[發明專利]一種紫銅表面超音速火焰噴涂耐磨蝕合金的方法

有效

• 申請號: 201310450880.8
• 申請日: 2013-09-27
• 公開（公告）號: CN103469142A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 李亞江;王娟
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C23C4/06
• 分類號: C23C4/06
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李鵬

技術領域

本發明屬于金屬表面噴涂技術領域，涉及一種改善紫銅表面抗熱磨蝕性能的超音速火焰噴涂工藝方法，屬于金屬表面強化技術領域。

背景技術

紫銅（含Cu量不低于99.9%的工業純銅）密度為8.89g/cm³，熔點為1087℃，具有面心立方晶格結構，具有優良的導電、導熱等性能特點，在導電元器件、熱交換器傳熱元件及高爐風口套等零部件中得到廣泛應用。但在某些應用場合下，受工作環境的影響，需要提高紫銅表面的抗熱磨蝕性能和耐磨性。

以煉鐵高爐常用的鑄造紫銅制風口套為例，風口套作為煉鐵高爐的“咽喉”零件，由于長期工作在2200℃以上的高溫下，受鐵水、爐渣的侵蝕以及爐料熱風、氣流煤粉的沖刷，工作條件異常惡劣，風口套經常出現局部磨蝕而破壞，使用壽命較短。煉鐵高爐風口屬于連續工作而且無法在使用中檢修更換的設備，紫銅風口套壽命的降低不僅使備件費用增加，而且高爐需停產更換，經濟損失很大。因此提高紫銅風口套表面的耐磨蝕和抗熱沖擊能力，對于冶金工業生產具有重大的經濟效益和社會意義。

近年來，隨著新材料的不斷開發和應用，金屬碳化物以其耐高溫及優于Al₂O₃、Zr₂O₃等氧化物的高溫耐磨性而受到國內外研究者的關注。若在紫銅表面噴涂一層金屬碳化物，能夠大大提高紫銅表面的抗熱沖擊能力和耐磨蝕性能。但是，是這項技術的困難在于紫銅與碳化物的線脹系數相差太大，兩者之間難以形成良好的冶金結合，而且在熱噴涂過程中在結合界面會產生較大的應力，導致零部件在使用過程中容易產生涂層剝離，影響產品質量和使用壽命。為此，人們多年來進行了大量的試驗研究，采用的措施主要有堆焊、多元共滲和熱噴涂。其中采用鎢極氬弧焊（TIG）在紫銅表面進行堆焊，焊前須采用氧-乙炔火焰預熱450～500℃，工藝復雜、生產率低，成本較高。

隨著熱噴涂技術的發展，在銅制零部件表面進行噴涂以提高其使用壽命也受到人們的關注。本溪鋼廠采用Ni-Cr合金作為打底層、采用Al₂O₃陶瓷材料作為工作層在紫銅表面進行噴涂，可以大大提高其耐磨性能。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Al₂O₃+Zr₂O₃為工作層對紫銅表面進行噴涂，也取得提高零部件使用壽命的效果。但是，傳統的火焰噴涂工藝以氧-乙炔火焰來熔化待噴涂的粉末，由于焰流速度慢，熱量不集中，粉末在空氣中飛行時間長，因而形成的涂層粗糙多孔（孔隙率10%～15%），氧化物和未熔顆粒多，涂層的結合硬度和結合強度較低（為20～30MPa），而且易產生裂紋和剝離。

近年來，隨著超音速火焰噴涂工藝的研發，涂層性能產生了質的飛躍。超音速火焰噴涂（HVOF）是將氣態或液態燃料與高壓氧氣混合后在特定的燃燒室或噴嘴中燃燒，產生的高溫、高速的燃燒焰流被用來噴涂。超音速噴槍結構獨特，在燃燒室末端咽喉部位采用了拉瓦爾曲線設計，使得燃燒室的壓力增加，通過該處的焰流獲得數倍于音速的加速，由于能量集中，粉末粒子的動能大，速度快，粒子在空氣中的飛行時間極短，被氧化的機會極少。再加上噴槍系統本身的溫度不高（2870℃），所以涂層中幾乎沒有氧化物，孔隙率也極低（小于2%）。涂層致密，剪切強度和結合強度高，涂層內的殘余應力幾乎都是壓應力，使得涂層不至于產生裂紋和剝落。

與Al₂O₃陶瓷、Al₂O₃+Zr₂O₃以及碳化物（WC）+Ni基自熔合金相比，WC+Co合金耐熱和耐磨蝕性更好、抗高溫氧化能力強，如果能在紫銅風口套表面成功噴涂WC+Co耐熱合金層，能夠大大延長紫銅風口套在高溫苛刻環境中的使用壽命。

經檢索，有關在高爐紫銅風口套表面通過超音速火焰噴涂WC+Co耐熱合金的方法還未見報道。

發明內容

本發明針對現有高爐紫銅風口套表面高溫耐磨蝕性較差的問題，提出一種采用超音速火焰噴涂方法在紫銅風口套表面噴涂耐磨蝕合金的工藝方法。采用這種方法，可在紫銅風口套表面獲得抗熱沖擊能力和耐磨蝕性較好的合金涂層，滿足紫銅風口套在高溫惡劣條件下使用的要求。