一种工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法

摘要

本发明提出一种工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，包括以下步骤：步骤一、配制真空熔覆预涂覆料，所述真空熔覆预涂覆料为镍基自熔合金粉末和粘结胶体的混合物；步骤二、在工件表面预热后均匀涂覆所述真空熔覆预涂覆料，并使所述真空熔覆预涂覆料在工件表面凝固形成预涂覆层；步骤三、将表面形成有预涂覆层的工件放入真空炉中，并在真空炉中采用阶梯加热方式将镍基自熔合金真空熔覆在工件表面，从而在工件表面形成致密的无氧化耐磨耐腐蚀合金涂层。本发明通过对工件表面涂层制备过程中关键工艺参数的探索和优化，最终在复杂工件如双螺杆泵转子上熔覆形成符合要求的耐磨、耐腐蚀修复和保护涂层，具有广阔的推广应用前景。

权利要求

1.一种工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、配制真空熔覆预涂覆料，所述真空熔覆预涂覆料为镍基自熔合金粉末和粘结胶体的混合物，且镍基自熔合金粉末和粘结胶体的混合质量比为10:1-3，其中粘结胶体包括100重量份的无机液态水玻璃、70-80重量份的松节油和20-30重量份的松香；

步骤二、在工件表面预热后均匀涂覆所述真空熔覆预涂覆料，并使所述真空熔覆预涂覆料在工件表面凝固形成预涂覆层；

步骤三、将表面形成有预涂覆层的工件放入真空炉中，并在真空炉中采用阶梯加热方式将镍基自熔合金真空熔覆在工件表面，具体的在真空熔覆过程中将真空炉的真空度控制在10Pa，并在真空炉中按照下述方式对工件表面进行阶梯加热：在3至5分钟内将工件表面温度由室温加热至100℃，然后在100℃下保温20分钟，接着在4至8分钟内将工件表面温度由100℃加热至200℃，接着在7至10分钟内将工件表面温度由200℃加热至400℃，再接着在

25至35分钟内将工件表面温度由400℃加热至1150℃，最后在1150℃下保温25至35分钟，从而在工件表面形成致密的无氧化耐磨耐腐蚀合金涂层，所形成的无氧化耐磨耐腐蚀合金涂层的内部孔隙率低于1%，硬度HRC=60-62。

2.根据权利要求1所述的工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，其特征在于，其中步骤一中所述镍基自熔合金粉末的成分包括碳、铬、硼、硅、铁和镍元素，其中碳的重量百分比含量在

0.5-1.1%，铬的重量百分比含量在15-20%，硼的重量百分比含量在3.0-4.5%，硅的重量百分比含量在4-6%，铁的重量百分比含量≤5%，其余为镍；所述镍基自熔合金粉末的粒度在40-

120微米。

3.根据权利要求1所述的工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，其特征在于，其中步骤二中，工件表面预热温度在180-220℃，采用喷枪对准工件表面涂覆所述真空熔覆预涂覆料，喷枪出口流量控制在20-40g/min，在工件表面形成1-3mm厚的预涂覆层，然后将预涂覆层在空气中放置20小时以上，直至胶体完全固化。

4.根据权利要求1-3任一项所述的工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，其特征在于，还包括有步骤四：真空熔覆完成后，打开真空炉炉门，待工件随真空炉冷却至200℃后取出工件，然后在空气中冷却至室温。

5.根据权利要求1-3任一项所述的工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，其特征在于，所述工件为双螺杆泵转子。

说明书

一种工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及工件表面的加工处理方法，具体涉及一种工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，更具体的涉及一种针对双螺杆泵转子的基于镍基自熔合金的真空熔覆表面涂覆方法。

背景技术

[0002] 随着科学技术的不断进步，对材料的性能要求也越来越高。设备零部件表面经常需要经受高温、高压、腐蚀等极端环境的考验，导致工件的破坏通常都是从表面开始。全世界每年钢铁材料的消耗量中的50％以上是由于磨损和腐蚀消耗掉的，因此，如何提高材料表面的抗磨损和抗腐蚀性能成为表面工程领域广受关注的课题。

[0003] 电镀、化学镀、热喷涂和熔覆等都是表面工程技术常用的方法。相对于其他工艺，熔覆涂层具有性能优异、与基体结合强度高、材料利用率高等显著优势。现有采用的熔覆技术有激光熔覆和感应熔覆，两者都具有加热快、冷却快、基体热变形小等优点，但是稀释率大，热量分布不均匀，尤其是无法在复杂形状如细长孔的零件上进行均匀涂覆。现有技术中关于镍基自熔合金熔覆研究的文献很多，但是主要集中在感应熔覆，主要焦点放在通过工艺优化，如粉末配比，来考察不同工艺下涂层的结构和性能，并且只是探索了在平板和轴类工件上的应用，而且只是一种科学研究，很少有资料报道整个工艺流程在具有复杂形状工件上实施的可行性，一些真空或者大气熔覆的报道也是如此，最多附带的提一下在复杂工件实施的可能性，但没有具体可行的实施方案，无法指导这些科研成果在实际生产中的应用。因此有必要针对真空熔覆在复杂工件上的实际应用进行探索，本发明基于申请人长期的工作实践而提出一种在复杂工件上真空熔覆技术。

发明内容

[0004] 本发明提出一种工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，基于长期的产业实践，创新地提出一种全新的适用于真空熔覆处理具有良好效果的预涂覆料，所述预涂覆料采用创新提出的镍基自熔合金粉末与粘结胶体混合制得，能够快速地沾附并铺展在待处理工件表面，表现出良好的润湿性，并且在工件预热后能够完全凝固在工件表面，同时本发明创新的采取阶梯加热升温的办法进行真空熔覆，熔覆过程在去除胶体松香、松节油和水玻璃中结晶水的同时不至于破坏涂层的整体结构和表面质量，并使粉末颗粒之间预先形成骨架，在温度超过镍基自熔合金粉末熔点后这种预先形成的骨架能够保证工件预涂覆层表面的溶体不流淌，同时由于毛细效应的作用，向预涂覆层内部收缩，并在真空作用下，将预涂覆层内部的空气完全挤出，颗粒之间的空隙收缩，从而在工件表面形成非常致密的耐磨耐腐蚀涂层，很好的解决了工件表面的耐磨耐腐蚀问题。

[0005] 本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

[0006] 一种工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤一、配制真空熔覆预涂覆料，所述真空熔覆预涂覆料为镍基自熔合金粉末和粘结胶体的混合物；

[0008] 步骤二、在工件表面预热后均匀涂覆所述真空熔覆预涂覆料，并使所述真空熔覆预涂覆料在工件表面凝固形成预涂覆层；

[0009] 步骤三、将表面形成有预涂覆层的工件放入真空炉中，并在真空炉中采用阶梯加热方式将镍基自熔合金真空熔覆在工件表面，从而在工件表面形成致密的无氧化耐磨耐腐蚀合金涂层。

[0010] 进一步的根据本发明所述的工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，其中步骤一中所述真空熔覆预涂覆料中镍基自熔合金粉末和粘结胶体的混合质量比为10:1-3。

[0011] 进一步的根据本发明所述的工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，其中步骤一中所述镍基自熔合金粉末的成分包括碳、铬、硼、硅、铁和镍元素，其中碳的重量百分比含量在0.5-1.1％，铬的重量百分比含量在15-20％，硼的重量百分比含量在3.0-4.5％，硅的重量百分比含量在4-6％，铁的重量百分比含量≤5％，其余为镍；所述镍基自熔合金粉末的粒度在
40-120微米。

[0012] 进一步的根据本发明所述的工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，其中步骤一中粘结胶体包括100重量份的无机液态水玻璃、70-80重量份的松节油和20-30重量份的松香。

[0013] 进一步的根据本发明所述的工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，其中步骤二中，工件表面预热温度在180-220℃，采用喷枪对准工件表面涂覆所述真空熔覆预涂覆料，喷枪出口流量控制在20-40g/min，在工件表面形成1-3mm厚的预涂覆层，然后将预涂覆层在空气中放置20小时以上，直至胶体完全固化。

[0014] 进一步的根据本发明所述的工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，其中步骤三在真空熔覆过程中将真空炉的真空度控制在10Pa，并在真空炉中按照下述方式对工件表面进行阶梯加热：在3至5分钟内将工件表面温度由室温加热至100℃，然后在100℃下保温20分钟，接着在4至8分钟内将工件表面温度由100℃加热至200℃，接着在7至10分钟内将工件表面温度由200℃加热至400℃，再接着在25至35分钟内将工件表面温度由400℃加热至1150℃，最后在1150℃下保温25至35分钟。

[0015] 进一步的根据本发明所述的工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，其中还包括有步骤四：真空熔覆完成后，打开真空炉炉门，待工件随真空炉冷却至200℃后取出工件，然后在空气中冷却至室温。

[0016] 进一步的根据本发明所述的工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，其中通过所述方法在工件表面形成的无氧化耐磨耐腐蚀合金涂层的内部孔隙率低于1％，硬度HRC＝60-62。

[0017] 进一步的根据本发明所述的工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，其中所述工件为双螺杆泵转子。

[0018] 通过本发明的技术方案能够达到以下技术效果：

[0019] 本发明通过对工件表面涂层制备过程中关键工艺参数的探索和优化，最终在复杂工件如双螺杆泵转子上熔覆形成符合要求的耐磨、耐腐蚀修复和保护涂层，所有具有复杂结构工件的表面耐磨耐腐蚀处理具有极强的指导意义。

[0020] 本发明创新提出的Ni60A自熔融合金粉末硬度高、自熔性、润湿性和喷焊性能好，喷焊沉积层硬度可达HRC58～63，与渗碳、渗氮、渗硼、镀铬和某些堆焊合金等表面硬化处理后的硬度相当，同时还具备耐磨、耐蚀、抗高温氧化等优点，可广泛应用于阀门、柱塞、密封环、输送辊、泵套等工件的修复和保护，能几倍乃至几十倍地提高使用寿命。

[0021] 本发明创新的将真空熔覆技术在真空或者保护气体状态下进行，保护基体和涂覆材料不氧化，通过预涂覆和真空熔化，采用灵活多变预涂覆方法在复杂结构的工件上预涂所需材料，具有极强的适应性；预涂覆后的工件整体放入真空炉中，以较低的温度熔化涂层材料，再经过阶梯升温并在略高于Ni60A熔点的温度下真空熔覆30分钟，最终获得结构致密、表面光滑的无氧化Ni60A耐磨涂层，其硬度超过HRC60，实现了涂层材料润湿固态基体材料，并相互扩散，形成冶金结合，工件表面各个部位涂层厚度、温度均匀可控，达到零稀释率，具有良好的耐磨耐腐蚀性能。

具体实施方式

[0022] 以下对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。

[0023] 本发明提出一种工件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，具体的提出一种基于真空熔覆技术的工件表面耐磨耐腐蚀处理方法，采用结构复杂的双螺杆泵转子作为实施对象，在其上制备耐磨耐腐蚀涂层，对转子进行修复和保护。本研究通过对涂层制备过程中关键工艺参数的探索和优化，最终在双螺杆泵转子上制得符合要求的耐磨、耐腐蚀修复和保护涂层，同时对其他复杂结构的工件的表面耐磨耐腐蚀处理也具有极强的指导意义。

[0024] 本发明经过长期的创新试验，提出了通过真空熔覆技术将镍基自熔合金熔覆在工件表面形成耐磨耐腐蚀涂层的表面处理方法，首创的提出了实现这种过程的完整工艺步骤，包括预涂覆工艺过程中胶体选择、胶粉比例、涂覆方式、涂层厚度控制、涂层粘附性控制、表面质量控制以及真空熔覆过程中温度和时间的控制等，对任何工件表面的耐磨耐腐蚀处理均具有实用价值。

[0025] 下面具体给出本发明提出的工件表面耐磨耐腐蚀处理方法，具体包括以下几大步骤。

[0026] 步骤一、配制真空熔覆预涂覆料

[0027] (1)配备镍基自熔合金粉末

[0028] 申请人通过大量的试验总结，提出一种全新的镍基自熔合金粉末，以下记为Ni60A粉末，所述镍基自熔合金粉末包括金属和非金属成分，具体的包括粉末状的碳、铬、硼、硅、铁和镍，其中碳的重量百分比含量在0.5-1.1％，铬的重量百分比含量在15-20％，硼的重量百分比含量在3.0-4.5％，硅的重量百分比含量在4-6％，铁的重量百分比含量在≤5％，其余为镍。所述镍基自熔合金粉末为一种合金粉末，镍基自熔合金粉末的粒度在40-120微米。

[0029] (2)配备粘结胶体

[0030] 本发明预涂覆所述Ni60A粉末时需要选择合适的胶体与所述粉末混合制得预涂覆料，以将粉末沾附在工件上。由于很多工件具有轴和竖直面的复合特征，需要考虑预涂和真空熔覆时重力的影响：即要求预涂时，胶体具有足够的粘结性，合适的凝固速度，以保证粉末具有足够的沾附厚度，同时也要有一定流动性，可以均匀铺满整个工件表面，然后快速凝固，整个表面光滑，涂覆均匀，同时因真空熔覆加热持续时间较长(10-30min)，所选胶体在高温下仍需要具有足够强度和粘性，保证溶化后液态涂料不因重力影响而流淌。

[0031] 基于上述要求，申请人经过大量的试验选择，发现感应熔覆常用的低温有机胶体将无法使用。经过大量试验发现能够与所述Ni60A粉末混合形成预涂覆料并能够适用于真空熔覆过程的粘结胶体应选择可耐1000℃高温的无机液态水玻璃胶体，其模数为2.1-2.4、波尔美浓度为40ml，同时考虑到在预涂覆时需要用液料喷涂，并且水玻璃在后继加热时无法去除，始终保留在涂层中，为了增加粉末分散特性，同时保证不添加过多的水玻璃而对涂层性能造成不利影响，本发明通过大量的试验，发现在所述无机液态水玻璃胶体中添加部分松节油和松香能够很好的满足对Ni60A粉末预涂覆要求，同时能够很好的匹配真空熔覆工艺。因此本发明创新提出的镍基自熔合金粉末的粘结胶体为无机液态水玻璃、松节油和松香的复合胶体，复合胶体中各成分的重量含量关系为：无机液态水玻璃100重量份、松节油70-80重量份、松香20-30重量份。

[0032] (3)配制真空熔覆预涂覆料

[0033] 将步骤(1)制得的镍基自熔合金粉末与步骤(2)制得的粘结胶体充分混合均匀，制得真空熔覆预涂覆料，其中镍基自熔合金粉末与粘结胶体的混合质量比为10:1-3。

[0034] 步骤二、工件表面预涂覆

[0035] 将步骤一制得的真空熔覆预涂覆料均匀涂覆于待处理工件表面。首先对待处理工件表面进行去油和清洗处理，接着将真空熔覆预涂覆料充分搅拌均匀，并将待处理工件表面预热到180-220℃，保温30分钟以上；接着采用喷枪对准工件表面进行涂覆，喷枪内的压缩空气压力优选的可控制在0.2-0.3Mpa，喷枪出口流量控制在20-40g/min，并最好控制工件进行旋转，转速优选的为30-80转/min，经试验在该工艺参数下，预涂覆料经喷枪喷涂到工件表面上时，能够快速地沾附并铺展在工件表面，表现出良好的润湿性，同时通过工件旋转能够将预涂覆料均匀的喷涂在工件整个表面。待喷涂结束后，保持工件继续旋转，停止工件加热，利用工件机体余热使得表面涂层在几分钟内快速凝固，最后将工件在空气中放置20小时以上，使得预涂覆料完全凝固在工件待处理表面，形成1-3mm厚的预涂覆层，表面均匀光滑，且有一层胶体保护。

[0036] 步骤三、真空熔覆处理

[0037] 将步骤二处理后的表面凝固有预涂覆层的工件放入真空炉中进行真空熔覆。其中真空炉的真空度控制在10Pa附近，并对真空炉采用阶梯加热方法进行真空熔覆，具体阶梯加热参数见下表：

[0038]

[0039] 整个加热熔覆过程中采取阶梯加热升温的办法，以便于在去除松香、松节油和水玻璃中的结晶水时，使反应缓慢进行，不至于破坏涂层的整体结构和表面质量。同时在到达Ni60A粉末的熔点前，已经进行长时间烧结，颗粒之间产生部分结合，预先形成骨架。然后在温度达到1150℃熔覆时，已经超过Ni60A粉末熔点(1100℃)和水玻璃熔点(1088℃)，这种预先形成的骨架能够保证工件预涂覆层表面的溶体不流淌，同时由于毛细效应的作用，向预涂覆层内部收缩，并在真空作用下，将预涂覆层内部的空气完全挤出，颗粒之间的空隙收缩，从而在工件表面形成非常致密的耐磨耐腐蚀涂层。最后在真空熔覆完成后，打开真空炉炉门，待工件随真空炉冷却至200℃后取出，空气中冷却至室温后完成工件表面耐磨耐腐蚀处理。

[0040] 步骤四、性能测试与表面后处理

[0041] 通过步骤三在工件表面形成致密的镍基合金涂层，经测试获得的涂层光亮平滑，在真空条件下，无明显氧化，这是因为涂层表面有一层水玻璃覆盖，可以保护涂层在冷却过程中不氧化，同时经测试涂层内部孔隙率低于1％，无明显空洞和杂质相。由于水玻璃熔体密度低于Ni60A合金粉末，在真空熔覆过程中，浮在涂层表面，在随后冷却过程中形成致密的薄膜。用砂纸去除水玻璃薄膜后，测得工件表面涂层的硬度HRC＝60-62，通过水玻璃薄膜可以保护工件在放置过程中免受污染，在使用过程中，被很快去除，不影响涂层的防护效果。试验结果表明，经过优化的工艺，本发明完全可以在具有复杂结构的任何工件如双螺杆泵转子上制备高质量的Ni60A耐磨、耐腐蚀涂层。

[0042] 下面给出本发明的具体实施例

[0043] 实施例1

[0044] 基体材料为Q235钢制作的双螺杆泵转子的表面耐磨耐腐蚀处理方法，双螺杆泵是目前工业生产中经常用的物料传送装置，转子是泵的重要结构，包括螺旋面和中轴，结构相对复杂，转子在使用中需要经受高温、高压下物料的冲蚀磨损，同时由于物料经常携带酸性物质，也要求转子具有较好的耐腐蚀性，由于双螺杆泵转子独特和复杂的外形结构，采用本发明所述的基于真空熔覆技术的表面保护涂层制备方法是最合适的表面耐磨耐腐处理方法。

[0045] 具体的该实施例中针对双螺杆泵转子的表面耐磨耐腐蚀处理方法，首先按照下述成分含量配制镍基自熔合金粉末Ni60A：

[0046]

[0047] 然后按照下述质量关系配置预涂覆料各组分，并搅拌均匀形成预涂覆料：

[0048]

[0049] 接着在双螺杆泵转子表面进行预涂覆所述预涂覆料，由于双螺杆泵转子的基体材料为Q235钢，喷涂前需要对基体进行去油和喷砂处理。为了增加涂料和基体润湿性，将双螺杆泵转子预热至200℃，涂覆过程中，充分利用基体的余热增加涂料的润湿和胶体固化。涂覆过程中，基体被夹在车床上，以50-60转/min进行旋转，过快或者过慢的转速都不利于粉末的涂覆。

[0050] 预涂覆时，将喷头内压缩空气压力控制在0.2-0.3Mpa间，控制喷涂粉末流量为30g/min，控制双螺杆泵转子基体转速为60转/min，基体在炉子中预热至200℃时保温30分钟。可以看到在该工艺参数下，涂料能够快速沾附并铺展在转子上，表现出良好的润湿性。
为了保证轴面和竖直面厚度一致，喷枪先以较小压力(0.2MPa)倾斜对准转子基体的大圆面和竖直面喷涂，喷枪以0.1m/s的速度移动，然后以较大压力(0.3MPa)对准转子基体的小圆柱面进行喷涂，各走抢3遍。喷涂结束后，基体继续旋转，利用机体余热，涂层在3分钟内就会凝固。然后将基体放到特制架子上在空气中放置20小时，胶体完全凝固。预涂覆的涂层厚度在1.5-2mm之间，表面均匀光滑，有一层胶体保护。

[0051] 然后选择试验用真空气氛保护炉(真空炉)进行真空熔覆，真空度控制在10Pa，真空炉加热速度30℃/min，最高使用温度1400℃，可在1300℃下长期使用。

[0052] 真空熔覆时，将表面完全固化有预涂覆层的双螺杆泵转子基体放入所述真空炉中，打开真空泵，真空度达到10Pa时，开始加热。采用阶梯加热的方法进行真空熔覆，具体加热过程控制参数见下表：

[0053]温度℃ 室温-100 100 100-200 200-400 400-1150 1150
时间min 4 20 5 8 25 30

[0054] 整个加热熔覆过程中采取阶梯加热升温的办法，以便于在去除松香、松节油和水玻璃中的结晶水时，反应缓慢进行，不至于破坏涂层的整体结构和表面质量。同时在到达Ni60A粉末的熔点前，已经进行长时间烧结，颗粒之间产生部分结合，形成骨架。在1150℃熔覆时，已经超过Ni60A粉末熔点(1100℃)和水玻璃熔点(1088℃)，这种预先形成的骨架，能够保证涂层表面的溶体不流淌，同时由于毛细效应的作用，向涂层内部收缩，在真空作用下，将涂层内部的空气挤出，填满颗粒之间的空隙，整个涂层更加致密。真空熔覆完成后，打开炉门，基体随炉冷却至200℃后取出，空气中冷却至室温。

[0055] 经测试双螺杆泵转子表面涂层的内部孔隙率低于1％，并在冷却过程中形成了致密薄膜，用砂纸去除水玻璃薄膜后，测得涂层的硬度HRC＝62。试验结果表明，经过优化的工艺，完全可以在具有复杂结构的双螺杆泵转子上制备高质量的Ni60A耐磨、耐腐蚀涂层。

[0056] 本发明创新的将真空熔覆技术在真空或者保护气体状态下进行，保护基体和涂覆材料不氧化，基本工艺过程分为预涂覆和真空熔化，采用灵活多变预涂覆方法，具有极强的适应性；预涂覆后的工件整体放入真空炉中，以较低的温度熔化涂层材料，液态涂层材料润湿固态基体材料，并相互扩散，形成冶金结合，工件表面各个部位涂层厚度、温度均匀可控，零稀释率。本发明创新提出的Ni60A自熔融合金粉末硬度高，自熔性、润湿性和喷焊性能好，喷焊沉积层硬度可达HRC58～63，与渗碳、渗氮、渗硼、镀铬和某些堆焊合金等表面硬化处理后的硬度相当，同时还具备耐磨、耐蚀、抗高温氧化等优点，可广泛应用于阀门、柱塞、密封环、输送辊、泵套等工件的修复和保护，能几倍乃至几十倍地提高使用寿命。

[0057] 以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。