一种新型铜材表面堆焊工艺制造技术

一种新型铜材表面堆焊工艺，采用堆焊工艺在铜材基体的表面上形成堆焊层，其特征在于：所述堆焊工艺所使用的焊材由耐磨合金粉末和辅助粉末组成；所述辅助粉末是镍包铝粉末、铝包镍粉末和氧化剂还原剂混合粉末中的一种或者其中多种的组合。采用本发明专利技术的工艺在铜材表面形成堆焊层，堆焊层与铜材基体冶金结合，能够提高铜材基体与堆焊层之间的结合强度，同时提高堆焊层的冷却强度，降低堆焊层在使用时的温度以提高耐磨性（使用时，铜材基体受冷却时可迅速带走堆焊层的热量，使堆焊层降温），应用于铜冷却设备时能够满足铜冷却设备高导热性和耐磨性的要求，延长铜冷却设备的使用寿命。延长铜冷却设备的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种新型铜材表面堆焊工艺


[0001]本专利技术涉及堆焊工艺，具体涉及一种新型铜材表面堆焊工艺。

技术介绍

[0002]铜冷却设备使用在高温炉上（如高炉、电炉、矿热炉、垃圾焚烧炉和熔融气化炉），主要是利用铜或者铜合金的高导热性，将多余热量及时带走，防止炉体过热变形，从而保护炉体。部分高温炉同时还能形成渣皮（如高炉铜冷却壁）。主要考虑高导热性时，可采用纯铜（纯铜导热系数379W/(m
·
℃)；需要兼顾高导热性和高强度时，可以采用铜合金。
[0003]由于铜材的硬度不高（例如铜的硬度是35
‑
60HB），因此应用时容易被磨损，特别是在高温工作环境下磨损更加严重，缩短了铜冷却设备的使用寿命，例如：高炉风口小套处于高炉的出风口位置，环境温度高达1500
‑
2000℃，还需要面对炉料和气流的冲刷，工况恶劣，很容易被磨损。
[0004]为了减少磨损，延长铜冷却设备的使用寿命，需要提高铜冷却设备的高温工作部位的耐磨性，目前常用的技术手段是增加耐磨层。而单纯采用高温下保持高硬度的金属（镍、钴等）、合金或者陶瓷，在没有冷却或者冷却强度不足的情况下，高温下硬度降低，也容易被磨损。因此，在铜或者铜合金的表面增加高温耐磨层，是解决铜冷却设备高导热兼顾高硬度的高性价比的工艺方法。
[0005]但是，传统的非分子间结合的工艺方法在铜材表面形成耐磨层，如机械嵌合（指具有一定动能的熔滴碰撞到经过粗糙处理的基材表面后与表面上的凸起和凹陷处形成的机械咬合，涂层的微粒与表面、微粒与微粒之间靠相互籍镶而连在一起），由于耐磨层与铜材不存在冶金结合，在高温下两种材质的热膨胀系数不一致，很容易变形，产生不同程度的间隙，从而加大了气隙热阻，最终导致耐磨层得不到有效冷却，高温下硬度降低，甚至脱落，反而加速耐磨层的磨损。
[0006]性价比高的冶金结合工艺为堆焊工艺。堆焊是以外界热源（等离子弧、高能密度的激光束或者焊割火焰炬）产生的高温将合金或者非合金粉末与基体表面快速熔化、混合、扩散、凝固，热源离开后自激冷却，在基体表面形成一层熔覆层。
[0007]铜具有高导热特性和高热容量(比热容为0.39
×
103J/(kg
·
℃))的物理特性，然而铜的这两个优点，反而成为堆焊层难以与铜材基体形成冶金结合的最大技术难点。现有的堆焊工艺仅依靠焊接电源产生的热量来熔化铜材基体表面及耐磨合金粉末，这样，功率小则堆焊过程产生的热量迅速被铜材基体传热带走，热量不足，难以形成熔池，导致堆焊层与铜材基体未熔合；而功率大则铜材基体过度熔化，导致堆焊层稀释率过高（即过多的铜或者铜合金与耐磨合金元素混合），既降低了铜材基体的导热性能，又耗费过多的耐磨合金粉末，造成资源的浪费及成本增加。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种新型铜材表面堆焊工艺，采用这种工艺在
铜材表面形成堆焊层，能够提高铜材基体与堆焊层之间的结合强度，同时提高堆焊层的冷却强度，降低堆焊层在使用时的温度以提高耐磨性。采用的技术方案如下：一种新型铜材表面堆焊工艺，采用堆焊工艺在铜材基体的表面上形成堆焊层，其特征在于：所述堆焊工艺所使用的焊材由耐磨合金粉末和辅助粉末组成；所述辅助粉末是镍包铝粉末、铝包镍粉末和氧化剂还原剂混合粉末中的一种或者其中多种的组合。
[0009]本专利技术中，通过等离子、激光或火焰作为热源，将耐磨合金粉末与铜材基体表面快速熔化、混合、扩散、凝固，热源离开后自激冷却，形成一层堆焊层（熔覆层）。耐磨合金粉末是指硬度比铜材基体高的粉末状合金或金属材料。耐磨合金粉末的硬度通常为10
‑
80HRC或者70
‑
90HRB，完成堆焊后，在铜材基体的表面上形成耐磨合金堆焊层，使铜材基体的表面耐磨性能大大得到提高，例如应用于高炉风口套（高炉风口套整体或其前端由铜材制成，在高炉风口套前端的表面上形成耐磨合金堆焊层），可提高高炉风口套抵御端面磨损和喷煤磨损的能力，延长了使用寿命。
[0010]由于耐磨合金粉末中添加有辅助粉末，堆焊过程中，在热源熔化耐磨合金粉末和铜材基体时的高热条件下，辅助粉末反应放热（镍和铝发生放热反应，且/或氧化剂还原剂混合粉末进行氧化还原反应而放热），为堆焊过程补充热量，产生的热量足够熔化铜材基体的表层铜材及耐磨合金粉末，实现堆焊层与铜材基体冶金结合，能够提高铜材基体与堆焊层之间的结合强度，同时提高堆焊层的冷却强度，降低堆焊层在使用时的温度以提高耐磨性。另外，利用辅助粉末反应放热为堆焊过程补充热量，从而可以在堆焊前降低铜材基体的预热温度，或者无需对铜材基体预热，降低能耗。
[0011]上述铜材基体的材质为铜或铜合金。上述铜材基体可以是高炉风口套、冷却壁、浇铸模具等铜冷却设备的铜材部分，堆焊层形成在这些铜冷却设备工作时处在高温工作环境下的部位（例如高炉风口套的前端、冷却壁的热面、浇铸模具的成型槽内壁等）。
[0012]优选方案中，上述堆焊工艺所使用的焊材中，耐磨合金粉末所占的重量百分比为99
‑
50%，辅助粉末所占的重量百分比为1
‑
50%。
[0013]通常情况下，铜材基体的厚度越大（铜材基体的厚度越大，则铜材基体传热带走的热量越多，需要补充更多的热量），则焊材中辅助粉末所占的比例越大，为堆焊过程补充足够的热量。以铜材基体采用纯铜材质为例（纯铜熔点为1083℃），在堆焊层的厚度为1
‑
3mm，耐磨合金粉末的熔点在1000
‑
1600℃时，根据铜材基体的不同厚度，对焊材中辅助粉末所占的比例调整如下：（1）铜材基体的厚度在10
‑
15mm区间时，焊材中辅助粉末所占的比例为1
‑
3%；（2）铜材基体的厚度在15
‑
25mm区间时，焊材中辅助粉末所占的比例为3
‑
6%；（3）铜材基体的厚度在25
‑
35mm区间时，焊材中辅助粉末所占的比例为6
‑
10%；（4）铜材基体的厚度在35
‑
50mm区间时，焊材中辅助粉末所占的比例为10
‑
15%；（5）铜材基体的厚度在50
‑
70mm区间时，焊材中辅助粉末所占的比例为15
‑
20%；（6）铜材基体的厚度在70
‑
90mm区间时，焊材中辅助粉末所占的比例为20
‑
30%；（7）铜材基体的厚度在90
‑
110mm区间时，焊材中辅助粉末所占的比例为30
‑
40%；（8）铜材基体的厚度在110
‑
120mm区间时，焊材中辅助粉末所占的比例为40
‑
50%。
[0014]优选方案中，上述耐磨合金粉末是镍粉、镍基合金粉末、钴粉、钴基合金粉末、铁粉和铁基合金粉末中的一种或其中多种的组合。
[0015]更优选方案中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型铜材表面堆焊工艺，采用堆焊工艺在铜材基体的表面上形成堆焊层，其特征在于：所述堆焊工艺所使用的焊材由耐磨合金粉末和辅助粉末组成；所述辅助粉末是镍包铝粉末、铝包镍粉末和氧化剂还原剂混合粉末中的一种或者其中多种的组合。2.根据权利要求1所述的新型铜材表面堆焊工艺，其特征是：所述铜材基体的材质为铜或铜合金；所述堆焊工艺所使用的焊材中，耐磨合金粉末所占的重量百分比为99
‑
50%，辅助粉末所占的重量百分比为1
‑
50%。3.根据权利要求1或2所述的新型铜材表面堆焊工艺，其特征是：所述耐磨合金粉末是镍粉、镍基合金粉末、钴粉、钴基合金粉末、铁粉和铁基合金粉末中的一种或其中多种的组合。4.根据权利要求3所述的新型铜材表面堆焊工艺，其特征是：所述镍基合金粉末按重量计，含有硅0
‑
10%，铬0
‑
16%，碳0
‑
3%，硼0
‑
15%，铁0
‑
10%，余量为镍；所述钴基合金粉末按重量计，含有硅0
‑
10%，铬0
‑
40%，钨0
‑
20%，碳0
‑
3%，硼0
‑
15%，镍0
‑
30%，钼0
‑
30%，锰0
‑
10%，铁0
‑
10%，余量为钴；所述铁基合金粉末按重量计，含有硅0
‑
10%，铬0
‑
45%，钨0
‑
15%，碳0
‑
3%，硼0
‑
15%，镍0
‑
30%，钼0
‑
30%，锰0
‑
10%，余量为铁。5.根据权利要求4所述的新型铜材表面堆焊工艺，其特征是：所述镍基合金粉末按重量计，含有硅3
‑
4%，铬7
‑
9%，碳0
‑
0.5%，硼1
‑
3%，铁0
‑
10%，余量为镍；或者，所述镍基合金粉末按重量计，含有硅4
‑
5%，铬15
‑
16%，碳0.7
‑
1%，硼3
‑
5%，铁0
‑
5%，余量为镍。6.根据权利要求4所述的新型铜材表面堆焊工艺，其特征是：所述钴基合金粉末按重量计，含有硅0
‑
1%，铬28
‑
32%，钨11
‑
14%，碳1
‑
3%，硼0
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：李立鸿，吴捷，沈大伟，陈名炯，周兵其，
申请(专利权)人：饶平粤兴铜加工有限公司，
类型：发明
国别省市：