摘要 介绍了我国六种典型电弧喷涂丝材的新进展,提出电弧喷涂管状丝材的应用是热喷涂材料最大的进展之一。同时,提出电弧喷涂管状丝材在耐磨防腐方面的研究方向及应用前景。
关键词: 电弧喷涂 管状丝材 新进展
热喷涂作为表面强化和防护的新技术越来越受到重视,其中电弧喷涂因其生产率高、喷涂层质量高、能源利用率高、能耗低和设备投资少等特点在应用上已经占热喷涂总量的15%,仅次于等离子喷涂和超音速火焰喷涂(HVOF)。同时因其操作容易、粉尘少、喷涂效率高和使用维护容易等优点越来越受到现场施工人员的青睐[1]。
电弧喷涂技术早在20世纪50年代就已在工业上获得应用,但因当时设备、工艺都不完善,因此在我国没有得到较大的发展。随着沈阳工业大学研制出第一台具有20世纪80年代国际水平的推式送丝机电弧喷涂设备[2],电弧喷涂技术在我国得到广泛的应用,至今国内已研制出高速和超音速电弧喷涂设备,这更加推动了我国电弧喷涂技术的发展。随着电弧喷涂设备及工艺不断地完善和向前发展,电弧喷涂丝材也有较大地突破,向电弧喷涂丝材专业化、系列化迈出了关键的一步。
1 六种典型电弧喷涂丝材的新进展
1.1 大面积、长效防腐类电弧喷涂丝材的新进展自20世纪30年代以来,电弧喷涂防腐就在欧洲获得了应用。对于尺寸较大的工件或大型钢结构,电弧喷涂是唯一可行的制备阳极涂层的方法。电镀及热浸工艺都受到工件尺寸的限制。美国焊接学会进行的19年腐蚀试验及LaQue腐蚀技术中心的34年海洋环境使用性能报告有力地说明了在各种不利的环境下,Zn和Al涂层长效保护的有效性。英国标准学会的BS5493—77关于钢铁结构防腐蚀技术标准指出,只有喷涂Zn,Al涂层才能保证在各种工业及海洋环境中维持20年而不需要维护。加拿大标准协会也提供了在不同环境下的Zn,Al涂层预期寿命长达40年的表格资料[3]。
电弧喷涂纯锌、纯铝丝材已能较有效地起到长效防腐的作用,但随着工业的发展,对长效防腐又提出更高的要求,特别是在苛刻的环境下的防腐问题。近几年,国外已经研制成功锌铝合金丝材(Zn-5%Al、Zn-15%Al)、锌铝管状丝材(Zn包覆Al)[4]及铝镁合金丝材。国内也研制出锌铝合金丝材和铝镁合金丝材,同时北京有色金属研究总院正在研制锌铝管状丝材。
1.2 不锈钢类电弧喷涂丝材的新进展
不锈钢涂层是常用的耐蚀耐磨涂层。国内常用18-8型奥氏体不锈钢和Cr13型马氏体不锈钢。
18-8型奥氏体不锈钢是FeCrNi合金、面心立方晶体,典型丝材为1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9Ti以及316型不锈钢,这类不锈钢无磁性、韧性塑性较好、耐蚀性好,但耐磨性一般。喷涂层的收缩率大,不宜太厚。这类不锈钢以超低碳型奥氏体不锈钢耐蚀性最好,目前国内已研制出含稀土超低碳型奥氏体不锈钢电弧喷涂管状丝材用于耐腐蚀环境,在氧化性介质中效果更好,喷涂层也不宜过厚。
Cr13型马氏体不锈钢典型丝材为1Cr13、2Cr13、3Cr13,这类不锈钢含碳量较高,喷涂层具有较高的硬度(HRC30左右)和耐磨性、较好的耐蚀性、喷涂层收缩率小并且能够喷较厚的涂层。国内又出现相当于7Cr13的丝材,其喷涂层硬度>HRC50(显微硬度换算值),耐磨性优于淬火或调质的45号钢,封孔后在40℃盐水中56 h无变化。在温度为40℃,相对湿度为100%的SO2腐蚀介质中,24 h不变色,不脱落,是一种应用非常广泛的新型电弧喷涂丝材[5]。
1.3 自粘结底层电弧喷涂丝材的新进展
所谓自粘结材料是在喷涂过程中由于材料自身特性或产生的放热反应,能与基体形成良好结合的一类材料。较早采用铝青铜、钼丝、Ni-Al复合丝(通常用火焰喷涂,也可用电弧喷涂)等进行打底,目前国内研制出Fe基自粘结合金丝材(B01)、低碳马氏体型自粘结管状丝材和Ni-5%Al合金丝材以适应更高结合强度的表面[6,7]。
1.4 耐高温氧化、硫腐蚀及冲蚀类电弧喷涂丝材的新进展
国内近几年对电站锅炉“四管”耐高温氧化、硫腐蚀以及冲蚀典型喷涂层所用电弧喷涂丝材研究得比较多,也比较深入。首先是电弧喷涂FeCrAl进行锅炉“四管”的防护,但使用效果不是很理想;然后是电弧喷涂Ni70Cr30,效果较好。这期间有的工程采用电弧喷涂自粘结管状丝材(低碳马氏体型)+Ni-Cr+高温封孔剂复合涂层进行锅炉“四管”高温防腐,取得良好效果;目前国内、外最先进的锅炉“四管”防护涂层所用丝材是45CT,这种丝材名义成分为45%Cr,4%Ti,余量为Ni,综合测定其涂层性能,防腐效果目前是最佳的。
为了降低成本,国内研制出Ni基电弧喷涂管状丝材,名义成分与45CT相当,但未见实际应用的报道;同时国内正在开发Al基电弧喷涂管状丝材,在性能价格比相当的基础上也可以对锅炉“四管”进行防腐。今年,北京有色金属研究总院率先开发出国产PS45锅炉“四管”防护用丝材,正处于产品推广阶段[6,8]。
1.5 高硬度耐磨电弧喷涂丝材的新进展
随着工业的发展,对大型构件表面耐磨性的要求越来越高。为此,国内研制出高硬度耐磨电弧喷涂管状丝材,其基本涂层性能为:HV0.1>1 000;湿砂橡胶轮磨料磨损试验相对耐磨系数是65Mn(830℃油淬,400℃回火、HRC42)的1.5倍;耐粘着磨损、微动磨损良好[9]。
1.6 防滑电弧喷涂丝材的新进展
目前作为防滑甲板的涂层体系主要是一种聚合物涂层体系,但是这种聚合物涂层体系首先是耐磨性差、易老化、使用寿命短;其次作为防滑涂层来讲摩擦系数较低,而且摩擦系数的保持能力差。美国在1989年利用电弧喷涂Al-Al2O3复合材料(实心)进行甲板表面防滑处理,延长使用寿命、有较高的摩擦系数和摩擦系数保持能力、降低约30%的成本。国内也研制成功电弧喷涂Al基、Fe基管状丝材,对于提高我国海军装备质量具有现实意义[6,10]。
2 电弧喷涂管状丝材的应用前景
2.1 电弧喷涂管状丝材与实心丝材的比较[11~13]综上所述,管状丝材的研制开发是国内电弧喷涂材料最新的进展。众所周知,热喷涂材料分为丝材、粉末和棒材。其中丝材又分为实心丝材和管状丝材。实心丝材应用于火焰喷涂和电弧喷涂,操作方便、效率高。存在的主要问题是:①调节成分困难。调节喷涂丝主要成分时,必须改变熔炼的合金系统成分,然后一般经过熔炼、浇注、锻造、轧制和拔丝等工序。周期长而且对制造少量特殊丝材及经常调节丝材成分时尤为困难。②难以制造特殊合金的丝材。有些特殊合金的涂层,如要求高耐磨性的涂层,其合金可以熔炼成锭,但由于硬、脆不能拔丝。因而实心丝材品种少,应用范围窄。粉末与实心丝材相比,调节成分容易,只要改进合金成分的粉末,就可以获得不同成分性能的特殊合金涂层,但只能应用于火焰喷涂和等离子喷涂。效率低、操作困难、送粉稳定性差、大面积喷涂困难,而且合金粉末一般较贵,因而喷涂成本较高。热喷涂材料的最大进展是管状丝材的研制开发。热喷涂管状丝材,类似于药芯焊丝,是由金属外皮和粉芯组成,因而兼具实心丝材和粉末的优点。调节金属外皮和粉芯成分或调节加粉系数即可调节涂层成分,因此调节涂层成分非常容易,而且质量好、成本低、适用设备简单、操作方便,因此是一种非常有发展前途的新型热喷涂材料。
2.2 国内相对国外电弧喷涂管状丝材的差距
20世纪80年代初德国的H.Dreniek和D.Steffens等人成功的把金属管状丝材用于电弧喷涂,获得了实心丝材难以获得的特殊合金涂层。目前,德国SPRAYTEC公司生产的电弧喷涂管状丝材有:ST301、ST305(WC-Co)、Ni-Cr-B-Si/碳化铬等;美国原TAFA公司生产的电弧喷涂管状丝材有:73MXC(Ni-Cr-Al)、76MXC(Ni-Cr-Al-Y)、74MXC(Ni-Al-Mo)、95MXC(Fe-Cr-Ni-Mo)等;英国:Stelloy35、50、51,Ni基粉芯丝材;荷兰:Fe基耐磨耐蚀粉芯丝材;乌克兰:Fe-B系耐磨、Al-Zn系耐蚀粉芯丝材及其它商品化管状丝材。
我国到目前为止只有六、七种管状丝材用于电弧喷涂,其系列化程度及应用范围远远不及国外[14~19]。
2.3 国内电弧喷涂管状丝材的研究方向及前景展望
综观国内外电弧喷涂管状丝材之间的差距,我国电弧喷涂管状丝材的发展才刚刚起步,主要还处于耐磨领域的研究。为了使我国电弧喷涂管状丝材向多元化、系列化、商品化发展,国内的科研工作者正在加紧研制开发新的电弧喷涂管状丝材的品种。除了目前Fe基管状丝材外,还应大力发展Al基、Zn基、Ni基、Ni-Cr基甚至Co基的管状丝材。这样,电弧喷涂管状丝材才能在长效防腐、自粘结、自蔓延、耐高温氧化、硫腐蚀、热疲劳、既耐磨又耐蚀、耐酸腐蚀及耐冲蚀等方面形成多品种系列的丝材。此外,针对金属外皮包裹陶瓷粉末也应有所涉猎,探索利用管状丝材得到部分陶瓷涂层的方法;利用电弧喷涂获得非晶态涂层或微晶涂层也应作大量的探索。
3 结 论
我国在电弧喷涂自粘结丝材和耐高温氧化、硫腐蚀及冲蚀类电弧喷涂丝材方面已经与国际先进水平相当。在电弧喷涂管状丝材方面有几种产品,但与国际先进水平还存在相当大的差距,还应大力发展Fe基、Al基、Zn基、Ni基、Ni-Cr基和Co基等电弧喷涂管状丝材,形成我国特色的专业化、系列化、商品化的热喷涂材料。
参考文献略
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