CN102041469A

CN102041469A - 一种铸铁表面喷敷铜粉的方法

Info

Publication number: CN102041469A
Application number: CN2011100242702A
Authority: CN
Inventors: 蔚晓嘉; 郝兴明; 韩世平; 郭治安
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2011-01-22
Filing date: 2011-01-22
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2031-01-22
Also published as: CN102041469B

Abstract

一种铸铁表面喷敷铜粉的方法是首先对铸铁表面进行预处理；其次按质量比为八甲基环四硅氧烷1.5～3%，正构烷烃1～3%，氧化硼1～3%，氟化钙6～12%和三氯苯80～90%进行混合均匀，制得粉末添加剂；然后按质量比为0.5～1%将粉末添加剂与铜粉混合均匀，制得喷敷铜粉；最后用氧乙炔火焰在铸铁表面喷熔。本发明在普通铜粉中加入了粉末添加剂，使得普通铜粉具有一种富有自保护性和抗氧化性，提高了铜粉在铸铁表面喷敷的工艺性能，降低了喷熔成本。

Description

一种铸铁表面喷敷铜粉的方法

技术领域

本发明涉及一种铸铁表面喷熔金属粉的方法，特别是一种用氧乙炔焰在铸铁基材表面喷熔或熔敷铜粉的方法。

背景技术

现有热喷涂技术中对喷熔粉末有两个基本要求：一是粉末熔点低于基材；二是粉末具有自熔性。因为喷熔工艺不同于堆焊，堆焊时基材是熔化的，而喷熔时粉末材料虽然熔化，但基体是不熔化的，它们之所以能够形成冶金结合的原因是由于接触界面处熔融的粉末与基材在高温下发生了化学作用，固态的基材表面为液态合金所溶解，形成了一层新的表面合金。所以当粉末具有上述第一个要求的条件时，这一过程即可实现。而熔融的粉末要与基材发生良好结合，其必要条件是熔融的合金粉末在基材表面有良好的“润湿性”。润湿性是指熔融的合金能够漫流或摊开在基材表面上的能力，这个性能就是上述第二个要求，即所谓“自熔性”的要求。自熔性的表现是粉末具有还原、脱氧、造渣、除气、润湿金属表面，进而达到保护熔融金属的作用。所以粉末性能不仅决定着喷熔层本身的质量，而且也决定着喷熔的工艺性。工艺性差，如脱氧与湿润能力差时则难以完成喷熔过程，最明显的是非自熔性铜基合金粉末在铸铁上的喷熔既如此。

在现有公开的文献报道中，用氧乙炔焰或用感应熔敷的方法，将铜基粉末喷熔在铸铁上，所采用的都是具有自熔性的铜基粉末，为使粉末与基材互熔扩散实现牢固结合，往往要在粉末中加入某些合金元素，如，Ni、Cr 、Si和/或B等。其中贵金属Ni元素是改善自熔性效果最好的元素。

如，现有公开文献，1984年《江苏化工》期刊中，陈遐昌所述的铸铁面喷铜技术，即采用了如上措施，加了Ni等元素，完成了喷熔过程。

又如，公开号为CN86106201A的一种“铸铁表面喷焊铜合金”的发明专利，是在普通锡青铜铜粉中加入氟硼酸钙或氟硼酸钠、硅酸钾或硅酸钠制成的混合粉；或者是氟化钙、硼酐与钠玻璃粉制成的混合粉，同时为了改进自熔性加入了一定的Ni，B，P，在施喷前对铸铁表面进行洁净清洗，然后完成喷熔过程。

在实现铜基合金粉在铸铁上的喷熔技术中，其主要的问题是在所喷粉末的自熔性问题。如果在铜基粉末中加入镍基自熔合金，铜基粉末的自熔性问题即可得到解决。但是，Ni、B、Si的加入，使粉末的硬度增高，塑性和韧性显著下降，而且价格也较高；若使用低Ni、低B铜基粉末则又自熔性不足，不能保证喷层与基材的结合强度，防止气孔夹渣缺陷，不能使喷层按需加宽加厚，实行大面积喷熔。

针对铜基合金粉末本身的自熔性不足，如设法加入某些添加剂，使其既能增加润湿性，又可除去或分解氧化物保护铜粉，则可使得喷熔过程的工艺性能得到明显改善。因此，本发明将不具有自熔性的普通铜粉加入某些添加剂，使普通铜粉具有自熔性粉末的功能，能够自如喷焊，实现铜铁的直接结合。

发明内容

本发明要解决的技术问题是使无自熔性的普通铜粉在不加贵金属元素Ni的条件下获得自熔性，使其能够在铸铁表面进行喷熔或融敷，并提供一种在铸铁表面喷敷铜粉的方法。

本发明所述的普通铜粉是指铜锡合金粉末，它具有较高的力学性能、减摩性能和耐蚀性，常用于防腐耐摩的场合。但普通铜粉难于喷熔在铸铁表面，主要是有如下两点问题：

（1）铸铁含有较多的石墨C元素与Si元素，喷熔时易生成Si和Fe的氧化膜，如(Fe,Si)XOY，这类氧化膜熔点较高，能破坏熔融铜粉对基材的润湿性，阻碍其间的互溶扩散；另一方面，C元素还可能会与铁生成渗碳体使界面处产生白口。

（2）铜粉在液态和高温时很易氧化，粉末的比表面积较大，会生成较多的氧化物，如CuO和Cu2O，也破坏了铜粉对基材的润湿性，妨碍铜层与铸铁结合，也使铜层难以继续喷熔加厚。

为了解决上述问题，本发明基于普通铜粉难于喷熔在铸铁表面的机理，所采取的措施包括铸铁表面的处理方法，其方法按下列步骤进行：

（1）对铸铁表面进行物理处理，后预热，再进行化学处理；

（2）按质量比为八甲基环四硅氧烷1.5～3%，正构烷烃1～3%，氧化硼1～3%，氟化钙6～12%，三氯苯80～90%，混合均匀，制得粉末添加剂；

（3）按质量比为0.5～1%的比例将粉末添加剂与铜粉进行混合均匀，制得喷敷铜粉；

（4）用氧乙炔火焰在铸铁表面喷熔。

在上述铸铁表面的处理方法中，所述的化学处理是按质量比为丁醇3～5%，四氯化碳15～20%，氯苯75～80%，混合均匀，制得；所述的粉末添加剂按质量比进一步选为八甲基环四硅氧烷2%，正构烷烃2%，氧化硼2%，氟化钙8%，三氯苯84%；所述的化学处理是由表面处理剂进行处理，其面处理剂是按质量比为丁醇4%，四氯化碳17%和氯苯79%进行混合均匀制得。

与现有技术相比，本发明由于在普通铜粉中加入粉末添加剂，具有脱氧和活化作用，在喷焊时能够增加铜液与铸铁表面的润湿性，能够除去铸铁表面的氧化物，实现Cu与Fe间的互溶扩散。同时基于冶金反应机理，所添加的粉末添加剂含有碳元素，在高温下还具有还原作用，而且在喷熔过程形成一种渣膜，有效地保护了铜液在高温下避免氧化，而且这种渣膜的熔点、粘度、完全适应于所喷铜粉末合金的要求。使得普通铜粉具有一种富有自保护性和抗氧化性，进一步提高了喷熔过程中的工艺性能，降低了喷熔成本。

附图说明

图1是本发明铜粉熔焊于铸铁表面的显微形貌图。图中：左侧为基体，右侧为铜。

图2是本发明铜粉感应熔敷于铸铁表面的显微形貌图。图中：右侧为基体，左侧为铜。

具体实施方式

下面对本发明所述的一种铸铁表面喷敷铜粉的方法进一步详细说明。

本发明的目的是在粉末中配加脱氧还原剂，加强喷熔过程的脱氧作用，以改善喷熔过程的润湿性，增强铜铁之间的结合性能及保护粉末，提高抗氧化能力。

在喷熔过程中，粉末粒子会受空气污染而发生氧化，氧化可分两个阶段进行：第一阶段是粉末粒子从喷枪喷出后飞行至基体表面的飞行过程，第二阶段是与基体接触后至形成涂层冷凝后的过程。当使用氧乙炔焰喷熔时，喷枪口距基材的距离大约为20mm左右，粒子的飞行速度约在45～120 m/s的范围内，即第一阶段的氧化时间约为0.4′10^-3～0.17′10^-3 s，相对第二阶段而言，第一阶段的时间极短，所以第二阶段的氧化是占主要地位的。将脱氧的重点放在第二阶段完成。

在普能铜粉中加入三氯苯、正构烷烃等化合物，与喷涂时所用的铸铁表面处理剂同时起作用，从粉末粒子飞离喷枪口至降落在基材表面后成形的过程中，这些添加物可以改善接触面之间的活性。这些化合物受热分解后，从吉布斯自由能的关系看，在粉末中分解出现的C元素可起脱氧还原Cu的作用，同时也可维持C在界面处的浓度平衡，不会使界面处出现C的重新分配而产生脱C层形成白口。为了进一步强化脱氧效果，还要加入少量硼砂。加入硅烷及氟化钙除了脱氧还有形成渣膜的作用，起保护金属免于进一步氧化。

实施本发明所述的一种铸铁表面喷敷铜粉的方法如下：

一、氧乙炔焰喷熔：

例1、（1）首先对实施喷敷的铸铁表面进行处理，处理可以是现有物理处理方法的任何一种，如对铸铁表面进行打磨，或者是用车床进行切削，或者是用化学清洗剂进行清洗，使得铸铁表面在进行喷敷时与铜粉形成一个牢固结合的界面。

（2）对实施喷敷的铸铁表面进行喷前预热，本发明使用火焰预热，也可以采用其它方法进行预热，如通过加热炉进行预热。

（3）用化学处理方法进行处理，本发明配用表面处理剂对铸铁表面清理。

1）表面处理剂采用丁醇4g，四氯化碳16g，氯苯80g进行混合均匀制得；

2）配制粉末添加剂，按质量比取：八甲基环四硅氧烷2g，正构烷烃2g，氧化硼2g，氟化钙8g，三氯苯86g，混合均匀后制得粉末添加剂；

3）再按质量比为0.5～1g的比例将粉末添加剂与100g普通铜粉进行混合均匀，制得喷敷铜粉。

4）采用氧乙炔焰在铸铁面上喷熔。用较小功率的微碳化焰或中性焰进行喷熔。

在实施上述方法喷熔后，采用型号为LEO-438Vp的电镜进行界面微观形貌观察，如附图1所示，喷层界面结合良好，涂层面硬度为HB74，如果需要增加喷层使用硬度时，可在粉末中配加Ni及Fe即可，因Ni是增加自熔性的元素，除提高机械性能外，能够促进涂层的结合。

其中，表面处理剂也可用如下配比：

（a）丁醇3g，四氯化碳15g，氯苯75g进行混合均匀；

（b）丁醇5g，四氯化碳20g，氯苯80g进行混合均匀；

所用表面处理剂的主要作用是对表面进行清理，其配比只要在本发明所述此范围内均可实施，效果良好，且未见不良影响。

在最终优化结果中，可采用实例1中配方即：丁醇4%，四氯化碳16%，氯苯80%进行混合均匀，其效果最佳。

例2、粉末添加剂配比也可按质量比例取为：

（1）八甲基环四硅氧烷1.5g，正构烷烃1g，氧化硼1g，氟化钙6g，三氯苯89.5g，混合均匀后得到粉末添加剂；其余同例1。

（2）八甲基环四硅氧烷3g，正构烷烃3g，氧化硼3g，氟化钙12g，三氯苯80g，混合均匀后得到粉末添加剂；其余同例1。

以上两例粉末添加剂的不同配比对铜粉与铸铁的结合末见有影响，但后一配方比前一配方在施焊过程中略感渣膜量更明显，其余同。

在粉末添加剂的配比中，按实例1的质量配比即：八甲基环四硅氧烷2%，正构烷烃2%，氧化硼2%，氟化钙8%和三氯苯86%，混合均匀后得到粉末添加剂应用后，其效果最佳。

二、感应加热熔敷：

例3、采用例1配好的粉末与表面处理剂，先用氧乙炔焰将粉末喷涂于铸铁表面，然后采用感应加热的方法进行重熔，亦获得了良好的结合。界面微观表貌如附图2，（电镜型号为KYKY(Amray)-1000B）。

经实例验证，这种新型铜合金粉不需要加较贵的镍即可满足喷焊工艺要求。喷层结合界面经电子显微镜检测可看到过渡层明显，如图1所示。图2所示为感应熔敷的显微组织，也可看到在界面处有明显的铸态重熔组织，显示熔合过程良好。喷层的力学性能也表现良好，将喷后试件进行热震试验，也未见喷层开裂（使喷焊件急冷以检测其耐热性能）。这些条件可符合低压铸铁阀门密封面喷铜的要求。

Claims

1.一种铸铁表面喷敷铜粉的方法，包括铸铁表面的预处理方法，其方法按下列步骤进行：

（1）对铸铁表面进行物理处理，后预热，再进行化学处理；

（4）用氧乙炔火焰在铸铁表面喷熔。

2.如权利要求1所述的方法，其表面处理剂是按质量比为丁醇3～5%，四氯化碳15～20%，氯苯75～80%，混合均匀，制得；

如权利要求1所述的方法，其粉末添加剂按质量比进一步选为八甲基环四硅氧烷2%，正构烷烃2%，氧化硼2%，氟化钙8%，三氯苯84%。

3.如权利要求1所述的方法，其表面处理剂是按质量比为丁醇4%，四氯化碳17%，氯苯79%。