专利名称：一种Cr-Ni系不锈钢热熔覆表面强化方法
技术领域：
本发明涉及金属材料表面处理技术，具体涉及一种Cr-Ni系不锈钢热熔覆表面强化方法。
背景技术：
不锈钢是20世纪初材料领域最伟大的发明之一。由于不锈钢所特有的不锈性、耐蚀性、耐热性、低温性、加工制造性、寿命长、可回收等优点，而被广泛应用于工业、农业、国防和人们日常生活的各个领域，被认为是很有发展潜力的金属材料。Cr-Ni系不锈钢是一种典型的不锈钢，因其具有较高的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性、抗冲击性、抗氧化性等优点，被广泛用于汽车工业、石油化工、核工业、水利行业等领域。Cr-Ni系不锈钢工作环境一般比较恶劣，材料表面在运行一段时间后，会存在一定的磨损，从而影响设备运行的稳定性和安全性，选择合理的表面处理技术提高Cr-Ni系不 锈钢表面的强度、硬度和耐磨等性能是表面技术工作者亟待解决的问题。目前，常见的不锈钢表面处理方法有激光表面淬火、表面堆焊表面热喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂和超音速喷涂等。激光表面淬火和表面堆焊材料成本高；表面热喷涂预处理涂层加工困难，涂层与基体结合差，涂层易疲劳剥落；等离子熔覆工艺不好控制，生产成本高，从工业实用化的角度来看，尚需作进一步的深入研究。
发明内容
本发明的目的在于克服上述方法强化Cr-Ni系不锈钢表面的不足，提供一种Cr-Ni系不锈钢热熔覆表面强化方法，使得Cr-Ni系不锈钢表面硬度、耐磨性、耐冲击性、耐腐蚀性得到提高，从而延长Cr-Ni系不锈钢的使用寿命，提高设备工作的稳定性。本发明采用以下技术方案
一种Cr-Ni系不锈钢热熔覆表面强化方法，其中，采用如下步骤
(1)工件预处理在进行热溶覆之前，对工件表面进行预处理；
(2)采用陶瓷硬质合金电极进行热熔覆处理，热溶覆抢采用自身旋转方式，转速为2000 2500r/min，电极为机械夹持方式；
(3)在惰性气体氩气保护下，使用热熔覆设备进行处理，氩气的流量控制在5.5 6.5L/min ；
(4)热溶覆工艺参数为输出功率为4000 6000W，输出电压为180 260V，放电频率为1000-2400HZ，溶覆时间为I 2min/cm2 ;涂层厚度可达40 50iim，涂层硬度大于1900HV，结合强度大于350MP ;过渡层厚度可达190-230 y m，过渡层硬度可达1500 1900HV。进一步，所述预处理步骤为清洗工件表面，去除油污、氧化皮。进一步，所述转速为2000r/min，氩气流量为5. 5L/min,热溶覆工艺参数为输出功率为4000W，输出电压为180V，放电频率为1000HZ，熔覆时间为lmin/cm2。涂层可以达到40 u m,涂层硬度大于1900HV，结合强度大于350MP ;过渡层厚度可达190 u m,过渡层硬度可达 1500HV。进一步，所述转速为2200r/min，氩气流量为6. OL/min,热溶覆工艺参数为输出功率为5000W，输出电压为220V，放电频率为1500HZ，熔覆时间为I. 3min/cm2。涂层可以达到45 u m,涂层硬度大于1900HV，结合强度大于350MP ;过渡层厚度可达200 u m,过渡层硬度可达 1600HV。进一步，所述转速为2400r/min，氩气流量为6. 2L/min,热溶覆工艺参数为输出功率为5500W，输出电压为240V，放电频率为2200HZ，熔覆时间为I. 8min/cm2，涂层厚度可达48 ii m，涂层硬度大于1900HV，结合强度大于350MP ;过渡层厚度可达220 u m,过渡层硬度可达 1650HV。进一步，所述转速为2500r/min，氩气流量为6. 5L/min,热溶覆工艺参数为输出功率为6000W，输出电压为260V，放电频率为2400HZ，熔覆时间为2min/cm2。涂层可以达到50 u m,涂层硬度大于1900HV，结合强度大于350MP ;过渡层厚度可达230 u m,过渡层硬度可达 1700HV。本发明的有益效果为
1、本发明采用热熔覆设备，以Cr-Ni系不锈钢为热熔覆对象，在大气条件下，使用氩气作为保护气体，使用具有高强度、高耐磨性的陶瓷硬质合金作为电极材料，热熔覆在Cr-Ni系不锈钢材料表面，形成了一层与基体冶金结合的合金层。热熔覆技术处理后，工件表面不会产生热变形，涂层与基体形成冶金结合，结合牢固，不会发生剥落；即可对已磨损件修复，也可在新工件表面大面积熔覆硬面涂层，提高工件的硬度和耐磨性；
2、本发明所采用的热熔覆工艺方法不会使Cr-Ni系不锈钢材料产生热变形，而且涂层产生的细小微晶结构，提高了涂层的性能。熔覆后的Cr-Ni系不锈钢表面强化点密集、均匀，表面涂层厚度可达到40 50 iim，表面硬度和耐磨性都有很大的提高，延长使用寿命；
3、在Cr-Ni系(不锈钢表面进行热熔覆，熔覆涂层的厚度、粗糙度、耐磨性等与熔覆的功率、电压、频率、时间等操作因素相关，因此可以通过对熔覆工艺参数的选择和优化，得到较高的涂层性能。4、本发明所采用的工艺方法不需要特殊、复杂的处理装置和设施，表面强化处理费用较低，而且操作方便，表面强化处理参数易于控制和达到；
5、本发明设备简单、操作方便、涂层结合强度高，不对金属表面产生损伤等。经过处理后的表面组织为微米晶结构，而且这些微米晶粒弥散分布在硬面涂层中，使不锈钢表面的结合强度、耐磨性和耐磨性大大提高，增加了 Cr-Ni系不锈钢工作时的稳定性，延长了使用寿命。本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。
图I为本发明热熔覆设备工作原理 图2为0Crl3Ni5Mo不锈钢表面热熔覆后的涂层界面形貌图。
具体实施例方式以下用实施例结合附图对本发明作进一步的详细说明
0Crl3Ni4Mo、lCrl8Ni9Ti、0Crl3Ni5Mo、0Crl3Ni6Mo 等是 Cr-Ni 系不锈钢中一种典型的材料，因其具有较好的硬度和耐磨性而多被用于金属易磨损件。图I为本发明热熔覆设备工作原理 图，I为振动电源，2为振动器，3为电极(SP阳极)，4为工件(即Cr-Ni系不锈钢基体)。本发明对原有的设备电路部分进行了改造，改进后的热熔覆设备可以提供大功率和大电流，采用上述工艺参数，其涂层的性能和厚度都有了明显的改善和提闻。在氩气环境中，直接利用电能的高密度能量对Cr-Ni系不锈钢基体的表面进行熔覆处理，涂层与工件表面形成冶金结合层，电极用螺钉夹持在熔覆枪内，工作时熔覆枪内的电极以围着轴心高速旋转的方式进行。热熔覆过程中输出功率和输出电压对涂层的厚度产生很大的影响；熔覆频率主要影响涂层的质量和熔覆效率；在一定时间内，熔覆涂层的厚度随着溶覆时间的延长在不断的增厚，但当熔覆到一定厚度时，随着熔覆时间的增长熔覆层的厚度也不再增长。如图2所示，Cr-Ni系不锈钢表面通过热熔覆硬质合金后，在钢材表面形成三种与基体不同的金相组织，由表及里，最表面一层为白亮层(即本发明中的涂层)；其次是过渡层，第三层是热影响区，再往里是不锈钢的原始基体组织。从图2中能够看到明显的冶金结合。其白亮层显露表面看腐蚀性好，仍呈白亮状态，这层由熔化的电极和工件的组成元素所形成，因此这层的组织结构和成分取决于电极和工件的材料。与白亮层靠近的是过渡层，它是由涂层材料中的一些组成元素熔渗扩散到基体金属材料中，然后被迅速淬火而成，从金相组织上看过渡层发黑，主要是因为高温下冷却，析出细小碳化物附在细化的马氏体组织上面，腐蚀后变黑。热影响区主要是由于放电的高温作用，使这层钢材的原始组织遭到不同的影响，它的主要组织是回火马氏体。实施例I :以0Crl3Ni5Mo不锈钢作为熔覆处理对象，陶瓷硬质合金选用WC为例。具体工艺过程如下
(I)工件预处理在进行热溶覆之前，对0Crl3Ni5Mo不锈钢工件表面进行预处理清洗工件表面、去除油污、氧化皮等。(2)采用WC硬质合金电极做为阳极，0Crl3Ni5Mo不锈钢工件做为阴极，进行热熔覆处理，热熔覆抢采用自身旋转方式，转速为2000r/min，电极为机械夹持方式；
(3)在惰性气体氩气保护下，使用热熔覆设备进行溶覆处理，氩气的流量控制在5.5L/
min ；
(4)热溶覆工艺参数为输出功率为4000W，输出电压为180V，放电频率为1000HZ，熔覆时间为lmin/cm2。涂层可以达到40 ym，涂层硬度大于1900HV，结合强度大于350MP ;过渡层厚度可达190 iim，过渡层硬度可达1500HV。以陶瓷硬质合金电极材料为阳极，以Cr-Ni系不锈钢基材作为阴极。在处理前，对强化修复区域先进行去氧化皮处理，使其表面光亮无杂质，对所采用的修复材料同样需要进行去氧化皮处理，使其光亮。如图2所示，OCrl3Ni5Mo不锈钢表面通过热熔覆硬质合金后，在钢材表面形成三种与基体不同的金相组织。由表及里，最表面一层为白亮层；其次是过渡层，第三层是热影响区，再往里是不锈钢的原始基体组织。从图2中能够看到明显的冶金结合。其白亮层显露表面看腐蚀性好，仍呈白亮状态，这层由熔化的电极和工件的组成元素所形成，因此这层的组织结构和成分取决于电极和工件的材料。与白亮层靠近的是过渡层，它是由涂层材料中的一些组成元素熔渗扩散到基体金属材料中，然后被迅速淬火而成，从金相组织上看过渡层发黑，主要是因为高温下冷却，析出细小碳化物附在细化的马氏体组织上面，腐蚀后变黑。热影响区主要是由于放电的高温作用，使这层钢材的原始组织遭到不同的影响，它的主要组织是回火马氏体。实施例2 以0Crl3Ni4Mo不锈钢作为熔覆处理对象，陶瓷硬质合金选用WC为例。具体工艺过程如下·
(I)工件预处理在进行热溶覆之前，对0Crl3Ni4Mo不锈钢工件表面进行预处理清洗工件表面、去除油污、氧化皮等。(2)采用WC硬质合金电极做为阳极0Crl3Ni4Mo不锈钢工件做为阴极，进行热熔覆处理，热熔覆抢采用自身旋转方式，转速为2200 r/min,电极为机械夹持方式；
(3)在惰性气体氩气保护下，使用热熔覆设备进行溶覆处理，氩气的流量控制在6.OL/
min ；
(4)热溶覆工艺参数为输出功率为5000W，输出电压为220V，放电频率为1500HZ，熔覆时间为I. 3min/cm2。涂层可以达到45 ym，涂层硬度大于1900HV，结合强度大于350MP ;过渡层厚度可达200 iim，过渡层硬度可达1600HV。实施例3 以lCrl8Ni9Ti不锈钢作为熔覆处理对象，陶瓷硬质合金选用WC为例。具体工艺过程如下
(I)工件预处理在进行热溶覆之前，对lCrl8Ni9Ti不锈钢工件表面进行预处理清洗工件表面、去除油污、氧化皮等。(2)采用WC硬质合金电极做为阳极lCrl8Ni9Ti不锈钢工件做为阴极，进行热熔覆处理，热熔覆抢采用自身旋转方式，转速为2500r/min，电极为机械夹持方式；
(3)在惰性气体氩气保护下，使用热熔覆设备进行溶覆处理，氩气的流量控制在6.5L/
min ；
(4)热溶覆工艺参数为输出功率为6000W，输出电压为260V，放电频率为2400HZ，熔覆时间为2min/cm2。涂层可以达到50 ym，涂层硬度大于1900HV，结合强度大于350MP ;过渡层厚度可达230 u m，过渡层硬度可达1700HV。实施例4 以0Crl3Ni6Mo不锈钢作为熔覆处理对象，陶瓷硬质合金选用WC为例。具体工艺过程如下
(I)工件预处理在进行热溶覆之前，对0Crl3Ni6Mo不锈钢工件表面进行预处理清洗工件表面、去除油污、氧化皮等。(2)采用WC硬质合金电极做为阳极0Crl3Ni6Mo不锈钢工件做为阴极，进行热熔覆处理，热熔覆抢采用自身旋转方式，转速为2400 r/min,电极为机械夹持方式；
(3)在惰性气体氩气保护下，使用热熔覆设备进行溶覆处理，氩气的流量控制在6.2L/
min ；
(4)热溶覆工艺参数为输出功率为5500W，输出电压为240V，放电频率为2200HZ，熔覆时间为1.8min/cm2，涂层厚度可达48iim，涂层硬度大于1900HV，结合强度大于350MP ;过渡层厚度可达220 u m，过渡层硬度可达1650HV。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换， 只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.ー种Cr-Ni系不锈钢热熔覆表面強化方法，其特征在于采用如下步骤 (Oエ件预处理在进行热溶覆之前，对エ件表面进行预处理； (2)采用陶瓷硬质合金电极进行热熔覆处理，热溶覆抢采用自身旋转方式，转速为2000 2500r/min，电极为机械夹持方式； (3)在惰性气体氩气保护下，使用热熔覆设备进行处理，氩气的流量控制在5.5 6.5L/min ； (4)热溶覆エ艺參数为输出功率为4000 6000W，输出电压为180 260V，放电频率为1000-2400HZ，溶覆时间为I 2min/cm2 ;涂层厚度可达40 50μπι，涂层硬度大于1900HV，结合强度大于350ΜΡ ;过渡层厚度可达190-230 μ m，过渡层硬度可达1500 1700HV。
2.根据权利要求I所述的ー种Cr-Ni系不锈钢热熔覆表面強化方法，其特征在于所述预处理步骤为清洗エ件表面，去除油污、氧化皮。
3.根据权利要求I或2所述的ー种Cr-Ni系不锈钢热熔覆表面強化方法，其特征在于所述转速为2000r/min，氩气流量为5. 5L/min，热溶覆エ艺參数为输出功率为4000W，输出电压为180V，放电频率为1000HZ，熔覆时间为lmin/cm2 ;涂层可以达到40 μ m，涂层硬度大于1900HV，结合强度大于350MP ;过渡层厚度可达190 μ m，过渡层硬度可达1500HV。
4.根据权利要求I或2所述的ー种Cr-Ni系不锈钢热熔覆表面強化方法，其特征在于所述转速为2200r/min，氩气流量为6. OL/min，热溶覆エ艺參数为输出功率为5000W，输出电压为220V，放电频率为1500HZ，熔覆时间为I. 3min/cm2 ;涂层可以达到45 μ m，涂层硬度大于1900HV，结合强度大于350MP ;过渡层厚度可达200 μ m，过渡层硬度可达1600HV。
5.根据权利要求I或2所述的ー种Cr-Ni系不锈钢热熔覆表面強化方法，其特征在于所述转速为2400r/min，氩气流量为6. 2L/min，热溶覆エ艺參数为输出功率为5500W，输出电压为240V，放电频率为2200HZ，熔覆时间为I. 8min/cm2，涂层厚度可达48 μ m，涂层硬度大于1900HV，结合强度大于350MP ;过渡层厚度可达220 μ m，过渡层硬度可达1650HV。
6.根据权利要求I或2所述的ー种Cr-Ni系不锈钢热熔覆表面強化方法，其特征在于所述转速为2500r/min，氩气流量为6. 5L/min，热溶覆エ艺參数为输出功率为6000W，输出电压为260V，放电频率为2400HZ，熔覆时间为2min/cm2 ;涂层可以达到50 μ m，涂层硬度大于1900HV，结合强度大于350MP ;过渡层厚度可达230 μ m，过渡层硬度可达1700HV。
全文摘要
本发明公开了一种Cr-Ni系不锈钢热熔覆表面强化方法，采用如下步骤工件预处理在进行热溶覆之前，对工件表面进行预处理；(2)采用陶瓷硬质合金电极进行热熔覆处理，热溶覆抢采用自身旋转方式，转速为2000～2500r/min，电极为机械夹持方式；(3)在惰性气体氩气保护下，使用热熔覆设备进行处理，氩气的流量控制在5.5～6.5L/min；本发明设备简单、操作方便、涂层结合强度高,耐磨蚀性能好，不对金属表面产生损伤等，使不锈钢表面的结合强度、耐磨性和耐磨性大大提高，增加了Cr-Ni系不锈钢工作时的稳定性，延长了使用寿命。
文档编号C23C24/10GK102677051SQ201210180079
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月4日 优先权日2012年6月4日
发明者严大考, 唐明奇, 张瑞珠, 李勇, 李瑞静, 郭鹏 申请人:华北水利水电学院