摘要 简述了电弧喷涂粉芯丝材的优点及制作工艺,介绍了电弧喷涂粉芯丝材的发展历程,以及耐磨损、耐腐蚀、耐高温电弧喷涂粉芯丝材的最新研究进展,展望了电弧喷涂粉芯丝材的应用前景,指出了金属陶瓷复合粉芯丝材、非晶态粉芯丝材、纳米粉芯丝材是未来电弧喷涂粉芯丝材的发展方向。
关键词 电弧喷涂 粉芯丝材 应用前景
0 引言
电弧喷涂技术是以2根金属丝材作为电极,在喷枪端部相交短路产生的电弧为热源,使金属丝材熔化,金属雾化成微熔滴,并将微熔滴加速喷射到工件表面上,继而沉积、冷却而形成涂层的一种工艺[1]。由于电弧喷涂具有生产效率高、涂层质量好、喷涂工艺灵活、经济安全、使用成本低、易于操作等优点,其在国内外得到了普遍重视和广泛应用,部分取代了火焰喷涂和等离子喷涂[2]。2000年以后,电弧喷涂技术发展更加迅速,预计现在占热喷涂技术的比例达到20%左右[3]。
电弧喷涂材料包括实心丝材和粉芯丝材,粉芯丝材兼具实心丝材和粉末的优点,拔丝容易,并且使不导电的粉末材料也能应用于电弧喷涂,促进了电弧喷涂技术在耐磨抗蚀领域的进一步研究和应用。
1 电弧喷涂粉芯丝材概述
粉芯丝材(Cored wire),也称管状丝,是由金属外皮和粉芯两部分构成。金属外皮不仅可以选用低碳钢带,也可选用其它适宜轧拔的带材如Ni、Al、Zn、Cu、不锈钢带等。粉芯部分可根据设计需要选择各种金属合金、氧化物、碳化物、陶瓷等粉末按比例混合后作为填充物[4]。这种丝材的制作类似于焊接所用的药芯焊丝,包括配粉、混粉以及轧丝、拔丝、绕丝、包装等工序。
在制作过程中,先将适于轧制的金属带轧制成槽形,然后将混合均匀的合金粉或其它粉体送入金属带槽内,经轧辊使金属带闭合,轧制成圆形,再经拔丝模逐渐减径至所需最终尺寸[5]。粉芯丝材的轧制过程如图1所示。
与实心丝材和粉末相比,电弧喷涂粉芯丝材既能方便地根据涂层成分要求来调节线材成分,同时加工方便、成本低、使用设备简单、操作方便,具有巨大的发展潜力。
2 电弧喷涂粉芯丝材的发展历程
对粉芯丝材的研究最早始于20世纪60年代,初始目的是为了克服冶金方面的限制。直到70年代初期,粉芯丝材才开始用于电弧喷涂,但由于当时的粉芯丝材刚度较差,送丝困难,应用并不是很成功。80年代,这一主要缺点得到了克服,使金属粉芯丝材在热喷涂领域有了较大发展[6]。80年代初德国的H.Dreniek等成功地把金属粉芯丝材用于电弧喷涂,获得了实心丝材难以获得的特殊合金涂层[7]。后来其发展中心逐渐从德国、英国等欧洲国家转移到美国,随后日本、韩国、新加坡、乌克兰、荷兰等国家也相继投入开发。90年代,粉芯丝材进入商品化阶段,新型粉芯丝材层出不穷,促进了电弧喷涂的发展[8]。
国内对粉芯丝材的研究起步较晚,北京工业大学、北京有色金属研究总院、全军装备维修表面工程研究中心、装甲兵工程学院、沈阳工业大学等在电弧喷涂粉芯丝材的研究上做了一定的工作,取得了一些成果[9]。
目前,德国SPRAYTEC公司生产的电弧喷涂粉芯丝材有ST301、ST305(WC-Co)、N-i Cr-B-Si/碳化铬等;美国原TAFA公司生产的电弧喷涂粉芯丝材有73MXC(N-i Cr-Al)、76MXC(N-i Cr-A-l Y)、74MXC(N-i A-l Mo)、95MXC(Fe-Cr-N-i Mo)等;英国生产的有Stelloy35、50、51,Ni基粉芯丝材;荷兰生产的有Fe基耐磨耐蚀粉芯丝材;乌克兰生产的有Fe-B系耐磨、A-l Zn系耐蚀粉芯丝材及其它商品化管状丝材[10]。
我国已开发出几种粉芯丝材作为耐磨喷涂材料,取得了良好效果,如3Cr13、4Cr13、7Cr13、Al2O3/Al等[11-13]。
3 电弧喷涂粉芯丝材的最新研究进展
目前,电弧喷涂丝材正朝着功能多元化和复合丝材方向发展,性能日益优越[14],在耐磨损、耐腐蚀、耐高温涂层的制备中,新型的电弧喷涂粉芯丝材得到了广泛应用,取得了一系列新进展。
3.1 耐磨损电弧喷涂粉芯丝材
磨损可分为磨粒磨损、黏着磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、高温磨损、疲劳磨损、微动磨损等类型,不同的磨损类型对涂层材料性能的要求各不相同。磨粒磨损在磨损失效中占50%,因此对耐磨粒磨损电弧喷涂粉芯丝材的研究具有非常重要的实际意义[15]。
国外方面,研制成功了非晶态电弧喷涂粉芯丝材、金属陶瓷粉芯丝材、金属间化合物粉芯丝材、纳米粉芯丝材等,所制备的涂层具有优异的耐磨粒磨损性能。英国巴顿焊接研究所的Borisov等[16]研制了用于耐磨的Fe-B系的AMOTEK系列粉芯丝材,涂层中的非晶态相占35%以上,具有优良的耐磨性;Heath和Kammer用电弧喷涂FeCrAl+20%硬质相粉芯丝材制得了含陶瓷相的涂层,该涂层的高温冲蚀磨损抗力高于电弧喷涂FeCrAl涂层;Atteridge等采用Ni带+65%WC/Co微米级纳米结构粉芯制成粉芯丝材,涂层的耐磨性随纳米晶WC含量的增加而越来越好[17]。
国内方面,Cr13型马氏体不锈钢粉芯丝材在耐磨粒磨损涂层的制备上应用比较广泛,主要包括1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、7Cr13等。北京工业大学开发的FeCrNiBSiRE粉芯丝材电弧喷涂涂层的耐磨性为3Cr13的2倍,具有良好的抗冲击磨损性能;北京有色金属研究院开发的N-i Cr-Ti合金丝电弧喷涂涂层性能达到TAFA公司的45CT(45Cr,4%Ti,余量为Ni)水平,而价格仅为其1/3[18];北京廊桥公司研制了LX88A超硬耐磨粉芯丝材,赵辉等[19]采用高速电弧喷涂工艺在Q235钢上制备了LX88A涂层,涂层的抗磨粒磨损性相对于16Mn钢提高了13倍左右;贺定勇等[20]采用电弧喷涂含WC-CoNi金属陶瓷粉末的粉芯丝材,发现含WC陶瓷相涂层的耐磨粒磨损性能相对Q235钢提高了约9倍。
3.2 耐腐蚀电弧喷涂粉芯丝材
传统的耐腐蚀涂层主要有用于钢铁结构长效防腐的热喷涂锌、铝、锌铝合金、稀土铝、镁铝合金等涂层。Zn、Al、Zn-Al合金涂层对钢铁的防护,不仅是阴极保护作用,涂层本身也具有良好的抗腐蚀性能[21]。研究表明,Zn-Al合金涂层既有Zn涂层良好的阴极保护作用,又有Al涂层的表面钝化作用,而45%Zn-55%Al合金具有最好的耐腐蚀性能。目前,采用高速电弧喷涂技术喷涂的45%Zn-55%Al复合型粉芯丝材在钢铁结构的长效防腐中得到了初步应用,具有非常广阔的发展前景。
锌镍合金丝材也可用于耐腐蚀涂层的电弧喷涂,在锌镍合金丝材中,随着镍含量的增加,其耐腐蚀性逐渐提高[22]。有学者在铝基粉芯线材的粉芯中加入一定量的B和稀土(RE),所制备涂层的耐腐蚀性能可与公认的耐腐蚀性能优良的45CT涂层相媲美,明显优于采用铁基粉芯线材制备的铁基铁铝涂层[23]。
马氏体(如Cr13型)型不锈钢丝和奥氏体(如18-8型)型不锈钢丝是两类经常用于耐腐蚀的喷涂丝材,一般用于工作环境中存在腐蚀介质的零件的表面,如造纸烘缸、泵壳、阀门以及各类化工储罐等。目前已有新型的马氏体不锈钢及奥氏体不锈钢型粉芯丝材问世[24]。
3.3 耐高温电弧喷涂粉芯丝材
耐高温涂层主要包括抗氧化涂层、耐高温冲蚀涂层、耐熔融金属涂层、耐热腐蚀-冲蚀涂层、热障涂层等,主要用于高温环境下氧化、腐蚀性气体、冲蚀、熔融态金属的侵蚀、热腐蚀-冲蚀等条件下关键零、部件的表面防护。
高速电弧喷涂FeCrAl合金丝材得到的涂层具有良好的耐热性能,可用作抗高温氧化涂层。其抗高温氧化性接近于T91钢[25]。
中国石油大学自行研制的表皮为08F优质钢带、硬质相粒子为CrB的粉芯丝材电弧喷涂涂层具有与3Cr13涂层相似的抗热腐蚀性能[26,27]。
电弧喷涂NiCr合金涂层(如Ni70Cr30)具有很高的耐磨性和耐腐蚀性,尤其是耐熔融金属和熔渣的烧蚀,可作为转炉烟罩的保护涂层材料[28]。用于制备自粘结底层的镍铝合金丝(如Ni95Al5)能与基体形成微冶金结合,其涂层组织致密,抗氧化、耐高温、耐热冲击性非常优异。
4 电弧喷涂粉芯丝材的应用前景
目前,一些新型的电弧喷涂粉芯丝材已在工程实际中得到了初步应用,取得了良好的效果,满足了对涂层多功能、高性能的要求。这类丝材主要包括金属陶瓷复合粉芯丝材、非晶态粉芯丝材、纳米粉芯丝材等,具有良好的应用前景。
金属/陶瓷复合涂层兼具金属和陶瓷材料的优点,具有强度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐冲蚀等综合性能,广泛应用于航空航天、电厂锅炉、模具、汽车摩托车活塞环、气缸等各种领域,具有很大的应用和开发潜力。国内目前研究主要集中在铁基Al2O3型、WC/Co型、TiB2型、FeB型以及Cr3C2型金属陶瓷复合粉芯丝材上。其中铁基/Cr3C2型和铁基/硼化物型的金属陶瓷复合粉芯丝材是两个非常重要的研究方向[29]。
近年来,非晶态电弧喷涂粉芯丝材已成为防腐、抗磨涂层领域中极具潜力的材料。研究表明,非晶态金属合金比相似成分的晶态合金具有高得多的耐磨性和耐蚀性。如Fe中加入B、Mo、P等可生成一定比例的非晶态组织,所形成的涂层具有优异的耐磨耐腐蚀性。英国巴顿研究所已成功研制了耐磨的Fe-B系列合金粉芯丝材。
由于纳米结构涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲劳等方面较传统涂层有显著改善,研究人员用金属外皮包覆纳米粉末制得了纳米粉芯丝材,并在耐磨抗蚀领域进行了试验研究。也有学者通过电弧喷涂粉芯丝材制备非晶涂层,再通过适当的热处理工艺使非晶晶化,得到纳米结构涂层[30]。尽管在高质量纳米粉体的制备及丝材使用成本方面还存在一些问题,纳米粉芯丝材仍然是未来电弧喷涂领域一个重要的研究方向[31]。
5 结语
电弧喷涂粉芯丝材在耐磨损、耐腐蚀、抗高温氧化等领域得到了广泛的应用,取得了巨大的经济效益。我国的电弧喷涂粉芯丝材品种比较单一,主要集中在耐磨领域,与国际先进水平还有相当大的差距。究其原因,主要是我国对冶金粉末的电弧反应机理及涂层形成机理还未研究透彻,在一些新型粉芯丝材的制备上存在技术不足、成本过高的问题。金属陶瓷复合粉芯丝材、非晶态粉芯丝材、纳米粉芯丝材是未来电弧喷涂粉芯丝材的发展方向。我国应加强对粉芯丝材冶金机理的研究,积极拓宽粉芯丝材的应用范围,努力探索新型粉芯丝材,使我国的电弧喷涂粉芯丝材向多元化、系列化、商品化发展。
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
