（化工过程机械专业论文）电弧喷涂修复铸铁烘缸工艺及其涂层性能研究.pdf

电弧喷涂修复铸铁烘缸工艺 及其涂层性能研究 摘要 铸铁零件由于其优良的价格性能比而得到了广泛的应用，但因为它力 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，因此开发高效、经 济的铸铁修复方法无疑具有重要的意义。 本文分析了铸铁零件的失效，主要是针对造纸烘缸，通过调研对烘缸 表面失效的问题进行研究分析，发现其失效主要是由于腐蚀和磨损而使得 表面出现了沟纹引起的。通过比较现有的各种不同修复方法的特点后，认 为这种大型零件更适合用电弧喷涂工艺加以修复。 在分析电弧喷涂工艺对涂层质量影响的基础上，对烘缸的喷涂修复工 艺进行了研究，最终选用3 c r l 3 、1 c r l 8 n i 9 t i 和磷青铜丝材作为喷涂材料， 采用正交设计原理确定喷涂工艺，考察的工艺参数分别为喷涂电流、喷涂 电压、喷涂距离和雾化空气压力。对每个工艺参数分别选取3 个水平，根据 b ( 3 4 ) 正交表，建立正交设计方案。按照正交表制备好涂层后，对涂层进 行了结合强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性和x 射线衍射分析及表面与界面形 貌电镜扫描检测，获得了喷涂涂层性能良好的喷涂材料和最佳工艺参数组 合，以及3 种涂层材料的组织和物理性能方面的综合评价，为电弧喷涂的实 际应用打下了一定的理论基础。研究表明：影响涂层性能稳定性的工艺参 数主要是电弧电流，其次是喷涂距离，选用的三种喷涂材料都可对烘缸进 行修复，其中1 c r l 8 n i 9 t i 涂层具有很好的耐磨耐蚀性，尤其是具有很高的 耐磨性，极其适用于类似烘缸的铸铁零件的修复及表面强化，在实际修复 工艺中应优先选用；3 c r l 3 涂层的结合强度最高，在对于以径向应力为主要 失效的条件下，应考虑使用；磷青铜涂层的耐蚀性最好，而且其表面磨光 后外观呈淡黄色，很美观，但结合强度和耐磨性较差，而且价格也比其它 两种贵，一般应在装饰性零件的修复中可以应用。在实际应用中，对于3 c r l 3 涂层最佳的喷涂工艺参数组合是：喷涂电流为2 3 0 a ，电弧电压为3 5 v ，喷 涂距离为2 4 0 m m ，空气压力为0 6 m p a ；对于1 c r l 8 n i 9 t i 涂层最佳的喷涂工 艺参数组合是：喷涂电流为2 3 0 a ，电弧电压为3 6 v ，喷涂距离为2 2 0 m m ， 空气压力为0 6 m p a ：对于磷青铜涂层最佳的喷涂工艺参数组合是：喷涂电 流为1 8 0 a ，电弧电压为3 4 v ，喷涂距离为1 2 0 m m ，空气压力为0 4 m p a 。 关键字：电弧喷涂，3 c r l 3 ，1 c r l 8 n i 9 t i ，磷青铜，烘缸，性能研究 s t u d yo na r cs p r a y d 叮gt e c h n o l o go f r e p a i l u n gc a s ti r o nd r y e ra n dt h e p e r f o r m a n c eo fs p r a yc o a t d 呵g a b s t r a c t c a s ti r o np a r t si sw i d e l ya p p l i e db e c a u s eo fi t sf i n ec o s tp e r f o r m a n c e ， b u ti t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ew o r s e ，a n di ti se a s yt ob e c o m ef a i l u r e ， e s p e c i a l l yi t ss u r f a c ei sc o r r o s i v ea n dw e a r i n g ，s oi t h a sg r e a te c o n o m ya n d c o m m u n i t yb e n e f i tt or e p a i re f f e c t i v e l y i ti sl i m i t e d i nac e r t a i ne x t e n to ft h e c o m n l o nr e p a i r i n gm e t h o da tp r e s e n t ，s oi th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et o e m p o l d e rh i 曲e f f i c i e n c ya n de c o n o m i c a lm e t h o do f r e p a i r i n gc a s ti r o n c a s ti r o np a r t st h a tw a sb e c a m ef a i l u r ew a sa n a l y z e di nt h i sp a p e r , i ta i m s a tt h ep r o b l e mt h a ts u r f a c eo fp a p e rd r y e ri sf a i l u r et o a n a l y z et h r o u g h i n v e s t i g a t i o no nt h es p o r ta n df i n d st h a t i tw a sc a u s e db yc o r r o s i o na n d w e a r i n g a f t e rc o m p a r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h e v a r i o u sd i f f e r e n c er e p a i r i n g w a y ，i te d u c e sac o n c l u s i o nt h a ta r cs p r a y i n gt e c h n o l o g yi ss u i tt or e p a i rt h i s k i n do fc o r r o s i v ea n dw e a r i n gl a r g e s i z ep a r t s o nt h eb a s i so f a n a l y s i st h a ta r cs p r a y i n gt e c h n o l o g yh a ss o m ei n f l u e n c et o c o a t i n gq u a l i t y , i tr e s e a r c h e sa r cs p r a y i n gt e c h n o l o g yo f r e p a i r i n gd r y e ra n d d e t e r m i n e st oc h o o s e3 c r l 3 ，1 c r l 8 n i 9 t ia n dp h o s p h o rb r o n z ef o rs p r a y i n g m a t e r i a l ，a d o p t so r t h o g o n a ld e s i g np r i n c i p l et oc o n f i r ms p r a y i n gt e c h n o l o g y ， i tr e s e a r c h e st h es p r a y i n gc u r r e n t ，a r cv o l t a g e ，s p r a y i n gd i s t a n c ea n da i r p r e s s u r e i tc h o o s e s3l e v e l sf o re v e r yt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r , a n ds e t su po r t h o g o n a l d e s i g ns c h e m ea c c o r d i n gt oo r t h o g o u a lt a b l eo fl 9 ( 3 ) i td e t e c t sa d h e s i v e s t r e n g t h , h a r d n e s s ，w e a r i n gr e s i s t a n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，xp a t t e r na n a l y s i s a n dm o r p h o l o g yo f s u r f a c ea n di n t e r f a c eo f c o a t i n g ，a n do b t a i nt h eg o o d p e r f o r m a n c eo fs p r a y i n gm a t e r i a la n dt h eb e s tt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r c o m b i n a t i o no fs p r a y i n gc o a t i n ga n ds y n t h e s i se v a l u a t i o ni n c l u d i n gp h y s i c a l a n dc h e m i cp e r f o r m a n c eo f3s p r a y i n gc o a t i n g ，s oi th o l d ss o m et h e o r e t i cf o r p r a c t i c ea p p l i c a t i o no fa r cs p r a y i n g t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o wt h a tt h e m a i np a r a m e t e ri n f l u e n c et h es t a b i l i t yo fc o a t i n gp r o p e r t i e si st h es p r a y i n g c u r r e n tf i r s t l ya n di st h es p r a y i n gd i s t a n c es e c o n d l y ，t h o s e3s p r a y i n gm a t e r i a l h i a l lc a r lb eu s e dt or e p a i rd r y e r , t h e r ei n t o ，1 c r l 8 n i 9 t ic o a t i n gh a se x t r e m e l y w e a r i n gr e s i s t a n c ea n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，e s p e c i a l l y , i th a sh i g hw e a r i n g r e s i s t a n c ea n ds u i t st or e p a i ra n dc o n s o l i d a t ec a s ti r o np a r tl i k ed r y e r , s oi tc a n b ec h o s e nf i r s t l yi np r a c t i c er e p a i r i n gt e c h n o l o g y ；3 c r l 3c 0 咖h a st h eh i g h e s t a d h e s i v es 仃e n g t h ，w h e nt h ef a i l u r ew a sc a u s e db yr a d i a ls t r e s sm a i n l y , i ts h o u l d b ea d v i s e dt ou s e ；p h o s p h o rb r o n z ec o a t i n gh a st h eb e s tc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ， a n di t ss u r f a c ew a sv e r yb e a u t i f u la f t e rb u r n i s h e d ，b u ti t sa d h e s i v es t r e n g t ha n d w e a r i n gr e s i s t a n c ei sw o r s e t h a no t h e rt w om a t e r i a la n di t sp r i c ei sh i g h e r , s oi t u s u a l l yc a nb eu s e d t or e p a i ro r n a m e n t a ls p a r ep a r t i nt h ep r a c t i c ea p p l i c a t i o n ， t h eb e s ts p r a y i n gt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ro f 3 c r l 3c o a t i n gi st h a ts p r a y i n g c u r r e n ti s2 3 0 a ，s p r a y i n gd i s t a n c ei s2 4 0 m m , a r cv o l t a g ei s3 6 va n da i r p r e s s u r ei s0 6 m p a ；t h eb e s ts p r a y i n gt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ro f1 c r l 8 n i 9 t i c o a t i n gi st h a ts p r a y i n gc u r r e n ti s2 3 0 a ，s p r a y i n gd i s t a n c ei s2 2 0 m m , a r c v o l t a g ei s3 5 v a n da i rp r e s s u r ei s0 6 m p a ；t h eb e s ts p r a y i n gt e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e ro f p h o s p h o rb r o n z ec o a t i n gi st h a ts p r a y i n gc u r r e n ti st 8 0 a , s p r a y i n g d i s t a n c ei s1 2 0 r a m , a r cv o l t a g ei s3 4 va n da i rp r e s s u r ei s0 4 m p a k e yw o r d s ：a r cs p r a y i n g ，3 c r l 3 ， p e r f o r m a n c er e s e a r c h 电弧喷涂修复铸铁烘缸工艺及其涂层性能研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：至当 日期： 2 q q 2 生堇旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件乖电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：至堡导师签名：_ ! 丝 e l期： 2 q q z 生三旦 电弧喷涂修复铸铁烘缸工艺及其涂层性能研究 1 引言 1 1 选题背景和意义 工程上生产和维修都是生产力的重要因素，设备维修是保持和恢复设备完好性并 充分发挥其性能的根本途径。现代生活中的维修，已经成为未来的投资，是保护资源、 再生资源，使资源得到充分利用的重要手段。它适合我国的国情，能大量节约能源和 资源，体现了科技尽快转化为生产力的要求，符合可持续发展战略，体现绿色维修理 念，成为社会持续发展的重要技术途径之一【l - 习。 随着知识经济时代的到来，技术的发展和产品的更新日益加快，新材料、新工艺 不断出现，大大提高了机械设备及其零部件的可靠性和使用寿命。但是，迅速发展的 现代工业对机械工业产品提出了更高的要求，尤其是某些机械零部件表面耐磨、耐蚀 及耐热性能的要求日益提高。因此，兼有防护功能、强化零件表面、恢复零件尺寸等 用途的一种新型表面技术熟喷涂技术应运而生，并且已成为金属表面处理领域中- 十分活跃的分支之一，成为如锻造、铸造、焊接、热处理等独立的加工工艺。在机械 工业中，许多因表面磨损而失效的零件可以用热喷涂进行修复闭，它不但节省材料、 节约能源，而且可以大大提高机械产品的质量，延长产品的使用寿命，并有效的降低。 成本，在机械产品制造和表面强化及零部件的修复上得到广泛应用，是一项优质、高 效的维修表面工程技术1 4 1 。热喷涂技术领域中的一个重要分支电弧喷涂技术，虽 然只是在2 0 世纪8 0 年代才兴起，但它以其卓越的优点备受青睐。随着电弧喷涂设备m 的日臻完善、新兴喷涂材料的不断出现以及对电弧喷涂工艺过程和基础理论研究的不 断深入，特别是电弧喷涂用管状丝材的开发和应用使电弧喷涂技术得到越来越广泛的 应用，成为最具有活力和应用前景的热喷涂技术之一嗍。目前，电弧喷涂技术已在大 面积长效防腐、修复与强化大型关键设备及进口零部件国产化等方面得到广泛应用。 在修复和表面强化方面，它的成功事例有挤压机柱塞套筒、大型齿轮、汽轮机缸盖、 发电机底座、造纸烘缸以及各种轴类转予等 1 0 l , q 。 大多机械零部件不仅需要合适的机械强度，而且需要良好的表面耐磨抗蚀性能。 在众多材料中，铸铁以其成本低廉、易于铸造成型及其良好的综合机械性能而被广泛 应用，它是近代工业生产中应用最为广泛的一种金属材料。铸铁含碳量在2 以上， 含硅量在2 左右，其组织疏松，虽力学性能较差，但它却有优良的耐磨性、减震性、 铸造性和可切削性。目前，铸铁的应用已涉及到机械、矿山、冶金、农机、轻工等各 个部门。据统计，按重量百分比计算，铸铁零件在汽车制造业中约占5 0 0 0 - 7 0 ，机 床和重型机械制造业中约占6 0 - - , 9 0 ，农业机械中约占4 0 【一1 。 陕西科技大学硕士学位论文 铸铁零件失效通常包括以下几种：铸造缺陷、加工尺寸超差及局部损伤等失效； 在使用过程中，由于局部磨损、损伤、腐蚀等导致零部件的失效等i l s l 1 1 1 国内外铸铁零件修复技术 目前，国内外对失效铸铁零件常用的修复技术包括焊接( 包括熔焊、堆焊、钎焊、 溶解扩散焊四种) 、刷镀、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；刷镀镀层厚度较小( 1 - 1 0 0 0 肛m ) ，粘接层冲击强度和剥离强度低， 且容易老化i - 恻正因为如此，限制了它们在零件修复中的应用。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、缸套等进行激光表面 淬火，能明显改善零件的耐磨性嘲。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、等离子体等热源，将某种丝材或粉末材料如金属、 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 加速喷射到基体，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 与基体或已形成的涂层之间在不断的发生碰撞变形凝固和收缩过程中不断 堆积，最后形成一定厚度的涂层i z t - x l 。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，是表面工程发展的基础l 哪，属于表面工程技术领域中比较 前沿的技术嘲。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，使用不同的热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 2 z - 2 1 , 1 。 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，从普通的氧乙炔火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、氩气或氩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到高速火焰喷涂的数百米每秒，甚至达 到近千米每秒( 爆炸喷涂) ；从普通喷涂材料的研究到使喷涂材料之间发生化学反应 能转变为热能来制造涂层的方法；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 2 电弧喷涂修复铸铁烘缸工艺及其涂层性能研究 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 3 0 - ，1 1 。 目前，利用电弧喷涂在铸铁件上制备耐磨、耐蚀等特殊功能性涂层的技术已经得 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辊子等。 1 1 2 选题依据 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，但因为 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，备受人们的 青睐，再加之电弧喷涂设备、材料、工艺飞速发展，极大地拓宽了它的应用领域。 目前，科研工作者们对电弧喷涂工艺进行了大量的研究，但常见的研究多集中于 各类钢材基体与铝基体，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修复仍未摆脱经验性和随意性。 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 以固熔方式溶于铁素体中，多数c 则以石 墨形态存在。石墨占有大量铸铁表面，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 2 2 1 ，喷涂时基体 受热，气体溢出，易导致涂层孔隙率增大，涂层与基体的结合强度降低。 ( 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。 在造纸工业中，烘缸是继压榨部之后的重要干燥部件，是烘干部的大型关键设备， 对改善纸页的强度及平滑度，减少纸页的两面差有重要的意义。由于其为铸铁材质， 烘缸内通1 2 0 蒸汽，外表面接触纸浆中腐蚀介质，使得表面严重腐蚀，而且还与刮 刀接触进而存在磨损问题嗍，使得烘缸表面产生刮痕，这将降低纸张的表面质量。如 果按照习惯去换新的，花费将很大，但良好的修复技术会变废为新，大大降低成本。 本课题就是在此基础上提出并进行实验研究的。 1 2 电弧喷涂技术的应用现状。a 电弧喷涂技术可以制备多种功能性涂层，并在各行各业都可以找到用途，不仅可 以在金属基材表面喷涂，还可以在混凝土、雕塑等非金属基材表面喷涂，对被喷涂件 陕西科技大学硕士学位论文 的形状和大小也没有限制，所以电弧喷涂技术的用途十分广泛。 1 2 1 长效防腐涂层的应用 锌、铝及锌铝合金是长效防腐的主要涂层材料，锌与铝具有比铁更低的电极电位， 对钢铁基体起有阳极保护作用，广泛用于钢铁构件耐大气、淡水、海水和土壤环境的 长效防腐涂层。锌在大气、淡水与土壤中有相当高的耐蚀性能，适用于p h 值为6 1 2 的环境，但在s 0 2 工业大气，海水中耐蚀性较差，在6 7 c 以上大气、淡水中由于电 极电位的“跃变”，失去对钢铁基体的阳极保护作用，不耐酸碱腐蚀，不宜用于食品 工业。铝对钢铁基体的阳极保护作用又因在表面形成坚固致密的三氧化二铝薄膜起有 惰性保护作用，适用于各种大气环境( 特别是s 0 2 工业大气) 、淡水、海水及p h 值为 4 5 8 5 的环境。实践表明，在工业大气、淡水、海水及土壤环境下选择相应的电弧 喷锌、喷铝涂层加上封闭技术所组成的涂层体系可为钢铁构件提供2 0 年以上的长效 防护。金属涂层的使用寿命与单位面积的涂层重量成正比，锌涂层厚度可在0 0 5 0 5 0 m m 、铝涂层厚度可在0 1 0 2 5 m m 间。国内已成功地应用于建筑桥梁，海洋钻 井平台，闸门、广播电视天线、雷达天线、输电铁塔、电缆支架、公路护栏、灯柱、 高架人行道，各种储罐、管道等。 近几年应用电弧喷涂技术治理船舶钢结构腐蚀己引起有关部门的重视，取得了较 好的成绩。采用由电弧喷铝涂层，有机封闭涂料涂层，常规船舶面层涂料组成的长效 防腐喷铝涂层体系，据有关部门组织的电弧喷铝治理舰船的实验与评审工作认为：经 实船实验与理论计算电弧喷铝技术可使舰船钢铁结构在1 5 2 0 年内基本不受腐蚀。 而目前采用的有机涂层防腐体系其寿命仅1 2 年。 煤矿井筒大型钢铁构件处于严重的腐蚀环境中，矿井的设计寿命为5 0 年，甚至 1 0 0 年，现行的防腐工艺为除锈，刷漆，其平均寿命3 5 年。采用电弧喷涂锌铝复合 涂层后，其使用寿命在3 0 年以上经我国山西、河南、安徽、山东等地煤矿矿井应 用表明电弧喷涂是最经济的长效防腐方法。 球墨铸铁离心浇注管道量大面广，广泛用于工业及民用输水管道，外壁喷锌对管 壁已经减薄的球铁管道尤为重要。国外铸管生产厂在铸管球化退火后( 保持管温4 0 0 0 以上) 直接喷锌；国内已经建成若干条铸管喷锌生产线，采用大功率电弧喷涂及喷锌， 单机生产率每小时达6 0 公斤，涂层厚度控制在6 0 8 0 聊间。球墨铸铁管采用喷锌 与沥青涂层体系后按有关国际标准使用寿命在1 0 0 年以上。 1 2 2 机械零件修复与预保护 以3 c r l 3 钢为代表的高铬马氏体不锈钢丝( 包括2 c r l 3 ，3 c r l 3 以及具有白粘结 作用的7 c r l 3 管丝) 喷涂后收缩性小，可以得到较厚的涂层，空冷可直接得到马氏体 组织，涂层有较高的硬度与耐磨性，因含高铬还具有较好的耐蚀性，涂层可以用硬质 4 电弧喷涂修复铸铁烘缸工艺及其涂层性能研究 合金刀具切削与磨削加工。常用这类涂层作大型关键机械零件为曲轴，柱塞等修复与 新件预保护。 电弧喷涂成功地修复了大量因磨损而失效的电机转子轴、花键、汽车的曲轴，一 般修复成本仅为换新件的2 0 3 0 ，由于采用耐磨材料喷涂，修复后的零件不仅可 以重新使用，而且还提高了使用寿命，具有明显的经济效益 2 - q 。在耐磨领域中，电弧 喷涂可用于修复热轧辊的轴承，经喷涂3 c r l 3 涂层，既耐磨又有较好的耐蚀性能。英 国轧钢厂已应用在生产制造中。国内应用电弧喷涂修复大型曲轴也取得了进展，如长 江三峡工程中挖泥船的发动机曲轴，如从日本购买新轴，加上运费和进口关税等需人 民币1 2 0 多万元，从定购到交货需3 个月以上，其停产损失更为严重，而利用电弧喷 涂修理，总费用仅3 5 万元，不足曲轴价格的3 ，其经济效益十分明显。美国公司 采用电弧喷涂技术修复直径达数米的造纸烘缸取得了成功，国内也有应用，但目前还 未见电弧喷涂修复烘缸表面的详细报道和深入的研究。 1 2 3 工业锅炉受热管件耐高温腐蚀涂层的应用 动力、造纸、化工等工业用锅炉受热管件的高温腐蚀问题严重，受热管件中的水 冷壁管，过热器管，再热器管，省煤器管常因过早失效而严重影响锅炉安全运行，造 成很大的经济损失。电弧喷涂已成为锅炉受热管件防止高温腐蚀的最有效手段。它与 其他热喷涂方法比，选用专用丝材形成非消耗性涂层，喷涂效率高，缩短锅炉停工检 修时间，施工费用低，现场适应性强，在环境恶劣的锅炉作业现场保持稳定的喷涂质 量。实践表明，锅炉受热管件经喷砂，打磨去除腐蚀表层，喷涂具有自粘结性能的镍 铬钛与铁铬铝专用丝材，涂层厚0 3 8 m m ，结合强度可达4 8 m p a ，受热管件在7 l o 年内可正常运行。 1 2 4 电弧喷涂快速制模技术 现代工业中塑料制品应用领域日益扩大，塑料制品换型十分频繁，要求缩短制造 周期，许多企业需要快速、经济的模具制造技术。电弧喷涂快速制模技术具有生产周 期短，制模成本低，原型尺寸不受限制，尤其适合难以机械加工，图形复杂带有装饰 花纹的型腔模具。可用于反应注塑成型工艺中聚氨酯零件如汽车的驾驶盘、仪表盘、 座垫、靠垫、阻流板、汽车内装饰顶棚，民用建筑的隔热材料，轻工业中的鞋底等。 电弧喷涂快速制模技术的工艺材料包括熔点适中，涂层致密，低气孔率的锌铝合 金，锡铋合金丝材：具有良好成膜性能、耐热性能和脱模性能的脱模剂；由环氧树脂 和有色金属粉末组成的浇注填充材料p 日。 1 3 本论文研究的目的和内容 本论文是对铸铁零件的失效而进行修复，主要是针对造纸烘缸由于腐蚀磨损失效 而影响生产甚至停产造成巨大损失而提出的，虽然目前修复的工艺很多，国内有关单 陕西科技大学硕士学位论文 位及专业厂家采用磨削加工、电镀、环氧树脂涂层、金属粉末粘结、玻璃钢包复等方 法修复，但这些方法都不适应外层腐蚀较深的烘缸的修复，为此我们采用目前应用最 为广泛的修复工艺电弧喷涂工艺，本文分析了烘缸失效的原因，通过选用不同的 喷涂材料在不同的工艺条件下，制得涂层，然后对涂层的性能进行了实验研究，以得 出最佳的修复材料和最佳的修复工艺参数，以便在实际应用中得到最佳利用效果。 ( 1 ) 现场调研 通过对兴包集团有限责任公司的现场调研，对烘缸腐蚀磨损的问题进行研究分 析，总结出了烘缸失效的原因和机理，确定了烘缸修复涂层的性能。 ( 2 ) 机理分析 在现场调研的基础上，针对烘缸失效的实际情况，根据理论分析，制定出烘缸的 修复方案，确定电弧喷涂为最佳方案；并确定电弧喷涂的喷涂材料及最佳工艺参数； 进一步研究电弧喷涂涂层的各项性能。 ( 3 ) 实验模拟 实验研究可分为现场实验和实验室实验两种。前者真实性和可靠性最强，一般情 况下，由于实验周期长，消耗人力、财力大，使用参数不宜控制，所以这种实验方法 受到一定的限制。实验室实验是指在实验室条件下模拟使用条件的一种实验，它的实 验周期短，影响因素容易控制，消耗人力、物力较小。所以一般情况是采用室内实验 及研究方法。 具体的实验方法如下：准备试样；试样表面处理；选定喷涂材料，确定工 艺参数；进行电弧喷涂；喷涂后涂层的处理；涂层性能的测试：用拉伸实验机 测定涂层结合强度，用磨损实验机测试涂层的耐磨性；模拟烘缸使用环境，用生产纸 张的白水做腐蚀液研究涂层的腐蚀性；用里氏硬度计测试涂层的宏观硬度：用电子扫 描显微镜来观察在最佳工艺条件下涂层的组织形貌，用x 射线衍射仪对涂层的相组成 进行分析。 6 电弧喷涂修复铸铁烘缸工艺及其涂层性能研究 2 电弧喷涂技术简介 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m 拥，已成为热喷涂领域中最引人注目的技术之一 2 1 电弧喷涂原理 电弧喷涂是利用两根连续送进的金属丝材作为自耗电极，在其端部产生电弧作为 热源，利用压缩空气将熔化了的丝材雾化，并以高的速度喷向工件表面形成涂层的一 种热喷涂方法。其工作原理如图2 1 所示p 堋： l i口65 卜直流电源；2 - 丝盘；3 一金属丝；4 - 送丝滚轮；5 - 导电块；6 - 导电嘴； 7 一空气喷嘴；8 - 压缩空气；9 - 电弧；1 0 - 喷涂粒子；“一涂层；1 2 一工件 图2 - 1 电弧喷涂原理图 f i 9 2 1p r i n c i p l es k e t c hm a p o f a r cs p r a y i n g 喷涂时，用送丝装置将两根丝状喷涂材料均匀连续地分别送入电弧喷涂枪中的两 个导电嘴内，导电嘴分别接电源的正、负级，并保证两根丝在未接触之前绝缘。当两 丝材端部在入嘴后互相接触时，期间就形成短路而产生电弧，使丝材端部瞬间熔化， 然后用压缩空气将熔化的金属雾化并呈微熔滴，以很高的速度喷射到工作表面，形成 电弧喷涂层 3 s i 。 2 2 电弧喷涂技术的特点3 7 - 4 1 电弧喷涂技术在制备防腐蚀涂层、防磨损涂层、机械设备修复强化、装饰性涂层 和其他特种功能性涂层等方面具有独特的优越性，主要包括以下几方面： ( 1 ) 涂层结合强度较高、硬度高、孔隙率低 7 陕西科技大学硕士学位论文 电弧喷涂涂层所能达到的高结合强度和优异的涂层性能是其突出的优点。在不提 高工件基体温度、不使用贵重底材的情况下，电弧喷涂涂层所具有的优异表面性能和 高结合强度就能满足大多数工程应用的需要。喷涂层的结合强度取决于喷涂时粒子的 热能与动能。电弧喷涂时粒子尺寸大，飞行速度快，具有较大的动能，这些粒子在 6 0 0 0 k 高温的电弧区得到了充分的加热，足够的热能与动能使这些粒子能沿工件表面 有充分变形趋势，有可能与工件发生局部冶金结合，微熔滴加热温度、喷射速度都比 火焰喷涂时高，从而获得较高的结合强度和涂层自身强度。实验表明，电弧喷涂涂层 的结合强度是火焰喷涂涂层的2 5 倍。电弧喷涂形成的涂层显微硬度比喷涂材料高 3 0 * , - - 8 0 。电弧喷涂涂层的孔隙率小于8 ，低于火焰喷涂所得涂层孔隙率 ( 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 量大实验表明：喷涂电流为3 0 0 a 时，每小时可喷各种钢丝约1 5 k g ，可喷z n 约3 0 k g ， 喷a l 可达1 0 k g ，相当于火焰喷涂的4 5 倍。此外，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 电弧喷涂是热喷涂方法中能源利用率最充分的方法，其利用率高6 0 7 0 ，而 火焰线材喷涂仅为1 3 ，等离子喷涂为1 2 。由于能耗低降低了喷涂成本，电弧喷涂 时的电费只相当于火焰喷涂时氧气和乙炔气费用的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。因此，电弧喷涂是一种十分经济的热喷涂 方法。 ( 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备的1 4 1 6 ，而且电弧喷涂设备体积小、 重量轻、移动方便、易损件少、维修方便、易于现场施工 ( 5 ) 喷涂质量稳定 电弧喷涂时所有粒子均由线材经电弧熔化后雾化而成，粒子得到了充分而均匀的 加热。火焰喷涂时火焰温度低而且分布不均匀，为使粒子充分加热常要限制粒子飞行 速度，这常导致涂层质量下降。等离子喷涂也需要各参数良好配合及严格控制才能保 证涂层的高质量。在一些不适宜严密控制喷涂参数的现场，电弧喷涂可以在较宽容的 喷涂条件下得到可靠的涂层质量。 基于以上优点，电弧喷涂技术成为一种极为广泛应用的表面技术。据专家预测， 随着电弧喷涂设备和材料的发展，电弧喷涂技术的应用范围将进一步扩大，不仅可取 代火焰喷涂，甚至可以部分取代等离子喷涂和超音速火焰喷涂。但是，电弧喷涂过程 又是一个十分复杂的高温、非匀态的流体力学过程f 恻，影响涂层性能的因素较多 s 电弧喷涂修复铸铁烘缸工艺及其涂层性能研究 2 3 电弧喷涂设备嗍 电弧喷涂设备由电源、送丝系统、喷枪、控制系统及压缩空气系统等五部分组成。 电源提供喷涂过程所需的能量，并维持电弧稳定。送丝系统将丝材从丝盘中拉出，通 过送丝软管进入喷枪，在喷枪内通过导电嘴接触带电而引燃电弧。供气系统控制与调 整全部喷涂程序。电弧喷涂设备按送丝方式不同分为推丝式与拉丝式，又按喷枪夹持 方式分为手持式与固定式两种。 2 3 1 电源 喷涂电源是向电弧供电的系统，电弧吸收电能通过能量交换释放热量以满足喷涂 过程丝材的熔化与沉积。电源性能影响电弧燃烧稳定性、喷涂过程稳定性及涂层的质 量。 ( 1 ) 电源组成 电弧喷涂通常采用变压器整流器直流电源，以硅二极管作整流器元件。硅整 流电源结构简单，坚固耐用，噪声小，维修方便。它将5 0 6 0 h z 三相交流网络电压通 过降压变压器降至5 0 v 内，经硅整流器获得直流电源对喷涂电弧供电。电源主电路由 降压变压器、硅整流器，外特性调节机构等组成。 ( 2 ) 电源特点 喷涂电源早期沿用具有下降特性的直流弧焊电源，其缺点是喷涂时无法维持较低 的工作电压值，不仅浪费电能而且喷涂金属严重氧化，操作使用时也难以通过改变送 丝速度来调节喷涂电流。目前已采用专用的喷涂电流，这种电源的外特性即在稳定状 态下其输出电压与输出电流的关系曲线具有恒压特性，也称平特性电源。 平特性电源具有良好的弧长自调节作用，当电弧长度受到外晃因素而变动时，电 源会产生很大的电流变化值，丝材的熔化速度随之有较大的变化，促使电弧迅速恢复 到原来弧长。弧长自调节作用能保持一定的弧长，维持电弧稳定燃烧。这对于控制雾 化金属的粒子尺寸及金属的烧损率，稳定涂层质量十分重要。此外，平特性电源的短 路电流较大，引弧容易，还具有防止电弧回烧导电嘴的保护作用。 ( 3 ) 电源输出参数调节 喷涂电源采用抽头式主变压器，通过抽头换档有级调节所需的空载电压。空载电 压一般分为八级，电压范围常在2 2 4 0 v 问。设定空载电压后，在喷涂过程中只须改 变送丝速度可调节喷涂电流。因此对不同的金属丝材与工艺需要可以方便地对电弧电 压及电流加以调节。 2 3 2 送丝系统 送丝系统通常由送丝机构( 包括直流伺服电机，减速器，压紧机构) ，送丝软膏、 丝盘等组成。送丝系统的作用是将两根互相绝缘的金属丝稳定地自动送入电弧区。丝 9 陕西科技大学硕士学位论文 盘上的金属丝经过安装在减速器输出轴上的送丝轮组成由送丝轮驱动进入送丝软管 及喷枪内的导电嘴( 推丝式系统) ，或者金属丝先经过送丝软管然后再经过其余部分 进入喷嘴内的导电嘴( 拉丝式系统) 。 2 3 3 电弧喷涂枪 电弧喷涂枪分手持式与固定式两类。手持式操作灵便，万能性强，固定式常用于 喷涂生产线。喷涂枪由壳体、导电嘴、喷嘴、雾化气帽、遮弧罩等组成。喷涂枪要完 成使金属丝材准确对中，维持电弧稳定燃烧，熔化丝材及雾化喷射功能。 导电嘴与喷嘴是喷涂枪的关键零件，直接影响喷涂层质量与过程稳定。金属丝材 在导电嘴中既要导电又要减少送丝阻力，导电嘴要有合适的孔径及长度。孔径过小送 丝阻力大，孔径过大导电性能不稳定，丝材对中性能也差甚至在导电嘴内引发电弧产 生粘连。导电嘴内壁要保持清洁，油污与氧化物会影响丝材导电性能，导电嘴受到金 属丝材的正常磨损应定期更换。两导电嘴的夹角常在3 0 0 6 0 0 问。 喷嘴对熔化金属起到有效雾化作用。喷嘴有开放式与封闭式两种。开放式喷嘴其 雾化气流从导电嘴出丝端后方喷出，压缩空气动能利用不充分，对电弧没有压缩作用， 射流不集中，雾化效果差，目前应用不多封闭式喷嘴置于导电嘴前方，与开放式喷 嘴相比具有二次雾化效果。因此熔化金属粒子更细更均匀，涂层组织明显细化，结合 强度较高。国内外对改进喷嘴雾化效果比较重视，已有多种封闭式喷嘴结构型式 2 3 4 控制系统 电弧喷涂设备的控制系统具体构成虽因设备而异，但均应包含压缩隆起减压器， 压力表，空气滤清器，油水分离器，电流表，电压表，喷涂开关，电流调节钮，电压 调节钮，电器安全装置。 2 4 电弧喷涂层材料选择 正确选择涂层材料是涂层设计的重要内容，关系到喷涂层能否达到预期使用寿 命。电弧喷涂使用的是丝材，凡能轧、拔成丝材的金属与合金都可以用于电弧喷涂， 常用的有铁、镍、铜、铝、锌、锡及其合金和管状丝材，其材料性能和应用见表2 - 1 p 日。 表2 1 电弧喷涂的材料的应用范围和实例 t a b 2 一l a p p l i c a t i o n r a n g ea n d e x a m p l e o f a r cs p r a y i n g m a t e r i a l l o 电弧喷涂修复铸铁烘缸工艺及其涂层性能研究 陕西科技大学硕士学位论文 2 5 电弧喷涂工艺过程 电弧喷涂工艺过程包括工件喷涂前的表面预处理、喷涂、涂层后处理。在选择工 艺之前，弄清以下几个方面的问题至关重要【划： ( 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；是否用过其它的表面处理方法；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；尺寸和变形极限及精度等级； 机械加工性能。 ( 4 ) 经济上的