CN103014590A - 不锈钢表面热喷涂蒙乃尔合金涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种不锈钢表面热喷涂蒙乃尔合金涂层的方法，包括下列步骤：（1）对不锈钢基体表面进行去污处理。（2）对去污后的不锈钢基体进行喷砂毛化处理。（3）对毛化后的表面热喷涂镍铝打底层。（4）在打底层上热喷涂覆盖蒙乃尔合金工作层。（5）对蒙乃尔合金涂层进行封闭处理。用金相显微镜、显微硬度测试，本发明方法在不锈钢表面制备的蒙乃尔合金涂层有效降低和减少了涂层的孔隙和空洞，并使用封孔填充剂，有效的对表面的孔隙和空洞进行了封闭。该涂层硬度由于受热喷涂本质特点影响，涂层中存在材料氧化物夹杂，涂层硬度比原蒙乃尔合金提高了1.426倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种在不锈钢表面热喷涂蒙乃尔合金涂层的方法。
背景技术
热喷涂技术是细微而分散的金属或非金属的涂层材料，以一种熔化或半熔化状态，沉积到一种经过制备的基体表面，形成某种喷涂沉积层。它是利用某种热源（如电弧、等离子喷涂或燃烧火焰等）将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰流本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面，沉积而形成具有各种功能的表面涂层的过程。
热喷涂涂层的结构特点：热喷涂涂层形成过程决定了涂层的结构特点，喷涂层是有无数变形颗粒互相交错呈波浪式堆叠一起的层状组织结构，涂层中颗粒与颗粒之间不可避免的存在一些孔隙和空洞，并伴有氧化夹杂物。涂层剖面结构的特点为：
1. 呈层状；
2. 含有氧化物夹杂；
3. 含有孔隙或气孔。
随着热喷涂技术的不断改进与完善，其应用领域不断拓展。随着当代节能减排政策的实施，热喷涂作为表面改性技术大大有利于产品在制作及后期修复中的资源节约，对国民经济的发展有着重要的作用。
潜油电泵技术自1981年引进我国以来至今已有近30年的历史，近30年来，潜油电泵主要作为重要的机械采油设备在油田得到了广泛应用。据统计资料表明，截止1996年底,我国已有潜油电泵进近3700口，仅大庆油田就有近1700口，占机械采油井总数的10%，产液量占总产液量的30%，成为油田为高产、稳产的重要手段之一。
由于井下高温、腐蚀和磨损可能造成电机损害，井下外部环境常伴有高温和极其严酷恶劣的腐蚀环境。因此对潜油电泵外表的防腐蚀处理就显得尤为重要。
蒙乃尔合金又称镍合金，是一种以金属镍为基体添加铜、铁、锰等其他元素而成的合金。该合金在氟气、盐酸、硫酸、氢氟酸以及它们的派生物中有极优秀的耐蚀性。酸介质：蒙乃尔合金在浓度小于85%的硫酸中都是耐蚀的。蒙乃尔合金是可耐氢氟酸中为数极少的重要材料之一。水腐蚀：蒙乃尔合金在多数水腐蚀情况下，不仅耐蚀性极佳，而且孔蚀、应力腐蚀等也很少发现，腐蚀速度小于0.025mm/a高温腐蚀：蒙乃尔合金在空气中连续工作的最高温度一般在600℃左右，在高温蒸汽中，腐蚀速度小于0.026mm/a。氨： 由于蒙乃尔合金镍含量高，故可耐585℃以下无水氨和氨化条件下的腐蚀。
由于潜油电泵很多部件都跟原油直接接触，并且部分部件深入地底，受地热及地下严酷腐蚀环境的影响。最先使用不锈钢材料制作的部分深入地下的部件无法承受地下严酷的腐蚀环境，之后改为选用蒙乃尔合金为原材料制作，可以有效的抵抗腐蚀。但蒙乃尔合金的价格接近不锈钢的10倍，这使得潜油电泵的造价有着很大幅度的提高。对目前我国紧缺资源的市场来说，研发一种更为新型的、节约的、又好用的工艺方案确实是当务之急。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于对不锈钢潜油电泵外表面进行涂层工艺的改进，在防腐蚀性能不变的前提下节约制造成本。改进涂层的结构特点缺陷，涂层致密，减少涂层氧化物及夹杂，减少孔隙及空洞，并对已有的孔隙空洞进行填充封闭处理，增强涂层的结合强度，提供一种不锈钢表面热喷涂蒙乃尔合金涂层的方法，以实现潜油电泵以不锈钢为基材表面热喷涂蒙乃尔合金涂层的部件产品防腐性能能与蒙乃尔合金相当。
本发明的技术解决方案如下：不锈钢表面热喷涂蒙乃尔合金涂层的方法，包括下列步骤：
（1） 对不锈钢基体表面进行去污处理。
（2） 对去污后的不锈钢基体进行喷砂毛化处理。
（3） 对毛化后的表面热喷涂镍铝打底层。
（4） 在打底层上热喷涂覆盖蒙乃尔合金工作层。
（5） 对蒙乃尔合金涂层进行封闭处理。
进一步的，上述步骤（1）对不锈钢基体表面进行去污处理，使用有机溶剂进行擦拭。
进一步的，上述步骤（2）对去污后的不锈钢基体进行喷砂毛化处理。使用氧化铝刚玉砂，粒度为0.5mm~1.5mm，喷砂空气压力0.6~0.7Mpa。喷砂毛化后粗糙度控制在50~120um。
进一步的，上述步骤（3）对毛化后的表面热喷涂镍铝打底层。使用电弧喷涂设备对毛化后的不锈钢表面使用镍铝合金丝打底，喷涂空气压力0.6Mpa，打底层的厚度0.03~0.08mm。
进一步的，上述步骤（4）在打底层上热喷涂覆盖蒙乃尔合金工作层。使用电弧喷涂设备在打底层上喷涂蒙乃尔合金涂层，涂层厚度0.3mm。
本发明技术效果：
对制作的涂层进行金相试验观察涂层情况：用金相显微镜、显微硬度测试，本发明方法在不锈钢表面制备的蒙乃尔合金涂层有效降低和减少了涂层的孔隙和空洞，并使用封孔填充剂，有效的对表面的孔隙和空洞进行了封闭。该涂层硬度由于受热喷涂本质特点影响，涂层中存在材料氧化物夹杂，涂层硬度比原蒙乃尔合金提高了1.426倍。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1.不锈钢表面热喷涂蒙乃尔合金涂层的方法，不锈钢为1Cr18Ni9，其成分为：
C≤0.12% Si≤1.0% Mn≤2.0%
S≤0.03% P≤0.035% Cr:17.00～19.00%
Ni:8.00～11.00% Fe:余量
镍铝打底层合金为：Ni:95% Al:5%
蒙乃尔合金为标准牌号蒙乃尔400合金，化学成分如下表：
| 元素 | 含量（%） |
| 镍 | 63min |
| 铜 | 28min~34max |
| 铁 | 2.5max |
| 锰 | 2.0max |
| 碳 | 0.3max |
| 硅 | 0.5max |
| 硫 | 0.024max |
本发明包括下列步骤：
（1） 对不锈钢基体表面进行去污处理，使用有机溶剂进行擦拭。
（2） 对去污后的不锈钢基体进行喷砂毛化处理。使用氧化铝刚玉砂，粒度为0.5mm~1.5mm，喷砂空气压力0.6~0.7Mpa。喷砂毛化后粗糙度控制在50~120um。
（3） 对毛化后的表面热喷涂镍铝打底层。使用电弧喷涂设备对毛化后的不锈钢表面使用镍铝合金丝打底，喷涂空气压力0.6Mpa，打底层的厚度0.03~0.08mm。
（4） 在打底层上热喷涂覆盖蒙乃尔合金工作层。使用电弧喷涂设备在打底层上喷涂蒙乃尔合金涂层，涂层厚度0.3mm。
喷涂电压：26V 送丝电压：24V 喷涂线速度：1米/秒
喷涂角度：90±10o 喷涂距离：220mm
喷涂空气压力0.6Mpa~0.7Mpa。
（5） 对蒙乃尔合金涂层进行封闭处理。
实施例2. 按照实施例1中参数，蒙乃尔合金涂层厚度喷涂0.1mm，其他参数同实例1。
实施例3. 按照实施例1中参数，对蒙乃尔涂层最后不进行封闭处理，其他参数同实例1。
经制作金相试样后观察，金相图片经过计算机染色法计算分析，孔隙率为3.5%，高于传统电弧热喷涂孔隙率5%左右的工艺。对比实例1及实例2两种不同蒙乃尔合金涂层厚度的试样，发现涂层孔隙率基本一致，但两种涂层的孔隙及空洞的形貌有着本质的区别。实例1中制作0.3mm涂层厚度试样中的孔隙均衡遍布于整个涂层中，但最外表面的涂层区域中的孔隙没有连通至底下不锈钢基体的。经过分析认为，蒙乃尔热喷涂涂层是由不断经融化后高速飞射的半固化金属颗粒（半固化是指在热喷涂过程中，金属或陶瓷材料经过热源融化后，经高速焰流及空气雾化形成液滴，在飞行至基体过程中受外部冷却后形成的外表固化的颗粒）堆积形成的涂层，在堆积的过程中会不断的形成孔隙及空洞，随着后面飞射至基体的颗粒的堆积，之前的孔隙会被后续的颗粒所填充或覆盖，从而导致在整个过程中不断的产生孔隙，而孔隙又不断的被覆盖。这样随着涂层的加厚，连通至基体的孔隙存在的几率就会越来越小。观察实例1中的蒙乃尔合金涂层，没有孔隙连通至基体，而实例2中厚度为0.1mm的蒙乃尔合金涂层，有部分连通至基体的孔隙，这些孔隙的出现将极大的造成对基体不锈钢的防护缺陷。
对比观察实例1及实例3的两组试样，实例1中蒙乃尔涂层外表面的孔隙中填充了封闭剂，整个涂层与外部环境隔开，实例3中的试样外表孔隙暴露在外部环境中。
对实例3中的试样进行显微硬度测试，测试数据HV550，这相比原材料蒙乃尔400合金硬度HRC35左右提高近1.5倍，增加了涂层的耐磨性能。
结论
1. 使用适合的工艺热喷涂蒙乃尔合金涂层能够有效的减少涂层的孔隙率，使孔隙不贯通整个涂层至基体。这样使蒙乃尔合金涂层完全覆盖不锈钢基体表面，使不锈钢基体与外部环境隔绝。
2. 使用封闭剂封闭蒙乃尔合金涂层能够是蒙乃尔合金涂层外表的孔隙封闭覆盖，更好的对不锈钢基体起到隔绝作用。
3. 蒙乃尔合金材料经热喷涂后，部分材料经氧化后形成的涂层硬度高于原材料，能够更好的起到耐磨损的性能。
4. 使用合适的工艺在潜油电泵不锈钢部件表面热喷涂蒙乃尔合金涂层从机械及物理性能测试上能够代替原蒙乃尔合金部件。
Claims (5)
1.一种不锈钢表面热喷涂蒙乃尔合金涂层的方法，该方法包括下列步骤：
（1） 对不锈钢基体表面进行去污处理;
（2） 对去污后的不锈钢基体进行喷砂毛化处理;
（3） 对毛化后的表面热喷涂镍铝打底层;
（4） 在打底层上热喷涂覆盖蒙乃尔合金工作层;
（5） 对蒙乃尔合金涂层进行封闭处理。
2.根据权利要求1所述的一种不锈钢表面热喷涂蒙乃尔合金涂层的方法，其特征在于，所述步骤（1）对不锈钢基体表面进行去污处理，使用有机溶剂进行擦拭。
3.根据权利要求1所述的一种不锈钢表面热喷涂蒙乃尔合金涂层的方法，其特征在于，所述步骤（2）对去污后的不锈钢基体进行喷砂毛化处理;使用氧化铝刚玉砂，粒度为0.5mm~1.5mm，喷砂空气压力0.6~0.7Mpa;喷砂毛化后粗糙度控制在50~120um。
4.根据权利要求1所述的一种不锈钢表面热喷涂蒙乃尔合金涂层的方法，其特征在于，所述步骤（3）对毛化后的表面热喷涂镍铝打底层;使用电弧喷涂设备对毛化后的不锈钢表面使用镍铝合金丝打底，喷涂空气压力0.6Mpa，打底层的厚度0.03~0.08mm。
5.根据权利要求1所述的一种不锈钢表面热喷涂蒙乃尔合金涂层的方法，其特征在于，所述步骤（4）在打底层上热喷涂覆盖蒙乃尔合金工作层;使用电弧喷涂设备在打底层上喷涂蒙乃尔合金涂层，涂层厚度0.3mm。
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