（农业机械化工程专业论文）铸铁零件喷砂电弧喷涂修复工艺研究.pdf

独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。 据我所知，除了 文中 特别加以 标注和致谢 人己 经发表或撰写过的矶究成果，也不包含为获得 不包含其他 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对木研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明 确的说明 并表示谢惫. 学位论文作者签名: 签 字 日 期 :诚 年g p i $ q 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解 在使用过程中，由于局部磨损、 铸造缺陷;加工尺寸超差及局部损伤等 损伤、腐蚀等导致零部件的失效等(2 7 1 . 1 . 1 国内外协铁祥件.盆技术 目 前，国内外对失效铸铁零件常用的修复技术通常包括焊接 ( 包括熔焊、 堆焊、钎焊、溶解扩散焊四种) 、刷被、粘接、热喷涂等或它们之间的组合。 熔焊、堆焊焊接难度大， . 对修复零件的热影响大，易导致修复零件的形状精度 发生变化;钎焊的强度一般较低。耐热能力较差;溶解扩散焊对待焊表面的制 备和装配要求高、焊接工艺复杂、 设备一次性投资大; 刷镶镶层厚度较小 ( l g m - 1 m m ) ; 粘接层冲击强度和剥离强度低， 且容易老化(2 2- 3 2 1 .正因为此， 限制了它们在修复中的广泛应用。近年来，灰口 铸铁激光表面淬火在国内外得 到了广泛的应用， 如对灰口铸铁缸体、缸套等进行激光淬火，能明显改善零件 的耐磨性川 .但该方法存在设备投资 大、 操作难度大等缺点。 热喷涂技术通过火焰、电弧和等离子体等热源，将某种线材和粉末状材料 如金属、合金、陶瓷、塑料以 及各种复合材料加热到熔化或半熔化状态，借助 气流高速雾化并加速喷射到塞体.喷涂材料经过加热熔化、雾化、飞行、撞击 变形四个阶段， 熔粒在与荃体或已 形成的涂层之间在不断发生碰撞变形一 一凝固和收缩过程中不断堆积， 最后形成一定厚度的涂层“ 0 - 1 2 1热喷涂技术 是一门新兴的表面强化技术，是表面工程中重要的表面技术，是表面工程发展 的荃础( + ) ,属于表面工程技术领域中比较前沿的技术( 3 1 1 . 经过 9 0多年的发展， 热喷涂技术已成为一项综合性的高科技技术，已成为金属表面处理领域中十分 活跃的分支之一， 并广泛地应用于航空、 航天、 冶金、 电子、 机械制造、 煤炭、 电力、石油、化工、食品、纺织、兵器等领域。它不仅是表面工程技术的一个 重要组成部分，而且将成为直接制造具有特殊性能零部件和产品的工艺手段。 通过热喷涂技术， 使用不同的喷涂材料可以 使零件表面获得耐磨、 耐热、 耐蚀、 抗氧化、密封、润滑、导电、绝缘、辐射或防辐射等各种特殊性能， 特别是耐 磨、 耐 蚀涂层在 机械零 件的 修复中 起到 越来越大的 作用 (3 3 - 3 9 ) 随着当代科学技术的发展，热喷涂技术已突破了传统的热喷涂技术概念。 通过对热喷涂热源的研究和发展， 从普通的氧乙炔焰发展到多种燃气源( 如 丙烷、丙烯、石油液化气以及其他碳氢化合物焰等) ，电源也从电弧发展到等 离子体、激光、电 子束等， 尤其是等离子体作为热源发展更为多样， 形成等离 子喷涂的气体以氮气和氢气的混合物、组气或红氢气的混合物到采用空气和水 稳定的等离子焰:对提高热喷涂熔粒飞行速度的研究，从最原始的几十米每秒 提高到高速火焰喷涂的数百米每秒，甚至达到近千米每秒 ( 场炸喷涂) ;从普 通喷涂材料的研究到使喷涂材料之间发生化学反应产生的化学能转变为热能来 打砖水弃大奋城士母位份友 制造涂层方法:先进材料、先进工艺、先进设备的研制和开发，使以机械结合 为主要结合方式的热喷涂涂层逐渐向合金化结合、钎焊结合.甚至为冶金结合 转变，从而使涂层质量和性能在很大程度上得到了提高川 一 4l. 目前，利用等离子喷涂在铸铁件上制备耐磨、耐蚀等特殊功能性涂层的技 术己经得到了普遍的应用，例如采用该技术成功地修复了大型印刷机棍子等。 1 . 2 电弧喷涂技术 电弧喷涂技术是热喷涂技术的一种，也是表面工程的重要组成部分。在近 4 0年的发展历程中，随着喷涂设备、喷涂材料、喷涂工艺的不断发展与更新， 电弧喷涂技术得到了飞跃性的发展和推广应用(4 9 - 3 0 ) ，己成为热喷涂领域中最 引人注目的技术之一。 1 . 2 . 1 电弧喷徐技术的荃本原理 电弧喷涂是以电弧为热源，将熔化的金属丝用高速气流雾化，并以高速喷 射到基体形成涂层的一种工艺. 喷涂时，两根丝状喷涂材料经送丝机构均匀、连续地送进电弧喷涂枪上的 两个导电嘴内，导电嘴分别接电源的正、负极，并保证两根金属丝尖端在未接 触前绝缘，当两根丝材尖端部位接触时，由于短路在端部之间形成电弧，电弧 放热使丝材端部融化。高压空气将电弧熔化的金属雾化成微熔滴，并将微熔滴 加速喷射到基体表面，形成涂层。喷涂及涂层形成过程如图1 -1 所示 5 1 - 3 4 1 。 臼赢缨。 人怂训1巾一卜 人规娜1协沁 妇引引引州引泪引妇 抓 卜 f啥 卜 j尸 ， 【 卜 少艺 卜 1 卜 步 艺步 艺 、 34困 巨 之、 、喷涂材料 2 .热源及雾化系统 3 .喷涂粒子束 4 .涂层 5 .墓体 6 、冲击过程 7 .碰撞过程 8 、变形过程 9 .凝固一收缩过程 图 1 - 1涂层形成过程示竞图 1 .2 .2 电 弧 喷 涂 技 术的 特点 11 9 . 2 1 . 5 3 - 3 9 1 ( 1 )涂层结合强度较高、硬度高、孔隙率低 电弧喷涂时，熔滴温度可达 6 0 0 0 以上，微熔滴加热温度、喷射速度都 比火焰喷涂时高，因此粒子的动能和热能都较高，从而获得较高的结合强度和 时此水六大 李减士李位恰我 涂层强度。试验表明，电 弧喷涂层的结合强度约是火焰喷涂层的2 .5 倍。电弧 喷涂形成的涂层硬度比喷涂材料要提高 3 0 6/ 0 - -8 0 0/ 6 。电弧喷涂涂层的孔隙率小 于8 %，低于火焰喷涂所得涂层的孔隙率。 ( 2 )生产率高、安全可靠 电弧喷涂的生产率正比于喷涂电流，它的高效率表现在单位时间内喷涂金 属 的 质 f 大 . 试 验 表 明 : 喷 涂 电 流 为3 0 6 a 时 ， 喷z n 效 率 可 达3 0 k g /h , 喷a i 可达 i o k g / h 。电 弧喷涂技术仅使用电 源和压缩空气，不用氧气、乙 炔等易燃 气体，安全性高。 ( 3 )能源利用率高、喷涂成本低 电弧喷涂有很高的热效率，高达 6 0 6/ 07 0 6/ 0 。电弧喷涂成本约为火焰喷涂 的1 / 5 - - 1 / 1 0 ， 等离子喷涂成本的1 / 5 - 1 / 2 0 ，而其喷涂效率却提高了 近一倍。 ( 4 )设备造价低、使用维修方便、便于现场施工 电弧喷涂设备成本只有等离子喷涂设各的 1 / 4 - 1 / 6 。而且电弧喷涂设备体 积小、重t轻、移动方便，易损件少，维修方便，易于现场施工。 但是，电弧喷涂过程是一个十分复杂的高温、非均态的流体力学过程 s s 1 影响涂层性能的因素较多。 1 .2 .3 电弧喷徐技术展墓 在近 4 0年的发展历程中，尤其是近 2 0年来，电弧喷涂技术得到了迅速 的发展，通过电弧喷涂技术可以制备光滑、致密、结合强度高的高质量涂层， 接近于等离子喷涂的水平， 0 - 6 1 1 ，在国际上已部分取代火焰喷涂和等离子喷涂 6 2 1 .据统计，在所有的热喷涂技术中，电弧喷涂的应用市场比例己接近第三 位。电弧喷涂技术的进步主要表现在喷涂材料、喷涂设备、喷涂理论三方面研 究所取得的成效。 1 .2 . 3 . 1 材料的进展 近年来，随着电弧喷涂技术的发展，电弧喷涂丝材的品种不断增加，例如 复合丝、自 粘接复合丝、巴氏合金丝、铝宵铜丝、超低碳不锈钢丝，功能性涂 层进一步完善，如耐磨、抗氛化、隔热、导电、减摩等等，逐渐形成一个较为 完整的体系，使涂层的性能得到很大提高.金属管状丝材6 ) 1 的研制成功，大 大拓宽了电 弧喷涂材料的范围，由 于不受拉拔丝的限制， 使许多优秀的材料， 甚至是不导电的材料 ( 如氧化物、碳化物、陶瓷等)的电弧喷涂成为可能。它 的优点主要表现在以下两个方面: ( 1 )能有效地改警涂层的性能，如提高涂层与墓体的结合强度。选择合 适组分的金属复合粉 ( 如镍、铝) ，使它们在喷涂过程中，熔化后发生放热反 应对熔滴和基材表面进行辅助加热，提高涂层与基体间的结合w1 0 和owk. 打晓浓弃大毋峨*毋位格我 甚至可使基体表面出现微观范围内的熔融薄层，形成微观冶金结合，进一步提 高涂层与基体间的结合强度. ( 2 )粉末管状丝材可方便改变喷涂材料的化学成分，保证涂层制备时能 形成不同性能要求的组织结构。并且粉末管状丝材的制造较合金钢丝容易的 多，适于小批it生产6 , - 6 e ) . 1 . 2 . 3 . 2 墓础理论及工艺的进展 目前，对电弧喷涂技术的理论研究主要集中在:反应机理、 温度场、速度 场16 9 - 7 0 1 粒子状态及影响因素 7 1 - 7 4) ，界面扩散及冶金反应 7 5 - 7 6 1 、涂层性能及 涂层质量的评定和计算及其模拟 7 7 - 6 t 等方面。 1 . 2 .3 .3 喷涂设各的 进展 为进一步拓宽电弧喷涂技术的应用范围，科研工作者在引进国外技术的基 础上研制了适合我国国情的电弧喷涂设备，已开发出离速电弧喷涂 ( h v a s ) , 低压 ( 真空)电弧喷涂、保护气体电弧喷涂、然烧电弧喷涂 ( c o m a r c ) ,复合 超音速电弧喷涂 ( s o n a r c )技术等:研制出新型电弧喷涂枪，提高了雾化效 果，降低了涂层孔隙率:改进了喷涂电源，大大地提高喷涂电源的稳定性;通 过对喷涂设备的自 动化改造，使计算机控制和机器人操作等技术在电弧喷涂中 的实现成为现实 t 9 - 9 7 1 . 1 . 3 选.依据及本研究的目 的宜义 由前所述可知，铸铁零件由于其优良的价格性能比而得到了广泛的应用。 但由于它力学性能较差，在使用中易造成零部件的失效，尤其是表面因磨损、 腐蚀而导致的失效，对它进行及时有效的修复具有巨大的经济效益和社会效 益。目 前常用的修复方法在实施上均受到一定程度的限制，如修复尺寸和使用 环境受到限制、修复后零件的几何形状精度发生变化、金相组织和应力分布发 生变化、加工性能变差等。因此开发高效、经济的铸铁修复方法无疑具有重要 的意义。 电弧喷涂技术具有设备投资小、操作简单方便、涂层质量高等优点，倍受 人们的青睐，再加上电弧喷涂设备、材料、工艺的飞速发展，极大地拓展了它 的应用领域。 目前，科研工作者们对电弧喷涂工艺进行了大盆的研究，但常见的研究多 集中于各类钢材墓体及铝基体，对于铸铁基体电弧喷涂工艺的系统研究则未见 详细报道.因而对铸铁零件采用电弧喷涂仍未摆脱经验和随意性. 铸铁与其它基体电弧喷涂相比，具有以下特点: ( 1 )对于铸铁基体，因其导热率低于一般钢材，它对熔滴的冷却作用较 河政浓六大毋城士毋位格人 钢材差，有利于熔滴在凝固前的流动而使变形充分。 ( 2 )铸铁含有较多的 c , s i 元素，s i 以固溶方式溶于铁素体中，多数 c 则以石墨状态存在.石墨占 有大里铸铁表面，减少了喷涂材料与铸铁的实际结 合面积。 ( 3 )铸铁组织疏松，石墨与氧和氢有很高的活性，容易吸附气体19 4 1 。喷 涂时 荃体受 热， 气体 逸出， 易导致 涂层孔隙 率增大， 涂层与 荃体的 结 合强 度降 低。 ( 4 )在进行喷砂粗化处理时，铸铁和钢材相比，其塑性低，砂粒的撞击 和冲刷使其不易形成 “ 钩” 状，从而不利于涂层与基体的机械结合。 本课题的目的:一是研究铸铁荃体电弧喷涂前的表面预处理工艺一一表面 净化和粗化处理;二是优化3 c r 1 3 丝材应用于铸铁基体电弧喷涂工艺规范。 本课题的意义在于指导电弧喷涂技术在铸铁零件修复生产实践中的应用， 为解决电弧喷涂技术在铸铁荃体上的成功应用莫定坚实的墓础。 阿此浪六大 毋城士毋位恰炙 2 电弧喷涂工艺过程 电弧喷涂 艺过程包括一件喷涂前的表面预处理、喷涂、涂层后处理。在 选择 r 一 艺之前.弄清以下几个方面的问题至关重要(9 5 ( 1 零件的服役情况 主要包括零件在何种介质中工作; 零件的工作温度:零件的受力情况以 及 负荷大小;零件的失效原因。 ( 2 )零件的理化状态 主要包括零件的材质、成分、尺寸和外形:是否用过其他表面处理方法; 热膨胀系数;以及需修复的部位和面积。 ( 3 )对涂层的技术要求 主要包括涂层的厚度、硬度、结合强度和耐蚀性等:尺寸和变形极限及梢 度等级:机械加工性能。 ( 4 ) 经济上的合理性 采用电弧喷涂技术对失效零件的修复，除了技术上可行性外，还应该考虑 经济上的合理性。一般情况下，喷涂费用只占零件价格的 2 0 % 左右，但是经 过喷涂的零件其使用寿命比未经喷涂的零件提高几倍甚至几十倍。对于大型、 生产周期长、制造成本高的零件用电弧喷涂技术修复，其经济效益很高。 2 . 1 裹面顶处理 在喷涂之前，待喷涂的荃体表面必须经过加工处理，使其清洁、粗糙，同 时把其修正成适当形状。表面预处理是涂层制备工艺过程中非常重要的一步， 其处理质量直接影响到涂层与基体的结合性能，对涂层的使用寿命有决定性的 影响 9 6 - 9 7 。预处理工艺，通常是通过机械加工、化学清洗及粗化处理等方法， 去 除变性层及基体表面附着的油污、 油漆、氧化皮等杂质， 粗化基体表面， 使 表面露出新鲜金属从而保证获得性能优良的涂层195 】 。在实际生产中，可根据 涂层的应用状况、喷涂材料的种类以及基体表面的原始状况等采取不同的预处 理方法。 2 . 1 . 1 衰面预加工 表面预加工的目 的是消除工件表面的各种损伤 ( 如污物、 变性层、 疲劳层、 腐蚀层等) 和表面硬化层，修整不均匀的表面形状以获得满足涂层附着的外表 形状，并保证喷涂层具有一定的厚度。 ( 1 )消除零件表面的各种损伤 目前对零件表面摩擦和磨损过程的研究表明，当零件表层金属被磨损，金 属微粒脱离开表面时，零件表面不仅在尺寸和重量上发生量的变化，而且摩擦 汀此农六大 毋艰 衡毋位怜大 表面的金属在产生塑性变形的同时，因磨损表面的局部高温，加速了周围空气 中氧和氮向金属中的扩散，从而在塑性变形层中产生残余应力和金属组织的变 化，导致零件在表面向心部方向上的硬度发生很大变化，形成一个变性层。因 此使用喷涂法修复零件时，用磨削或车削加工方