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船舶机械修理工艺学. 第 6 章 船机零件 的修复 工艺 (A) . 丁彰雄 武汉理工大学能源与动力工程学院 2013.7. 第 6 章 船机零件修复 工艺 Repair Technology of Marine Machinery Components 内容: 6.1 机械加工修复 6.2 电镀工艺 6.3 热喷涂工艺 6.4 焊补修理技术 6.5 激光熔敷 6.6 金属扣合工艺 6.7 塑性变形修复技术 6.8 粘接修复技术 6.9 研磨技术 6.10 船机零件修复原则

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Presentation Transcript
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船舶机械修理工艺学

第6章 船机零件的修复工艺(A)

丁彰雄

武汉理工大学能源与动力工程学院2013.7

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第6章船机零件修复工艺

Repair Technology of Marine Machinery Components

  • 内容:

6.1 机械加工修复

6.2 电镀工艺

6.3 热喷涂工艺

6.4 焊补修理技术

6.5 激光熔敷

6.6 金属扣合工艺

6.7 塑性变形修复技术

6.8 粘接修复技术

6.9 研磨技术

6.10 船机零件修复原则

  • 重点:船机零件修复工艺的原理、特点及应用范围,修复工艺的选择。
  • 难点:修复方法的选择。
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§6-1 机械加工修理

一.修理尺寸和尺寸选配法 

1. 修理尺寸法 (Method of Repairing Size):

1)概念:

  • 所谓修理尺寸法是将零件的损伤工作表面进行机械加工,消除损伤缺陷,使零件的原始尺寸改变为另一尺寸 -—修理尺寸, 以恢复它们的正确几何形状。
  • 要求与被修理零件相配合的零件,亦必需具有相应的修理尺寸,使得它们之间的配合性质符合规定。
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δ1

δ2

2)修理尺寸的方法:

(1)最小加工余量法:修理尺寸等于实际测得的尺寸减去(或加上)为消除损伤缺陷所需要的最小加工余量。

a. 轴:d轴= d原-δ1-δ2

  式中:d轴-轴修理后的直径,mm;

d原-轴磨损后,修理前测得的最小直径,mm;

δ1、δ2-分别为轴的单边加工余量,mm;

一般 δ1≠δ2mm。

b. 孔:D孔=D原+δ1+δ2

式中:D孔-孔修理后的直径,mm;

D原-孔磨损后,修理前测得的最小直径,mm;

δ1、δ2-分别为孔的单边加工余量,mm;

一般δ1≠δ2mm。

c. 特点:零件使用寿命最长;修理周期长,单件生产,修理经济性低。

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(2)分级修理 (Grade Repair):

a. 概念:零件按预先规定好的分级修理尺寸进行机械加工。这时加工余量不一定是最小加工余量。而与之相互配合的零件可以预先按相应的分级修理尺制造好,直接选配,无须单件制造。

b. 实例:曲轴主轴颈Φ200mm,分为Φ199.75、Φ199.50、Φ199.25、Φ199,……,轴颈磨损后,按下一级修理尺寸加工,消除椭圆度、圆柱度误差后,配以加大一级的轴瓦。

缸套Φ300mm,分为Φ300.50、Φ301、Φ301.50、Φ302,……,缸套磨损后,按下一级修理尺寸镗缸,消除椭圆度、圆柱度误差后,配以加大一级的活塞和活塞环。

c. 特点:

  • 成批,大量生产;
  • 修理周期短,修理经济性高;
  • 零件使用寿命最短,对贵重零件本身而言,不经济。
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尺寸分级间隔数值的大小是根据相互配合零件的配合间隙、磨损情况、加工条件等方面的因素综合考虑确定的。并且首先是针对相互配合的零件中价值较贵、尺寸较大、生产加工较难的零件来考虑,以求它的修理尺寸分级合理,延长它的使用寿命,从而使经济性更好。尺寸分级间隔数值的大小是根据相互配合零件的配合间隙、磨损情况、加工条件等方面的因素综合考虑确定的。并且首先是针对相互配合的零件中价值较贵、尺寸较大、生产加工较难的零件来考虑,以求它的修理尺寸分级合理,延长它的使用寿命,从而使经济性更好。
  • 选择分级修理尺寸的原则:当一对组合零件磨损后,为了恢复它们的几何形状,用精加工方法扩大(或缩小)一个零件的直径尺寸时,也要相应地扩大(或缩小)另一个零件的直径尺寸,而每次扩大或缩小的尺寸应成等差数列。
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两配合件中保留轴的情况
  • 轴的直径分级尺寸为:
  • DH
  • D1=DH-W; D2=D1-W; D3=D2-W;
  • ……
  • 式中:DH—轴的标准直径,mm;D1—轴的第一级修理尺寸,mm;
  • D2—轴的第二级修理尺寸,mm;D3—轴的第三级修理尺寸,mm;
  • W—每一级修理尺寸的差值,mm。
  • 孔的直径分级尺寸为:
  • D´H
  • D´1 = D´H–W;D´2 = D´1–W;D´3 = D´2–W
  • ……
  • 式中:D´H—孔的标准直径,mm;D´1—孔的第一级修理尺寸,mm;
  • D´2—孔的第二级修理尺寸,mm;D´3—孔的第三级修理尺寸,mm;
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两配合件中保留孔的情况
  • 孔的直径分级尺寸为:
  • D´H
  • D´1 = D´H + W
  • D´2 = D´1 + W
  • D´3 = D´2 + W
  • ……
  • 轴的直径分级尺寸为:
  • DH
  • D1=DH+W
  • D2=D1+W
  • D3=D2+W
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修理尺寸差值的确定
  • 修理尺寸差值W的确定应根据零件组合性质、磨损后尺寸、几何形状及恢复几何形状精度的加工余量等因素来决定。现就轴与轴承组合的具体例子说明如下:
  • 轴与轴承修理尺寸差值W为:

W = [(Sm-Sh)/(1+E)]A+δ+F

  • 式中:Sm—组合件最大磨损极限间隙,mm;
  • Sh—组合件装配间隙,mm;E—轴承较轴颈易损的系数;
  • A——轴颈修理间隔年限; δ—圆度误差 mm;F—加工余量mm。
  • 例如:某柴油机曲轴主轴颈直径D=115mm,Sm=0.23mm, Sh=0.075mm, E=5, 假定A为3年,δ=0.75mm, F=0,15mm,每年更换轴承一次,则:
  • W=[(0.23-0.075)/(1+5)]×3+0.075+0.15 ≈0.30(mm)
  • 轴与轴承的修理尺寸差值W可取为0.25mm左右。
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2. 尺寸选配法

(Method of Selecting and Matching Size)

1) 概念:尺寸选配法是将磨损后的相配合的零件,先分别进行机械加工,使其具有正确的几何形状,然后根据配合要求进行选配。

2) 例如:油泵柱塞和套筒、喷油器针阀和针阀体等。

3) 特点:当磨损零件的批量较大时才可能用,但不能修复所有的零件。

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二、附加零件法(Method of Adding Components)

1. 附加零件法的概念:

附加零件法是将零件磨损的工作表面加工至可安装附加衬套的尺寸,然后将附加衬套压入或套入,最后再对衬套进行必要的机械加工,使其恢复原有尺寸或加工成修理尺寸。

2. 实例:

气缸盖气门座、尾轴轴颈的铜衬套、工程船的柱塞油泵的油缸、蒸汽机的汽缸套和汽车柴油机的干式缸套等等。

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3. 要求:
  • 采用附加零件法应保证零件机械加工后的强度要求,附加的零件壁厚不能过薄,否则刚度过低,压力有困难,钢衬套厚度不小于2 ~ 5 mm,铸铁衬套厚度不小于4 ~ 5 mm。
  • 衬套材料应与零件材料具有相同的热膨胀系数等。当两者受热后它们的膨胀一致,不产生附加应力或松脱。一般应使衬套材料与零件材料相同,采用热套法或压入法安装衬套。
  • 衬套与被修复零件的配合必须有一定的过盈,以使两者紧密贴合,满足传热和传力的要求。过盈量的大小应根据零件的尺寸大小、材质及工况而确定。
  • 附加零件法可恢复零件原设计尺寸,也可加工成修理尺寸,使之恢复配合性能,延长使用寿命。
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图5活塞顶部裂缝修复结构形式

1-活塞;2-压板;3-塞头;4-止动螺钉

图6活塞顶部换新用焊接连接

1-活塞;2-焊缝

局部更换法是从零件上去除损伤部分,制造这部分的新品,使其与零件的余留部分结合在一起。但是,此法一般是临时性的措施。

如:活塞顶部烧损,车去,另做一塞头,用压板压上,安装几颗止动螺钉。图6 为活塞头部产生裂纹,割去活塞头部,用同样的材料制造一只头部,焊上,再进行必要的机械加工。

三、局部更换法 (Method of Replacing Component)

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四、成套换修
  • 为了缩短修理时间,拆下有严重磨损或损伤零件的部件或设备,迅速换上备件继续运转,称为成套换修。设备或部件经修理后作为备件使用或供同类机型的船舶使用。
  • 例如柴油机运转中高压油泵柱塞—套筒偶件咬死,立即换上备用油泵,而损坏的油泵经修理后作为备件使用。

五、调头法和调整法

1.调头法:某些船机零件局部磨损后,可以采用调头或转向的方法重新满足使用要求。

  • 例如,承受单向力的齿轮磨损后,可以翻转重新安装,使得未磨损的齿面继续工作。
  • 又如,轴、孔中的键槽损坏后,可以转位后重新加工键槽后继续使用。

2.调整法:有些船机零部件中的滑动配合间隙在过度磨损后会变大,但可以调整垫片的数量或厚度来调整配合间隙,此种修理方法称为调整法。

  • 例如,柴油机的十字头滑板-导板的配合间隙磨损变大后可以通过抽减或增加垫片的数量或厚度来调整滑动配合大小。
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§6-2 电镀工艺 (Electroplate Technology)

一. 概述

1. 电镀的特点

  • 电镀一般在100℃以下,不会破坏零件的原来的热处理状态,不会使零件产生热应力和变形等;
  • 镀层与零件基体结合强度高;
  • 镀层质量和厚度比较容易控制;
  • 电镀可改善零件表面物理机械性能,如耐磨性,抗腐蚀性,光亮,硬度等;
  • 增大零件的几何尺寸(恢复配合性质);
  • 设备复杂、成本高、生产力较低;
  • 对工人技术条件要求高,污染大,对人体有一定的害处等。
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2. 电镀基本原理
  • 电镀是使金属离子在阴极表面上还原,析出并获得金属薄膜的一种镀覆技术。
  • 金属离子的还原反应:

Mn++ne→M

  • 在水溶液中可能存在的反应有:

2H++2e→H2(酸性溶液)

2H2O+2e→H2+2OH-(中性或碱性溶液)

  • 能在水溶液中优先电沉积的金属主要有:Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Nb、Ag、Cd、Sn、Sb、Pt、Au、Hg、Pb等。
  • 铝的电镀需要从非水溶液体系中实现电沉积。
  • 阴极 — 被镀零件。
  • 阳极 — 通常为所镀金属。
  • 镀槽 — 不溶解的金属或非金属。
  • 电解液 — 通常为被镀金属离子的盐溶液。

图6-7 电解原理示意图

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1) 电镀时所析出的金属质量

(1)法拉第第一定律:

G=CIt

式中:G- 电镀时析出的物质质量,g;

C- 电化当量,g/(A·h);C=A/n·F

I- 电流,A;

t- 电镀时间,h。

(2)电流效率:

 式中:η- 电流效率;

GB- 实际质量; GA- 理论质量.

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2)电镀时间

(1)电流密度

式中:DK- 电流密度,A/dm2;

A- 电极面积,dm2;

(2)电镀时间:

式中:δ– 镀层厚度,cm; ρ– 所镀金属密度,g/cm2;

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3. 金属镀层的分类

1)防护性镀层: Zn及Ni镀层;

2)防护 - 装饰性镀层: Cu-Cr镀层, Cu-Ni-Cr镀层;

3)耐磨和减摩镀层:镀Cr, 镀Sn及PbSn合金等;

4)修复性镀层:Fe及Cr镀层;

5)其它镀层:高温抗氧化镀层、导电性镀层、磁性镀层等。

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图6.8 气缸盖上装气门座圈的孔的镀镍装置

1-电极(阳极);2-阳极套;3-电解液;4-覆盖环(合成材料);

5-气缸盖(阴极);6-被镀表面;7-堵塞冷却水进、出孔之用的塞头;

8-密封;9-用以入除电解液的有塞软管;10-拉紧螺栓;11-定位电极的封闭盖

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二、耐磨镀铬(Chromium―plating)

1. 镀铬原理

1)电极及电解液

  • 阴极— 被镀零件。
  • 阳极— 铅锑合金。
  • 镀槽— 铅锑合金或塑料(聚氯乙烯)。
  • 电解液— CrO3 + H2SO4 + H2O

     CrO3 + H2O → H2CrO4

2 H2CrO4 = H2CrO7 + H2O

2)电化学反应

(1)阴极:Cr6+ + 6e → Cr↓

Cr6+ + 3e → Cr3+

Cr3+ + e → Cr2+

Cr2+ + 2e → Cr↓

2H+ + 2e → H2↑

(2)阳极:Cr3+ - 3e → Cr6+

4OH - 4e → 2H2O + O2↑

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2. 镀铬的特点、铬镀层的性质及其应用

1) 特点:

  • 镀铬电解液的主要成分不是金属铬盐,而是铬酸。因此,电流效率极低,η=8~16 %。
  • 镀铬所用的阳极不是金属铬,而是不溶解的铅或铅一锑合金。
  • 镀铬电流密度高。镀铬电流密度Dk=35~70 A/cm2, 而镀铁电流密度Dk=20~30 A/cm2, 酸性镀铜电流密度Dk=2~4 A/cm2,碱性镀铜Dk=0.5~0.75 A/cm2。
  • 镀铬过程的槽电压较高(12V),一般只需6V。
  • 镀铬电解液分散能力极低,对形状较复杂的零件,必须采用象形阳极。
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2)镀铬层的性质:

(1)镀铬层硬度高:维氏硬度可达600~1400Hv左右, 相当于洛氏55~70HRC以上。

(2)耐磨性好:∵铬镀层硬度高,摩擦系数小,耐热及耐腐蚀性能好。∴耐磨性好。可提高零件使用寿命3倍以上。

摩擦系数μ:

铬-巴氏合金 μ= 0.085

铬-铸铁 μ= 0.06~0.08;

钢-钢 μ= 0.2

铸铁-铸铁 μ= 0.09~0.10;

铬-铬 μ= 0.12

(3)结合强度高: 钢上镀铬的结合强度可达300MPa。

(4)亲油性差。

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3)镀铬在修造船中的应用:

(1)防护-装饰性镀铬:Cu+Cr、Cu+Ni+Cr等。

(2)耐磨镀铬:

  • 镀硬铬:是硬度高而又耐磨的光泽铬镀层。用于润滑条件好、负荷不大的零件。如曲轴轴颈。
  • 松孔镀铬:松孔镀铬是耐磨镀铬的特殊形式,它的表面经过松孔处理而形成许多网状或点状的沟纹。沟纹便于贮油。用于润滑条件差、负荷大的零件。如缸套、活塞环、活塞销、十字头销等。
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3. 镀铬电解液的配制

1)镀铬电解液的成分:CrO3 + H2SO4 + H2O

2)硫酸和六价铬离子的含量

  一般 CrO3 : H2SO4 =100 : 1

Cr6+的含量控制在3~7g/l

3)镀铬电解液的种类

  • 低浓度:CrO3150 g/l H2SO4 1.5 g/l
  • 中等浓度:CrO3250 g/l H2SO4 2.5 g/l
  • 高浓度:CrO3350 g/l H2SO4 3.5 g/l

低浓度电鲜液:分散能力↑,电流效率↑,镀层硬度高,主要用于耐磨镀铬。

高浓度电鲜液:分散能力↓,电流效率↓,工作稳定性好,覆盖能力↑,用于装饰镀铬。

中等浓度电鲜液:性能介于两者之间,用于耐磨镀铬和装饰镀铬。称为万能电液。在船机修造中广泛应用。

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4. 镀铬工艺

镀铬工艺过程可分为镀前准备,镀铬和镀后加工三个阶段。

1)镀铬前准备工作

(1)镀铬前的机械加工

   目的是使镀件表面具有正确的几何形状,粗糙度Ra3.2以上,对镀后不再进行加工的零件,要求粗糙度低于原图纸的粗糙度1~2级。表面不得有砂眼、裂纹、夹渣等缺陷。一般采用磨削及抛光。

(2)清洗除油

   用有机溶剂-汽油、丙酮洗清除油后,再用四氯化碳,碳酸钙粉末脱脂。

(3)绝缘与封孔

浸入电解液的不镀部分和挂具应用绝缘材料包扎起来。如用聚氯乙烯薄膜等; 油孔、键槽用铅块堵住,敲平。

(4)装挂具并配阳极

a)挂具要有足够的导电面积,与零件有良好的接触面积,以便足够的电流通过。Dk达50 A/dm2。

b)阳极的形状与被镀零件相似(象形阳极),阳极与阴阳极之间的距离一般为25~50mm。

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图6-9 气缸套镀铬挂具图

1-气缸套级心铜;2-绝缘物;3-撑铁;4-铁板;5-气缸套;

6-铅锑合金阳极;7-定位器;8-绝缘物

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(5)入槽前酸洗除油

入槽前除油是保证镀铬质量的关键。零件镀铬的缺陷多半是由于这道工序未做好。一般用H2SO4或HCl溶液洗刷,清除氧化膜。用水冲洗,再用40~60℃的NaCO3饱和溶液去除残留酸液。

(6) 预热及阳极浸蚀

  • 预热:零件入槽后,先预热5~15min。
  • 阳极浸蚀:阳极浸蚀的目的是使零件表面进一步裸露金属组织。所谓阳极浸蚀即是零件接阳极,铅板接阴极进行反镀,电流密度约为正镀的一半。

a.钢件浸蚀时间为0.5~1 min。

b.铸铁零件浸蚀时间为5~10 S(或不浸蚀)。

c.不锈钢、高合金钢零件浸蚀时间为2 min。

   阳极浸蚀后立即反镀,一般先采用75 A/dm2的大电流冲击60~90 S后,恢复正常电流密度。

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2) 镀铬

(1) 镀铬的电镀规范:

指电解液的成分、浓度、温度和电流密度等。铬镀层的性质与电解液的电镀规范有密切的关系。见图7-3为在中等浓度电解液中,在电解液成分不变时,改变电解液的温度t和电流密度Dk可得三种不同的铬镀层。

图6-10 中等浓度电解液中获得各种铬镀层的区域范围

Ⅰ-光泽铬(硬铬);Ⅱ-乳白铬;Ⅲ-灰暗铬

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乳白铬(Ⅱ区):温度高t = 65℃以上,电流密度Dk范围广。乳白铬层硬度低HV = 500~600,韧性好,裂纹少,装饰铬。
  • 光泽铬(Ⅰ区):温度高t = 40~65℃,电流密度Dk范围广。光泽铬层硬度低HV = 900,与基体结合强度高,裂纹较少,光亮,耐磨镀铬。
  • 灰暗铬(Ⅲ区):t = 35~40℃,Dk任意,硬度高,HV = 1200,脆性大,裂纹多,镀量具,刃具。

当Dk很低,约为4~5A/dm2时,不沉积铬。

在镀铬过程中,对电镀规范必须严格控制,特别是温度,不得超过±1~2℃,否则不能得到良好的铬镀层。

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(2) 镀硬铬的电镀规范

硬铬是指硬度高而又耐磨的光泽铬镀层,Ⅰ区内镀的铬层。

CrO3: 230~250g/l

H2SO4: 2.3~2.5g/l

Dk: 35~50A/dm2

T: 55~63℃

(3) 松孔镀铬的电镀规范

松孔镀铬是耐磨铬镀的一种特殊形式,它的表面经过松孔处理而形成许多点状或网状的沟纹,可储存润滑油。

松孔镀铬层的耐磨性好坏取决于网纹的密度,宽度和深度。宽度、深度太小,分布稀,则达不到改善润滑条件的目的,太密、太宽,承压面积小,导热性差,工作条件恶劣。一般宽度不小于0.06mm,深度为0.04~0.09mm, 孔隙率为25~35 %。所谓孔隙率是指以镀络层表面网纹或点状孔隙所占的面积与镀络层总面积之比来表示。如图7-4所示为松孔镀铬的沟纹.

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图6-11 松孔铬镀层

a) 大沟纹网铬层;b) 中等沟纹网铬层c) 小沟纹网铬层

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松孔镀铬的电解规范:

a. 电解液的浓度:中等浓度或低浓度

b. CrO3与H2SO4配比: 100:0.85~0.9或100:1

c. 电解液的温度T: 气缸套为61~63℃

活塞环为58~60℃

d. 电流密度Dk:气缸套为30~50 A/dm2

活塞环为40~70 A/dm2

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(4) 松孔镀铬层的形成方法
  • 机械松孔:用专用工具在镀前将零件表面滚压或铣削出许多有规则的凹坑或小孔,再镀铬。这时镀铬层表面是原来零件表面外形的复制,保留原加工痕迹。
  • 电化学松孔:
  • 网膜电化学松孔:是利用铝合金或硬质塑料制成衬套,衬套上打好需要的各种形状的小孔,然后将衬套罩在己镀好铬层上,放回镀槽内,进行阳极浸蚀(电流反接)。孔中镀铬层被腐蚀,形成小孔。
  • 内应力电化学松孔:就是对己镀好的并且有细小裂纹的铬镀层,再进行阳极浸蚀,使己形成的细小裂纹逐步扩大和加深,而呈现网状或点状的松孔镀铬层。
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图6-12 电化学松孔铬镀层形成过程示意图 图6-13 结晶体大小与自由能的关系

a) 网状;b) 点状      1-六方晶体;2-体心立方晶格

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镀铬层产生裂纹的原因:是电镀过程中有内应力(拉应力)产生。镀铬层产生裂纹的原因:是电镀过程中有内应力(拉应力)产生。

内(拉)应力产生的原因:

(a) 晶体有晶格的转变:沉积铬开始无一定结晶形状,而是以金属原子堆的状态析出,当原子堆增厚到一定厚度时,才有结晶形成。随着晶体的长大,不稳定的六方晶格将转变为稳定的体心立方晶格,而体心立方晶格的比容又比六方晶格小。因此,镀层的体积随之缩小。结果镀层中便产生了内应力(拉应力)。

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(b)氢气渗入晶格,组成固溶体,挤歪晶格,增加了内(拉)应力。(b)氢气渗入晶格,组成固溶体,挤歪晶格,增加了内(拉)应力。

随着镀层增厚,晶格之间内应力继续增加,使晶格扭曲,镀层破裂,形成裂纹。

随着温度的升高,仅有立方晶格的铬晶体产生,没有组织的变化,因而无裂纹产生。一般在75℃以上,几乎没有裂纹产生。见图6-14 。

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c) 周期换向松孔镀铬:它的原理是在整个松孔镀铬工艺过程中,每镀15 min (开始镀30min),进行36 S的阳极处理(阳极化)后,再重新换成阴极. 由于改变极性,中断电流, 使铬晶粒停止增大, 同时零件上的微小镀瘤较其它平滑铬层处溶解得快, 零件变成阴极后重新形成新的结晶核心. 因此, 镀层结晶细致, 镀瘤变得非常细小, 表面显得光滑, 再进行阳极浸蚀松孔处理 (6 min) 后可以不再进行机械加工。

周期换向松孔镀铬工艺应用于活塞环松孔镀铬。

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3) 镀后表面处理及加工:

(1) 热处理:目的为去氢、消除内应力。油煮或在烘箱中加热180~200℃,保温2~3h。

图6-15 松孔镀铬层断面示意图

1-沟纹;2-疏松层;3-边缘凸起

(2) 机械加工:磨削及磨珩。

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5. 镀铬安全拔术

1) 镀铬时有大量的气体逸出,会从槽中带出铬酸的雾团。铬酸毒性大,必须有抽风装置, 车间通风良好。

2) 铬酸、硫酸,苛性钠等对皮肤有伤害,应十分注意,溅到身上后,应立刻洗掉。

3) 不能见明火,O2和H2混合后,点火会爆炸。

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三、镀铁 (Iron-plating)

1. 镀铁原理

1)电极及电解液

  • 阳极— 低碳钢板
  • 阴极— 零件
  • 电解液— FeCl2•4H2O + HCl + H2O

2)电化学反应

(1)阳极反应: Fe - 2e → Fe2+

4OH- - 4e → 2H2O + O2↑

(2)阴极反应: Fe2++ 2e → Fe

2H2++ 2e → H2↑

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2. 镀铁的特点

1)结合强度高: 剪切强度一般为160MPa以上,最高可达320MPa。

2)镀层晶粒细,硬度高:晶粒为亚结构组织也有称为超细晶组织。硬度一般可达HRC56~58,最高可达62HRC。

3)沉积速度快,镀厚能力强: Fe: 0.4-0.7mm/h,Cr: 0.04-0.06mm/h。

4)镀层厚度: Fe: 2mm以上; Cr: 1mm以下。

5)电流效率高: Fe: 90 %以上;Cr:8~16 % 。

6)原料广,成本低,污染少。

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3. 镀铁工艺

1)镀前准备:清洗、酸洗及活化等。

2)镀铁

(1) 不对称交流电起镀

   目的: 使底层内应力小,硬度低,结合强度高,一般有效电流密度为2-4A/dm2,1-3min,不对称比:

β=D正/D负=1.3,(D有效= D正- D负)。

(2) 不对称交流电过渡镀

起镀后,均匀改变β,在4~5 min内β从1.3改变为8,保持5-10 min。使应力与硬度均匀增加,防止中间脱层。

(3) 直流镀

过渡镀后,在不断电的情况下,把交流电转换成直流电。3-5 min内调整到要求的电流密度。

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4. 镀后处理

(1) 碱钝化:镀后的工件立即用清水冲洗干净。在10~20 %的苛性钠溶液中停留15~30 min。用水冲洗干净。生成一层碱性钝化膜,防止生锈,保持光滑。

(2) 热处理:去氢,消除内应力。与镀铬相同。

(3) 机械加工:磨削。

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5、镀铁工艺的发展

1)无刻蚀低温镀铁

(1)特点:

  • 无刻蚀镀铁工艺省去了硫酸阳极刻蚀处理,减少了工序,减省了设备和降低了污染,从而保证了镀铁的质量和降低了成本。
  • 无刻蚀镀铁的镀层结合强度高、耐磨性更好,质量稳定可靠。

(2)应用: 修复磨损失效的柴油机曲轴长度可达4m以上,使大批报废曲轴重新投入使用,节省了大量经费。

2)铁基合金镀铁再制造技术:

  • 所获得的合金镀铁层比单金属镀铁层具有更好的结合强度、耐磨性等力学性能,应用该技术已修复舰船、机车柴油机曲轴等贵重零部件上万件。

3)铁基复合镀技术:

  • 由铁基质金属和不溶性固体颗粒组成。不溶性固体颗粒最常见的有SiC、SiO2、Al2O3、MoS2、金刚石、石墨等。
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四、电刷镀镀加工(涂镀、刷镀、无槽电镀

(Electrochemical Plating (ECP)

  • 1.加工原理:
  • 工件接负极、镀笔接正极。
  • 镀液中的金属正离子在电场作用下在阴极表面获得电子而沉积涂镀在阴极表面,满足工件尺寸和表面性能的要求。
  • 厚度可达到0.001-0.5mm。

图6-16 涂镀加工原理

1-盛液盘;2-电解液;3-零件

4-输液管;5-阳极及抱套;

6-镀笔;7-稳压电源

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特点:
  • 设备简单、施工方便、特别适合于现场施工。
  • 涂镀层种类多,可实现复合镀层以满足表面性能的要求。如,硬度(HRC40-50),耐磨性,耐腐性等。
  • 镀层与基体的结合力高(高于槽镀的结合强度),生产效率高(比常规电沉积高5-50倍),镀层厚度的可控性强。
  • 生产效率低,劳动强度较大。

3. 应用范围

  • 恢复零件的尺寸和几何形状。
  • 填补零件表面上的划伤、凹坑、斑蚀、孔洞等缺陷。
  • 改善表面性能:如大型、复杂、单个小批工件的表面局部镀镍、铜、锌、镉、钨、金、银等防腐层、耐磨层等。
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4. 电刷镀的基本设备

1)电源:电压在3-30V无级可调,电流自25-500A。

要求:

a.附有安培小时计,用以控制消耗电量来控制镀层厚度。

b.输出直流应能很方便地改变极性,以便进行反接电解处理。

c.应有短路快速切断保护和过载保护功能。

2)刷镀笔:由导电手柄、阳极及包套组成。

  • 阳极采用不溶性石墨块(铂-铱合金)+脱脂棉+涤棉套组成。
  • 对于窄缝、小孔、深孔等表面的涂镀,需采用钝性铂等作为阳极。

3)刷镀液:刷镀液由金属络化物水溶液及少量添加剂成份组成。

  • 其金属离子量比一般电沉积高5-25倍,它包括电净液、活化液、镀底层溶液和工作层溶液,可根据所镀金属和用途不同而选用。

4)回转台:用于刷镀回转体的工作表面,可用旧车床改装,需增加电刷等导向机构。

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5. 电刷镀加工的工艺过程及要点
  • 工艺过程包括:表面预加工-除油、除锈-电净-活化处理-镀底层-镀工作层和镀后防锈处理等。

1)表面预加工:除掉毛刺、不平度、疲劳层等使Ra<2.5μm

2) 清洗除油、除锈:采用砂布打磨除锈,用汽油、丙酮等除油。

3) 电净处理:目的是进一步除去微观上的油污。

  • 对于有色金属和易氢的超高强度钢,电净时工件接正极,使表面阳极溶解;
  • 对于钢、铁等材料,电净时工件阴极上产生氢气泡,使表面的油污去除,脱落。

4) 活化处理:去除工件表面的氧化膜、钝化膜或析出的碳元素,微粒黑膜,活化后用水冲洗。

  • 采用1号液时,工件可接阳极或阴极;
  • 采用2号、3号液时,工件接阳极,活化后用水冲洗。
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5)刷镀底层:需先用特殊镍、碱铜或低氢脆镉液预镀一薄层底层,厚度为0.001-0.002mm, 以提高结合强度,对于不同的材料工件可选用不同的涂镀底层。
  • 特殊镍底层:适用于不锈钢、铬及镍材料和高熔点金属等。
  • 碱铜底层:适用于难镀的金属如铝、锌或铸铁等。
  • 低氢脆性镉:适用于对氢特别敏感的超高强度钢。

6)镀尺寸镀层和工作镀层

7)单一镀层不能超过0.03-0.05mm的安全厚度,快速镍和高速铜不能超过0.3-0.5mm,若待镀工件的磨损量大,则需先刷镀“尺寸镀层”来增加尺寸,或用不同镀层交替,迭加,最后镀工作镀层。

8)镀后清洗及防锈:冲洗后用压缩空气吹干或用理发吹风吹干,并涂以防锈油或防锈液。

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6. 电刷镀技术的应用范围

1) 恢复磨损零件的尺寸精度与几何精度

2)填补零件表面的划伤沟槽、压坑:如机床导轨、压缩机的缸体、活塞、液压的油缸及柱塞等。

3)补救加工超差产品。

4)强化零件表面:如在模具型腔表面刷镀0.01-0.02mm的非晶态镀层,可以使寿命延长20%-100%。

5)提高零件表面导电性:在电解槽汇流铜排接头部位镀银,可减少电阻,降低温升,在大型计算机的电路接点处电刷镀金处理,能降低接触电阻,防止金属氧化造成的断路。

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6)提高零件的耐高温性能:Co-Ni-P-Nb非晶态镀层的晶化温度可达320℃,在400~500℃高温下,镀层由非晶态向晶态转变后,同时析出第二相组织,由此提高镀层的高温磨损的性能。6)提高零件的耐高温性能:Co-Ni-P-Nb非晶态镀层的晶化温度可达320℃,在400~500℃高温下,镀层由非晶态向晶态转变后,同时析出第二相组织,由此提高镀层的高温磨损的性能。

7)改善零件表面的钎焊性。难钎焊材料表面刷镀铜、锡、银、金等,以改善零件表面的钎焊性。

8)减小零件表面的摩擦系数:选用铟、锡、铟锡合金及巴氏合金等镀层,能使摩擦系数下降,镀0.6~0.8μm的铟镀层时不仅能降低摩擦系数,并且能防止粘着磨损,加入MoS2,石墨等微粉→自润滑。

9)提高零件表面的防腐性:阳极性镀层:金、银、镍、铬等;阴极性镀层有锌、镉等。

10)装饰零件表面:金属制品、首饰上镀金、镀银层;仿古刷镀;秦兵马俑上刷镀仿青铜色。

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7. 电刷镀技术的新进展

1)电刷镀层的抗接触疲劳性能:刷镀Ni-W(50)或致密快Ni镀层在中等载荷情况下能够承受一定的接触疲劳应力。

2)电刷镀非晶态镀层:采用Co-Ni-P系列合金刷镀液,可以获得非晶态镀层,Co-Ni-P非晶态合金镀层的晶化温度为331.9℃,该涂层在常温以及较高温度下有较高的硬度和良好的耐磨性。

3)电刷镀复合镀层:

(1)层状镀层:由两种或几种金属元素依次沉积而形成的多层镀层。

(2)弥散镀层:指在金属镀液中加入不溶性固体微粒,使这些固体微粒与金属镀液中的金属离子共沉积,并均匀地弥散在金属镀层中。分散剂:复合刷镀溶液中加入的不溶性固体微粒,它包括:

  • 非金属元素:石墨、金刚石粉。
  • 无机化合物:SiO2、Al2O3、TiO2、Cr2O3、WC、TiC、SiC、TiN、BN、MoS2等。
  • 有机化合物:聚氯乙烯、聚四氟乙烯、尼龙粉等。
  • 纳米材料。
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4)摩擦电喷镀技术:电刷镀时的摩擦作用能限制镀层晶粒的长大和镀层表面的氧化膜的形成,还能有效地改善工件表面粗糙度引起的尖峰和凹谷沉积速度不一致的弊端,因而摩擦电喷镀能获得组织致密,晶粒细化,力学性能良好的镀层。4)摩擦电喷镀技术:电刷镀时的摩擦作用能限制镀层晶粒的长大和镀层表面的氧化膜的形成,还能有效地改善工件表面粗糙度引起的尖峰和凹谷沉积速度不一致的弊端,因而摩擦电喷镀能获得组织致密,晶粒细化,力学性能良好的镀层。

5)稀土元素在电刷镀技术中的应用:在刷镀镍、致密镍、Ni-W合金镀层中,有一定量的N2、H2、O2气体,影响镀层的性能。在镀液中加入稀土后,能形成:ReH2、ReH3、ReO3、ReO、ReN等,由此减小氢致裂纹,减小涂层应力,增加镀层的硬度、强度、耐磨性和耐蚀性。

6)电刷镀与其它表面技术的复合:

(1) 电刷镀与热喷涂复合:

热喷涂恢复尺寸+电刷镀提高涂层性能。

(2) 电刷镀与钎焊技术复合:

难钎焊材料表面刷镀铜、锡、银、金等+钎焊。

(3) 电刷镀与激光重熔技术复合:

刷镀+激光重熔,提高材料的表面性能或结合强度。

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(4) 电刷镀与激光微精处理技术复合:
  • 一些重要摩擦副表面镀工作层,然后再用激光器在镀层表面打出有规则的微凸体和微凹体,这些凸、凹体不仅自身得到强化,而且还有良好的储油能力,从而提高了摩擦副的耐磨性。

(5)电刷镀与粘涂技术复合:

    • 对于大型零件上深度划伤、沟槽、压坑、可选用粘涂耐磨胶填补沟槽,待胶固化后,再在胶上刷镀金属镀层,填补时可使用导电胶,否则使用非金属刷镀技术。

(6) 电刷镀与离子注入复合:

    • Ni镀层、Ni-W镀层、Cu镀层+注入氮离子,使镀层得到强化。

(7) 电刷镀与减摩技术复合:

    • 刷镀耐磨镀层后+减摩添加剂,获得十分明显的减摩效果。如汕头海湾公路大桥、西陵长江大桥。
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热喷涂技术作为一种新的表面防护和强化工艺在近30多年里得到了迅速的发展。热喷涂技术作为一种新的表面防护和强化工艺在近30多年里得到了迅速的发展。

  • 热喷涂技术由早期制备一般的装饰性和防护性涂层发展到包括产品失效分析、表面预处理、喷涂材料和设备的选择、涂层系统设计和涂层后加工等在内的热喷涂系统工程。
  • 热喷涂技术已成为材料表面科学领域中一个十分活跃的独立学科。
  • 目前在船机零件的制造、修理及再制造过程中,热喷涂不仅是一种修复工艺,而且是一种表面强化工艺,能为船机零件表面提供具有耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等不同性能的涂层。
  • 热喷涂技术已广泛应用于柴油机排气阀、曲轴、气缸盖、气缸套、活塞、活塞环等零件的制造、修理及再制造中。

§6-3 热喷涂技术(Thermal Spray Technology)

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1. 热喷涂原理(Principle of Thermal Spray)

1)定义(Definition):

  • 热喷涂是利用热源将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态,借助于焰流或外加的推力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制备的基体表面形成某种功能的涂层。
  • 在喷涂过程中或涂层形成后,对金属基体和涂层加热,使涂层在基体表面熔融,并和基体产生扩散或互熔,形成与基材冶金结合的喷熔层,称为热喷熔(Thermal Spraying and Fusing),这也是热喷涂的方法之一。

一、 热喷涂原理及特点

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1

2

5

4

3

图6-17 热喷涂原理

1-粉末注入;2-熔化颗粒

3-涂层;4-6进给;5-热喷涂源

2)热喷涂过程 (Thermal Spray Process):

  • 喷涂材料被加热熔化;
  • 熔滴雾化;
  • 高速飞行;
  • 与基体表面的碰撞变形及淬冷凝固。
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3)涂层结构(Coating Structure):

(1)涂层层状结构

由大量相互平行的碟形粒子互相粘结而成;

(2)涂层的多孔结构

粒子碰撞、变形和冷凝等过程的时间极短;

(3)涂层中存在氧化物夹杂

其数量取决于热源、材料和喷涂条件;

(4)涂层的各向导性:

层状结构→各向异性。

(5)涂层残余应力。

(6)涂层的结构是被微细氧化物和孔洞层错分隔的系列薄片材料的堆积层。

(7)涂层经过适当的处理后,其结构会发生变化。例如:涂层经过重熔处理,就消除了涂层中的氧化物夹杂和孔隙,层状结构成为均质结构,涂层与基体表面的结合状态也发生了变化。

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2、涂层的结合机理(Bonding Mechanisms of Coatings)
  • 涂层的结合包括涂层与基体表面的结合及涂层中粒子与粒子的结合。

前者的结合强度称为结合力;后者的结合强度称为内聚力。

1. 机械结合

熔融状态的喷涂粒子在与基本表面碰撞时,其变形粒子与基体表面的

凹凸粗糙面机械地咬合,这种结合被 称为“抛锚效应”,例如等离子或氧乙

炔喷涂陶瓷材料时,涂层和基体的结合就属于机械结合。

2. 物理结合

涂层与基体表面的粘附是由范德瓦耳斯力所引起的。

3. 化学或显微冶金结合

当基体表面被高温微粒熔化和与它们发生反应而形成金属间化合物时,其涂层和

基体表面的结合称为化学结合。当喷涂粒子与基体表面原子形成互相扩散时,就称为

显微冶金结合。 一般来说,涂层与基体表面的结合以机械结合为主。

3 classify of thermal spray
3. 热喷涂分类(Classify of Thermal Spray)

线材火焰喷涂、棒材火焰喷涂

气体燃烧火焰法  粉末火焰喷涂、爆炸喷涂

           超音速火焰喷涂、粉末火焰喷熔

         电弧喷涂

               大气等离子喷涂

热              真空等离子喷涂

喷气体放电法 等离子喷涂  保护气体等离子喷涂

涂              水稳等离子喷涂

               超音速等离子喷涂

         等离子喷熔

电热法:高频喷涂、线材电爆喷涂

激光热源:激光喷涂、激光喷熔

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4. 热喷涂特点(Characteristics of Thermal Spray)
  • 喷涂材料的选择范围广泛,它几乎包括所有的固体材料;如金属及其合金,各种陶瓷及金属陶瓷、塑料和各种类型的复合材料等。
  • 选择合适的工艺方法几乎能在任何固体材料表面上进行喷涂。
  • 一般不受施工场所的限制,既可以在室内喷涂,又可以现场施工。
  • 一般不受工件尺寸及形状限制,既可对大型构件进行大面积喷涂,也可以对工件进行局部喷涂。
  • 涂层厚度可以在几十微米到几毫米范围内控制,因此可作薄涂层或厚涂层使用。
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除喷熔外,热喷涂工艺对基体材料热影响较小,并且可以进行控制,它不会影响基体金属的金相组织和机械性能。除喷熔外,热喷涂工艺对基体材料热影响较小,并且可以进行控制,它不会影响基体金属的金相组织和机械性能。
  • 能使涂层具有耐磨、耐蚀、耐氧化、耐高温、隔热、导电、绝缘、密封、减磨、辐射及电子发射等不同功能或使涂层具有复合功能。
  • 热喷涂的生产率高,对于大多数热喷涂工艺方法,其生产率可达每小时数公斤,有的方法甚至可达每小时数十公斤。
  • 与其他堆焊方法比较,火焰喷熔层和等离子喷熔层的冲淡率较低,而且表面成形平整、光滑、加工余量少,节省合金材料。
  • 废旧件采用热喷涂修复后,还能比新件具有更高的性能和更长的使用寿命。
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热喷涂的局限性:

1)一般用喷涂方法制备的涂层,涂层结合强度及密度受到一定限制。

2)对于喷涂面积小的工件,沉积效率低,不经济。

3)一般喷涂方法操作环境较恶劣,要求采取劳动保护和环境保护措施。

4)难以对涂层质量进行非破坏性检查。

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二、热喷涂的主要方法和设备

1. 线材火焰喷涂 (Wire Flame Spraying)

1)基本原理:

喷枪通过气阀分别引入乙炔、

氧气和压缩空气,乙炔和氧气

混合后在喷咀出口处燃烧,不

断送进的丝材被氧-乙炔火焰

加热熔化,然后,由通过气帽

的压缩空气将其雾化成粒子,

并被喷射到基体表面形成涂层。

线材火焰喷涂原理示意图

1-涂层;2-燃烧火焰;3-空气帽;

4-气体喷嘴;5-线材或棒材;6-氧气;

7-乙炔;8-压缩空气;9-喷涂射流;10-基体

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1)氧气及乙炔供给系统:由气源、压力及流量调节装置,回火防止管及输氧管道等组成;1)氧气及乙炔供给系统:由气源、压力及流量调节装置,回火防止管及输氧管道等组成;

2)压缩空气供给系统:由空气压缩机和空气净化装置(冷凝器和油水分离器组成)构成;

3)线材盘架;

4)气喷枪:它主要由机动部分、混合头部分及手柄部分组成,国产SQP-1型气喷枪分高速、中速两种规格,前者用喷涂镁、铝等低熔点金属,后者用于喷涂钼、钢等高熔点金属。

2)设备组成 (Equipment Composition):

线材火焰喷涂典型装置示意图

1-燃料气;2-氧气;3-气体流量计;

4-压缩空气;5-空气过滤器;6-空气控制器;

7-线材控制装置;8-线材喷枪

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3)涂层特性

    • 涂层中含有明显的气孔和氧化物夹渣;
    • 涂层结合强度为10~30MPa;
    • 涂层气孔隙为10 % ~15%。
    • 涂层结构为明显的层状结构。

4) 特点:

(1) 喷涂方法简便,设备简单;

(2) 火焰温度低,气流速度不高,因而颗粒打击力小,涂层致密度较差;

(3) 涂层中含有一定量的氧化物。

  • 5) 应用:

(1) 目前国内大多用于制备锌、铝长效防护涂层;

(2) 不锈钢、镍铬及有色金属防腐涂层;

(3) 碳钢、铬钢恢复尺寸涂层以及耐磨涂层等。

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2. 粉末火焰喷涂 (Powder Flame Spraying)

1) 基本原理:如图所示,喷枪通过气阀分别引入燃料气(主要采用乙炔)和氧气,经混合后从喷咀喷出,产生燃烧火焰。合金粉末在高速氧气流的带动下由喷嘴射出,穿过燃烧火焰时被加热到熔化或半熔化状态,并高速撞击在已预处理的基体表面上,沉积为喷涂层。

粉末火焰喷涂原理示意图

1-氧、乙炔混合气;2-送粉气;3-喷涂粉末;4-喷嘴;5-火焰;6-涂层;7-基体

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1)粉末火焰喷涂的典型设备主要由氧气及乙炔供给系统和喷枪组成,粉末可以装在与喷枪构成一体的粉斗内,也可由送粉器通过管道送入。1)粉末火焰喷涂的典型设备主要由氧气及乙炔供给系统和喷枪组成,粉末可以装在与喷枪构成一体的粉斗内,也可由送粉器通过管道送入。

2)目前国内常用的火焰喷涂枪有:SPH-E型两用枪、SPH-E2000型喷涂枪、Cp-1000型亚音速喷涂枪、Cp-3000型亚音速喷涂枪。

3) 设备组成:

粉末火焰喷涂典型装置示意图

1-氧气;2-燃料气;3-气体流量计;4-粉末;5-喷枪

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3) 涂层特性 (Coating Characteristics):
  • 涂层中含有一定量的氧化物及气孔,并有少量变不充分的颗粒;
  • 涂层结合强度10-30MPa;
  • 涂层孔隙率高。

4)特点

  • 设备简单、轻便、初投资少,操作工艺简单,现场施工方便;
  • 适于机械零部件的局部修复和强化,成本低、耗时少、效益高;
  • 可以喷涂纯金属粉、合金、陶瓷、金属陶瓷和复合粉末等多种材料;
  • 涂层孔隙率较高。

5)应用

  • 粉末火焰喷涂广泛用于机械部件和化工容器、辊筒表面制备耐蚀、耐磨涂层。对喷枪喷咀部分作适当变动后,可用于喷涂塑料粉末。
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3. 等离子弧喷涂 (Plasma Spraying)

1)基本原理: 在阴极和阳极(喷咀)之间产生一直流电弧。该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体并从喷咀喷出形成等离子焰。粉末由送粉气体送入等离子射流后被熔化、加速、喷射到以预处理的基体材料表面形成涂层。

等离子喷涂原理示意图

1-喷涂粉末;2-工作气;3-阴极;4-阳极;5-等离子射流;6-基体;7-喷涂层

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1)喷枪:喷枪实际上是一个非转移型等离子弧发生器,是最关键的部件,它集整个系统的电气、粉、水于一体,主要由阴极、喷咀(阳极)、进气道与气室、送粉道、水冷密封与绝缘以及枪体所组成。1)喷枪:喷枪实际上是一个非转移型等离子弧发生器,是最关键的部件,它集整个系统的电气、粉、水于一体,主要由阴极、喷咀(阳极)、进气道与气室、送粉道、水冷密封与绝缘以及枪体所组成。

2)送粉器:送粉器是用来贮存喷涂粉末和按工艺要求向喷枪输送粉末的一种装置,主要有自重式送粉器、刮板式送粉器、雾化式送粉器、电磁振动式送粉器、鼓轮式送粉器等。

3)整流电源:等离子喷涂采用的整流电源有饱和电抗器式或硅整流电源、可控硅型电源、直流发动机电源。

4)供气系统。

5)水冷系统及控制系统。

2)设备组成:

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3)涂层特性
  • 组织结构为细晶的层状结构,含一些球状组织,存在细小弥散物;
  • 等离子弧温度高,能量集中,焰流速度高;
  • 喷涂层组织细密,氧化物夹渣和气孔率都低,气孔率可控制到2-5%;
  • 涂层与基体的结合及粒子之间的结合除以机械结合为主外,可以产生微区冶金结合和物理结合;结合强度可达35-70MPa。

4)特点:

(1)喷涂材料范围广:制备难熔金属、陶瓷、金属陶瓷复合材料涂层及其它特殊功能涂层;

(2)涂层结合强度高,气孔率低;

(3)惰性气体等离子射流有保护气氛,加氢的射流有还原气氛,避免或减少了喷涂粒子的氧化;

(4)设备昂贵,一次性投资大。

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5)应用:
  • 主要用于制备质量要求高的耐蚀、耐磨、隔热、绝缘、抗高温和特殊功能涂层。
  • 等离子喷涂主要用于制备质量要求高的难熔金属(W、Mo)涂层;
  • 主要用于制备陶瓷(ZrO2、Cr2O3、Al2O3)涂层;
  • 主要用于制备金属陶瓷复合材料(Al2O3-Ni)和特殊功能涂层;
  • 在船机零件中主要应用于制备柴油机燃烧室热障涂层及耐磨、防腐涂层;
  • 等离子堆焊主要应用于柴油机气阀涂层、阀座涂层的制备。
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电弧喷涂原理示意图

1-直流电源;2-金属丝;3-送丝滚轮;4-导电块;5-导电嘴;

6-空气喷嘴;7-电弧;8-喷涂射流;9-涂层;10-基体

4.电弧喷涂 (Arc Spraying)

1)基本原理:电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极,利用其端面产生的电弧作热源来熔化金属丝材,用压缩空气进行雾化的热喷涂方法,喷涂原理如图所示。

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2)设备组成:

(1)整流电源:电弧外特性应是平特性或略带上升的外特性,动特性应有足够大的电流上升速率;为适应不同材料喷涂的需要,电源上要求有输出电压调节装置。

(2)控制装置;

(3)喷枪:

a.在喷枪中由导电咀、空气喷咀、绝缘块和弧光罩等组成的雾化头是喷枪的关键部分;

b.按驱动金属丝的动力源分为:电动式、空气马达式及气动蜗轮式;

按推动金属丝的方式不同分为:推式、拉式及推拉式

(4)金属丝盘架或送丝装置;

(5)压缩空气供给系统等组成。

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3)涂层特性
    • 涂层为典型的层状组织结构,但组织结构较粗大,并且大小不均;
    • 结合强度较高:由于熔粒温度高,粒子变形量大,而提高了涂层的结合强度;
    • 元素含量减少:涂层中C及合金元素的烧损量大,因而涂层硬度降低;

4)特点

  • 热效率高:热能利用率高达60- % 70%;火焰喷涂热能利用率为5 % -15%;等离子喷涂为12%左右;
  • 生产率高:一般为火焰喷涂的3倍以上,如电流为300A时,钢材喷涂速率15kg/h;
  • 喷涂成本低:电弧喷涂的施工成本比火焰喷涂要降低30%以上;
  • 结合强度高:结合强度一般要比火焰喷涂高50%以上;
  • 可以方便地制备假合金涂层:铜-钢合金涂层就具有良好的耐磨、减磨和导热性能。
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5)应用
  • 钢铁构件上制备Zn、Al长效防护涂层;
  • 钢铁喷铝,通过产生渗铝层,制备抗高温氧化涂层,工作温度可达870℃;
  • 在钢铁件上喷涂不锈钢,用于耐磨蚀防护;
  • 在钢铁件上喷涂金属陶瓷复合涂层;
  • 喷涂碳钢、铬钢、青铜、巴氏合金等材料,用于修复零件已磨损或尺寸超差的部位;
  • 在电容器上喷涂导电涂层,在塑料制品上喷涂屏蔽涂层等。
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5. 爆炸喷涂

(Detonation Spraying)

1)基本原理:

将一定比例和流量的乙炔和氧气引入内径为25mm的水冷枪筒内,与同时引入的喷涂粉末混合,通过火花塞瞬间引爆,枪筒内的温度突然上升3300℃以上,气体燃烧的速度超过音速的十倍,形成冲击波, 爆炸的热能将喷涂粉末加热到熔融或半熔融状态,并使熔粒加速到2倍音速喷出,撞击到基体表面形成涂层,此后将氮气引入枪筒内置换,直到下一个爆炸过程开始。

爆炸喷涂原理示意图

1-氮气;2-粉末;3-火花塞;4-喷涂射流;

5-涂层;6-基体;7-氧气;8-乙炔

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2)特点应用
  • 涂层结合强度高:WC-Co涂层比等离子喷涂高2倍以上;
  • 涂层硬度高: 喷涂WC-Co涂层的硬度比等离子喷涂高50%以上;
  • 气孔率低:喷涂WC-Co涂层气孔率一般只有0.5%;

3)应用

目前爆炸喷涂主要用于制备优质耐磨涂层。

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6. 超音速火焰喷涂

(High Velocity Oxy - Fuel Spraying-HVOF)

1)基本原理: JP-5000喷枪结构如图所示,其工作原理为:进入燃烧室内的液体燃料如煤油,经雾化与氧气混合和点燃,发生剧烈膨胀,此膨胀气体流经Laval喷嘴时,受喷嘴的约束作用形成超音速高温焰流,喷涂材料粒子在超音速高温焰流的作用下,得到加热和加速后喷出。

  • 根据燃烧室形式的不同,HVOF喷涂设备的主要类型有Jet-Kote、Diamond Jet、Top Gun、CDS、HV2000、JP-5000、JP-8000和Aerospray。
  • 新发展的喷枪不仅在结构上不同于Jet-Kote,而且可以使用液体燃料(如:煤油, JP-5000、 JP-8000)和压缩空气助燃剂(HVAF),大大降低了涂层的制造成本。
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2)特点及应用
  • 火焰及喷涂粒子速度极高:燃气流速可达1500-2000m/s,粉粒撞击到工件表面的速度为550~800 m/s;
  • 粉粒在火焰中加热时间长:喷涂粉末以中心轴式方法供给,这种供粉方式使粉末在火焰中停留时间长,能均匀地受热熔融,产生集中的喷射束流;
  • 熔粒与周围大气接触时间短:这可避免碳化物材料分解和脱碳;
  • 喷涂粉末细微,涂层光滑:粉末粒度为5-45μm,可获得表面光滑的涂层;
  • 涂层致密,结合强度高:涂层的孔隙率可小于0.1%,结合力可大于100N/mm2;
  • 气体耗量大、喷涂噪声大:目前喷枪所消耗的气体远大于一般火焰喷涂。

3)应用

被广泛使用来制备碳化物(WC-Co、NiCr-Cr3C2)涂层和耐蚀涂层。

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三、热喷涂材料 (Thermal Spray Materials)
  • 热喷涂材料(又称热喷涂涂层材料)是制备热喷涂涂层的原始材料。涂层材料基本上决定了涂层的性质和功能。
  • 热喷涂材料最显著的特点是广泛性和可复合性。热喷涂材料包括各种金属、合金、陶瓷,金属陶瓷和部分有机材料,这些材料又可通过不同的方法组合成复合材料。

1. 热喷涂材料的分类

1)按其使用形式可分为:粉末材料及线丝材料。

2)按使用功能和制造方式可分为:非复合材料及复合材料。

3)按组成成分可分为:金属及合金、自熔性合金、复合材料、陶瓷和有机塑料等几种。

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2. 热喷涂线材及棒材
  • 线材(或称丝材)用于火焰线材喷涂和电弧喷涂。喷涂线材除了化学成分的要求外,线材直径亦应符合要求。

1) 锌、铝及其合金线材

  • 热喷涂锌、铝及其合金所制备的涂层对钢铁构件具有长效的保护作用。

表6.7 常用锌、铝及其合金丝材的化学成分

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(1)锌: 熔点419℃,密度7.1kg/cm3。
  • 由于锌在腐蚀介质中呈明显的阳极特性,能对呈阴极特性的钢铁件起到明显的保护作用。
  • 在锌涂层中若含铁量超过0.0014% (质量分数),表面会生成高电阻坚硬的腐蚀产物,使锌涂层的阳极保护作用显著降低。

(2)铝: 熔点是660℃,密度2.72g/cm3。

  • 虽然铝的标准电位很负(约- 1660mV)。但由于它在空气中能迅速生成一层致密的氧化铝膜,因而其在腐蚀介质中的阳极特性作用不如金属锌。
  • 它的优点是在工业气氛中有较高的耐蚀性。铜、铁、硅等杂质含量对纯铝的耐蚀性有害。

(3)锌铝合金:

  • 在锌、铝涂层对钢铁构件的保护上,锌的阳极保护作用突出,但自身的耐蚀性不及铝,铝的耐蚀性较好,但阳极保护作用不及锌。
  • 锌铝合金涂层能把二者的优点结合起来,起到更好的保护作用。
  • Zn85-Al15是最常用的一种材料,在人工海水中的电位为- 1000mV。这种材料在喷涂过程中A1含量会因燃损而减少,在工作中锌含量会因腐蚀而损失。
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(4)铝镁合金:合金中Mg的含量一般约5% 。
  • 在人工海水中,涂层的电极电位为-1100mV左右。
  • 加入微量的稀土元素Re可提高涂层性能,如A1-Mg-Re涂层的平均结合强度可达25MPa,A1-Mg合金可生成尖晶石结构的氧化膜(MgAlO4),对金属离子和氧的扩散具有隔离作用,因而具有高耐蚀性。
  • 合金中的金属间化合物Mg2Al3是阳极相,电极电位较负,对钢铁具有很好的阴性保护作用。
  • 当合金呈单相的过饱和固熔体时会发生点蚀。
  • 由于喷涂过程会使镁有明显的烧损,显著减少了涂层中的过饱和固溶体的含量,因此这种涂层在各种环境下均有较好的保护作用。
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2) 有色金属及Ni基合金线材

(1)铜及铜合金:

  • 纯铜线材除常用作制备导电涂层外,还用作装饰涂层。
  • 铝青铜具有良好的耐蚀性,常用作修复工件,另一个重要的作用是常在电弧喷涂中用作粘结底层,因涂层的抗拉强度和剪切强度都较高。
  • 材料中Ni、Fe含量的增加,铝青铜涂层的强度和硬度也相应增加。

表6.8 铝青铜的成分及性能

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(2)巴氏合金:
  • 巴氏合金是一种锡基的锡、锑、铜合金(其质量分数为Cu3.5%,Sb7.5%,余Sn)。
  • 它是一种低熔点(约350℃)的减摩材料,用在高速、重载轴瓦上。制成线材可用于火焰线材喷涂。

(3)镍基合金

  • 镍基合金线材常作为抗高温氧化和抗冲蚀涂层,也用作粘接底层。
  • 近年来用作电力系统锅炉管道受热面防护的镍基合金线材发展很快。常用的材料种类有:NiCr、NiCrNb、NiCrTi等。这类材料在高温下表面能迅速生成Cr2O3保护层,阻止镍元素生成碳化镍,从而使涂层发挥抗热腐蚀和抗冲蚀作用。
  • 低铬含量的Ni80-Cr20线材则主要用于抗高温氧化,也用作陶瓷涂层的底层材料。
  • 镍铝合金线材是一种自粘接材料,常用作粘接底层,本身也具有极好的抗氧化性能。铝还能在沉积时还原工件表面极薄的氧化层,形成新鲜的金属表面,促使表面合金化。
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(4) 钼:
  • 金属钼是一种难熔金属(熔点2650℃),200℃时开始氧化,400℃时急速氧化。
  • 钼是一种自粘接性材料,能与大多数金属良好结合,但不能在铜及铜合金上喷钼。因为钼在常温下能与Zn、Cu产生缓慢的化学反应,生成钼酸盐。
  • 钼涂层随着氧含量的增加,其硬度也提高。
  • 钼是目前最好的抗粘着磨损的材料之一,尤其适用于柴油机汽缸套、活塞环等零件的喷涂。
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3) 钢铁材料

(1)碳钢:

  • 线材主要用于修复工件。
  • 碳钢丝表面一般镀光亮铜,采用火焰和电弧喷涂。

表6.9 碳钢喷涂线材的化学成分(质量分数,%)

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(2) 不锈钢
  • 不锈钢是常用的耐磨耐腐蚀涂层。
  • Crl3型高碳马氏体不锈钢在喷涂时材料有淬硬性,颗粒间结合良好,涂层硬度及结合强度高,;
  • Crl3型高碳马氏体不锈钢耐磨防腐性能好,常用作防护和修复涂层, 可制作厚涂层。
  • 18-8型低碳奥氏体不锈钢具有优异的耐腐蚀性,涂层易切削,但喷后涂层收缩率较大;
  • 18-8型低碳奥氏体不锈钢不易在内壁上喷涂,常作为修复和防腐涂层。

4) 棒材

  • 棒材常指火焰喷涂用陶瓷棒材,一般制成直径为3mm左右的陶瓷棒,采用火焰喷涂方法。
  • 用火焰喷涂时,受到陶瓷材料熔点的限制,因此主要材料是A12O3,Al2O3 + TiO2系列和Cr2O3类材料。
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表6.10 不锈钢材料的化学成分(质量分数,%)

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3. 热喷涂粉末材料

1) 粉末材料的技术要求

(1) 颗粒度:颗粒度又称粒度,是粉末颗粒大小的表示方法。用目数及颗粒的粒径大小表示。

(2) 流动性:这是粉末在没有外力作用下自行流动的特性,流动性好的粉末易于输送。

(3) 松装密度:松装密度又称为粉末的体积密度,是粉末的一个重要指标。将一定量的粉末自流注入体积固定的容器后称重,以g/cm3计量。

(4) 外观形貌:粉末有多种制造方法,各自外观形貌不同,有球形、类球形、块形等。外观形貌可很大程度上决定粉末的流动性。

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2) 自熔性合金粉末
  • 自熔性合金粉末是指在重熔过程中不需外加助熔剂,具有自行脱氧、造渣功能,能“润湿”工件表面并对基材进行熔敷的一种合金材料。
  • 这类材料常用的有镍基、钴基、铁基合金和WC型等,其中含有一定量的硼、硅元素。

表6.11 典型的自熔性合金粉末成分及硬度

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3) 金属粉末材料

(1) 纯金属粉末:

  • 常用的纯金属粉末有锡、锌、铝、铜、镍、铬、钨、钼等。
  • 有些粉末可用雾化法制得(如Cu,Ni,Al等),有些粉末用金属直接破碎(如铬、钨),钼粉则需要先制块烧结还原,后破碎制粉。

(2) 合金粉末:

  • 合金粉末的种类很多,在热喷涂线材中介绍的镍基、钢铁、不锈钢系列材料,均可制成粉末材料用于喷涂。

表6.12 合金粉末的用途分类

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粉末材料的用途常常是多方面和互相交叉的。如自粘接材料中具有耐腐蚀功能,同时又是极好的粘接底层材料。粉末材料的用途常常是多方面和互相交叉的。如自粘接材料中具有耐腐蚀功能,同时又是极好的粘接底层材料。
  • 自粘接材料具有极好的喷涂适应性,涂层的结合强度高。
  • 镍铝复合粉末有二种形式:铝包镍和镍包铝。铝包镍铬合金(w(NiCr)94% + w(Al)6%)粉末既有良好的结合性能,又具有抗高温氧化性能。
  • 用Ni/Al复合粉或金属Mo与不锈钢材料混合制成的自粘接材料不但结合性能好,而且具有良好的抗腐蚀和耐高温氧化性能。
  • 目前自粘接铝青铜粉末和自粘接碳钢粉末也已广泛地应用。
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(3) MCrAlY粉末:
  • 在MCrAlY粉末中,M表示Ni、Co、Fe或NiCo。
  • 广泛用于抗高温氧化、抗髙温腐蚀和热障涂层的底层材料。
  • MCrAlY材料在高温下,涂层形成的枝状晶能贯穿涂层和基材界面,形成所谓的“钉碰”效应,提高了结合强度和可靠性。

(4) Mo+NiCrBSi系列:

  • 常用于高负载的滑动摩擦表面,与各种不同的摩擦副有良好的匹配性能,具有优越的抗粘着磨损性能。
  • 目前巳发展了Mo+高铬铁合金、Mo+金属陶瓷材料、Mo+高碳铁铬合金等多个系列。
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4) 陶瓷粉末材料
  • 陶瓷材料是金属的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物的统称。
  • 陶瓷材料一般熔点高,化学性质稳定,只要在高温的喷涂焰流中能够熔化的陶瓷材料几乎都可用以喷涂。
  • 陶瓷粉末材料的粒度会影响喷涂效果,应根据材料的熔点、密度、导热率等来选择粉末的粒度范围。
  • 有的陶瓷材料在高温下会产生相变,使用前应作适当处理。
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(1) 氧化物陶瓷:
  • 常用的氧化物陶瓷有A12O3、TiO2、ZrO2、Cr2O3以及它们的复合物。

a) 氧化铝有多种相变,主要以a-A12O3和γ-A12O3为主。在1000℃左右的温度下,氧化铝转变为稳定的a-Al2O3(又称刚玉),这是非可逆转变。

b) 纯A12O3涂层为白色,耐高温,电绝缘性好,硬度高,摩擦系数较低,可用作电绝缘涂层,隔热涂层和耐磨涂层。

c) 纯氧化钛是纯白色,具有三种相结构,即稳定的正方晶系、不稳定正方和不稳定斜方晶系。随着失氧的增加,其外观色泽将由纯白变为黄色、粽色、深粽色、直至黑色。TiO2可制备出坚硬的、极为致密的涂层,经磨削和研磨后可获得极为光滑的表面。

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d) 氧化铝-氧化钛又称氧化铝钛,是在A12O3中加w(TiO2) 3%~40%而获得的系列材料。涂层的韧性和致密性得到改善。
  • 含有w(TiO2)3%~13%的氧化铝钛涂层具有优异的耐钎维磨损性能,并能防止纤维与涂层的粘结,广泛应用于纺织和造纸工业。
  • 13%(质量分数)的氧化铝钛涂层异常致密,当厚度为0.3mm左右时,涂层几乎没有穿透性孔隙,结合强度高,加工性能好,可耐540℃的高温和一般含水溶剂的浸蚀。

e) 氧化铬有二种形式,一种是化学计量比准确的深绿色氧化物(Cr2O3.0),另一种氧含量较低的黑色氧化物(Cr2O2.9)。

  • 在一般喷涂条件下,涂层常为低于化学计量比的黑色氧化铬。氧化铬涂层致密,硬度高可达1000~1100HV0.2,气孔率小于3%,涂层具有耐腐蚀和耐磨损性能。
  • 氧化铬涂层的另一特点是具有良好的自匹配性能,在滑动摩擦中能与各类摩擦副良好匹配,不会对摩擦副造成过度磨耗。
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f) 氧化锆是高熔点低导热材料,具有优良的耐热、隔热性能,是制备陶瓷热障涂层的重要材料。
  • ZrO2具有三种相变:单斜、正方和立方。在加热到相变温度时(1200℃),单斜晶系向立方晶系转变,吸收一定的热量并伴有6%左右的体积膨胀。这一过程是可逆的,因而制备的涂层极不稳定。
  • 一般应对氧化锆作稳定化处理。方法是添加一定的CaO、MgO和Y2O3,进行熔炼后制成粉末。
  • 添加w(Y2O3)20%的氧化锆称为全部稳定的氧化锆,涂层中均为立方相,涂层性质稳定。
  • 添加W(Y2O3)6%~8%的ZiO2称为部分稳定的氧化锆,其中以立方相为主,含有少量的其他相。
  • Y2O3+ZrO2是目前最理想的热障涂层材料,已获得广泛应用。
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(2) 碳化物:

a) 碳化钨(WC)

  • 碳化钨是硬质材料,也是制造硬质合金的常用材料。
  • 纯WC在高温下易分解成W2C,从而增加了涂层的脆性,因而很少直接用于喷涂,常与其他金属复合后使用,如WC-Co、WC-CoCr。

表6.14碳化钨的主要性质

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b) 碳化铬(Cr3C2)
  • 碳化铬硬度高,具有良好的抗高温氧化性能和耐磨损性。
  • 一般Cr3C2与NiCr合金混合使用,以提高涂层的内聚强度。
  • 为改善碳化铬的润湿性,也可用金属Ni或Co包覆,再与Ni-Cr混合制成复合粉末喷涂。
  • 这种材料主要用于抗高温磨损,能在550~815℃范围内稳定工作,耐磨粒磨损、微动磨损和冲蚀。

c) 碳化钼

  • 碳化钼是一种新开发的耐磨材料,常用烧结法和自蔓延生成法制得。
  • 涂层除了具有抗粘着磨损性能外,还具有优异的抗磨粒磨损性能。
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(3) 金属陶瓷复合材料:
  • 氧化物金属陶瓷粉末材料是由氧化物陶瓷和金属组成的复合材料。
  • 陶瓷组分可以是单一氧化物如(A12O3,Cr2O3),也可以是复合氧化物(Al2O3 + TiO2),金属组分可以是纯金属(Ni),也可以是合金(NiCr)。
  • 金属陶瓷复合材料的制造方法有多种,如混合型,包覆型,团聚烧结型和粘结型等。
  • 金属陶瓷材料综合了陶瓷与金属各自的特点,具有优良的综合性能,但涂层的某一项性能不会超过原单一组分的性能。选用时一方面考虑到各单一组分的特点和比例,另一方面要注意到综合性能特点。
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碳化钨(WC)金属陶瓷:

a) WC-Co包覆粉和烧结粉:

  • 金属Co的含量一般为8% ~ 17% (质量分数),它与WC 粉末团聚后经高温烧结后破碎。这种粉可直接喷涂,也可与自熔性合金混合后喷熔。
  • 烧结粉比同样组分的包覆粉的性能要好,喷涂后失碳少,涂层致密、坚硬,喷熔层中WC呈弥散状分布,无集中的WC大颗粒。

b) WC-Ni包覆粉:

  • 它是将WC粉或WC-Co烧结粉,用液相沉积加压氢还原法或羰基镍热分解气相沉积法制成包覆粉。WC颗粒被Ni完全包覆,喷涂WC可减少分解和失碳。

c) WC-金属团聚粉:

  • 采用浆料喷干法、团聚法等可将WC与Co、Ni基自熔性合金、NiCr合金等制成团聚粉,用于喷涂。
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5) 塑料粉末
  • 用于喷涂的塑料粉末有热塑性树脂和热固性树脂。
  • 热塑性树脂是由于喷涂时的加热而软化熔融形成涂层,对热具有可塑性。
  • 热固性树脂是由于加热而软化,同时由于分子间的交联而发生不可逆的固化。
  • 热塑性树脂粉末材料主要有聚乙烯、EVA树脂及尼龙树脂;
  • 热固性树脂粉末材料主要有环氧树脂。
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(1) 聚乙烯:
  • 聚乙烯熔点为120℃,密度为0.93g/cm3;
  • 本来聚乙烯因为无极性,和金属粘结是非常困难的,但引入官能基赋予结合性就能用于粉末涂装,也能适用喷涂,若使用流化床涂装用的结合性聚乙烯粉末,将被涂工件预热到120~150℃再喷涂,则能形成附着性良好的涂层。
  • 聚乙烯的连续使用温度达到60℃,耐药品性、耐水性等的涂层性能好,与其他防蚀材料比较,价格较低。在海洋环境和化学环境下,保持长期耐久性。

(2) EVA树脂:

  • 乙烯与醋酸乙烯共聚物的流化床涂装用粉末能应用于喷涂,预热温度120℃左右施工,显示优良的熔融流动性,形成美丽的涂层。
  • 附着性能、耐候性、在低温的柔软性、耐药品性能很好。
  • 因流平性良好,颜色也丰富多彩,所以可应用于各种用途。路灯电杆、路标、保护横栏、仪器贮存罐、汽车车身、化学工厂的构件等。
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(3) 尼龙树脂:
  • 尼龙11和尼龙12能用于喷涂,熔点为180℃左右,比其他材料高,但熔融流动性能好,预热被涂工件200℃以上,可形成平滑的喷涂层。
  • 挠性、耐磨性、抗冲击性好,但耐酸性、耐候性稍低些。
  • 它能用于气体的贮罐和塔槽类的防蚀上。

(4) 环氧树脂:

  • 组合环氧树脂和固化剂,使之进行交联反应,将半固化的粉末涂料喷附到预热为120~150℃的被涂工件上,与此同时,进一步进行固化反应。
  • 有时为了完全固化而需要后加热。涂层的光泽、平滑性均好,附着性能也很好。
  • 这种涂层耐候性稍差,但耐药品性能特别好。可应用于海中电缆、中继电器和化学工厂、试剂贮罐、含有腐蚀性气体的排气通道等。
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四、热喷涂工艺过程
  • 热喷涂涂层质量一方面取决于涂层材料及结构设计,另一方面取决于喷涂工艺过程。
  • 热喷涂涂层的制备过程通常包括:表面预处理、喷涂及涂层后处理三个部分。

1. 表面预处理

  • 表面预处理是涂层制备的第一步,它的质量直接影响涂层的结合强度。
  • 它的目的是将待喷涂表面处理成适合喷涂的、粗糙并具有一定活性的表面。
  • 表面预处理一般分成表面预加工、表面净化和表面粗化三个步骤来进行。
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1) 表面预加工

(1) 目的:

  • 为了纠正零件待喷涂表面的尺寸及形状误差,获得一定厚度均匀的涂层,满足涂层强度的需要,对于产生不均匀磨损的表面,表面预加工显得尤为重要。
  • 对于已经使用一段时间的零件而言可以消除表面的疲劳层、原有的强化层。
  • 可以使待喷涂表面适合于涂层沉积、减低涂层的收缩应力、分散涂层的局部应力,增加涂层的结合强度及抗剪切能力。

(2) 方法

  • 常用的表面预加工方法有车圆角、预制涂层槽等;
  • 其最终方法的选择取决于零件的结构、尺寸、材质及表面层状态。
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2) 净化处理
  • 目的:除去工件表面所有的污垢,如氧化皮、油渍、油漆及其它污物。净化处理中的关键是除去工件表面和渗入其中的油脂。
  • 常用的方法有:溶剂清洗、碱液清洗和加热脱脂等。

(1) 溶剂清洗法:它是利用有机溶剂可以溶解有机油脂的特性,清洗基材表面,除去油脂。

  • 常用的溶剂有汽油、煤油、柴油、丙酮、酒精、三氯乙烯、四氯化碳等。清洗的方法有浸泡和擦刷法、喷淋脱脂法。

(2) 蒸气清洗法:蒸气除油是在蒸气箱中,将工件悬挂在箱的上部,当加热位于箱底部的溶剂时,溶剂的蒸气冷凝在工件表面,溶掉的油脂随冷凝的溶剂流到溶剂的吸收器中,溶剂重又被加热成蒸气。常用的溶剂一般为三氯乙烯、四氯化碳等。

(3) 碱洗法:碱洗法是将工件表面放到氢氧化钠或碳酸钠等碱性溶液中,待工件表面的油脂溶解后,再用水冲洗干净。

(4) 加热脱脂法:为了除去疏松工件中的油脂,除对表面进行清洗除油外,还要将工件表面加热到250~450℃的温度,使油脂渗出表面,挥发烧掉,然后再加以清除。

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3) 粗化处理
  • 目的: 增加涂层和基材表面之间的接触面,使净化处理的表面更加活化,提高涂层的结合强度。同时,基材表面粗化还可改变涂层中残余应力的分布。
  • 粗化处理的方法有:喷砂、机械加工法、电拉毛及喷涂粘结底层等。

(1)喷砂处理

a)目的: 喷砂处理不仅能清除表面的污物,还可使表面获得一定的粗糙度,并能使工件表面产生残余压应力,可提高工件表面的疲劳强度。喷砂还能使工件表面活化,有助于提高喷涂层的结合强度。

b)磨料种类:喷砂处理时常用的磨料有刚玉砂、激冷铁砂、带棱角的钢砂、碳化硅砂、金刚砂等。喷砂粗化时砂粒粒度多是将粗(20目左右)、细(40目左右)两种砂粒混合使用;

c) 方式:射吸式、压力式、离心式三种。

d) 参数:喷砂时的工艺参数取决于喷砂方式、磨料类型及粒度、工件的形状和材料等。

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(2) 机械加工法
  • 机械加工粗化是采用机械切削和凿、滚压等方法对喷涂表面进行粗化预处理,多用于轴类零件。对于平面部件,也采用开槽处理。
  • 机械加工粗化适用于可进行切削加工的钢材和有色金属基材。
  • 在需要制备较厚的涂层或需要适应较苛刻的载荷条件时,采用先机械加工粗化,然后再喷砂的方法能获得良好的效果。
  • 机械加工粗化方法有车毛螺纹、车沟槽-滚花及平面开槽等,但对于承受疲劳载荷的轴类零件不宜采用车螺纹粗化。

(3) 电拉毛粗化

  • 电拉毛适用于工件硬度较高又不能采用喷砂或机械加工的工件表面的粗化处理。
  • 由于电拉毛产生了放电痕对基材的切割作用,工件的疲劳寿命会下降。
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(4) 喷涂粘结底层
  • 某些材料能在光滑表面上形成具有一定粘结强度、洁净、粗糙、活性高的涂层,再在其上面喷涂其它性能的涂层,这种作为过渡层的涂层一般称为粘结底层。
  • 喷涂粘结底层用的材料称为自粘结材料,常用的自粘结材料有镍铝合金和钼;
  • 对于一些高温热障涂层可采用Ni-Cr、NiCrAl合金或MCrAlY(M为Ni、Co、Fe)合金作粘结底层。
  • 粘结底层的厚度一般在0.08~0.12mm范围内较合适。
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2.喷涂工艺
  • 主要包括热源参数、喷涂材料供给参数、雾化参数、操作参数、工件温度参数及喷涂环境参数。
  • 工艺参数选择是否正确、合理直接影响到工艺稳定性、涂层质量、喷涂速率和沉积效率。

1) 热源参数

  • 热源参数是直接与喷枪有关的参数,它决定了热源的功率、温度、氧气和射流速度,直接影响喷涂材料的加热熔化状况,因而影响喷涂速度、沉积效率和涂层质量。
  • 对于火焰喷涂,其热源参数主要是氧气和燃气的压力、流量及其比例,它们决定了火焰的性能及火焰功率。
  • 电弧喷涂的热源参数为电弧电压和电弧电流,它们决定了电弧功率,电弧电压的选择主要取决于喷涂材料的性质,低熔点金属选择较低的弧电压。电弧电流取决于喷涂速率,电弧电流愈大,喷涂速率愈高。
  • 等离子喷涂的热源参数包括气参数和电参数,气参数是指离子气的种类、压力和流量,它们影响电弧电压和射流热焓;电参数是指弧电压和弧电流,它们决定了电弧功率。
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2) 喷涂材料供给参数
  • 对于线材和棒材,喷涂材料供给参数主要是指直径和送给速度,它们决定了喷涂速度,主要取决于热源参数和线材的性质。
  • 对于粉末而言,喷涂材料供给参数包括粉末粒度、送粉量、送粉位置、载气压力及流量,它们影响沉积效率和涂层质量。
  • 送粉速率过大,沉积效率低,涂层中未熔粒子增加,涂层质量下降;送粉速率过小,生产效率低,涂层制备成本高。
  • 送粉气流量应保证粉末输送流畅,送粉气流量过大,会干扰焰流,影响喷涂的稳定性。

3) 雾化参数

  • 雾化气体的压力、流量影响雾化效果。
  • 压力和流量不够,雾化的颗粒粗大,影响涂层质量;
  • 压力和流量过大,则对热源干扰,使热源温度降低和影响热源的稳定性。
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4) 操作参数

(1) 喷涂距离:

  • 喷枪前端至工件表面的直线距离称为喷涂距离。喷涂材料颗粒在飞行过程中,其速度和温度均在发生变化。
  • 等离子喷涂距离在100~150mm范围内,颗粒的状态最好。
  • 火焰粉末喷涂距离在120~250mm。
  • 电弧喷涂工艺的喷涂距离范围较宽(150 ~ 350mm)。

(2) 喷涂角度:

  • 喷涂颗粒束流与基材表面的夹角称为喷涂角度。
  • 喷涂角度为90°最好,小于90°时,影响沉积效率和结合强度。
  • 小于45°时会产生“遮蔽”效应,显著妨碍涂层的沉积和质量。

(3) 相对速度:

  • 喷枪与工件的相对移动速度基本上决定了涂层的单次沉积厚度。
  • 目前,一般认为每遍的厚度控制在0.03 ~ 0.05mm为好。
  • 喷枪移动速度一般为10~20m/min,速度太低会造成基体表面局部过热。
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3. 工件温度控制
  • 温度控制包括喷涂前的预热和喷涂中的保温,以及防止喷涂局部区域过热的措施。
  • 预热和喷涂过程中控制温度不仅能减少工件热膨胀、喷涂材料和基材热膨胀系数差异所产生的涂层应力,还能减少喷涂颗粒的收缩应力及改善涂层与基体的结合。
  • 目前工件温度控制措施主要有如下几种:

1) 预热:预热温度取决于工件的大小、材质和喷涂材料的热膨胀系数。一般情况下预热温度为60~120℃之间。

2) 控制喷枪移动速度:工件尺寸大可以通过喷枪移动速度控制工件的温度;如果工件冷却过快,可采用火焰或其它加热措施对工件进行辅助加热。

3) 辅助吹风冷却:这是控制工件温度的常用方法,常采用压缩空气直接冷却方式,适合水冷的工件提倡用水冷却。

  • 为了减少吹冷气的氧化作用,可以采用惰性气体或液态二氧化碳作冷却介质。
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4. 喷涂气氛控制
  • 在喷涂过程中,飞行中的微粒会与气氛和氮气接触产生反应,造成涂层中含有氧化物和氮化物夹渣。
  • 涂层中过多的氧化物等夹渣会严重影响涂层性能,有些活泼的金属甚至不能在大气中喷涂。
  • 目前控制喷涂气氛的方法主要有:
  • 热源气体和雾化气体采用惰性气体,以减少喷涂微粒的氧化;
  • 采用真空室喷涂和气氛压力室喷涂,有效控制喷涂环境气氛,可大幅度改善涂层性能。
  • 采用保护气氛罩喷涂,通过喷枪口安装的保护罩的隔离作用外加保护气流,使具有惰性气体的热喷涂射流不受空气的污染,并对工件上喷涂部位的涂层直到一定的保护作用。
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5. 涂层后处理

1) 封孔处理:热喷涂涂层一般均含有1%以上的气孔。这些气孔有相互连通的,也有独立的,部分气孔可能相互连通并且达基材。封孔处理就是用封孔剂来尽可能多地填充这些气孔。

  • 封孔可采用涂刷、喷涂、浸淸或真空浸渍等方法。
  • 大型钢铁构件的喷铝、喷锌涂层主要用于防腐,可选用的封孔剂有:乙烯基树脂、酚醛树脂、改进型环氧树脂、聚氨酯树脂。
  • 封孔剂中添加超细铝粉,可改善封孔剂的作用。
  • 环氧树脂、环氧酚醛和硅树脂也可用作耐腐蚀涂层的封孔,在规定的使用温度下起到良好的封孔作用。
  • 煤焦油环氧树脂可用于浸渍在淡水或海水中的涂层。
  • 高温抗氧化涂层可用掺有超细铝粉的硅树脂封孔,使用温度约480℃.
  • 含有铝粉的煤焦油封孔剂可用于850 ~ 980℃温度下工作的镍铝和镍铬合金涂层。
  • 酚醛树脂溶液是广泛应用的一种封孔剂。它分为空气干燥型和烘烤干燥型,使用温度一般在150 ~ 260℃。
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2) 涂层重熔处理
  • 涂层重熔处理是针对自熔性合金喷涂层而言,其目的是为了获得无气孔、无氧化物夹渣、均质的涂层,涂层与基体的结合状态由原来的主要机械结合变为冶金结合,显著提高涂层的质量,满足涂层恶劣工况的要求。
  • 涂层重熔方法主要有火焰重熔、等离子弧重熔、感应重熔、炉内重熔及激光重熔。
  • 其方法的选择主要考虑工件的尺寸及形状、涂层厚度、生产批量、生产成本及设备现状等因素。
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3) 特种后处理工艺:

(1) 喷丸处理:有些金属涂层(主要是展延性较好的金属)在喷涂后采用喷丸处理,以封闭与表面贯通的气孔,提高表面平整度,去除部分残留应力。

(2) 扩散处理:这是一种涂层的热处理方法,目的是使涂层材料和基材金属之间相互扩散渗透,以提高涂层的使用性能。

  • 钢铁件喷铝涂层(纯铝涂层厚度0.3~0.5mm)扩散处理后在基材表面形成Fe-A1或Ni-A1合金,又称为铝化物涂层,扩散处理后的铝涂层工件可抗900℃的燃气腐蚀。
  • 喷气发动机叶片喷涂了MCrA1Y涂层后,在1200℃的高温真空下作高温扩散、定向凝固处理,提高了涂层的结合强度和抗高温氧化的能力。

(3) 热等静压处理(HIP):涂层工件在高压容器中加热到一定温度,利用炉内高压惰性气体的各向等压特性对涂层进行处理。它可以促使涂层与基材在界面上的扩散,并同时使涂层致密化,以提高涂层的结合强度、抗拉强度等性能。

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4) 涂层的机械加工:

(1) 切削:涂层切削刀具硬质合金刀具和陶瓷刀具。

  • 硬质合金刀具有四种:钨钴类(YG),钨钛类(YT),添加碳化钽(铌)类(YW、YA)和碳化钨类(YN)。
  • 陶瓷刀具有添加碳化物(TiC)的氧化铝陶瓷类和立方氮化硼刀具。

(2) 磨削:砂轮应选用碳化硅砂轮或金刚石砂轮。

  • 碳化硅砂轮在磨削过程中能不断出现新的锐利的切削刃,适合于各类金属涂层的磨削。
  • 金刚石砂轮可磨削各种硬质合金涂层、金属陶瓷和陶瓷涂层。

(3) 抛光:小型工件可在磨抛机中抛光,较大的轴类工件可在机床上用砂带机抛光。

(4) 特种加工:涂层的特种加工方法有电解磨削、超声振动车削及电火花加工等,目前已应用于Ni基合金涂层、Al2O3及C2O3陶瓷涂层、WC-Co金属陶瓷涂层的加工。

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五、热喷涂涂层的工程设计
  • 涂层的工程设计包括失效机理分析、涂层总体要求、喷涂材料选择、涂层结构设计、工艺设计及涂层性能测定等至少六个方面。

1. 涂层工件的失效机理分析

1) 磨损失效:磨损按机理分类有粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、微动磨损和冲击磨损等。

2) 腐蚀失效:按性质腐蚀可分为电化学腐蚀、化学腐蚀和高温腐蚀,高温腐蚀包括金属材料在高温下的氧化、硫化、钒腐蚀及熔盐腐蚀等。

3) 断裂失效:热喷涂涂层虽不能提高材料的自身强度,伹可以改善和提高材料的抗疲劳性能。疲劳的基本损伤过程包括裂纹的萌生和长大,初期主要集中在材料的近表面区域。

  • 因此,通过热喷涂工艺对材料表面进行改性处理,可有效地减少材料的疲劳损伤,抑止裂纹的萌生,提高疲劳寿命,从而从最大程度上防止疲劳断裂的诱发。
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2. 涂层的总体要求确定
  • 涂层总体要求一是功能性要求,二是可靠性要求。
  • 在功能方面除了抗磨损、耐腐蚀、防疲劳外,还有绝缘性、装饰性和特种功能等。
  • 功能要求的确定应当尽量细化,以便正确地选择喷涂材料。
  • 如耐粘着磨损的涂层和抗磨粒磨损的涂层材料是完全不同的。
  • 在滑动摩擦部件上的材料还必须注意到摩擦副的匹配问题。
  • 涂层可靠性一般可用其相关的强度指标来表示,如结合强度、抗拉强度等。对受到冷热冲击的工件还必须考虑涂层的热冲击性。
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3. 涂层材料的选择
  • 根据涂层性能要求可选择的涂层材料有:

1) 抗腐蚀/氧化涂层:在抗腐蚀/氧化涂层中,涂层又可分为抗化学腐蚀涂层,抗大气/电化学腐蚀涂层及抗氧化涂层。

  • 抗化学腐蚀涂层的材料主要有Ni、NiCr、NiAl、Al2O3、TiO2、Y2O3、Ta、Mo、塑性等;
  • 抗大气/电化学腐蚀涂层的材料主要有:Al、Zn、AlZn、青铜、不锈钢、蒙乃尔合金、镍基合金;
  • 抗氧化涂层的材料主要有:NiCr、MCrAlY(M为Ni、Co或Fe)、Mo、镍基合金和铝化物等。

2) 抗磨损涂层:热喷涂涂层广泛应用于抗滑动磨损、抗磨料磨损、抗冲蚀磨损、抗微动磨损、抗气蚀磨损等。

  • 其涂层材料主要有:Al2O3/TiO2、Cr2O3、WC/Co、TiC/NiCr、高碳钢、不锈钢、NiCrBSi、CoCrW、Cr3C2/NiCr、Mo、Mo+NiCrBSi等。
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3) 热障涂层:热障涂层热喷涂材料主要有ZrO2/Y2O3、、ZrO2/MgO、ZrO2/CeO2、MCrAlY、NiAl等。

4) 可磨耗及封严涂层:其涂层材料主要有Al/聚酯、Ni/膨润土、Ni/石墨、NiCr/Al2O3、NiCr/TiC、NiCr/SiC、ZrO2等。

5) 修复/装饰涂层:用于修复及装饰涂层的材料较多广泛,目前主要有Ni、Al、Cu、铝青铜、不锈钢、碳钢、NiAl、NiCr、Mo等。

6) 电/磁/光涂层:电/磁/光涂层包括绝缘涂层、导电涂层、半导体与超导体涂层、压电涂层、电致伸缩涂层、辐射、吸收及反射涂层、光-电涂层等,其涂层材料主要有氧化物及氧化物复合材料,铜及铝等金属材料。

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4. 涂层结构设计
  • 涂层结构有三种形式:单一结构、混合物结构和多层结构。

1) 单一结构:涂层在厚度方向上是由单一材料构成的,如喷铝、喷锌、喷不锈钢涂层。既能满足功能要求,又有较好的强度。

  • 这种结构的涂层生产工艺简单,便于大规模生产。

2) 混合物结构:涂层在厚度方向上材料是一样的,它是由二种以上不同材料混和而成的涂层。这种涂层兼有二种材料的性质,典型的例子是钼+硬质合金涂层。在滑动摩擦工况下,金属钼熔点高、硬度较低(400~600HV0.1),具有良好的抗粘着磨损性能,而高硬度的硬质合金具有良好的抗磨粒磨损性能。二者性能互补,可满足不同工况下的耐磨需求。

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3) 多层结构:多层结构的作用是提高涂层结合强度和分散涂层热应力,增加可靠性。

(1) 双层结构:涂层是由结合底层和工作面层构成。底层具有良好的结合性能,与基材和面层材料相容,常用Ni-Al,NiCrAl等材料。工作层保证涂层的功能要求。

(2) 三层结构:涂层是由结合底层,过渡层和工作面层构成。过渡层的作用是分散底层与面层间的热应力。

  • 在陶瓷涂层中常采用过渡层,一般它是由50%(质量分数)的底层材料和50%(质量分数)的面层材料混合而成。

(3) 多层结构:当需二层或三层不同比例的过渡层时,就形成了多层结构。

  • 这种结构常用于氧化锆陶瓷热障涂层,当涂层厚度大于一定值时(如1.5mm),可采用五层结构(质量分数):MCrAlY底层,25%ZrO2 + 75%MCrAlY;50%ZrO2 + 50%MCrAlY;75%ZrO2 + 25%MCrAlY及ZrO2面层。
  • 当涂层厚度方向上的材料比例连续变化时,又叫做“渐变过渡”,这种结构在实际制造时极其困难。
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5. 涂层的工艺设计
  • 工艺设计包括涂覆工件的表面设计、工艺方法的确定、相关工艺过程参数的选择和涂层后加工等几个方面。

1) 工件涂覆表面设计:涂覆表面一般须预加工,以利于涂层的沉积和后加工。

  • 例如,活塞环喷涂层均制备在预加工的涂层槽内,组装成串的活塞环可多达近百片,喷后磨削,既保证了零件的机械精度,又方便组装成串活塞环的解体。

矩形槽弧形槽梯形槽碟形槽单边碟形槽

图6.23 活塞环涂层槽型设计示意

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2) 工艺方法的确定:
  • 一种涂层可用多种工艺方法制造,其选择原则是在满足性能要求的前提下选择工艺较简单,成本较低的涂层制造方法。
  • 以Ni-Cr合金材料为例,它既可作为耐腐蚀工作层,又可作为多数陶瓷涂层的结合底层。
  • 这种涂层可用火焰粉末、火焰丝材、电弧丝材方法制备,也可用等离子喷涂、HVOF法喷涂,甚至用真空等离子喷涂,成本相差大而性能也有极大不同。
  • 大型液压缸活塞杆(长达20m),为提高其耐磨和耐腐蚀性能,采用喷涂陶瓷涂层防护(Cr2O3 + SiO2,Al2O3 + TiO2等),这种陶瓷涂层常采用NiCr合金作底层。某大型液压缸厂经优选最终选定电弧丝材喷涂底层、等离子喷涂面层工艺方法。这不仅满足性能要求,还大大降低了成本,而且喷涂底层的效率提高了近10倍。
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4. 涂层性能的测定
  • 表征涂层性能的指标有多种,可归纳为可靠性指标和功能性指标。
  • 可靠性指标一般指涂层的结合强度、抗拉强度、气孔率、抗热震性能等,功能性指标有涂层硬度、耐磨性、耐蚀性、导电性、绝缘性等。此外,还应进行涂层金相、涂层成分、涂层相结构等检测。
  • 针对特定工件的涂层,应该依据使用要求确定为数不多的几个重要项目作为可靠性和功能性判据。
  • 氧化锆陶瓷热障涂层的主要功能是要求隔热,降低工件的工作温度。因此涂层的结合强度和抗热震性能是其可靠性判据,又由于涂层在工作中不承受机械外力,所以抗热震性能是主要的可靠性判据。功能性判据是涂层的热导率,材料的热导率又是材料自身的特性,因而须对喷涂后涂层作X射线衍射来确定涂层的相结构。
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六、热喷涂技术在船机零件修造中的应用
  • 热喷涂技术的应用遍及各个工业领域,包括航天航空、机械、电子、冶金、能源、交通、石油、化工、食品、轻纺等,并在高新技术领域获得了越来越广泛的应用。
  • 它既可以对失效工件进行修复和再制造,又可以作为预保护技术应用于新产品,大大提高新产品的性能和使用寿命。
  • 目前一种新的设计理念是由工件基材来承受机械强度,而工件的表面性能由涂层承担,从而使工件的整个成本大幅度降低,性能得到了显著提高。
  • 由于应用热喷涂技术能缩短船舶的维修周期、减少零部件的备件、成本低、零件使用寿命长、经济效果显著,近年来在船舶修复方面得到了日益广泛的应用。
  • 它已应用到柴油机气阀、曲轴、各种水泵轴及电机轴、缸盖阀座、巴氏合金薄壁轴瓦、气缸套、尾轴护套、尾轴、活塞及舵杆等零件的修理中,同时应用于到活塞环、燃烧室等零部件的强化上。
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表6.16 热喷涂技术在船舶零部件强化及修理方面的应用

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1 热喷涂在排气阀再制造中应用

1) 排气阀涂层设计

  • 在柴油机排气阀再制造中,主要磨损表面包括阀门密封面、阀杆表面及阀杆端部。
  • 排气阀密封面的涂层材料虽然有铁基合金、钴基合金、镍基合金、陶瓷及金属陶瓷等,但一般采用钴基及镍基合金。
  • 钴基合金的最大特点就是在高温时能保持较高的硬度和良好的耐磨损、耐腐蚀性能。
  • 镍基合金虽然红硬性比钴基合金差,但它的摩擦系数低,耐磨、耐腐蚀性优良,特别是它的耐氧化钒腐蚀性能比钴基合金好,所以特别适合燃煤重油的船用柴油机排气阀。
  • 对于排气阀的阀杆,为了恢复磨损尺寸或提高其耐磨性、耐腐蚀性,可在其杆部喷涂铁基合金、镍基合金或镍铬铝复合材料等。
  • 对于大型船用柴油机,特别是燃煤重油的大型柴油机排气阀,可采用陶瓷涂层来提高阀杆的防腐耐磨性能。
  • 对于排气阀的磨损阀杆端部,目前常采用氧乙炔喷熔镍基合金恢复其尺寸,并提高其耐磨性。
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表6.17 柴油机排气阀密封面的主要涂层材料及化学成份

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2) 排气阀涂层制备工艺
  • 在柴油机排气阀的再制造中,其涂层制备工艺主要取决于涂层材料的特性。
  • 对于陶瓷涂层,应采用等离子喷涂工艺来制备涂层;
  • 对于合金材料,虽然可采用的工艺方法有等离子弧喷熔、钨极氩弧焊、氧乙炔焰喷熔、手工电弧堆焊及激光熔敷等,但目前在生产实际中主要采用氧乙炔焰喷熔及等离子弧喷熔工艺。
  • 氧乙炔焰喷熔工艺制备的涂层均匀光滑、加工余量小、冲淡率低、设备简单、施工方便,但生产效率低、工人劳动强度大、对零件的热输入较大,对操作工人的技术要求高、质量控制困难。
  • 等离子喷熔的生产率高、质量控制方便,可实现自动化生产,并且喷熔层质量与性能优良,因此目前在排气阀再制造中等离子弧喷熔是阀门密封面涂层制备的最广泛使用的工艺方法。
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2. 热喷涂在曲轴再制造中的应用
  • 在曲轴的损伤形式中最常见的损伤形式为轴颈的磨损、擦伤、划痕和腐蚀,根据损伤程度的不同目前可采用分级修理、镀铬、镀铁或热喷涂等工艺对曲轴进行修复或再制造,但在对轴颈已产生过渡磨损的曲轴进行再制造中,热喷涂已成为被使用的最主要的一种工艺方法。

1) 曲轴涂层设计

  • 目前常采用的涂层材料有:自粘结“不锈钢”型复合材料、铝青铜、磷青铜、蒙乃尔合金、80#钢丝、马氏体不锈钢丝、奥氏体不锈钢丝、铁基粉末、镍基粉末及镍铝复合粉末等。
  • 涂层越厚,涂层内应力越大,因此涂层产生开裂与脱落的倾向就越大。80#钢、3Cr13等材料涂层收缩率低,可喷涂厚涂层。

表6.18 部分喷涂材料的涂层收缩率

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2)曲轴涂层制备
  • 涂层与基体的结合强度、涂层自身的粘结强度、涂层孔隙率及涂层对曲轴疲劳强度的影响等性能主要是通过正确选择喷涂工艺方法来保证的。
  • 在曲轴再制造中,可采用的热喷涂方法主要有普通火焰粉末喷涂、亚音速火焰喷涂、超音速火焰喷涂、线材火焰喷涂、电弧喷涂及等离子喷涂。
  • 超音速火焰喷涂所制备的涂层结合强度高、孔隙率低、涂层耐磨性能最优,但喷涂设备昂贵、噪音大、涂层制备成本高。
  • 普通火焰粉末与线材喷涂设备简单、施工方便、成本低,但其涂层结合强度较低、涂层的致密度差,因此对于在应力大、工况恶劣下工作的曲轴零件,其涂层质量难以保证。
  • 亚音速火焰喷涂不仅具有一般火焰喷涂的优点,并且涂层性能明显地优于一般的火焰粉末喷涂与线材喷涂,可望在曲轴再制造中得到更广泛的应用。
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2)曲轴涂层制备
  • 电弧喷涂最大特点是生产效率高,涂层制备成本低,但涂层的性能一般,近几年来随着高速电弧喷涂工艺的应用,涂层质量得到了显著提高,其应用得到了逐步推广。
  • 等离子喷涂层与基体的结合强度及涂层自身强度高、致密性好,因此涂层的耐磨性好,特别是高能及超声速等离子喷涂工艺的应用,使涂层质量得到了进一步提高,但喷涂设备与工艺较复杂、成本高。
  • 一般而言,喷涂方法的选择应考虑曲轴结构与材质、工况及所受应力大小、涂层材料特性、涂层厚度、涂层制备成本及喷涂现场条件等因素。
  • 对于重载船舶柴油机曲轴,宜采用超音速火焰喷涂或等离子喷涂,以获得结合强度高、孔隙率低的高性能涂层。
  • 对于一般船用柴油机曲轴,可选用高速电弧喷涂或亚音速火焰喷涂,以获得性能价格比高的涂层。
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3. 热喷涂在气缸套再制造中的应用

1) 气缸套的涂层设计

  • 在气缸套再制造中,热喷涂涂层可采用铬基合金、钼及钼基合金、钼与铁基合金的混合物、钼与镍基合金的混合物、金属陶瓷、“自粘结”不锈钢复合材料等。
  • 涂层设计主要取决于气缸套的结构尺寸及材质、涂层厚度、涂层制备方式、气缸套工况、配对活塞环的材质及强化方式等。
  • 铬基合金涂层的硬度高、摩擦系数低,因此具有十分优良的摩擦磨损特性及耐腐性能;
  • 钼在工作中与润滑中的有害元素硫能形成MoS2,它是一种固体润滑剂,能起到减摩的作用,因而,钼及钼合金涂层在工作过程中能有效地防止粘着磨损的产生。由钼与铁基合金或镍基合金混合物制备的涂层不仅能具有耐磨、耐腐性能,并且经济性好。
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1) 气缸套的涂层设计
  • 金属陶瓷由于硬度高,摩擦系数低,因此涂层的耐磨、耐腐性能十分优良;
  • “自粘结”不锈钢涂层不仅使气缸套具有较好的使用性能,同时减化了涂层制备工艺。
  • 气缸套外表面抗汽蚀的涂层材料主要有80#碳钢、4Cr13、FeCrMn合金、18-10型不锈钢及WC-12Co金属陶瓷等;
  • 随着纳米涂层的发展,纳米结构WC-12Co涂层材料由于具有十分优良的抗汽蚀性能可望在气缸套上得到应用。
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2) 气缸套涂层制备工艺
  • 对于气缸套内表面耐腐、耐磨涂层的制备,采用的热喷涂方法主要有等离子喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂及超音速火焰喷涂。
  • 对于大部分合金粉末喷涂材料,目前等离子喷涂方法得到了主要应用,高速电弧喷涂由于具有涂层性能好、生产效率高、成本低的特点,可望得到越来越广泛的应用。爆炸喷涂及超音速火焰喷涂适合于优质金属陶瓷涂层的制备,但爆炸喷涂因操作空间方面的原因,仅适用于气缸套上止点部位的喷涂。
  • 对于气缸套外表面抗汽蚀涂层的制备,主要采用等离子喷涂、电弧喷涂、火焰喷涂、超音速火焰工艺。
  • 对于一般的合金粉末,可采用等离子喷涂及火焰喷涂工艺,对于合金线材,可采用电弧喷涂;对于优质WC-12Co或纳米结构WC-12Co涂层的制备,宜采用超音速火焰喷涂工艺,以提高涂层的致密度,降低WC在喷涂过程中的烧损及氧化。
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4. 热喷涂在气缸盖再制造中的应用

1) 气缸盖涂层设计

  • 气门座涂层材料应具有优良的耐磨、耐腐、耐冲击和耐高温性能,因此一般可选用Co基和Ni基合金材料。
  • Co合金高温红硬性更好,更能满足气门座的工况要求,但是由于气缸套为铸铁材料,Ni合金的熔点低、喷熔工艺性好,更适合铸铁基体材料的喷熔,因此在生产实际中应用更为广泛。

2) 气缸盖涂层制备工艺

  • 气缸盖气门座涂层的制备工艺可选择火焰喷熔、激光熔敷及等离子堆焊。
  • 火焰喷熔具有设备简单、施工方便、涂层的冲淡率低、基体熔合区小的特点,但它要求工人的操作水平高;
  • 等离子堆焊自动化程度高、操作工人劳动强度低、生产效率高、适合于生产批量大的场合。
  • 激光熔敷可获得优质涂层,但它的生产效率低、设备昂贵,这使它的应用受到一定的局限。
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5. 热喷涂技术在船舶尾轴修复中的应用
  • 某长江推轮为二机二桨推进系统,其尾轴长度为4500mm,首轴承长度为300mm,尾轴承长度为370mm;
  • 在大修检测时发现左舷尾轴首轴承及尾轴承轴颈为Φ93.62mm及Φ99.83mm,相应轴承孔的直径分别为Φ94.64mm及Φ101.66mm,它们的配合间隙为1.02mm及1.83mm。
  • 右舷尾轴首轴承及尾轴承轴颈为Φ92.66mm及Φ99.86mm,相应轴承孔的直径分别为Φ93.62mm及Φ101.57mm,它们的配合间隙为0.96mm及1.77mm。
  • 该船尾轴承采用油润滑,要求轴颈与轴孔之间的配合间隙为0.4mm。
  • 由此可见:尾轴轴颈与孔的间隙已严重超差,特别是尾轴承轴颈与孔的间隙已扩大了1.3mm以上,急需采用适当的方法对尾轴进行修理,以满足轴颈与孔之间配合间隙的要求。
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1) 热喷涂方法的选择
  • 喷涂方法的选择应考虑零件材质、工况、应力大小、涂层材料特性、涂层厚度、涂层制备成本及喷涂现场条件等因素。
  • 对于船舶尾轴的修理,采用亚音速火焰喷涂或高速电弧喷涂,由于既能保证涂层质量,同时喷涂效率高、涂层制备成本低,因此可获得性能价格比高的优质涂层。

2) 涂层材料选择

  • 在喷涂过程中,马氏体不锈钢颗粒具有淬硬性,颗粒间结合强度高、涂层硬度高、耐磨性好,并且具有较好的耐蚀性能,适合于尾轴的喷涂,涂层不龟裂。
  • 3Cr13材料采用高速电弧喷涂时,喷涂工艺性好、结合强度高、孔隙率低、耐磨性优良、价格适中,因此选择为船舶尾轴采用高速电弧喷涂修理时的涂层材料。

3)底层材料的选择

  • 在涂层设计时,除考虑工作涂层的性能外,还需考虑涂层与基体金属的结合强度。
  • 采用热喷涂方法修复尾轴时,其结合底层可采用亚音速火焰喷涂Al/Ni复合粉或高速电弧喷涂Ni-Al合金丝。
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4)涂层厚度的确定
  • 在修理尾轴零件时,涂层的设计厚度可表示为:
  • h= - d)+Δb
  • 式中: h-涂层设计厚度;D-工件应恢复的成品直径;
  • d-工件表面准备后的直径;Δb-喷涂层的单边加工余量。
  • Δb的大小与涂层材料、喷涂方法、工件尺寸及加工后表面粗糙度要求有关,一般在0.2~1.0mm范围内选取,粉末喷涂是Δb为0.2~0.5mm。线材喷涂时Δb为0.5~1.0mm,修复工件直径小时取下限值,直径大时取上限值。
  • 在本例中,采用高速电弧喷涂3Cr13线材修理尾轴时,Δb取0.6mm。
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涂层设计厚度包括结合底层厚度和工作层厚度,一般底层厚度为0.10mm左右。涂层设计厚度包括结合底层厚度和工作层厚度,一般底层厚度为0.10mm左右。
  • 喷涂时涂层厚度可直接测量控制,此时应考虑基体金属与涂层的热膨胀。
  • 喷涂时涂层厚度和工件喷涂后的直径分别应为H和D1,它们可表示为:
  • 式中:α1-涂层材料的热膨胀系数;α2-基体金属的热膨胀系数;
  • ΔT-尾轴在喷涂时的温升。
  • 对于35#钢的尾轴材质,α2=13.71×10-6/℃, 在喷涂时当尾轴温度从10℃升到150℃,则喷涂后尾轴轴颈达到的直径D1如表6.20所示,表中尾轴表面准备后的直径d是检测时的轴颈尺寸减去单边下切0.5mm后的结果。
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表6.20 尾轴修理时涂层设计厚度及轴颈尺寸变化表6.20 尾轴修理时涂层设计厚度及轴颈尺寸变化

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5)热喷涂主要工艺过程
  • 采用热喷涂修复尾轴零件时,其主要工艺过程可分为工件表面预处理、喷涂及涂层后处理三个阶段。

(1) 表面预处理

  • 清洗除油:用汽油、煤油或丙酮等溶剂清洗待喷涂表面及四周,除去表面的油污。
  • 探伤检查:使用无损探伤检查轴颈表面是否有疲劳裂纹等缺陷。
  • 校调:在车床上校调尾轴,检查各工作表面的尺寸与磨损情况,并检查有关形状及位置精度。
  • 加热零件:采用氧乙炔焰加热待喷涂表面及四周,烤出渗入基体内部的油污,加热温度为120℃左右。
  • 下切:下切待喷涂表面,轴颈单边下切深度为0.5mm。
  • 车毛螺纹:螺距1.0mm,齿深0.3mm,车刀低于零件轴线5mm。
  • 镍拉毛:对车毛螺纹的表面进一步镍拉毛,以提高涂层的结合强度。
  • 非喷涂表面保护:采用薄铜皮包覆非喷涂表面。
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(2) 喷涂
  • 预热:当待喷表面温度低于100℃时,再次预热工件使待喷表面温度上升到120℃左右。
  • 喷涂底层材料:采用亚音速火焰喷涂Al/Ni复合粉末,底层厚度为0.1mm,然后用钢丝刷除去表面浮灰粉。
  • 喷涂工作层:采用高速电弧喷涂3Cr13丝材,喷涂后轴颈直径D1满足表6.20中要求。喷涂中涂层表面温度若超过150℃时,采用间歇喷涂法。

(3) 涂层后处理

  • 涂层缓冷:喷涂结束后用石棉包裹缓冷。在缓冷过程中,零件需继续转动直到涂层冷却到室温为止,以防尾轴产生弯曲等现象。
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涂层加工:
  • 为了保证加工质量,宜采用磨削加工。
  • 由于尾轴尺寸大,尾轴的涂层加工采用了车削加研磨抛光的方法。
  • 刀具材料选用硬度合金,在加工过程中选择正确的刀具几何角度并适当降低切削用量避免涂层产生局部过热和脱落。
  • 轴颈的最终尺寸精度及表面粗糙度是通过砂带抛光达到的。

表6.21 尾轴轴颈的主要加工技术要求

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6. 热喷涂技术在船舶其它机械零件中的应用

1)柴油机机座

2)活塞

4)摇臂

5)活塞销

6)泥泵壳及衬板

7)挖泥船绞刀

8)船舶钢结构

9)尾轴耐磨衬套

10)柴油机燃烧室

11)巴氏合金薄壁轴瓦