本发明属于机械制造技术领域，涉及一种射吸式割咀及其制备方法。
背景技术：
割咀是气割工件的主要工具，其作用是使氧与乙炔按比例混合，形成预热火焰，并与高压纯氧喷射到被切割工件上，使被切割金属在氧射流中燃烧，氧射流同时把燃烧生成的熔渣(氧化物)吹走而形成割缝。割咀的工作原理是，气割时，先稍微开启预热氧调节阀，再打开乙炔调节阀并立即点火。然后增大预热氧流量，氧气与乙炔混合后从割咀混合气孔喷出，形成环形预热火焰，对工件进行预热。待起割处被预热至燃点时，立即开启切割氧调节阀，使金属在氧气流中燃烧，并且氧气流将割缝处的熔渣吹掉，不断移动焊炬，在工件上形成割缝。割咀按预热火焰中氧气和乙炔额混合方式不同分为射吸式和等压式两种，其中以射吸式割咀的使用最为普遍。割咀多用于钢铁生产过程将连续的钢坯切割成需要的尺寸。
目前射吸式割咀的内咀和外壳多由紫铜材质通过冷压制成，硬度和抗冲击性能均较差，而割咀中直接与高压气体相通，长期承受高压气体的冲击；且目前的纯金属割咀不宜在酸性、碱性和高湿环境下使用，在短时间内就容易发生锈蚀和腐蚀现象。
随着工业的不断发展，对气割的精度和效果的要求、对气割工具的使用寿命越益提高，因此合适选择或者设计割咀制造材料和制备方法也变得越为重要。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种耐蚀性能好，强度高、抗冲击性能好的射吸式割咀。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种射吸式割咀，所述射吸式割咀包括金属基体和包覆在金属基体的耐蚀层，所述射吸式割咀包括主件、外壳和内咀，所述内咀包括金属基体和包覆在金属基体的耐蚀增强层，所述金属基体由铜合金制成，所述铜合金包括以下质量百分比含量的组分：0.6～1.0％cr，0.5～0.8％bi，0.1～0.3％ni，0.15～0.25％ti，0.3～0.8％ta，3～5％纳米陶瓷，余量为cu。
本发明对射吸式割咀的内咀的结构进行了改进，在内咀的金属基体表面设置一层耐蚀增强层，起到较好的防腐蚀作用和强化作用。并且合理配伍了内咀金属基体的组分和质量百分比，有效提高了金属基体的强度和抗冲击性能，从而提高了射吸式割咀的使用性能，延长了其使用寿命。
本发明在cu基中添加了适量的cr和ni，cr能阻碍再结晶的形核和长大过程，有细化晶粒的作用，还能改善铜合金的韧性，降低应力腐蚀开裂敏感性，适当比例的cr与ni协同作用能够提高铜合金的抗腐蚀性能，并且铬能在铜合金表面生成一层致密的氧化膜，进一步赋予铜合金较好的抗腐蚀性能，但是cr含量过高容易造成铜合金的脆性开裂及增加淬火敏感性，而ni含量过多反而会降低铜合金的耐蚀性。。本发明还在cu基中添加了适量的bi、ti和ta。ti具有细化晶粒组织、降低铜合金结晶温度的作用，ta具有抗细化衰退作用。而bi具有促进晶核生成、降低共晶组织的生长速度、细化晶核的作用。通过控制bi、ti和ta的比例，可以充分发挥三者的协同作用，获得良好的晶粒细化作用和抗细化衰退作用。但是bi含量过多，容易造成铜合金硬度的降低。另外，bi还可提高铜合金的耐磨性，降低铜合金的磨损量及摩擦表面温度。适量的ta与cr协同作用还可增加铜合金的韧性。避免了纳米陶瓷脆性较大的问题，同时bi的存在还可以降低铜合金的熔炼温度，提高金属熔体的流动性，从而可以使得可以添加较多量的纳米陶瓷。本发明在铜合金中添加了较高含量的纳米陶瓷，纳米陶瓷具有较高的强度、硬度和耐蚀性，能有效提高铜合金的强度、硬度、抗冲击性能、摩擦性能及耐腐蚀性能。适量的陶瓷粉末在铜合金的铸造过程中还可作为异相成核的中心点，提高金属熔体结晶效率，细化晶粒，改善铜合金的微观结构。但是纳米陶瓷的含量过高，会降低金属熔体的流动性，不易浇铸，并且削弱基体中金属颗粒的联结，影响铜合金的成形性和致密化，降低铜合金的力学强度和疲劳性能。纳米陶瓷的纳米结构有助于降低铜合金的浇铸温度，使浇铸更容易进行。
作为优选，所述耐蚀增强层为1.5～5μm厚度的纳米陶瓷层，所述纳米陶瓷层由纳米陶瓷形成。
纳米陶瓷具有较高的强度、硬度和耐蚀性能，在金属基体表面设置纳米陶瓷层，能有效增加内咀的力学使用性能，其纳米结构形成独特的尺寸效应，使得纳米陶瓷层具有较好的去污能力，并且使得烧结能在较低的温度下进行，能够形成较薄的耐蚀增强层，从而具有较好的导热性能，耐蚀增强层过厚，会影响内咀的导热性能。
作为优选，所述纳米陶瓷均包括以下质量百分比的组分，32～38％纳米aln，20～25％纳米tac，余量为纳米beo。
aln、tac、beo相容性较好，能在金属液中形成固溶体，随着固溶体的形成，铜合金的显微结构、力学性能和抗氧化性均得到较大程度的改善，从而有效提高内咀的抗蚀性。并且aln、beo均具有较高的导热率，能有效保证内咀的导热性能，tac能够增加陶瓷层的韧性。
作为优选，所述纳米陶瓷的粒径为30～60nm。
纳米陶瓷的粒径越小，活性越高，但是粒径过小不易分散，而纳米陶瓷的粒径过大，会造成铜合金硬度过高，不利于内咀的成型，上述粒径范围的纳米陶瓷加入到铜合金中后会形成独特的尺寸效应，将铜合金的硬度和韧性控制在适合挤压加工的硬度范围内。
本发明的另一目的在于提供一种射吸式割咀的制备方法，所述制备方法包括以下步骤，
s1、按比例准备铜合金的原材料，将原材料熔炼后浇注制成铜合金材料，将铜合金材料使用冷镦机中进行一次成型制成内咀坯体；
s2、将纳米陶瓷加入到挂浆液中进行超声波浸渍处理制成陶瓷涂料；
s3、对内咀坯体进行清洁处理并干燥，然后将内咀坯体放入到陶瓷涂料中进行挂浆处理，挂浆处理后取出干燥，然后放入到烧结炉中进行高温烧结，形成纳米陶瓷层的同时制成内咀熟坯；
s4、将内咀熟坯放入到真空设备中，抽真空至0.3-0.8pa，然后注入修饰液，在70-90℃下处理10-30min，取出干燥制得射吸式割咀的内咀；
s5、将射吸式割咀的内咀与主件、外壳装配制得射吸式割咀。
本发明使用具有特定组分的铜合金，采用冷挤压的方式制成内咀的金属基体，在金属基体的表层通过涂挂然后烧结的方式形成作为耐蚀增强层的纳米陶瓷层，有效提高了内咀的强度、抗冲击性和抗蚀性能；并通过在纳米陶瓷层形成后对整个内咀采用修饰液进行真空浸渍，赋予了纳米陶瓷层表面较好的疏水性能，进一步提高了内咀的抗蚀性能。本发明在对纳米陶瓷层进行烧结的过程中同时完成了金属基体的热处理过程，简化了工艺步骤，提高了工作效率。步骤s4中真空浸渍的方式提高了浸渍效率，增加了修饰液进入陶瓷层孔隙的含量，提高了内咀表面的疏水性能；本发明将真空浸渍的温度控制在70-90℃，能有效降低修饰液的粘度，提高浸渍效率和浸渍含量，温度过高不利于修饰液中有效成分在陶瓷层缝隙内表面的吸附，反而不利于浸渍的进行。
作为优选，所述步骤s2中挂浆液包括以下质量百分比的组分：18-23％钛酸酯、3-5％纳米sio2、15-20％乙醇、余量为水。
钛酸酯能够与纳米陶瓷表面和金属基体表面的活性基团发生反应，在二者之间起到连接作用，增加纳米陶瓷在金属基体表面的附着力和耐剥离度，适量的乙醇能够促进钛酸酯与纳米陶瓷的反应，适量的纳米sio2掺杂在纳米陶瓷之间能够增加陶瓷颗粒之间连接的牢固性，并且纳米sio2、乙醇和水能够调节陶瓷涂料的粘度，经过挂浆后使得涂料能够适量的吸附在金属基体上。
作为优选，所述步骤s2中纳米陶瓷在挂浆液中的质量百分比为22-25％。
作为优选，所述步骤s2中超声波搅拌浸渍的超声波功率为400～550w，搅拌速度为460～500rmp，温度为60～80℃。
纳米陶瓷在挂浆液中的含量过多，会造成陶瓷涂料浓度过大，容易造成挂浆不均匀，而含量过少，会造成陶瓷涂料浓度过小，挂浆量较少。
作为优选，所述步骤s3中高温烧结的过程为，先加热至560～620℃，保温2.5～3h，再加热至960-990℃，保温2～3h，然后降温至490～520℃，保温2～3h，再降温至260-330℃，保温2～3h，最后自然冷却至室温。
本发明在高温烧结过程中先将温度加热至560～620℃保温一段时间，使得纳米陶瓷层中一部分晶体的形成和适当生长，此时温度过高或过低均不利于陶瓷晶体的形成，保温过长时间会造成晶体生长粗大；然后再加热至960-990℃保温一段时间，使得纳米陶瓷层中其他组分晶体的形成和生长；同时两阶段升温的过程也有利于金属基体内部微观结构的改善。降温的过程分为两步，有利于金属基体和陶瓷层中微观结构的调整和应力的释放，先降温至490～520℃保温一段时间有利于减小金属基体和陶瓷层的形变，使二者契合度更高，再降温至260-330℃则有助于二者应力的充分释放，改善金属基体中晶体的微观结构和应力的释放，提高二者的强度和韧性，降低脆裂的可能性。
作为优选，所述步骤s4中所述修饰液包括以下质量百分比的组分，20～25％的糊状pvc，2～5％蓖麻油，3～5％柠檬酸甘油酯，余量为正己烷。
本发明中的修饰液能够进入烧结后纳米陶瓷层的缝隙中和附着在纳米陶瓷层表面形成疏水结构，进一步提高内咀的抗腐蚀性能。pvc具有优异的耐水、耐油和耐化学腐蚀性能，柠檬酸甘油酯能够促进糊状pvc在陶瓷层表面的吸附性能，而适量蓖麻油的存在进一步提高了糊状pvc的疏水性能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明在射吸式割咀的内咀的金属基体表面设置一层具有耐蚀和增强作用的纳米陶瓷层，赋予内咀较好的抗腐蚀性能和自清洁功能，使得内咀能够应用于较为恶劣的环境，延长了内咀和射吸式割咀的使用寿命；并合理配伍了金属基体和纳米陶瓷层的组分及质量百分比，使得纳米陶瓷层和金属基体结合紧密，抗剥离性强，有较强的抗腐蚀性能；优化了射吸式割咀的制备方法，减少了制备工艺，提高了制备效率。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
下面通过具体实施例对本发明中的射吸式割咀及其制备方法作进一步解释。
实施例1～4
实施例1～4中的射吸式割咀，包括主件、外壳和内咀，内咀包括金属基体和包覆在金属基体的耐蚀增强层，金属基体由铜合金制成，铜合金包括以下质量百分比含量的组分：0.6～1.0％cr，0.5～0.8％bi，0.1～0.3％ni，0.15～0.25％ti，0.3～0.8％ta，3～5％纳米陶瓷，余量为cu。
耐蚀增强层为1.5～5μm厚度的纳米陶瓷层，由纳米陶瓷形成。
金属基体和纳米陶瓷层的纳米陶瓷均包括以下质量百分比的组分，32～38％纳米aln，20～25％纳米tac，余量为纳米beo。
纳米陶瓷的粒径为30～60nm。
实施例1～4中金属基体的组成成分如下表所示。
表1：实施例1～4中金属基体的组成成分
实施例1～4中纳米陶瓷的组分、质量百分比、粒径及耐蚀层厚度如下表所示，
表2：实施例1～4中纳米陶瓷的组分、质量百分比和粒径及耐蚀层厚度
实施例5
本实施例中射吸式割咀的制备方法，包括以下步骤，
(1)、按实施例3中的铜合金的组分及质量百分比准备原材料，将原材料熔炼后浇注制成铜合金材料，然后将铜合金材料使用冷镦机中进行一次成型制成内咀坯体；
(2)、将纳米陶瓷加入到挂浆液中在400w超声功率、460rmp搅拌速度和80℃温度下进行超声波浸渍处理制成陶瓷涂料；纳米陶瓷在挂浆液中的质量百分比为22％，挂浆液包括以下质量百分比的组分：23％钛酸酯、5％纳米sio2、20％乙醇、余量为水；
(3)、对内咀坯体进行清洁处理并干燥，然后将内咀坯体放入到陶瓷涂料中进行挂浆处理，挂浆处理后取出干燥，然后放入到烧结炉中进行高温烧结，先加热至560℃，保温3h，再加热至960℃，保温3h，然后降温至490℃，保温3h，再降温至260℃，保温3h，最后自然冷却至室温，在形成纳米陶瓷层的同时制成内咀熟坯；
(4)、将内咀熟坯放入到真空设备中，抽真空至0.3pa，然后注入修饰液，在70℃下处理30min，取出干燥制得射吸式割咀的内咀；修饰液包括以下质量百分比的组分，20％的糊状pvc，2％蓖麻油，3％柠檬酸甘油酯，余量为正己烷；
(5)、将射吸式割咀的内咀与主件、外壳装配制得射吸式割咀。
实施例6
本实施例中射吸式割咀的制备方法，包括以下步骤，
(1)、按实施例3中的铜合金的组分及质量百分比准备原材料，将原材料熔炼后浇注制成铜合金材料，然后将铜合金材料使用冷镦机中进行一次成型制成内咀坯体；
(2)、将纳米陶瓷加入到挂浆液中在450w超声功率、480rmp搅拌速度和70℃温度下进行超声波浸渍处理制成陶瓷涂料；纳米陶瓷在挂浆液中的质量百分比为23％，挂浆液包括以下质量百分比的组分：20％钛酸酯、4％纳米sio2、17％乙醇、余量为水；
(3)、对内咀坯体进行清洁处理并干燥，然后将内咀坯体放入到陶瓷涂料中进行挂浆处理，挂浆处理后取出干燥，然后放入到烧结炉中进行高温烧结，先加热至580℃，保温3h，再加热至970℃，保温2.5h，然后降温至500℃，保温2.5h，再降温至280℃，保温2.5h，最后自然冷却至室温，在形成纳米陶瓷层的同时制成内咀熟坯；
(4)、将内咀熟坯放入到真空设备中，抽真空至0.3-0.8pa，然后注入修饰液，在75℃下处理30min，取出干燥制得射吸式割咀的内咀；修饰液包括以下质量百分比的组分，23％的糊状pvc，4％蓖麻油，4％柠檬酸甘油酯，余量为正己烷；
(5)、将射吸式割咀的内咀与主件、外壳装配制得射吸式割咀。
实施例7
本实施例中射吸式割咀的制备方法，包括以下步骤，
(1)、按实施例3中的铜合金的组分及质量百分比准备原材料，将原材料熔炼后浇注制成铜合金材料，然后将铜合金材料使用冷镦机中进行一次成型制成内咀坯体；
(2)、将纳米陶瓷加入到挂浆液中在500w超声功率、490rmp搅拌速度和75℃温度下进行超声波浸渍处理制成陶瓷涂料；纳米陶瓷在挂浆液中的质量百分比为25％，挂浆液包括以下质量百分比的组分：22％钛酸酯、4％纳米sio2、19％乙醇、余量为水；
(3)、对内咀坯体进行清洁处理并干燥，然后将内咀坯体放入到陶瓷涂料中进行挂浆处理，挂浆处理后取出干燥，然后放入到烧结炉中进行高温烧结，先加热至600℃，保温2.5h，再加热至980℃，保温2.5h，然后降温至500℃，保温2.5h，再降温至300℃，保温2.5h，最后自然冷却至室温，在形成纳米陶瓷层的同时制成内咀熟坯；
(4)、将内咀熟坯放入到真空设备中，抽真空至0.3-0.8pa，然后注入修饰液，在80℃下处理20min，取出干燥制得射吸式割咀的内咀；修饰液包括以下质量百分比的组分，22％的糊状pvc，3％蓖麻油，4％柠檬酸甘油酯，余量为正己烷；
(5)、将射吸式割咀的内咀与主件、外壳装配制得射吸式割咀。
实施例8
本实施例中射吸式割咀的制备方法，包括以下步骤，
(1)、按实施例3中的铜合金的组分及质量百分比准备原材料，将原材料熔炼后浇注制成铜合金材料，然后将铜合金材料使用冷镦机中进行一次成型制成内咀坯体；
(2)、将纳米陶瓷加入到挂浆液中在550w超声功率、500rmp搅拌速度和60℃温度下进行超声波浸渍处理制成陶瓷涂料；纳米陶瓷在挂浆液中的质量百分比为25％，挂浆液包括以下质量百分比的组分：18％钛酸酯、3％纳米sio2、15％乙醇、余量为水；
(3)、对内咀坯体进行清洁处理并干燥，然后将内咀坯体放入到陶瓷涂料中进行挂浆处理，挂浆处理后取出干燥，然后放入到烧结炉中进行高温烧结，先加热至620℃，保温2.5h，再加热至990℃，保温2h，然后降温至520℃，保温2h，再降温至330℃，保温2h，最后自然冷却至室温，在形成纳米陶瓷层的同时制成内咀熟坯；
(4)、将内咀熟坯放入到真空设备中，抽真空至0.8pa，然后注入修饰液，在90℃下处理10min，取出干燥制得射吸式割咀的内咀；修饰液包括以下质量百分比的组分，25％的糊状pvc，5％蓖麻油，5％柠檬酸甘油酯，余量为正己烷；
(5)、将射吸式割咀的内咀与主件、外壳装配制得射吸式割咀。
实施例9-11
分别按实施例1、2和4中的铜合金的组分及质量百分比准备原材料，按照实施例7中的制备方法进行射吸式割咀的制备。
对比例1
射吸式割咀的内咀只有金属基体，没有耐蚀增强层，其他与实施例7相同。
对比例2
射吸式割咀的内咀的金属基体中未添加纳米陶瓷，其他与实施例7相同。
对比例3
普通射吸式割咀。
将本发明实施例5～11、对比例1～3中射吸式割咀的内咀的性能进行比较，比较结果如下表所示。其中，耐蚀性能采用盐雾试验，试验条件：浓度为50±5g/l氯化钠溶液；ph值为6.5～7.2；盐雾箱内温度为35±2℃；喷雾方式为连续喷雾；时间为480小时。
表3：实施例5～11、对比例1～3中射吸式割咀的性能
综上所述，本发明通过在射吸式割咀的内咀的金属基体表面设置作为耐蚀增强层的纳米陶瓷层，合理配伍金属基体和纳米陶瓷层的组成和质量百分比，通过真空浸渍的方法赋予纳米陶瓷层具有疏水功能，并通过特定的制备方法制得射吸式割咀，有效提高了射吸式割咀的耐蚀性能和力学性能。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。