表面涂敷技术.ppt

第6章表面涂敷技术 6 1堆焊6 2热喷涂 6 1堆焊 堆焊 是借用焊接的手段对金属材料表面进行厚膜改质 作用 对本来是用一般材料制成的零件 通过堆焊一层高合金 可使其性能得到明显的改善或提高 堆焊也是修复的方法 较小的母材稀释 较高的熔敷速度 优良的堆焊层性能 堆焊希望具备的特点 金属表面堆焊的特点 1 堆焊的目的是表面改质 因此 堆焊材料与基体差别很大 具有异种金属焊接的特点 2 与整个基体相比 堆焊层仍是很薄的一层 因此 其本身对整体强度的贡献小 只要能承受表面耐磨等要求即可 结合力也无很高要求 一般冶金结合即可 3 要保证堆焊层自身的高性能 要求尽可能低的稀释率 4 堆焊用于强化某些表面 因而希望焊层尽可能平整 均匀 堆焊材料与基体应有尽可能好的润湿性和流平性 堆焊较其它表面处理方法的优点 1 堆焊层与基体金属的结合为冶金结合 结合强度高 抗冲击性能好 2 堆焊层金属的成分和性能调节方便 可以设计出各种合金体系 以适应不同的工况条件 3 堆焊层厚度较大 一般堆焊层厚度可在2 3 内调节 更适合于严重磨损的工况条件 4 堆焊方法具有高的性能价格比 当工件的基体采用普通材料 表面采用高合金堆焊层时 可以降低制造成本 二 堆焊的应用1 恢复工件由于磨损或腐蚀造成的尺寸减小2 制备抗磨损层3 制备抗腐蚀层 异种金属熔焊 堆焊 理论 一 熔合区的形成与结构1 熔合区所谓熔合区一般包括熔合线和具有结晶层与扩散层的过渡区段 焊缝完全冷却以后 熔合区一部分由基体金属组成 另一部分由焊缝金属组成 2 熔合区的结构特点只要晶格相同 基体金属与焊缝金属的熔合区就有相容性 根据结晶方向和尺寸相适应的规律 被焊金属晶格的相差不超过9 会产生共同结晶 这时在熔合区内就出现从一种晶格过渡到另一种晶格的单原子层 此过渡层总是受到一定的应力 一般说来 手工电弧焊时 过渡层的厚度约为0 4 0 6 而用埋弧焊时 约为0 25 0 5 二 扩散过渡层 在堆焊过程中 固态基体金属和液态金属互相作用引起熔合区内异扩散 异扩散速度的大小取决于温度 接触时间 浓度梯度和原子的迁移率 异扩散过渡层往往会损害焊层的性能 当基体金属与堆焊金属的成分相差很大时 在焊缝金属熔合线附近 会形成一个成分变化不定的区域 即扩散过渡层 熔合区内形成扩散过渡层 在钢中这种扩散运动能力最强的是碳 堆焊合金的类型及性能 一堆焊合金的类型 1 低碳低合金钢 性能特点是含碳量小于0 3 合金元素总量少于5 Mn Cr Si为主 冲击韧性好 易于机械加工 用于金属间磨损的零件 如轴类 齿轮等 2 中碳低合金钢 性能特点是含碳量0 3 0 6 合金元素总量少于5 Cr Mn Mo Si为主 抗压强度高 适合于受中等冲击的磨损零件 3 高碳低合金钢 性能特点是含碳量0 7 1 0 合金总量约5 Mn Cr Si为主 硬度较高 用于不受冲击或弱冲击的低应力磨料磨损零件 如推土机铲刃等 4 铬 钼 铬 钨热稳定钢 性能特点是含碳量0 5 左右 Cr W Mo V为主要合金元素 红硬性好 高温耐磨性好 用于热作模具堆焊 5 高铬钢 性能特点是Cr13系 含碳0 1 0 4 Cr12系 含碳0 9 1 5 含Cr大于12 组织为马氏体 铁素体 有良好的耐磨及耐腐蚀性 用于有腐蚀介质的磨料磨损或金属间磨损 6 奥氏体高锰钢和铬锰钢 性能特点是Mn含量大于12 铬锰钢有较好的耐腐蚀性 Mn13可以冲击相变 用于严重冲击条件下的零件 如矿石铲斗 碎石机等 7 奥氏体镍铬钢 性能特点是在Cr18Ni8基础上 加入S Mo V Mn W等元素 提高耐腐蚀及耐热性能 用于阀门 阀座 石油化工工业中的反应器 容器等防腐或耐热堆焊 8 高速钢 性能特点是含碳量0 7 1 0 左右 Cr3 8 4 5 W17 19 V1 0 1 5 为主要合金元素 用于刀具修复堆焊 9 马氏体合金铸铁 性能特点是含碳量2 4 以白口铸铁为基 加入W Cr Mo Mn Ni等元素 合金总量15 20 用于低应力磨料磨损的场合 10 高铬合金铸铁 性能特点是含碳1 5 4 5 铬22 32 加入Si Mn Ni Mo B等合金 用于抗低应力和高硬度磨料腐损场合 11 碳化钨合金 性能特点是含WC45 以上 粒状WC在堆焊中应避免熔化 达到最佳抗磨损性能 基体可以是铁基 镍基或钴基 12 钴基合金 性能特点是含钴30 70 Cr25 33 W3 25 钴基合金具有最佳综合性能 主要用于重要的耐高温 冲击 热疲劳 高磨损的工件 13 镍基合金 性能特点是Ni Cr B Si堆焊合金堆焊时 润湿性好 流动性好 堆焊金属硬度HRC50 60 用于抗磨损堆焊 Ni Cr Mo W具有抗强硫腐蚀能力 用于防腐堆焊 二堆焊材料的选择 堆焊方法 一 手工电弧堆焊 1 为降低稀释率应采用小电流 短弧长 慢速度的方法 焊接电流应比普通焊条小10 15 2 为防止堆焊层开裂 对于一些用于与泥沙 粉尘 矿石直接磨损的工件 堆焊金属一般选用高铬合金铸铁堆焊条 如基体为低碳 低合金钢 韧性较好 可以允许堆焊层存在密集的小裂纹时 应采取相应的工艺措施 防止堆焊层开裂主要措施有 在保证堆焊层性能的前提下 选择与基体材料线膨胀系数相近的堆焊合金 以减小由于膨胀系数不同造成的热应力 采取预热 中间消氢热处理 焊后缓冷的工艺方法 预热温度可以根据堆焊金属的碳当量确定 3 当堆焊金属或母材硬度很高时 可先在基体上堆焊一层高塑性材料作为堆焊过渡层 如不锈钢或镍基合金 可防止裂纹形成 4 为防止工件变形 对批量较大的工件 应采用专用工卡具 以防止变形 也可以采用预制反变形法 二 氧 乙炔堆焊 氧 乙炔火焰温度较低 3050 3100 火焰加热面积大 可获得较低的稀释率 1 10 堆焊层厚度较小 可在1 左右 氧 乙炔火焰尤其适用于堆焊碳化钨管状焊丝 这种合金在氧 乙炔火焰堆焊时WC颗粒不熔化 能最好地发挥WC的耐磨性 1 焊前工件表面的除油 除锈 2 将工件放平防止铁水流出 3 用碳化焰将工件表面加热至半熔化温度 添入堆焊材料进行堆焊 堆焊时不要使母材完全熔化形成熔池 4 堆焊时 焊丝和熔化区应处于还原焰的保护中 以防止堆焊金属氧化 5 单层堆焊一般在2 3 厚 厚度不够时可用多层堆焊 必要时可用火焰重熔堆焊层 以消除缺陷 堆焊时的注意事项 不同堆焊方法特点比较 6 2热喷涂 概念 采用气体 液体燃料或电弧 等离子弧 激光等作热源 使金属 合金 陶瓷 氧化物 碳化物 塑料等喷涂材料加热到熔融或半熔融状态 通过高温气流使其雾化 然后喷射 沉积到经过预处理的工件表面 从而形成附着牢固的表面层的加工方法 按涂层加热和结合方式 可分为喷涂和喷熔两种 喷涂时基体不熔化 涂层与基体形成机械结合 喷熔是涂层经再加热重熔 涂层与基体互溶并扩散形成冶金结合 喷涂与堆焊的根本区别在于母材基体不熔化或者极少熔化 热喷涂的种类 热喷涂的种类 按加热喷涂材料时的热源种类分 电弧喷枪 电弧喷涂设备 等离子喷涂设备 自动化等离子喷涂系统 爆炸喷涂设备 方法多 热喷涂的特点 但该技术仍存在着操作环境差 结合力低 孔隙率高 均匀性差等缺点 取材范围广 基体材料使用范围广 基体材料受热影响小 涂层厚度可以控制 工效高 操作程序少 速度快 成本低 被喷涂物件的大小一般不受限制 预处理 热喷涂 后处理 清洗 粗糙化 对不喷涂部位的保护 表面精加工 改善涂层质量 热喷涂工艺 喷涂层的形成机理 喷涂过程 喷涂材料的熔化 粒子的喷涂阶段 熔化的喷涂材料的雾化 粒子的飞行阶段 喷涂材料的加热熔化阶段在粉末喷涂时 喷涂粉末在热源所产生的高温区被加热到熔化状态或软化状态 在线材喷涂时 线材的端部进入热源所产生的温度场的高温区时很快被加热熔化 熔化的液体金属以熔滴状存在于线材端部 加热熔化 熔滴的雾化阶段在粉末喷涂时 被熔化或软化的粉末在外加压缩气流或者热源本身的射流的推动下向前喷射 不发生粉末的破碎细化和雾化过程 在线材喷涂时 线材端部的熔滴在外加压缩气流或者热源自身射流的作用下 克服表面张力脱离线材端部 并被雾化成细小的熔粒随射流向前喷射 加热熔化 雾化 粒子的飞行阶段离开热源高温区的熔化态或软化态的粒子在气流或射流的推动作用下向前喷射 在到达基体表面之前的飞行阶段 在飞行过程中 粒子的飞行速度随着粒子离喷嘴距离的增大而发生如下的变化 粒子首先被气流或射流加速 飞行速度从小到大 到达一定距离后飞行速度逐渐变小 这些具有一定温度和飞行速度的粒子到达基体表面时即进入喷涂阶段 加热熔化 雾化 飞行 粒子的喷涂阶段到达基体表面的粒子具有一定的温度和速度 粒子的尺寸范围为几十微米到几百微米 速度高达每秒几十到几百米 未碰撞前粒子温度为粒子成分所决定的熔点温度 在产生碰撞的瞬间 粒子将其动能转化为热能传给基体 粒子在碰撞过程中发生变形 成为扁平状粒子 并在基体表面迅速凝固而形成涂层 涂层的形成过程 在基体或已形成的涂层表面不断地发生着粒子的碰撞 变形 冷凝收缩的过程 变形的颗粒与基体或涂层之间互相交错而结合在一起 粒子在与基体撞击直到冷凝的过程中 冷却速度极高 金属喷涂时为106 108 C sec 陶瓷喷涂时为104 106 C sec 该过程在10 7 10 6sec内完成 冲击碰撞变形凝固 收缩 涂层的结合机理 涂层的结合 涂层与基体的结合 涂层之间的结合 物理结合 机械结合 扩散结合 冶金结合 以机械结合为主 机械结合被热源升温到熔融状态且被气流加速的快速飞行的喷涂材料粒子与经过粗化处理的基体表面碰撞时 发生变形 成为扁平状 并随基体表面的凸凹不平而起伏 这些覆盖并紧贴基体表面的液态薄片 在冷却凝固时收缩咬住凸出点而形成机械结合 涂层与基体的结合 机械结合与基体表面的粗糙度有关 采用喷砂 粗车 车螺纹或化学腐蚀等方法来粗化基体表面 以提高涂层与基体的机械结合 另外 基体表面粗化使粉末凝固时的收缩应变分布在局部区域 减少了内应力 也有利于提高涂层与基体的结合强度 扩散结合高速运动的高温状态的喷涂粒子与基体表面碰撞而形成紧密接触时 在变形和高温的同时作用下 基体表面的原子得到足够的能量 涂层材料与基体表面间会发生原子的相互扩散 扩散的结果增加了涂层与基体的结合强度 也会在结合面上形成一层固溶体或金属间化合物层 物理结合当高速运动的高温状态的喷涂粒子与基体表面碰撞后 若二者之间紧接触的程度 使界面两侧原子之间达到原子晶格常数范围时 在涂层与基体间形成范德华力 物理结合 而提高结合强度 基体表面的清洁程度和喷涂粒子的氧化情况都会影响界面两侧原子间距离 从而影响物理结合 喷砂能使基体呈现异常清洁的高活性的新鲜金属表面 喷砂后立即喷涂可以增强物理结合程度 冶金结合在使用放热型喷涂材料或采用高温热源喷涂时 基体表面某些区域的温度达到基体的熔点 熔融态的喷涂材料的粒子会与熔化态的基体之间发生 焊合 现象 形成微区冶金结合 从而提高涂层与基体的结合强度 一般认为在涂层与基体之间机械结合起主要作用 同时 其它几种结合机理也在不同程度地起作用 其程度受粉末的成分 表面状态 温度 热物理性能等因素的影响 喷涂层内喷涂粒子间的结合以机械结合为主 而扩散结合 物理结合 冶金结合等也起一定作用 喷涂粒子在飞行过程中会发生表面反应 所生成的氧化物 氮化物的热膨胀系数会影响涂层间的结合强度 这些生成物的热膨胀系数一般小于金属 二者相差越大 涂层间结合强度越低 涂层的结构 涂层是由无数变形的粒子互相交错而呈波浪式堆迭在一起的层状组织结构 或者说涂层是由熔融粒子撞击后的扁平状的变形粒子组成 夹杂 由于喷涂时飞行中的高温粒子与喷涂工作气体或进入喷涂气氛的空气发生反应 使熔融粒子的表面不可避免地存在着氧化物夹杂 熔合区 在部分粒子之间会形成小区域的熔合区 即粒子间的界面消失而形成类似焊合的冶金结合 在粒子间的相互熔合区域不存在氧化膜 不完全熔融粒子 在涂层中可能存在因碰撞时未到达完全熔融状态而没有发生变形的圆形粒子 气孔 在变形粒子之间还可能存在着孔洞 由于喷涂工艺不当还可能引起其它缺陷 涂层结构中的缺陷 气孔形成的几种类型 c a 在喷涂过程中 一些熔融粒子在同方向上平行地到达基体表面时因阴影效果而形成气孔 b 扁平状粒子之间不完全堆积会形成气孔 c 在基材待喷涂表面的凹陷处若含有空气或其它气体时也会形成气孔 由上述可知 喷涂层是由变形颗粒 氧化物夹杂 未变形颗粒及气孔组成 涂层的结构特点取决于喷涂热源 材料及工艺等因素 选用高温热源 如激光热源 等离子弧 超音速喷涂 以及保护气氛或低压下喷涂 都可以减少涂层中的氧化物夹杂和气孔 改善涂层的结构和性能 喷涂层的结构还可以通过重熔处理来改善 涂层中的氧化物夹杂和孔隙会在重熔中消除 涂层的层状结构会变成均质结构 与基体的结合强度也会提高 改善涂层结构的方法 获得良好结合性能的方法 由上面的分析得出 喷涂粒子尺寸合适 到达基体表面时应保持液态 以保证粒子与基体的良好接触 喷涂粒子的飞行速度足够大 以使碰撞时产生足够大的动能 基