金属粉末-火焰热喷涂技术及应用
汪合朋
安徽冶金科技职业学院学报
摘 要:介绍了热喷涂技术、原理及分类,重点介绍了金属粉末-火焰热喷涂技术、原理、主要设备、材料及其应用。
关键词:热喷涂;熔融;基体表面;重熔;金属粉末;火焰;自熔合金
1 概述
热喷涂技术是一项复合技术,它是利用不同的热源,将欲喷涂的各种材料如金属、合金、陶瓷、塑料及各类复合材料加热至熔化或熔融状态,借助气流高速雾化,形成“微粒雾流”沉积在已经预处理的工件表面,形成堆积状、与基体紧密结合的涂层,一般称之为喷涂层。而将某些喷涂层在喷涂的同时或随后进行重熔处理形成的冶金结合特征的涂层称之为喷熔层或重熔层,亦称为喷焊,原理示意见图1。它不仅是进行表面改性或修复的方法,而且成为直接制造具有特殊性能、特殊形状的零部件和产品的工艺技术手段。热喷温度、熔滴对机体表面冲击速度以及形成涂层的材料的性能是热喷涂技术的核心,随着技术的进步,热喷涂方法在不断扩展,涌现出各种热喷涂方法和先进的热喷涂设备以及许多新的、奇特的热喷涂材料,目前热喷涂按所选用的热源和选用的材料的形状分类,其分类见图2.
2 金属粉末-火焰热喷涂
金属粉末-火焰热喷涂是利用火焰所产生的热能,通过特制的喷枪,将具有特殊性能的金属及合金粉末加热到熔融或半熔融状态,高速地喷敷到经预处理的基体表面,涂层与基体表面是以机械结合为主,间有部分显微冶金结合,而金属粉末-火焰喷熔(焊)是在自熔合金粉末喷敷到基体表面的同时或随后进行熔融处理的热喷涂的方法,这种方法形成的涂层是致密的,涂层成形美观、平整;易于控制厚度;冲淡率小;耐冲击性能好。主要用于制备耐磨、耐蚀涂层。金属粉末-火焰热喷涂设备简单(主要设备有喷涂枪、喷焊枪、重熔枪)、场地要求不高、投资成本低、易于实现,而所用金属及合金粉末种类繁多、性能各异,获得的涂层功能也十分广泛,是热喷涂领域发展最快、最全面且应用最广的方法。
3 金属(合金)粉末种类及性能
3·1 自熔性合金粉末
所谓自熔性合金粉末是指具有自脱氧造渣能力的合金粉末,是热喷焊必用材料,它具有以下三个基本特性。(1)熔点低。这是由于B、Si的加入能生成低熔点的共晶固溶体,明显地降低了材料的熔点;(2)自脱氧造渣。这是由于B、Si元素与氧的亲和能力高又可以生成粘度小的硅酸硼溶剂并与金属氧化物一起形成硼硅酸玻璃渣浮出熔化金属表面同时排除液态合金中的气体,完成脱氧造渣过程;(3)多种强化相组织结构。主要是固溶体强化相和化合物强化相,它显著地提高了自熔合金的硬度和耐磨性。喷焊用自熔性合金粉末必须符合以下各项基本要求:(1)应具有适度的液体流动性;(2)应具有良好的润湿性;(3)应具有良好的球形和适当的粒度;(4)涂层与基材的体膨胀系数应尽量接近;(5)粉末的含氧量低。
3·2 喷涂用金属(合金)粉末
3.2.1 底层(结合层)粉末
由于喷涂层与基材的结合形态基本上属于机械结合,为了造成强于机械结合的形态,增加冶金结合的形态,喷涂时必须创造冶金结合的条件,Ni-Al复合粉在喷涂时Ni和Al产生剧烈的铝热反应,生成铝化镍金属间化合物,释放大量热量,加剧了粉末和基材间的扩散结合和化学键结合的效果产生微区冶金结合,从而提高了涂层与基材的结合强度。Ni-Al复合粉涂层表面十分粗糙,是喷涂其它涂层的理想粗化表面;涂层的膨胀系数为12.6×10-6Kˉ1(25℃~535℃)与大多数钢的膨胀系数相近,因此,这种涂层也是一种理想的中间涂层材料。
3.2.2 工作层粉末。见表2。
3.2.3 自粘结功能型粉末
自粘结功能型粉末又称为自粘结一次喷涂粉末,是一种复杂的复合粉末,这种粉末通常以微细的铝粉或钼粉作为包覆层,而以镍基、铁基和铜基等工作层粉末为核心,用团聚法制成。自粘结功能型粉末既有一般工作层粉末的工程特性同时又有喷涂时的放热反应,提高了涂层与基材的结合强度,喷涂层质量好、致密、内聚力大、使用广泛。
4 实际应用
4·1 轴类修复
主要步骤:(1)用煤油对修复件进行清洗,必要时清洗后烘烤除油;(2)将磨损表面进行车加工,加工厚度0.30mm,如图3所示;(3)喷涂部位进行预热,预热温度95℃~120℃;(4)预处理结束后立即喷涂结合层,材料用80Ni/Al或90Ni/Al复合粉,选用中性焰或微碳化焰,涂层厚度0.08 mm~0.10mm;(5)进行工作层喷涂,喷涂材料按轴的设计要求选用,一般选用铁基工作层喷涂用粉Fe280或G302即可,涂层尺寸应大于轴标准尺寸1 mm~2mm,喷涂结束后可对喷涂部位进行保温缓冷处理以降低内应力;(6)机加工,一般精车即可。
注意事项:(1)预处理时加工处直角均需圆整处理,保持合适的粗糙度;(2)对不喷涂处应进行遮挡保护;(3)喷涂结束后机器不要停车,保持轴的连续转动,防止轴变形弯曲。
此方法对轴类修复经济、省时,由于喷涂时的表面强化,被修复的轴的性能往往优于重新加工的轴,而费用只需新加工轴的十分之一左右。
4·2 轧机挡板表面强化
轧机挡板工况恶劣、不耐磨、易损坏且更换麻烦、影响生产,热喷焊可解决此问题,基材用45#钢代替合金钢,喷涂粉末选用Ni60自熔合金粉,工艺如下:(1)表面预处理。用角向磨光机对喷涂面进行打磨,打磨后用喷枪进行预热,预热到250℃时用作预保护喷撒,防止工件表面氧化,喷撒厚度0.10 mm~0.15 mm,之后继续加热直到400℃~500℃;(2)喷涂。用喷枪将Ni60粉喷撒到工件表面,达到预定厚度(3 mm~5 mm),喷嘴至工件距离:喷撒预保护粉时150 mm,喷撒涂层粉末时100 mm~125 mm;(3)重熔。喷好的工件立即放入45kVA电炉进行重熔,重熔温度约1050℃;(4)后处理。重熔好的工件出炉缓冷以降低喷焊层内应力,冷却后工件上平面磨床加工平面达到尺寸要求。
注意事项:(1)预处理表面要求均匀、平整,保持合适的粗糙度;(2)重熔温度不可过高亦不可过低,温度过高时熔化层将产生溢流,喷焊层表面出现波纹状,表面不平滑;温度过低时不但喷焊层与基材结合不良,而且熔渣不易浮出,将使喷焊层硬度不均匀;(3)应采取措施防止工件变形曲翘。喷焊层硬度HRC60~65,抗拉强度>160MPa,使用寿命提高3倍,由于基材用45#钢代替合金钢,费用略有下降。
5 结语
金属粉末-火焰热喷涂技术要获得良好的效果,应了解机械零件服役的工况条件和损坏机理,选择最佳的喷途体系材料,制定最佳的工艺方案,此技术前景十分广阔,是一项节约材料、节约能源的实用技术。
参考文献略
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