CN116356313B - 一种脉冲等离子弧熔覆层及其熔覆工艺 - Google Patents

一种脉冲等离子弧熔覆层及其熔覆工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种脉冲等离子弧熔覆层及其熔覆工艺,本发明的脉冲等离子弧熔覆工艺在基材上采用脉冲等离子弧熔覆的方法制备熔覆层,脉冲等离子弧采用的合金粉末由钒铁粉、石墨粉和还原铁粉组成,其中钒铁粉采用FeV50,钒铁粉的含钒量为48%,钒铁粉、石墨粉和还原铁粉的粒径范围均为75μm‑150μm,合金粉末组成为:32.4wt.%的钒铁粉、6.1wt.%的石墨粉和61.5wt.%的还原铁粉,采用脉冲等离子弧对预置层进行熔覆,脉冲频率0.2‑0.6Hz,占空比90%,峰值电流130A,基值电流30A,熔覆速度2.0‑3.0mm/s,离子氩气流量3L/min,保护氩气流量10L/min,本发明制得的脉冲等离子弧熔覆层基体晶粒33.46%达亚微米尺度,所得熔覆层硬度与耐蚀性均显著提升。

Description

一种脉冲等离子弧熔覆层及其熔覆工艺
技术领域
本发明涉及等离子熔覆技术技术领域,具体为一种脉冲等离子弧熔覆层及其熔覆工艺。
背景技术
中国专利号2020106908701公开了一种一种高耐蚀亚微-纳米晶Fe基激光熔覆层及其制备方法,其获得的熔覆层硬度较高,耐腐蚀性较好,但由于激光熔覆工艺成本较高,应用受限。而等离子熔覆工艺成本较低,在煤矿等行业有较为广泛的应用。
等离子熔覆技术是在等离子堆焊等表面处理技术的基础上发展起来的一种金属表面处理技术,近年来已经成为表面工程领域的核心技术之一。然而等离子熔覆技术是一种快速非平衡凝固过程,熔覆过程中反复的“急热骤冷”,熔覆层易产生气孔裂纹缺陷、显微组织粗大不均匀、稀释率过大、基材变形等问题,导致等离子熔覆层的综合性能不理想。脉冲等离子弧技术可调工艺参数多、热输入低等特点,相比于恒流条件下获得的熔覆层,具有基材热变形较小、熔覆层中缺陷较少以及显微组织细化、可进一步提高熔覆层综合性能等优点。脉冲等离子弧熔覆的脉冲频率一般为1Hz到50Hz,业内普遍认为脉冲频率1Hz以下熔覆效果不好。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:提供一种硬度与耐蚀性良好的脉冲等离子弧熔覆层,以及提供一种脉冲等离子弧熔覆工艺,以获得脉冲等离子弧熔覆层。
为了解决上述技术问题,本发明脉冲等离子弧熔覆工艺,在基材上采用脉冲等离子弧熔覆的方法制备熔覆层,脉冲等离子弧采用的合金粉末由钒铁粉、石墨粉和还原铁粉组成,其中钒铁粉采用FeV50,钒铁粉的含钒量为48%,钒铁粉、石墨粉和还原铁粉的粒径范围均为75μm-150μm,合金粉末组成为:32.4wt.%的钒铁粉、6.1wt.%的石墨粉和61.5wt.%的还原铁粉,采用脉冲等离子弧对预置层进行熔覆,脉冲频率0.2-0.6Hz,占空比90%,峰值电流130A,基值电流30A,熔覆速度2.0-3.0mm/s,离子氩气流量3L/min,保护氩气流量10L/min。
优选的,熔覆前对基材表面进行打磨去锈处理,并用无水乙醇清洗基材表面后吹干。
优选的,先将合金粉末在V型混粉机混合,再将混合好的合金粉末通过水玻璃作为粘结剂预置在基材表面,得到预置层,所述预置层的厚度为0.8-1.2mm
本发明脉冲等离子弧熔覆层,采用前述任何一项脉冲等离子弧熔覆工艺制得。
本发明的有益效果是:本发明在等离子熔覆过程中通过调控脉冲工艺参数,有效控制了热输入,增加了熔池的对流循环,在降低温度梯度的同时提高熔覆层的冷却速率,熔覆层基体晶粒33.46%达亚微米尺度,所得熔覆层硬度相比低碳钢提高700HV0.2以上;所得熔覆层耐蚀性约为低碳钢基材的6倍以上。
附图说明
图1为本发明实施例1所获得熔覆层a的光学显微形貌;
图2为本发明实施例2所获得熔覆层b的光学显微形貌;
图3为本发明实施例3所获得熔覆层c的光学显微形貌;
图4为本发明实施例4所获得熔覆层d的光学显微形貌;
图5为本发明实施例5所获得熔覆层e的光学显微形貌;
图6为本发明对照例1所获得熔覆层f的光学显微形貌;
图7为本发明对照例2所获得熔覆层g的光学显微形貌;
图8为本发明对照例3所获得熔覆层h的光学显微形貌;
图9为本发明对照例4所获得熔覆层i的光学显微形貌;
图10为本发明对照例5所获得熔覆层j的光学显微形貌;
图11为本发明实施例1所获得熔覆层a的二次电子形貌;
图12为本发明实施例2所获得熔覆层b的二次电子形貌;
图13为本发明实施例3所获得熔覆层c的二次电子形貌;
图14为本发明实施例4所获得熔覆层d的二次电子形貌;
图15为本发明实施例5所获得熔覆层e的二次电子形貌;
图16为本发明对照例1所获得熔覆层f的二次电子形貌;
图17为本发明对照例2所获得熔覆层g的二次电子形貌;
图18为本发明对照例3所获得熔覆层h的二次电子形貌;
图19为本发明对照例4所获得熔覆层i的二次电子形貌;
图20为本发明对照例5所获得熔覆层j的二次电子形貌;
图21为熔覆层a、b、c、d、e、f、g、h、i、j的基体晶粒尺寸高斯分布图;
图22为熔覆层a、b、c、d、e、f、g、h、i、j上表面的平均显微硬度;
图23为熔覆层a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、低碳钢基材在3.5wt.%NaCl溶液中所测得的动电位极化曲线。
具体实施方式
具体实施例及对照例均依下述方法制备熔覆层:
在基材上采用脉冲等离子弧熔覆的方法制备熔覆层,在熔覆前对基材表面打磨并去锈,然后用无水乙醇清洗后吹干;用V型混粉机将一定比例的钒铁粉、石墨粉和还原铁粉混合,得到合金粉末,然后将混合好的合金粉末通过水玻璃作为粘接剂预置在基材表面,得到1.0mm厚的预置层。
脉冲等离子弧熔覆采用的合金粉末组成为:32.4wt.%的钒铁粉、6.1wt.%的石墨粉和61.5wt.%的还原铁粉。钒铁粉、石墨粉和还原铁粉的粒径范围均为75μm-150μm,其中钒铁粉采用FeV50,钒铁粉的含钒量为48%。
实施例1:
脉冲等离子弧熔覆工艺的工艺参数为:脉冲频率0.5Hz,占空比90%,峰值电流130A,基值电流30A,熔覆速度2.5mm/s,离子氩气流量3L/min,保护氩气流量10L/min,制得熔覆层a。
实施例2:
脉冲等离子弧熔覆工艺的工艺参数为:脉冲频率0.2Hz,占空比90%,峰值电流130A,基值电流30A,熔覆速度2.5mm/s,离子氩气流量3L/min,保护氩气流量10L/min,制得熔覆层b。
实施例3:
脉冲等离子弧熔覆工艺的工艺参数为:脉冲频率0.3Hz,占空比90%,峰值电流130A,基值电流30A,熔覆速度2.5mm/s,离子氩气流量3L/min,保护氩气流量10L/min,制得熔覆层c。
实施例4:
脉冲等离子弧熔覆工艺的工艺参数为:脉冲频率0.4Hz,占空比90%,峰值电流130A,基值电流30A,熔覆速度2.5mm/s,离子氩气流量3L/min,保护氩气流量10L/min,制得熔覆层d。
实施例5:
脉冲等离子弧熔覆工艺的工艺参数为:脉冲频率0.6Hz,占空比90%,峰值电流130A,基值电流30A,熔覆速度2.5mm/s,离子氩气流量3L/min,保护氩气流量10L/min,制得熔覆层e。
对照例1:
脉冲等离子弧熔覆工艺的工艺参数为:脉冲频率1Hz,占空比90%,峰值电流130A,基值电流30A,熔覆速度2.5mm/s,离子氩气流量3L/min,保护氩气流量10L/min,制得熔覆层f。
对照例2:
脉冲等离子弧熔覆工艺的工艺参数为:脉冲频率5Hz,占空比90%,峰值电流130A,基值电流30A,熔覆速度2.5mm/s,离子氩气流量3L/min,保护氩气流量10L/min,制得熔覆层g。
对照例3:
脉冲等离子弧熔覆工艺的工艺参数为:脉冲频率50Hz,占空比90%,峰值电流130A,基值电流30A,熔覆速度2.5mm/s,离子氩气流量3L/min,保护氩气流量10L/min,制得熔覆层h。
对照例4:
脉冲等离子弧熔覆工艺的工艺参数为:脉冲频率500Hz,占空比90%,峰值电流130A,基值电流30A,熔覆速度2.5mm/s,离子氩气流量3L/min,保护氩气流量10L/min,制得熔覆层i。
对照例5:
采用连续等离子脉冲进行熔覆,工艺参数为:熔覆电流120A,熔覆速度2.5mm/s,离子氩气流量3L/min,保护氩气流量10L/min,制得熔覆层j。
参见图1-10,熔覆层a、b、c、d、e、f、g、h、i、j的光学显微形貌,熔覆层a、b、c、d、e、f、g、h、i、j基体平均晶粒尺寸分别为1.83μm、1.81μm、1.83μm、1.83μm、1.85μm、2.49μm、2.52μm、4.87μm、2.32μm、3.12μm,且熔覆层a(0.5Hz)中基体晶粒33.46%达亚微米尺度。
参见图11-20,熔覆层a、b、c、d、e、f、g、h、i、j的二次电子形貌,碳化物沿晶界聚集分布,熔覆层a、b、c、d、e、f、g、h、i、j碳化物平均粒径分别为0.21μm、0.23μm、0.23μm、0.22μm、0.23μm、0.25μm、0.25μm、0.34μm、0.23μm、0.37μm。
参见图21,熔覆层a、b、c、d、e、f、g、h、i、j的基体晶粒尺寸高斯分布图,当脉冲频率较低时,熔覆层晶粒尺寸分布区间较为集中,组织较为均匀。
参见图22,熔覆层a、b、c、d、e、f、g、h、i、j上表面的平均显微硬度,熔覆层a、b、c、d、e、f、g、h、i、j上表面的平均显微硬度分别为926HV0.2、919HV0.2、920HV0.2、922HV0.2、913HV0.2、837HV0.2、832HV0.2、701HV0.2、840HV0.2、782HV0.2。在脉冲频率在0.2-0.6Hz时,熔覆层的显微硬度较高,其中熔覆层a的显微硬度相对于熔覆层j的显微硬度提高了144HV0.2,约为低碳钢的5.60倍。
参见图23,熔覆层a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、低碳钢基材在3.5wt.%NaCl溶液中所测得的动电位极化曲线,表1为该极化曲线拟合结果及其熔覆层稀释率数值,其中稀释率反映的是在熔覆过程中,由于熔化基材的混入而引起的熔覆合金成分的变化程度,在本具体实施例中用基材合金占总熔覆层的百分率表示。由拟合结果可知,在脉冲频率在0.2-0.6Hz时,熔覆层的耐蚀性较高,其中熔覆层a的耐蚀性约为熔覆层j(CW)的1.60倍,约为低碳钢基材的6.95倍。
表1极化曲线拟合结果及其熔覆层稀释率数值
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种脉冲等离子弧熔覆工艺,其特征在于:在基材上采用脉冲等离子弧熔覆的方法制备熔覆层,脉冲等离子弧熔覆采用的合金粉末由钒铁粉、石墨粉和还原铁粉组成,其中钒铁粉采用FeV50,钒铁粉的含钒量为48%,钒铁粉、石墨粉和还原铁粉的粒径范围均为75μm-150μm,合金粉末组成为:32.4wt.%的钒铁粉、6.1wt.%的石墨粉和61.5wt.%的还原铁粉,采用脉冲等离子弧对预置层进行熔覆,脉冲频率0.5Hz,占空比90%,峰值电流130A,基值电流30A,熔覆速度2.0-3.0mm/s,离子气流量3L/min,保护气流量10L/min。
2.根据权利要求1所述的脉冲等离子弧熔覆工艺,其特征在于:所述的离子气和保护气均采用氩气。
3.根据权利要求1所述的脉冲等离子弧熔覆工艺,其特征在于:熔覆前对基材表面进行打磨去锈处理,并用无水乙醇清洗基材表面后吹干。
4.根据权利要求1所述的脉冲等离子弧熔覆工艺,其特征在于:先将合金粉末在V型混粉机混合,再将混合好的合金粉末通过水玻璃作为粘结剂预置在基材表面,得到预置层,所述预置层的厚度为0.8-1.2mm。
5.一种脉冲等离子弧熔覆层,其特征在于:采用如权利要求1-4中任何一项脉冲等离子弧熔覆工艺制得。
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