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    2基本概念

    2.1定義

    熱噴涂是這樣的一系列過程:以某種形式的熱源將噴涂材料加熱,受熱的材料形成熔融或半熔融狀態的微粒,這些微粒以一定的速度沖擊并沉積在基體表面上,形成具有一定特性的噴涂層[1]。熱噴涂技術的全部過程如圖1所示。

    2.2噴涂材料

    噴涂材料有粉、線、帶和棒等不同形態,它們的成分是金屬、合金、陶瓷、金屬陶瓷及塑料等。粉末材料居重要地位,種類逾百種。線材與帶材多為金屬或合金(復合線材尚含有陶瓷或塑料);棒材只有十幾種,多為氧化物陶瓷。

    2.3噴涂方法

    以提供熱源的不同,可分為燃燒法及電熱法。前者包括燃燒火焰噴涂、爆炸噴涂及高速火焰噴涂(HVOF);后者包括電弧噴涂及等離子噴涂(又分常壓等離子噴涂、低壓等離子噴涂與水穩等離子噴涂)。

    噴涂工藝對涂層產生重要影響的是噴涂溫度(嚴格點說,是熔滴沖擊基體表面時的溫度)和熔滴沖擊基體表面的速度。各種噴涂方法的特征列入表1[2]。

    2.4涂層的形成及其評價

    噴涂材料經過具有某種熱源形式的噴涂設備噴射之后,在到達被噴涂的基體表面之前,其飛行時間只有幾千分之一秒或更少。在如此之短的時間內,它被加熱、熔化或半熔化,形成細小而分散的熔滴,沖向基體表面,被擊成扁平的疊狀小片,先前生成的扁片又被后來者所覆蓋,很快就形成由很多扁平羅疊而成的覆蓋層,即為噴涂層。熱源溫度越高,熔滴沖擊速度越大,形成的涂層越致密。

    涂層性能與諸多因素有關。圖2表明了涂層性能與噴涂方法及材質之間的關系[3]。

    3涂層功能

    當某一個工程問題提出后,首先應明確接受施工的工件被噴涂的部位(通常是設備或設施的工作表面)處于什么樣的工況條件,而涂層功能則是確定噴涂工藝及材料的主要依據,同時還要考慮在經濟上是否允許,它們之間的關系如圖3所示。

    3.1涂層的多樣性涂層的多樣性源于噴涂材料的多種選擇、工藝參數的可控及噴涂方法的可變。噴涂粉末材質逾百種,線材和棒材也有數十種,不同的噴涂方法和工藝參數的變化,能使同一材質形成不盡相同的涂層。如此,這些變數的組合就可得到一組“菜單式”的涂層系列,當你需要具有某種特性的涂層時,只需從中擇取即是。

     3.2涂層類別噴涂材料噴涂而成的涂層依據它們的成分可以分為10個系列;

    (1)鐵、鎳和鈷基涂層;

    (2)自熔合金涂層;

    (3)有色金屬涂層;

    (4)氧化物陶瓷涂層;

    (5)碳化鎢涂層;

    (6)碳化鉻和其他碳化物涂層;

    (7)難熔金屬涂層;

    (8)氧化物陶瓷涂層;

    (9)塑料基涂層;

    (10)金屬陶瓷涂層。

    3.3涂層功能依據美國F.N.LONGO對熱噴涂涂層的分類方法[4],涂層按功能可分為:

    (1)耐磨損涂層。包括抗粘著磨損、表面疲勞磨損涂層和耐沖蝕涂層。其中有些情況還有抗低溫(<538℃)磨損和抗高溫(538～843℃)磨損涂層之分。

    (2)耐熱抗氧化涂層。該種涂層包括高溫過程(其中有氧化氣氛、腐蝕性氣體、高于843℃的沖蝕及熱障)和熔融金屬過程(其中有熔融鋅、熔融鋁、熔融鐵和鋼、熔融銅)所應用的涂層。

    (3)抗大氣和浸漬腐蝕涂層。大氣腐蝕包括工業氣氛、鹽性氣氛、田野氣氛等造成的腐蝕;浸漬腐蝕包括飲用淡水、非飲用淡水、熱淡水、鹽水、化學和食品加工等造成的腐蝕。

    (4)電導和電阻涂層。該種涂層用于電導、電阻和屏蔽。

    (5)恢復尺寸涂層。該種涂層用于鐵基(可切削與可磨削的碳鋼和耐蝕鋼)和有色金屬(鎳、鈷、銅、鋁、鈦及他們的合金)制品。

    (6)機械部件間隙控制涂層。該種涂層可磨。

    (7)耐化學腐蝕涂層。化學腐蝕包括各種酸、堿、鹽,各種無機物和各種有機化學介質的腐蝕。

    上述各涂層功能中,與冶金工業生產有密切關系的是耐磨損涂層、耐熱抗氧化涂層和耐化學腐蝕涂層。

    4熱噴涂技術在冶金工業中的開發與應用

    冶金工業生產中存在著大量的高溫氧化、磨損及介質腐蝕等問題,這些問題都是一種使工作表面失效的過程,應該而且能夠從熱噴涂技術中尋求一種有效的解決途徑。噴涂工藝既可以修復已失效的舊工件,也可以在新工件投入工作前進行強化預保護,也可以二者兼用。

    4.1冶金工業生產特征冶金工業生產從礦石到金屬材料,其間經過開采、運輸、貯存、破碎、分級、選別、液固分離、制團、燒結、冶煉、鑄型、精煉等多道生產環節。每一環節的主體設備都處于高磨損、高負荷、高溫和腐蝕等極其惡劣的工況條件下,這些因素導致生產設備的失效,使冶金工業成為國民經濟的耗材耗能大戶。

    面臨這種情況,為了維持生產,每年必須耗用大量的備品備件,有些還需進口。一個大型鋼鐵企業,每年為此要付出幾億元以上的資金。另一方面,現代化的冶金生產是一個高度連續化的過程,即使生產環節每一局部的設備過早失效,也會造成停產或減產,帶來巨大的經濟損失。例如,我國某鋼鐵企業高爐渣口,因受高溫熔體的侵蝕,工作壽命極短,每更換一次,高爐需休風減壓,少加三批爐料,少出生鐵60t。該企業轉爐連鑄生產線連鑄輥道,其壽命只有4000爐(20萬t),而日本同類連鑄輥道可達15000爐,幾乎高達4倍。

    4.2抗高溫氧化涂層

    (1)功能。這些涂層用以改善基體(設備或設施)材料的高溫性能(最高溫度可達1150℃),使之能經受高溫化學或物理溶解過程以及機械損傷的沖蝕過程,或二者都適應。

    (2)對抗高溫氧化涂層的要求。為了使基體避免高溫氧化所造成的破壞,這些涂層必須:1)阻止大氣中氧的擴散;2)阻止涂層本身向基體迅速擴散;3)具有高于操作溫度的熔點;4)在操作溫度下具有較低的蒸汽壓。

    (3)推薦的噴涂材料有鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、噴鋁封孔熱滲。

    (4)推薦的噴涂方法有等離子噴涂、高速火焰噴涂、燃燒火焰噴涂。

    (5)應用實例包括加熱爐、均熱爐、熱處理爐、燒結爐、熱風爐、蓄熱爐及蓄熱室的爐壁,金屬篦的表面、退火盤、退火罩、熱處理夾具、回轉窯外表面、高溫閥門、滑動閘板、煙道及煙囪等。多晶硅爐、燒結金屬成型、排氣消聲器、高爐風口、送風系統、燒結設備、鼓風系統、凈氣系統、排煙系統、退火爐輥、弗朗克林爐、熱金屬浸漬加熱器、鈦條、鍛造工具、加熱罩、焦爐密封裝置、鼓風冷卻系統、轉爐供氧系統、焦爐風口、連續澆鑄輥及冷卻砂型等。

    4.3耐腐蝕性氣體涂層

    (1)功能。這些涂層必須保護暴露于高溫腐蝕性氣體中的基體材料,由于氧化和化學反應同時存在,要防止涂層與氣體反應的生成物對基體產生破壞。

    (2)對耐腐蝕性氣體涂層的要求。這些涂層應該是:1)能經受高溫腐蝕性氣體;2)能經受周期性的熱沖及過熱;3)與基體熱膨脹系數要匹配。

    (3)推薦的噴涂材料有鎳鉻合金(但含硫介質除外),噴鋁封孔熱滲。

    (4)推薦的噴涂方法有等離子噴涂,燃燒火焰噴涂。

    (5)應用實例包括回轉窯內表面、釬焊夾具、碳化盒、排風機葉片、氰化處理坩堝、燃氣煙道系統、電廠鍋爐回管、煉焦爐管、轉爐用鍋爐等。

    4.4熱障涂層

    (1)功能。這些涂層的熱導性低,作為熱障以降低基體金屬的受熱程度。

    (2)對熱障涂層的要求。這些涂層應滿足:1)必須在工作溫度中耐氧化;2)有良好的耐熱沖性;3)與基體的熱膨脹系數盡可能接近;4)導熱率要低。

    (3)推薦的噴涂材料有氧化鋯、氧化鋁和鋯酸鎂。

    (4)推薦的噴涂方法為等離子噴涂。

    (5)應用實例包括高溫爐感應圈、釬焊和熱處理夾具、火炬熱障、加熱罩、高溫計套管、鑄鐵廠U形槽。

    4.5抗熔融金屬涂層

    (1)功能。這些涂層能經受鋅、鋁、鋼、鐵和銅等熔融金屬的作用。

    (2)對抗熔融金屬涂層的要求。這些涂層應滿足:1)能經受熔渣和熔劑的腐蝕作用和處于熔體液面附近的金屬蒸氣和氧的侵蝕;2)防止涂層與融體形成低熔合金;3)能經受熱疲勞和熱沖擊。

    (3)推薦的噴涂材料有氧化鋁、鋯酸鎂、白鎢和鉬。

    (4)推薦的噴涂方法有等離子噴涂、燃燒火焰噴涂。

    (5)應用實例包括鍍鋅槽、澆鑄槽、模具、風口、鋅蒸餾罐、冷凝管、鋅合金熔化爐、鍍鋅浸漬槽、高爐渣口、鑄鋁模、鑄銅模、連鑄機模、砂型鑄模、板塊結晶器、煉鋅攪拌裝置、結晶器護板、氧氣管噴嘴、轉爐吹氧槍、鋼包水口、金屬熔體測溫頭和石墨電極。

    4.6耐磨損涂層冶金工業生產中,各種機械設備失效的最大因素是磨損問題,而熱噴涂的最重要功能是提供耐磨損涂層,為大量的工程磨損進行有效的保護。這類涂層的應用范圍比其他類要廣泛。其磨損機理復雜,類型較多,加之冶金生產工況不一,因而這類涂層的功能與要求也不盡相同,茲分述如下:

    4.6.1耐粘著磨損涂層

    (1)功能。這些涂層有的容許磨粒嵌入和變形(軟支承表面);有的則是硬的支承材料(硬支承表面)。

    (2)對耐粘著磨損涂層的要求。這些涂層應滿足:1)依軟或硬支承的不同,選用不耐磨的軟質材料及耐磨的硬質材料;2)對硬支承來說,涂層要適應大載荷和高速度的要求。

    (3)推薦的噴涂材料有鋁青銅、磷青銅、巴氏合金、錫(以上是軟支承);自熔合金與鉬或銅的混合物、高碳鋼、不銹鋼、Co-WC合金、氧化物陶瓷等(以上是硬支承)。

   (4)推薦的噴涂方法有燃燒火焰噴涂(線材或粉材)、等離子噴涂。

    (5)應用實例包括巴氏合金軸瓦、水壓機軸套、止推軸瓦、活塞導承、壓氣機十字滑塊、銅合金襯套、防傷軸承、主齒輪軸頸。

    4.6.2耐磨粒磨損涂層

    磨粒磨損是磨損中的重要形式,當考慮到該過程處于不同溫度(<538℃為低溫,538～843℃為高溫)時,則該類涂層具有很廣的應用面。

    (1)功能。耐磨粒磨損涂層能經受外來磨粒的作用,或是發生于某一硬表面或軟表面之間滑動。

    (2)對耐磨粒磨損涂層的要求。這些涂層的硬度要超過所存磨粒的硬度;對工作溫度要適應,在高溫中要有良好的抗氧化性。

    (3)推薦的噴涂材料包括陶瓷、金屬陶瓷、合金和金屬,根據工況從中選定。

    (4)推薦的噴涂方法有等離子噴涂、燃燒火焰噴涂、高速火焰噴涂、爆炸噴涂和電弧噴涂。

    (5)應用實例包括礦石輸送系統、貯存設備、破碎系統、篩分系統、選礦系統、造粒系統、球磨機、抽風機葉片、拋光夾具,沖壓模、轉爐入料口、切斷機、液壓千斤頂、氧傳感器、鼓風爐體、高爐料鐘、泥漿泵活塞桿、拉絲絞盤、制動卷筒、擠壓模、導向桿、泵密封、鍛造工具、破碎輥、熱成型模具、各類曲軸、各類主軸和傳動軸、各種軸套、球磨機內襯、切削刀口、葉輪、機械密封套、閥座、各類齒輪、油壓機拉桿、葫蘆齒軸、車床拖板、電機端蓋、螺桿泵、沖頭、車床分配軸、混砂機刮板、磨煤機錘頭和沖擊板、浮選機螺旋、磨粉機襯膽、無心磨托板、給水泵平衡卷、金剛石工具、冷拔鋼管內模、鋼管、芯棒頂頭、制動鼓。各類軋輥———初軋輥、支撐輥、導衛板、夾送輥、成型輥、熱處理爐輥、推料輥、傳送輥、牽引輥、冷軋機輥、酸洗槽支承輥、鍍鋅槽浸沒輥等。

    4.6.3耐沖蝕涂層

    (1)功能。這些涂層能經受尖利的硬顆粒引起的磨損,這些顆粒存在于氣體或液體之中,并以一定的速度運動。

    (2)對耐沖蝕涂層的要求。這些涂層應滿足:1)選擇硬涂層,但沖擊角大于45℃時,同時應注意涂層的韌性;2)大多數涂層應進行封孔處理;3)涂層能經受介質的腐蝕性。

    (3)推薦的噴涂材料有合金、陶瓷、和金屬陶瓷。

    (4)推薦的噴涂方法有等離子噴涂、燃燒火焰噴涂和爆炸噴涂。

    (5)應用實例有抽風機、旋風收塵系統、切斷閥桿和閥座。

    4.7耐化學介質腐蝕涂層冶金工業,特別是濕法冶金工業,常碰到介質腐蝕給設備帶來危害的問題,若作業過程進行在較高溫度中,這一問題更為突出。選擇高級材質固然減緩這一問題,但不經濟。在很多情況下,采用熱噴涂技術能得到滿意的結果。例如,不必采用不銹鋼制作設備的整體,只須用普鋼在其工作表面噴涂一層不銹鋼涂層。同樣,根據介質及其他工況情況,可以噴銅、鋁、鉬、蒙乃爾合金、鎳鉻合金、鎳鉻鉬鈦合金(316L)等,使設備身價倍增。當然,并非熱噴涂能有效地解決所有的腐蝕問題。事實上,采用這項技術解決帶有強腐蝕性問題,是一項十分慎重的工作,有些方面和某些環節還要研究與探討。