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热喷涂技术与应用

发表时间:2016-6-21 9:24:55  阅读次数:

 

热喷涂概述:

热喷涂是制备涂层的一类工艺方法,已成为材料表面防护与强化的新技术之一。热喷涂方法的多样性,制备涂层的广泛性和应用上的经济性,是热喷涂技术最突出的特点。从大型钢铁构件的防护,到高新技术领域中的特殊的功能涂层,从现代飞行器的制造,到城市设施,都可以发挥热喷涂技术的独特作用。应用于产品的制造和设备维修,能提高产品质量,延长使用寿命,挽回废旧件的经济损失,有显著的经济效益和社会效益。因而受到各工业部门的重视。

 

磨蚀和磨损是造成材料和零部件失效的主要原因。据有关资料介绍,发达国家每年由腐蚀和磨损所造成的损失约占国民经济总产值的4%5%,而全世界每年生产的钢材约有1/10变成铁锈。我国每年由腐蚀和磨损造成的经济损失已达数亿人民币。

随着现代科学技术和现代工业发展,对各种设备零部件的表面性能提出了更高的要求,特别是在一些特殊条件下工作的零件表面的耐磨性、耐蚀性及高温氧化性等。因此改善材料表面性能,不仅可以有效地延长零件的使用寿命、节约资源,更有利于社会的发展。

表面工程是21世纪工业发展的关键技术之一,表面技术分为表面改性技术、薄膜技术和涂层技术三大类,而热喷涂技术是表面工程领域中十分重要的技术,约占表面工程技术的1/3,是国外50年代发展起来的一项机械零件修复和预保护的新技术。它可以使各种机械设备车辆的零部件使用寿命延长。使报废的零部件“起死回生”。从学科上讲,热喷涂技术是一个涉及金属学、高分子学、表面物理、表面化学、流体力学、传热学、等离子物理及计算机等学科的交叉边缘科学。

热喷涂技术有两大突出特征:一是喷涂粉末的成分不受限制,可根据特殊要求予以选择;二是热喷涂过程中工件温度可以控制,从而减少了变形氧化和相变等,使材料本身的性能不被破坏或损失,这些特征以及热喷涂涂层所具备的耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、绝缘、隔热等特殊功能,使热喷涂技术得到迅速发展。在选择一种涂层技术时应该考虑到涂层技术的经济性和技术性能, 要在整个系统中考虑到表面涂层或其他表面改性和处理的方法,要知道表面要求的功能、服务环境、基材 (合金、 热处理等)所处理表面的性能, 必须考虑到涂层自身的技术问题和经济性,涂层的使用寿命和优点, 而不仅仅是涂层的生产成本。

   涂层可以对材料表面性能(耐磨性、耐蚀性、耐热性等)进行强化或再生,起到保护作用,并对因磨损腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行修复。同时,还可以赋予材料表面以特殊性能(电、光、磁等)。现在生产实际中应用比较广泛的方法主要有火焰喷涂法(包括线材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂等)、等离子弧喷涂和电弧喷涂。基于热喷涂市场的巨大潜力及其社会效益和经济效益,在世界范围内,热喷涂技术受到极大关注。

 

热喷涂定义:

热喷涂是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态,靠热源的自身动力或外加的压缩气流,将熔滴雾化或推动熔粒成喷射的粒束,以一定速度喷射到经过预处理的工件表面而形成涂层的工艺方法。

   

热喷涂粉末材料分类

类别

分类(大类)

品种(小类)

 

 

 

纯金属

SnpbZnA1CuNiWMoTi

合金

1Ni基合金:Ni-CrNi-Cu

2Co基合金:CoCrW

3MCrA1Y合金:NiCrA1YCoCrA1YFeCrA1y

4)不锈钢

5)铁合金

6)铜合金

7)铝合金

8)巴氏合金

9Triballoy 合金

自熔性合金

1Ni基自熔性合金:NiCrBSiNiBSi

2Co基自熔性合金:CoCrWBCoCrWBNi

3Fe基自熔性合金:FeNiCrBSi

4Cu基自熔性合金

 

 

 

 

金属氧化物

1A1系:A12O3AI2O3SiO2AI2O3MgO

2Ti系:TiO2

3Zr系:ZrO2ZrO.SiO2CaO-ZrO2MgO--ZrO2Y2O3-ZrO2

4Cr系:Cr2O3

5)其它氧化物:BeOSiO2MgO2

金属碳化物及硼氮、硅化物

1WCW2C

2TiC

3Cr3C2Cr23C6

4B4CSiC

包覆粉(液相沉积、气相沉积、电化学沉积)

1NiA1

2Ni包金属及合金

3Ni包陶瓷

4Ni包有机材料

团聚粉(包覆团聚、擦筛、料浆喷干等)

1)金属+合金

2)金属+自熔性合金

3WCWC-Co+金属及合金

4WCWC-Co+自熔性合金+包覆粉

团聚粉(包覆团聚、擦筛、料浆喷干等)

5)氧化物+金属及合金

6)氧化物+包覆粉
7)氧化物+氧化物

熔炼粉及烧结粉

碳化物+自熔性合金、WC+Co

塑料

1)热塑性粉末:聚乙烯、尼龙、聚笨硫酸

2)热固性粉末:环氧树脂

 

  

热喷涂涂层领域和主要类型

领域

主要类型

涂层材料类型

防护涂层

阳极性防护涂层

(抗大气及浸渍腐蚀涂层)

ZnA1Zn-A1合金、A1-Mg合金

阴极性防护涂层

(抗化学腐蚀涂层)

1)有色金属及合金

2)不锈钢

3)塑料

抗高温氧化涂层

1Ni基、Co基合金

2MCrA1Y合金

3)氧化物陶瓷

强化涂层

耐磨粒磨损及冲蚀磨损

1)碳化物+金属

2)自熔性合金

3)氧化陶瓷

耐磨擦磨损涂层

1MoMo+合金

2)有色金属及合金

3)自熔性合金

4)氧化物陶瓷

在强腐蚀介质中的耐磨涂层

1)自熔性合金

2)高合金

3)陶瓷

特殊功能涂层

热障涂层

氧化物陶瓷

可磨密封涂层

金属+非金属复合材料

热辐射涂层

氧化物复合材料

导电屏蔽及防辐射涂层

金属

固体润滑涂层

金属+非金属复合材料

超导、压电、高温塑料等特种涂层

 

 

热喷涂技术的应用:

 

铸造

    铸造、锻造设备工作在带粉尘和腐蚀性的环境中,机械零件的磨损腐蚀会比较严重。液压、压力系统中的泵、柱塞,阀芯等的修复;各类轴承支座,电机转子,压面辊等各类配合位的修复。


造纸机械
蒸锅、烘缸、烘箱内壁增寿强化修复;各种辊类表面强化和修复;离心泵、轴流泵、蒸汽锅炉、阀门及搅拌机转轴密封套等零部件修复;瓦楞辊表面强化(经强化处理后,瓦楞辊表面硬度可提高至 HV1200 ,瓦楞辊的工作寿命可达 4000 万米以上)。


纺织
罗拉、导丝钩、剑杆织布机选纬指耐磨涂层;疏棉机打压辊、小压辊、锡麟辊、铸铁外盘、轧辊表面、给面罗拉轴、上斩刀传动轴、道夫轴;浆纱机通汽阀、烘房边轴平面结合处、浸没花篮轴、上浆辊轴头、主轴轴颈、导纱辊、压浆辊、回潮测湿辊、经轴轴颈、布纱机轴颈;加年级和拉断岌罗拉、大辊(黑辊)、整精机罗拉、导司机罗拉、热辊及分丝辊、导布辊、印花辊辊面及轴颈、线轮、磨擦盘(片)等耐磨涂层。


印刷
印刷压印辊;陶瓷网纹辊;涂布辊、墨辊、印刷辊、水辊;牙垫;牙片等。


冶金
高炉风口、渣口耐热耐蚀涂层;板坯连铸线的结晶器、导辊和输送辊;钢铁和有色金属加工中的各种工艺辊;钢铁表面处理生产线的各种辊类(如连续退火炉炉辊、镀锌沉没辊及各种导向辊、张紧辊等)的耐磨、耐蚀和抗积瘤等涂层。


电力
球磨机、汽轮机转子和发电机转子轴颈、气缸结合面修复;锅炉四管耐磨耐蚀涂层;水轮机叶片抗气蚀及耐磨涂层;燃气轮机叶片、火焰筒、过渡段抗高温防护涂层;风机叶轮、球磨机等磨损件耐磨涂层;门芯、门杆、阀芯、阀门配件、阀座耐磨耐蚀涂层及锅炉相关设备部件强化修复。


交通运输
各种磨损部位的耐磨涂层;汽车发动机机座、同步环、曲辊修复和预强化;齿轮箱轴承座、油缸柱塞、前后桥支撑轴、门架导轨、发动机主轴瓦座、摇臂轴、半轴油封位、销轴的磨损处的耐磨涂层;挖泥船耙头、防磨环、泥斗、绞刀片、铲齿、泥泵叶轮、船舶的艉轴、艉州铜套、偏心轴套、齿轮传动轴、泥泵水封颈、泥门、滑板、刮沙机刮板耐磨涂层等。


化工
各种容器、反应器、管道、泵、阀及密封部件修复化;各种搪瓷罐、专用容器的现场修复;锅炉、空压机、水泵等零部件修复。


玻璃行业
采用热喷涂的方法在提升辊、输送辊表面喷涂一层陶瓷,提高提升辊、输送辊对熔融玻璃的耐腐蚀能力,抑制辊面熔融液相的附着,减缓熔融玻璃对辊面的侵蚀,使辊面长时间保持光滑,减少提升辊、输送辊的维修保养,提高玻璃质量和生产成品率,降低生产成本。

 


电工制线
采用超音速火焰喷涂工艺在拔丝塔轮、拉丝机、拉丝轮、线轮、拔丝缸、收线盘、导向槽等零件表面喷涂碳化物陶瓷涂层,可使表面硬度达到 HRc75 ,远比磨具钢或冷硬铸铁的耐磨性高;还可使这些零件的基体采用普通钢材或铸铁制造,既降低成本,又延长使用寿命。


市政
各类钢结构的热喷涂长效防护涂层、防腐、长效防腐,一次防护寿命可达 30 年以上


轻工
塑料模具喷涂强化修复;挤塑机螺杆和橡胶密炼机转子喷涂强化;各种辊类轴承位喷涂修复和强化。

 

电刷镀

    电刷镀是用电解方法在工件表面获取镀层的过程。其中的在于强化、提高工件表面性能,取得工件的装饰性外观、耐腐蚀、抗磨损和特殊光、电、磁、热性能;也可以改变工件尺寸,改善机械配合,修复因超差或因磨损而报废的工件等,因而在工业上有广泛的应用。电刷镀技术(简称刷镀技术)是电镀技术中的一个重要分支,除了有上述的共同作用外,它更偏重于工件的修复应用和中小批量工件的功能性表面强化。因此在实践上更要求现场或在线施镀,在保证镀层品质的基础上,更强调镀层的快速高效沉积。

简介

    刷镀的基本过程是用裹有包套浸渍特种镀液的镀笔(阳极)贴合在工件(阴极)的被镀部位并做相对运动形成镀层,刷镀电源串接于两级之间。为了稳定地向工件表面液层提供足够的被镀金属离子,高浓度的刷镀液直接泵送或自然回流阴阳极之间。

电刷镀设备与溶液

    专用电源为电刷镀主要设备,采用无级调节电压的直流电源,常用电压范围为050V

镀笔是电刷镀的主要工具,是由手柄和阳极组成。阳极是镀笔的工作部分,石墨和铂合金是理想的不溶性阳极材料,但石墨应用最多,只在阳极尺寸极小无法用石墨时才用铂铱合金。在石墨阳极上包扎脱脂棉包套,其作用是储存电镀液,防止两极接触产生电弧烧伤零件表面和防止阳极石墨粒子脱落污染电镀液。石墨阳极的形状依被镀零件表面形状而定。

电镀溶液,根据用途不同有表面预处理溶液、沉积金属溶液、退镀溶液等。

   (1)表面预处理溶液:为了提高镀层与基体的结合强度,被镀表面必须预先进行严格的预处理,包括电净处理和活化处理,所以有电净液和活化液。

电净液:用电解的方法清除零件金属表面上的油污和杂质称为电净处理。电净液为无色透明的碱性溶液,-10℃不结冰,可长期存放,腐蚀性小。零件电净处理后用清水冲洗。

活化液:用电解的方法除去零件金属表面的氧化膜称为活化处理,目的是使零件表面露出金属光泽,为镀层与基体金属结合创造条件。活化液有两种:无色的2号活化液和草绿色的3号活化液,均有腐蚀性。

   (2)沉积金属溶液:电刷镀溶液一般分为酸性和碱性两大类。酸性溶液比碱性溶液沉积速度快1.53倍,但绝大部分酸性溶液不适用于材质疏松的金属材料,如铸铁,也不适用于不耐酸腐蚀的金属材料,如锡、锌等。碱性和中性电镀溶液有很好的使用性能,可获得晶粒细小的镀层,在边角、狭缝和盲孔等处有很好的均镀能力,无腐蚀性,适于在各种材质的零件上镀覆。

    (3)退镀溶液:用于除去不需镀覆表面上的镀层,主要退除铬、铜、铁、钴、镍、锌等镀层。

电刷镀工艺

   (1)零件表面的准备:零件表面的预处理是保证镀层与零件表面结合强度的关键工序。零件表面应光滑平整,无油污、无锈斑和氧化膜等。

   (2)打底层(过渡层):为了进一步提高工作镀层与零件金属基体的结合力,选用特殊镍、碱铜等作为底层。然后再于其上镀覆要求的金属镀层,即工作镀层。

   (3)镀工作镀层:电刷镀工作镀层的厚度(半径方向上)0.3mm0.5mm,镀层厚度增加内应力加大,容易引起裂纹和使结合强度下降,乃至镀层脱落。但用于补偿零件磨损尺寸时,需要较大厚度,则应采用组合镀层。

3.特点

    (1)无电镀槽,设备简单,不受零件尺寸的限制;

   2)电镀工艺简化,如:不需要包扎绝缘等;

    (3)镀层种类多:均匀、不均匀镀层等;

    (4)沉积速度快,是有槽电镀的1015倍,由此而得名。节约能源与工时。

    (5)镀后一般不要加工,镀层厚度可控制。

4.应用

    目前我国修船行业已普遍使用电刷镀修复船机零件。可修复磨损和机械加工超差的船机零件,如活塞杆、增压器转子轴、电机转子轴、水泵轴、尾轴衬套等。

    (1)轴颈磨损的修复。

    (2)孔类零件的修理。

    (3)滚动轴承的修理。

 

 

 

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