[发明专利]一种风口强化功能梯度材料的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及属于低合金高强度用钢板生产技术领域，主要涉及一种高炉风口强化的新型功能梯度材料的制造方法。

背景技术

风口是高炉冶炼生铁生产中一个关键备件,高炉风口工作环境严峻,它处在2000℃以上的高温炉缸内,承受高温区的辐射和对流热冲击,风口前端受到1500℃左右的液态渣铁和高速循环运动的炽热物料的冲刷,风口内通过900℃-1300℃的热风,同时在燃烧循环区又受到强烈的氧化作用和微量元素对风口的浸润,此外在喷吹煤粉条件下还受到煤粉的高速磨损,这些不利因素都加剧了风口破损。

风口恶劣的使用环境使其易损易耗，其失效形式根据实地考察和分析风口的主要失效形式分别为烧蚀、磨损、龟裂，这些导致冶炼成本增加、质量降低、需要停机更换风口导致高炉生产效率下降。因此对该部件尤其是在条件最为恶劣的炉膛侧内外表面的强化十分必要。

目前，国内外主要采用等离子热喷涂的方法，将粉或丝状的强化材料在高温高速的射流中融化，喷涂到风口炉膛侧的内外表面上形成强化涂层。然而，热喷涂方法虽然涂层成形较方便，但因其与基体一般只能形成机械结合，冷却过程中，因涂层与基体的热膨胀系数不同而会在两者的结合面上产生使两者分离的应力，而且随涂层厚度的增加，此应力将累积增加，最终会导致涂层与风口本体结合破坏而使两者分离，因此难以获得厚涂层。而若喷涂较薄涂层，因涂层较薄且孔隙难以避免，导致强度不足，难以承受高热煤粉的热冲刷而易损坏，不能满足实际工况的使用要求。

第二种是采用熔焊的方法。此方法可以获得熔焊厚层，且可与风口本体形成冶金结合，使两者在使用时不易分离。但是，因熔焊成形输入热量大，多层堆焊时的热量积累使风口易产生变形，风口尺寸较小而成形不方便，而且堆焊层导热性不好，易产生裂纹而剥落，使用效果不好，寿命低。

有的对高炉风口进行表面共渗合金元素强化,使表面形成铜合金渗层；在铜合金表面采用热喷涂法形成表面强化层。共渗合金元素包括Al、Si、Cu、Fe、W、稀土元素。热喷涂法包括等离子喷涂法、电弧喷涂法或火焰喷涂法。热喷涂材料为Al₂O₃或ZrO₂、Al₂O₃+Ni、TiC+Ni或W+Co。

发明内容

本发明旨在降低原型钢种制造成本，并针对上述背景技术的现状，提供一种生产成本低、过程简单、易于控制；适于手弧焊、埋弧焊和气体保护焊焊接制造工艺，焊接后具有优异力学性能的风口强化功能梯度材料的制造方法。

本发明目的的实现方式为，一种风口强化功能梯度材料的制造方法，具体步骤如下：

(1)清理铜基体风口内壁和小端的油污、灰尘，并预热到500±50℃；

(2)在铜基体风口上堆焊一层镍铜合金Ni202作为功能梯度材料的过渡层，镍铜合金Ni202成分为C≤0.15，Mn≤4，Si≤1.5，Ni 62-69，Fe≤2.5，Ti≤1，Nb≤2.5，S≤0.015，P≤0.02，Al≤0.75，Cu余量；

(3)在步骤(2)的过渡层上再堆焊一层CoCrW作为功能梯度材料的强化层，钴铬钨(CoCrW)合金的基本成分是：Co:50％～58％,Cr:28％～30％,W:4％～6％,Ni:2％～4％，熔点为1470℃；

(4)对步骤(3)的强化层进行喷砂毛化处理，使强化层厚2±0.5mm，表面平整；

(5)将步骤(4)的强化层预热到300±50℃，在强化层上喷涂一层厚0.5mm的ZrO₂热障涂层。

本发明以堆焊Ni202材料和CoCrW材料作为强化层，喷涂ZrO₂作为热障涂层，既能使堆焊层达到使用所需要的厚度和冶金结合强度，保证使用时不脱落，又能使复合强化的铜基体风口工作时受到热障涂层的保护，减小强化层因热应力开裂或者脱落的趋势，同时成本不高、生产效率满足要求。可以大大的提高铜基体风口的使用寿命，使其寿命由现在的7个月提高到10个月。

本申请人采用堆焊和等离子喷涂强化复合方法与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)采用堆焊的方式焊强化层，强化层与过渡层结合为冶金结合，较常规强化方法的等离子喷涂强化层与基体的机械结合方式，强化层结合力远大于常规方法，保证铜基体风口在使用过程中强化层不剥落失效；

(2)采用过渡层+强化层+热障涂层的功能梯度材料设计，层与层之间熔合良好，即可以提高粘接强度又可以大大减小层间的残余应力和热应力；