，輸出電壓為180V，放電頻率為1000HZ，熔覆時間為lmin/cm2 ;塗層可以達到40 μ m，塗層硬度大於1900HV，結合強度大於350MP ;過渡層厚度可達190 μ m，過渡層硬度可達1500HV。
4.根據權利要求I或2所述的ー種Cr-Ni系不鏽鋼熱熔覆表面強化方法，其特徵在於所述轉速為2200r/min，氬氣流量為6. OL/min，熱溶覆エ藝參數為輸出功率為5000W，輸出電壓為220V，放電頻率為1500HZ，熔覆時間為I. 3min/cm2 ;塗層可以達到45 μ m，塗層硬度大於1900HV，結合強度大於350MP ;過渡層厚度可達200 μ m，過渡層硬度可達1600HV。
5.根據權利要求I或2所述的ー種Cr-Ni系不鏽鋼熱熔覆表面強化方法，其特徵在於所述轉速為2400r/min，氬氣流量為6. 2L/min，熱溶覆エ藝參數為輸出功率為5500W，輸出電壓為240V，放電頻率為2200HZ，熔覆時間為I. 8min/cm2，塗層厚度可達48 μ m，塗層硬度大於1900HV，結合強度大於350MP ;過渡層厚度可達220 μ m，過渡層硬度可達1650HV。
6.根據權利要求I或2所述的ー種Cr-Ni系不鏽鋼熱熔覆表面強化方法，其特徵在於所述轉速為2500r/min，氬氣流量為6. 5L/min，熱溶覆エ藝參數為輸出功率為6000W，輸出電壓為260V，放電頻率為2400HZ，熔覆時間為2min/cm2 ;塗層可以達到50 μ m，塗層硬度大於1900HV，結合強度大於350MP ;過渡層厚度可達230 μ m，過渡層硬度可達1700HV。
全文摘要
本發明公開了一種Cr-Ni系不鏽鋼熱熔覆表面強化方法，採用如下步驟工件預處理在進行熱溶覆之前，對工件表面進行預處理；(2)採用陶瓷硬質合金電極進行熱熔覆處理，熱溶覆搶採用自身旋轉方式，轉速為2000～2500r/min，電極為機械夾持方式；(3)在惰性氣體氬氣保護下，使用熱熔覆設備進行處理，氬氣的流量控制在5.5～6.5L/min；本發明設備簡單、操作方便、塗層結合強度高,耐磨蝕性能好，不對金屬表面產生損傷等，使不鏽鋼表面的結合強度、耐磨性和耐磨性大大提高，增加了Cr-Ni系不鏽鋼工作時的穩定性，延長了使用壽命。
文檔編號C23C24/10GK102677051SQ201210180079
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月4日 優先權日2012年6月4日
發明者嚴大考, 唐明奇, 張瑞珠, 李勇, 李瑞靜, 郭鵬 申請人:華北水利水電學院