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金属粉末火焰喷焊技术 1 一 热喷涂喷焊技术发展简介 最早的热喷涂装置由瑞士科学家M V Schoop发明的 原理是将熔化的金属液注入到由旋管喷出的热空气流中 被雾化喷射到工件表面 1913年Schoop利用氧 乙炔焰加热金属丝原理 制成了早期的气喷涂装置 1920年日本人江泽谦二郎发明了电弧喷涂装置 三十年代 美国Metco公司发明了用空气涡轮和马达送丝的MetcoE型和K型气喷涂装置 同期英国人Schori发明了粉末型火焰喷枪 2 热喷涂喷焊技术发展简介 二战前后 喷涂的应用已扩展到喷锌 喷铝 防腐 耐热 抗氧化等方面 1953年 H S Sayre发明了 自熔合金 这是热喷涂技术的重大突破 50年代后期 美国联合碳化物公司发明了爆炸喷涂 同期美国Plasmayne公司发明了等离子喷涂技术 60年代 Metco公司发明了放热型自熔合包复粉末 60年代后期 日本九洲大学栖原发明了线爆喷涂技术 3 热喷涂喷焊技术发展简介 70年代捷克 瑞士 美国先后研制成功80千瓦高能高速等离子喷涂设备 80出现了超音速喷涂设备 4 二 热喷涂材料简介 1 分类金属及其合金自熔合金粉末陶瓷材料塑料复合粉末 5 热喷涂材料简介 2 对热喷涂材料的要求 良好的使用性能 耐磨 耐蚀 耐高温 抗氧化 导电 绝缘等 热稳定性 不升华 不分解 不挥发 不发生晶格转变 热膨胀系数和导热率与母材接近 良好的固态流动性 良好的润湿性和液态流动性 6 热喷涂材料简介 3 自熔合金的性质及在喷焊中的应用 自熔合金定义 含硼和硅元素 低熔点 自脱氧 与基体湿润性良好的合金 自熔合金的特点 熔点低流动性好能自行脱氧 造渣能形成高硬度的弥散强化相 7 热喷涂材料简介 分类 镍基合金钴基合金铁基合金 8 热喷涂材料简介 合金元素在自熔合金中的作用硼 硅元素脱氧 造渣降低合金熔点 提高固液相温度范围形成弥散强化相 提高硬度和强度 9 1100 1050 1000 950 温度 12345 硼含量对熔化温度的影响 B 液相线 固相线 10 温度 110010501000950 3 544 555 5Si 硅含量对熔化温度的影响 11 镍基自熔合金 1镍的作用基体材料 占70 以上 提高韧性提高耐蚀性2铬的作用铬约占15 左右形成硬质点的主要元素Cr23C6 Cr7C3 Cr2B CrB还能形成碳化铬和硼化铬与镍形成固溶体 使基体固溶强化 12 3碳的作用形成碳化物 提高合金的硬度和耐磨性能增加合金的脆性 一般控制在1 以下 碳与镍形成低熔点共晶体 降低合金熔点 13 4合金粉末的主要技术指标硬度 HRC粉末含氧量 O 小于0 1 粒度 目Fe含量 Fe含量高会降低合金的膨胀系数松装比 g cm3 摇实比 g cm3 流动性 s 50g 粉末圆度 14 4镍基合金的性能耐磨性 在低应力磨粒磨损条件下 镍基合金涂层的耐磨性比相同硬度的碳素钢高8 10倍 在镍基合金中加入适当的WC CrB 耐磨性能进一步提高耐蚀性 镍基合金涂层有优良的耐热 耐蚀 和抗氧化性能红硬性 镍基合金具有较高的红硬性原于硼化物的作用 500度时仍有很高的硬度 15 100755025 2468101214 失重 mg cm2 时间 t Cr13 18 8 在Cr13上喷焊 在18 8上喷焊 介质 10 盐酸 镍基自熔合金与不锈钢耐蚀性比较 16 HRC 100200300400500600700温度 6050403020 镍基合金硬度随温度变化情况 17 涂层结构和基体表面制备 1涂层结构特点涂层是层状结构 由涂层的形成过程决定 涂层的物理特性有方向性涂层中存在内应力涂层化学成份存在不均匀性涂层的多孔性2涂层与基体的结合机理机械结合金属键力结合微扩散结合 在界面形成微小的扩散微焊接结合 18 基体表面制备 1预清洁去油 除锈等2加工注意边角的过渡3粗化 喷砂主要参数有 磨料类型 多棱角 磨料粒度 压缩空气压力 工件表面硬度 压缩空气清洁度 无水无油 喷砂角度等 机加工法车螺纹 滚花等车螺纹的优点是 粗化了结合的表面 增加结合面积 提高涂层的剪切强度 减不涂层的应力叠加 镍拉毛电火花加工方法 适于工件表面硬度 不能采用喷砂和机加工方法的工件注意 粗化后的工件应在2小时内进行喷涂 19 输送辊喷焊工艺及检验要点 1辊坯管坯 无缝管 状态 去应力 管坯加工 车螺纹 R角 防表面污染R角喷砂定期检查压缩空气质量 油水含量 喷前粗化处理定期检查砂子是否标准 粒度和棱角 检查喷砂质量 Sa2 5 压缩空气压力和流量清洁度控制 去油去水 温度和大气露点 20 2温度控制红外测温 反射系数 预热 300 温度检测热电偶测温喷预保护涂层 约0 1mm 加热 温度控制 小于500 重熔温度控制 1000 1100 镜面反射冷却 旋转冷却至300 以下 拆卸 立放至室温 21 3涂层均匀性控制涂层的均匀性是输送辊喷焊的一项关键技术 涂层均匀性好的优点是 降低喷焊成本降低喷焊层的内应力降低加工难度涂层均匀性控制目标 涂层不均匀性小于0 2mm控制机床的稳定性粉轴送粉管送粉器送粉精度控制喷咀控制涂层均匀性的方法合金粉载气氧气 燃气 压缩空气压力和流量重熔温度控制 22 4重熔控制重熔时须对加热温度进行精确控制 温度过高会造成喷焊层淌流 温度过低会造成喷焊层熔化不充分而出现生粉 只有对加热温度进行精确控制才能保证喷焊层质量 具体的做法是 1 确保辊坯的加工精度 为重熔时建立均匀 稳定的温度场创造条件 2 重熔过程采用计算机程序控制 3 对粉末的物理性能进行调整 将其熔化的温度范围调宽 使镜面加宽 进而降低重熔难度 23 5变形控制 1 轴向变形控制采用弹性卡具控制辊子的轴向变形 经计算及实测 喷焊时辊子 300 1500 的轴向彭胀量一般在15 20mm范围内 径向彭胀量在3mm左右 为此采用弹性卡具 如图所示 在保证一定夹紧力的情况下 辊子在加热和冷却时能自由胀缩 这样可防辊子由于轴向固定而产生旁弯 24 弹性夹具示意图 25 2 径向变形的控制 采用环向加热的方式进行重熔 避免了由于单枪加热造成的加热不均的问题 由于辊子材质不同 其轧制的应力状态不同 因而每种辊子的径向收缩量也不尽相同 但是每批管子的材质和应力状态是基本相似的 椐此我们根据每批管子的前三根喷焊试验确定其径向收缩量 并根据径向收缩量及该材料的彭胀系数确定喷粉的厚度 计算方法如下 L k d t t0 l注 L 喷粉厚度 mm k 辊筒材料的线彭胀系数 d 辊子直径 mm t 辊子温度 t0 环境温度 l 径向收缩量 mm 该数根据试验测得 26 6裂纹产生的原因及对策由于喷焊材料本身硬度高 脆性大 韧性差 因此在喷焊时及易产生裂纹 如照片所示 在工艺上必需采取措施加以解决 裂纹产生的原因主要有以下几个方面 1 喷焊层材料与母材不匹配 当喷焊层材料与母材的热彭胀系数相差较大时 在辊子加热和冷却时由于彭胀量不一样 会产生较大的内应力 当内应力超过临界值时就会在喷焊层产生裂纹 2 喷焊层与母材结合不好 如由于母材表面过度氧化 使喷焊层与母材没有达到完全冶金结合或重熔时熔化不充分等也会使喷焊层产生裂纹 27 28 3 辊子本身刚性较大 喷焊时产生的应力无法充分的释放而使喷焊层产生裂纹 根据试验 喷焊时当辊子的变形收缩量小于0 1mm时 喷焊层产生裂纹的倾向会大大增加 照片中的裂纹就是由于这一原因产生的 4 喷焊层材料本身也是产生裂纹的一个重要原因 如喷焊层材料中碳的含量过高等都会增加裂纹倾向 29 针对裂纹问题采取的措施 1 尽量选用与喷焊层材料匹配的母材 一般情况下喷焊层材料的热胀系数为13 10 6 700 时 母材的材料的热彭系数应尽量与其接近 如喷焊Ni基合金时 首选的母材材料为20号钢 2 合理安排工序 如图1所示 芯轴的安装顺序对喷焊影响很大 如果先装芯轴后喷焊 会增加辊子两端的刚性 喷焊时易产生裂纹 而先喷焊则可避免这一问题 3 喷焊时确保各环节的操作不会导致辊面及喷焊层过度氧化 如预热温度不能过高 预热后应及时进行预保护喷涂 经粗化处理的辊面不能放置过长时间等 确保喷焊层与母材形成完全冶金结合 4 喷焊后避免辊子快速冷却 必要时要采取缓冷措施 30 7喷焊层质量控制喷焊层质量控制在生产中始终是最重要的 但由于缺乏非破坏检验的有效方法 对喷焊层质量作出正确的评价 这个问题就变的十分复杂 因此严格掌控每个工艺环节才是喷焊层质量控制的唯一途径 总之 为了做到喷焊层的全面质量控制必须有设备保证 材料保证 工艺保证和检验保证 1 设备的稳定性和可靠性 2 材料的质量化学成份 粉末的粒度及分布 粉末的几何尺寸都须严格控制 3 工艺措施沉积效率是涂层质量控制的一个重要指标 沉积效率的高低与涂层质量成正比 4 检验保证喷焊层的检验控制以保证产品的喷涂条件为主 以各种试验