工件表面处理中爆炸喷涂技术的应用
余佳骏,凌勇坚,吴建根
表面技术
[摘 要] 叙述了浙北一家刀具生产企业为了提高皮革片皮机、纺织机等专用设备上的刀板、测长鼓等工件表面的耐磨性、耐腐蚀性、电绝缘性等,于若干年前从乌克兰引进了一套“第聂泊-3”型爆炸喷涂设备(已在7个发达国家获得了专利权),即采用了爆炸喷涂技术,有效地提高了工件表面的质量和使用寿命。涉及了工件涂层的设计、喷涂粉末选择、喷涂工艺和工装,以及市场前景和企业生产现状等。由于拓展了市场,使企业获得了较好的实际收益。
[关键词] 表面处理;爆炸喷涂;技术应用;实际收益； 热喷涂 0 引 言
皮革片皮机、纺织机等专用设备上的刀板、测长鼓等工件表面状况如何,将直接影响到设备的工作性能和使用寿命,而对这些相关工件进行表面处理,提高其耐磨性、耐腐蚀性、电绝缘性等,不啻是1条改善设备使用状况、提高生产效益的好途径。作为表面处理新技术之一的爆炸喷涂技术,以其独特的优势正在被业界所看好,成为目前世界上热喷涂碳化物、高熔点氧化物,获得高硬度涂层的1种最理想的高新技术。浙北的1家刀具生产企业———湖州金利孚刀具有限公司看准了这一发展前景渐好的新技术,于若干年前从乌克兰引进了1套“第聂泊-3”型爆炸喷涂设备(已在7个发达国家获得了专利权),并结合企业所生产产品的特点,在实践中摸索出了成功的操作经验,优化了产品质量,为企业带来了不小的实际利益[1]。
1 工作原理和涂层设计
爆炸喷涂技术的工作原理是利用脉冲式气体爆炸的能量,将被喷涂的粉末材料加热加速轰击到工件表面,形成所需求的各种性能的坚固涂层。根据工件的不同使用特性,可采用不同的粉末覆于工件表面,以达到不同性能的要求,从而使工件的使用寿命成倍地增加。
1.1 工件涂层的设计
1.1.1 片皮机刀板喷涂粉末的选择
作为片皮机关键配套件的刀板,应使片分的成革厚度均匀、质量稳定、得革率高等。由于压力板与片皮带刀之间间隙小(仅0. 04mm左右),相对运动速度大(约16m /s),因而工作条件及刀具冷却都不是很好,原国产压力板在使用过程中经常会出现崩刃、易磨损等问题,使用寿命一般只有3~4个月;价格昂贵的进口压力板寿命也只有8个月左右。因而压力板(新型弹簧钢50CrNMi oV)的性能还需进一步提高,既要有良好的韧性,又要使刀板工作表面与基体的结合强度高,涂层要具有高耐磨性。
根据爆炸喷涂的特点,初选出粒度范围相同的6种不同种类的粉末,即YF112(WC/12Co)、YF112N(WC/12Ni)、YF110G(W /Co/Cr)、YFR20(Cr3C2/Ni/Cr)、Al2O3、Al2O3/40% TiO2进行逐一喷涂试验,用锤击法及弯曲试验法检测涂层的脆性及涂层与45钢的结合强度,结果表明:YF110G、YFR20涂层较脆,与基体结合强度不高而脱落;YF112N涂层与基体的结合强度和YF112比较接近,但YF112N涂层硬度低于YF112涂层;只有YF112(WC/12Co)粉末用于片皮机刀板的喷涂非常适宜。于是,最后确定YF112粉末作为片皮机刀板喷涂用粉末[2]。
1.1.2 纺织机测长鼓喷涂粉末的选择
纺织机上的测长鼓,通常采用的基体材质为不锈钢或铝合金,其工作表面需要喷涂,涂层要求具有耐磨、不脱落、与合成纤维具有良好的相容性、不易引伤合成纤维产品等性能。而维氏硬度>950HV的Al2O3-40% TiO2涂层,与钢质件、铝合金件的结合强度不小于4kg/mm2,不仅具有良好的抛磨性,而且还与合成纤维具有良好的相容性。于是,最后选定Al2O3-40% TiO2作为涂层喷涂用粉末。
1.2 粉末粒度的确定
粉末颗粒的大小对喷涂工艺及质量的影响至关重要,其粒度等级划分见表1。
从涂层质量、爆炸喷涂的适用性及经济性考虑,最后选定采用250~320目中等粒度的粉末,这样得到的涂层可以具有较小的气孔率及较高、较稳定的上粉率,使涂层质量稳定性提高。
2 喷涂工艺及工装设计
有了先进的设备、选定了所用粉末的牌号和粒度的规格以后,还得要有适当的工艺手段和工装来保证。为此,该生产企业制订了一套行之有效的操作规程和工装用具。
2.1 预处理操作规程
2.1.1 喷涂粉末
1)铝钛粉末烘温为180~200℃,时间不少于20min。2) WC/12Co粉烘温为150~170℃,时间为20~60min。喷涂粉末中不得有其它杂质混入,不同粉末严禁混杂。
2.1.2 喷涂工件
1)工件表面若有严重油污,应进行热处理去油→清水清洗→烘干→酒精清洗→吹干→喷砂。
2)工件表面若无油污,用擦布去尘→烘干→酒精清洗→吹干→喷砂。
3)喷砂过的工件要求达到(目测方式): (1)无车加工、磨加工痕迹; (2)喷砂痕迹均匀、无遗漏。
2.1.3 喷砂用砂的选用
1)喷钢铁工件用绿碳化硅,粒度46#。
2)喷铝工件用棕刚玉,粒度46#。
2.2 喷涂工作程序
1)检查各种仪表、仪器、水、电、气是否正常,机械转动等工件是否正常,发现问题及时排除;按技术要求安装所需喷涂的工件及粉末,进行有关数据计算,并做好有关原始记录。
2)关闭隔音大门,接通变频器及电控盘的电源,启动压缩空气机;打开氮气、空气、氧气、乙炔阀,在气柜上调节氮气工作压力为0. 2MPa,乙炔工作压力为0. 2MPa,启动通风系统;接通电控盘上电源开关、空气开关,调节喷涂频率,使变频器上示值为23. 75Hz,打开水阀,使喷枪冷却系统正常运作。
3)接通电控盘上的氧气开关,调节流量至规定值;接通乙炔开关,调节流量至规定值;接通点火开关,接通送粉开关,调节流量至规定值,重新调节空气压力为0. 16~0. 18MPa;根据工件喷涂要求,调节喷枪移动参数,喷枪移动1个来回,停止喷涂。
4)停止喷涂时的具体操作顺序为:依次切断送粉开关→点火开关→乙炔开关→氧气开关→空气开关→电源开关,再关上流量表上的阀门。
5)喷涂停止5min后,才可进入喷涂间。目测喷涂层情况,用量具测涂层厚度,得到每次喷涂厚度;关上隔音大门,根据所需喷涂层厚度确定喷涂次数,重新按步骤3)、4)操作,完成喷涂过程。
6)喷涂工件涂层经检测合格后,转入下一工件喷涂。喷涂工件的工作结束后,关闭气源阀门,排空喷枪中的残留气体,关闭冷却水、通风系统,切断设备总电源[3]。
2.3 工装用具
根据工件形状特征及爆炸喷涂1次所能达到的涂层覆盖面积,及平面和曲面涂层均匀、厚度一致的要求,设计了喷枪水平移动一维无级调速移动系统、喷枪水平二维移动无级调速系统及喷枪竖直移动调节系统,并设计了工件三维定位调节系统及工件自动回转无级调速系统[4]。
2.4 喷涂工艺
2.4.1 工艺试验
为了确保喷涂的质量,经无数次反复喷涂工艺试验及实样、试样检测,在整合的基础上,制订了YF112粉末、Al2O3-40%TiO2粉末(粒度皆为250~320目)喷涂工艺参数,具体见表2。
2.4.2 涂层质量
对于WC-12Co涂层: 1)涂层密度和硬度使用浸油法测定,涂层的相对密度97. 5%,试样表面的硬度(经磨削后)为58~61HRC,涂层显维维氏硬度达1250~1300HV; 2)结合强度采用弯曲试验法测试,弯曲后涂层无裂纹、无脱落;采用连续载荷压痕,涂层无碎裂。
对于Al2O3-40%TiO2涂层: 1)涂层显微维氏硬度>950HV;2)结合强度采用弯曲试验,弯曲后涂层无裂纹、无脱落现象。
2.5 磨削工艺
对于YF112涂层磨削:由于涂层硬度较高,一般的砂轮无法磨削,经试验确定选用粒度为120~140目的金刚石砂轮磨削较为理想,其磨削质量能达到表面质量要求,涂层表面粗糙度能达到Ra0. 8μm,而且磨削时涂层不易伤损、脱落。
对于Al2O3-40%TiO2涂层磨削:根据工件形状及使用特点,经试验确定选用绿碳化硅砂轮(120~140目)或绿碳化硅砂纸(80目或120目),涂层具有良好的可磨削性[5]。
3 实际效果和前景
3.1 实际效果
有了先进的进口设备以后,该企业为了确保产品的质量,先开始试生产,并对用户浙江富邦皮革有限公司、海宁上元皮革有限公司这2家企业进行跟踪,获得了一系列相关数据,得到了首肯,初战告捷。调整优化后,投入了批量生产。到目前为止,金利孚有限公司已生产了主机配套刀板约100副,分别销往广东、福建、温州、江苏、河南、河北、山东等地60多家制革企业,用户反映都比较好,刀板喷涂质量有了明显改观,使用寿命比原来未经喷涂的刀板提高了3倍以上,达到和超过了国外同类进口刀板的平均使用寿命(8个月质量水平),皮革剖面层质量有了保障,大大延长了换刀、调刀的周期和刀板综合成本,使用户得到了实际的利益。而采用Al2O3-40% TiO2陶瓷粉末,喷涂喷水织机上的不锈钢测长鼓、铝制品测长鼓和漆包线生产线上铝导轮,也取得了显著成效。先后为龙巢集团喷水织机上加工2000余套测长鼓,为长城线贸集团漆包线生产线上加工1000多套铝导轮,经用户反映:涂层光滑平顺,滑动性好,无脱落现象。喷涂质量明显优于原来采用的等离子喷涂,使用寿命可达2年以上。
3.2 市场前景和意义
湖州金利孚刀具有限公司生产的喷涂刀板和测长鼓,由于适销对路,销售价位低,很快受到了皮革生产厂家和纺织企业的青睐,在短短的几年时间里,产品销量大幅上升,不仅在国内打开了销路,而且还引起了欧美等国的重视,订货商纷至沓来,呈现出非常喜人的景象。据初步估计,该公司自用上了新技术以来,已为企业新增产值85万元,新增税利45万元,这对于1家规模不大的企业来说,确实是1笔不小的收益。由于我国是1个皮革生产和纺织品生产大国,对皮革刀板和测长鼓的需求量自然较大,因而市场潜力非常之大。完全可以肯定,在未来的数年里,随着销售渠道的扩大,需求量还将会继续攀升;再加上新应用领域的开拓,国际市场的打开,市场空间就更大了。可以这样说,表面处理技术的应用方兴未艾,前景看好。
新技术的应用,提升了产品的质量,为企业带来了可观的经济效益是肯定的。但更重要的是,由此激发和熏陶了1支肯开动脑筋、真抓实干、注重技术革新的工程技术人员队伍和管理人员队伍,若还能开拓思路,并发扬光大,定将产生更大的实际收益,这非常有利于企业朝着可持续发展的方向前进,因而其意义非常之大。
参考文献略
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