电弧喷涂工艺的试验研究
王银军，王孝建
梅山科技
电弧喷涂技术的发展已有相当的历史。自1940年以来,电弧喷涂在前苏联获得广泛的应用。中国在上世纪50年代初开始引进电弧喷涂这项技术,但由于当时设备和工艺水平落后,应用较少,至70年代后期,电弧喷涂在中国几乎被淘汰[1]。近年来,电弧喷涂又逐渐被重视,国内外有关电弧喷涂设备、工艺、涂层的研究也越来越多,应用也越来越广泛。电弧喷涂具有高效、低成本、设备易维护等优点,在零件及钢结构的修复、预保护等领域有广阔的应用前景。
电弧喷涂的原理是两根极性相反的金属丝经送丝机推送,在相互接触处产生高温电弧,金属丝的端部熔化,并被压缩空气雾化成微小颗粒后加速喷射到基材表面,形成具有微冶金结合和机械性锚合的涂层[2]。电弧喷涂的工序繁多、技术要求高,稍有疏忽,常导致前功尽弃、涂层报废。如何优化电弧喷涂工艺、涂层结构,保证电弧喷涂的稳定性、可控性,笔者研究了电弧喷涂电压、电流对涂层的成分、组织、性能的影响,研究了表面预处理、预热、后热处理对涂层结合强度的影响。
摘 要:研究了电弧喷涂电压、电流对涂层的成分、组织、性能的影响以及表面预处理、预热、后热处理对涂层结合强度的影响。结果表明:Ni95A15涂层由大量镍铝固溶体、少量含Ni3Al、NiAl的金属间化合物或氧化物等组成,3Cr13涂层由马氏体基体、铬铁氧化物等组成;电弧喷涂Φ2 mm 3Cr13丝材的适宜电压、电流为28~35 V、170~180A;提高预处理毛化质量、喷涂打底层、严格控制基体的热量输入有利于提高涂层结合强度。
关键词:电弧喷涂;工艺;3Cr13
1 试验条件及方法
试验基材为A3材质的板材和圆柱形试样,板材用于制备涂层进行金相、成分分析、硬度测定,圆柱形试样用于涂层结合强度测定。喷涂材料为Φ2 mm的Ni95A15、3Cr13丝材。电弧喷涂电源型号为上海产QD8-D-400型。
喷涂距离对涂层的化学成分、力学性能、组织影响很大,喷涂距离在150~200 mm范围内应用较多。压缩空气压力直接影响喷涂粒子的雾化程度和飞行动能,喷涂第一层涂层应采用稍低的空气压力,使较大的喷涂粒子携带较多热量,有利于粒子与基体金属形成冶金结合,电弧喷涂时,压缩空气压力一般在0.45~0.55 MPa。基于此,以下试验制备涂层时,除另有说明外,喷距为200mm,压缩空气压力为0.45~0.55 MPa。
喷涂Ni95A15涂层的工艺:压缩空气压力为0.45~0.5 MPa、喷涂电流170~180 A、电压35V;喷涂3Cr13涂层的工艺:压缩空气压力0.5~0.55 MPa、喷涂电流170~180 A、电压28 V。分析Ni95A15和3Cr13涂层特征。
采用不同的喷涂电压制备3Cr13涂层时要求:喷砂预处理、喷涂电流170~180 A。采用不同的喷涂电流制备3Cr13涂层时要求喷砂预处理、喷涂电压28 V。比较喷涂电压、喷涂电流对3Cr13涂层的成分、组织、性能的影响。
采用不同表面预处理工艺,制备厚度0.9~1mm的Ni95A15、3Cr13、Ni95A15 (打底层) +3Cr13涂层,Ni95A15作打底层时厚度为0.1~0.2 mm。根据GB/T8642-2002热喷涂涂层拉伸试验方法,自制粘接夹具,用粘接强度>60~70MPa的E-7胶将喷涂试样与喷砂处理的对偶试样相互粘接,适当施压,装配见图1。在100℃保温2~3 h固化,用万向夹头进行拉伸,测定涂层结合强度。
采用喷砂预处理工艺,喷涂前对试样以100℃、200℃、300℃三种温度预热或不预热,电弧喷涂其他工艺参数相同,制备涂层厚度为0.9~1mm的3Cr13拉伸试样,测定涂层结合强度。
相同工艺的涂层喷涂后进行380℃×0.5 h、480℃×0.5 h、580℃×0.5 h三种不同的热处理,比较喷涂后热处理对涂层结合强度的影响。
2 结果及分析
2.1 Ni95A15、3Cr13涂层特征
喷涂Ni95A15时,铝热反应剧烈,弧光亮白,飞溅明显。Ni95A15涂层由镍铝固溶体(图2中左侧大量白色相)、少量含Ni3Al、NiAl的金属间化合物或氧化物(图1中左侧灰黑色相)等组成，外观呈浅金黄色,旦氏硬度值为450HLD+15,涂层与基材产生微冶金结合,是极好的打底涂层。
喷涂3Cr13时,弧光亮度稍低,粒子流较集中,飞溅较少。3Cr13涂层由马氏体基体、铬铁氧化物、气孔等组成见图3。涂层呈灰黑色。显微硬度测定为马氏体基体HV550~650、铬铁氧化物HV650~700,涂层的宏观硬度为HRC40~45。涂层氧化物含量为40 %~45 %。喷涂时3Cr13粒子瞬间发生马氏体转变,马氏体体积增大与涂层冷却收缩互相补偿,有利于获得低内应力的涂层。
2.2 喷涂电压对3Cr13涂层成分、组织、性能的影响
表1说明C比Cr易烧损。电压在32 V时,涂层C烧损显著增加,>35 V时C烧损进一步增加并趋于稳定;>32 V时Cr烧损显著增加并趋于稳定。涂层宏观硬度随电弧电压的增加而降低,这与C、Cr的烧损有关。3Cr13涂层与基体的结合强度随电弧电压的增加变化不大。从3Cr13涂层的显微结构(图4)看,喷涂电压>35 V时,电弧燃烧不稳定,涂层的气孔增多、层状组织的片层粗大,涂层质量差。
2.3 喷涂电流对3Cr13涂层成分、组织、性能的影响
表2说明喷涂电流对涂层的化学成分、硬度影响不大,喷涂电流较低时,涂层结合强度也较低,喷涂电流提高,喷涂粒子能充分熔化,有利于涂层与基体的结合强度的提高。不同电流条件下涂层的层状组织的片层都比较细、均匀见图4。提高电流,可以获得高生产率。受电源容量、送丝装置质量等因素限制,电流不能太大,否则送丝速度过高导致设备故障增加,涂层“夹生”现象增多,涂层表面粗糙。
2.4 表面预处理对涂层结合强度的影响
表3说明喷砂处理是提高涂层与基体结合强度的最佳表面预处理工艺,Ni95A15打底有利于提高涂层与基材的结合,Ni板拉毛、磨光机单向毛化(相当于车削浅螺纹)、交错毛化对涂层结合强度影响基本相同,Ni板拉毛适宜高硬度基体的预处理毛化。涂层与基体界面的结合强度普遍低于涂层层间的结合强度,使涂层更易于从基体处剥落,这是造成涂层早期失效的主要原因。
2.5 预热对3Cr13涂层结合强度的影响
与不预热相比,涂层与基体的结合强度在预热<200℃时略有提高,在>200℃时却明显降低,这是由于<200℃的预热有利于消除涂层与基体间的热应力,从而提高涂层与基体的结合强度,而>200℃的预热时,基体新鲜活化的金属基体发生了微氧化,必然对涂层与基体的结合强度有减弱;<300℃预热对涂层层间结合强度略有提高,但影响较小,见图5。
2.6 喷涂后的热处理对涂层结合强度的影响
3Cr13涂层、Ni95A15+3Cr13复合涂层喷涂后,采用不同热处理温度进行处理,3Cr13涂层与基体的结合强度在<480℃热处理时略有提高,在>480℃热处理时,3Cr13涂层与基体的高温氧化趋势增加,使3Cr13涂层与基体的结合强度急剧降低,而Ni95A15打底层抗氧化性好,Ni95A15+3Cr13复合涂层与基体的结合强度在<580℃热处理时受温度影响较小,见图6。
3 结 论
(1)Ni95A15涂层由大量镍铝固溶体、少量含Ni3Al、NiAl的金属间化合物或氧化物等组成,是极好的打底涂层。3Cr13涂层由马氏体基体、铬铁氧化物等组成,是经济型、应用范围广的耐磨工作涂层。该复合涂层可广泛应用于柱塞、曲轴、缸套等零件的表面修复。
(2)电弧喷涂Φ2 mm 3Cr13丝材的适宜电压、电流分别为28~35 V、170~180 A。
(3)喷砂处理是提高涂层与基体结合强度的最佳表面预处理工艺。提高预处理毛化质量、严格控制基体的热量输入有利于提高涂层结合强度。
(4)预热<200℃时,电弧喷涂涂层与基体的结合强度随温度升高略有提高;预热温度>200℃时,基体新鲜活化的金属基体发生了微氧化,对涂层基体的结合强度有减弱。
(5)进行喷涂后热处理时,3Cr13涂层热处理温度应<480℃;Ni95Al15+3Cr13复合涂层与基体的结合强度在<580℃热处理时受温度影响较小。
图略
参考文献略
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