第五章 表面涂敷技术.ppt

2020 2 22 1 第五章表面涂敷技术 2020 2 22 2 涂料与涂装粘结与粘涂堆焊热喷涂电火花表面涂敷熔结热浸镀搪瓷涂敷陶瓷涂敷陶瓷涂层塑料涂敷 2020 2 22 3 热喷涂 热喷涂技术是采用气体 液体燃料或电弧 等离子弧 激光等作热源 使金属 合金 金属陶瓷 氧化物 碳化物 塑料以及它们的复合材料等喷涂材料加热到熔融或半熔融状态 通过高速气流使其雾化 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 将喷涂层再加热重熔 则产生冶金结合 这种方法称为热喷涂方法 2020 2 22 4 热喷涂特性 热喷涂能达到各种性能目的 耐磨性 耐热性 耐腐蚀 抗氧化和润滑等 适用材料广 金属 合金 陶瓷 水泥 塑料 石膏 木材等 喷涂层厚度达0 5 5mm 而且对基体材料的组织和性能影响很小 2020 2 22 5 一 热喷涂原理 1 喷涂涂层形成过程和涂层形成原理 2020 2 22 6 2 涂层结构 2020 2 22 7 涂层的结构 涂层是层状结构 是一层一层堆积而成 涂层的性能具有方向性 垂直和平行涂层方向上的性能是不一致的 部分孔隙或空洞 其孔隙率一般在4 20 之间 涂层中伴有氧化物和夹杂 涂层经适当处理后 结构会发生变化 2020 2 22 8 3 涂层结合机理 涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内部的结合 结合力 涂层与基体表面的结合强度 内聚力 涂层内部的结合强度 2020 2 22 9 涂层结合机理 1 机械结合 碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒 由于和凹凸不平的表面互相嵌合 形成机械钉扎而结合 一般说来 涂层与基体表面的结合以机械结合为主 2020 2 22 10 2 冶金 化学结合 这是当涂层和基体表面出现扩散和合金化时的一种结合类型 包括在结合面上生成金属间化合物或固溶体 当喷涂后进行重熔即喷焊时 喷焊层与基体的结合主要是冶金结合 2020 2 22 11 3 物理结合 颗粒对基体表面的结合 是由范德华力或次价键形成的结合 2020 2 22 12 4 涂层残余应力 当熔融颗粒碰撞基体表面时 在产生变形的同时受到激冷而凝固 从而产生微观收缩应力 涂层的外层受拉应力 基体 有时也包括涂层的内层则产生压应力 涂层中的这种残余应力是由喷涂热条件及喷涂材料与基体材料物理性质的差异所造成的 它影响涂层质量 限制涂层的厚度 工艺上要采取措施以消除和减少涂层残余应力 2020 2 22 13 二 热喷涂的种类和特点 1 热喷涂种类按涂层加热和结合方式 热喷涂有喷涂和喷熔两种 热喷涂 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 它们与堆焊的根本区别都在于母材基体不熔化或极少溶化 2020 2 22 14 热喷涂技术按照加热喷涂材料的热源种类分为 火焰喷涂 电弧喷涂 高频喷涂 等离子弧喷涂 超音速喷涂 爆炸喷涂 激光喷涂和重熔 电子束喷涂 2020 2 22 15 2020 2 22 16 2020 2 22 17 2020 2 22 18 2 热喷涂特点 l 适用范围广 涂层材料可以是金属和非金属 如聚乙烯 尼龙等塑料 氧化物 氮化硅 氨化硼等陶瓷 以及复合材料 被喷涂工件也可以是金属和非金属 如木材 用复合粉末喷成的复合涂层可以把金属和塑料或陶瓷结合起来 获得良好的综合性能 其他方法难以达到 2020 2 22 19 2 工艺灵活 施工对象小到10mm内孔 大到铁塔 桥梁等大型结构 喷涂既可在整体表面上进行 也可在指定区域内涂敷 既可在真空或控制气氛中喷涂活性材料 也可在野外现场作业 2020 2 22 20 3 喷涂层的厚度可调范围大 涂层厚度可从几十微米到几毫米 表面光滑 加工量少 用特细粉末喷涂时 不加研磨即可使用 2020 2 22 21 4 工件受热程度可以控制 除喷熔外 热喷涂是一种冷工艺 例如氧 乙炔焰喷涂 等离子喷涂或爆炸喷涂 工件受热程度均不超过250 工件不会发生畸变 不改变工件的金相组织 2020 2 22 22 5 生产率高 大多数工艺方法的生产率可达到每小时喷涂数千克喷涂材料 有些工艺方法可高达50kg h以上 2020 2 22 23 三 热喷涂预处理是喷涂工艺中一个重要工序 为了提高涂层与基体表面的结合强度 在喷涂前 对基体表面进行清洗 脱脂和表面粗糙化等预处理 是喷涂工艺中一个重要工序 2020 2 22 24 1 基体表面的清洗 脱脂 l 碱洗法 碱洗法是将基体表面放到氢氧化钠或碳酸钠等碱性溶液中 待基体表面的油脂溶解后 再用水冲洗干净 2 溶液洗涤法 溶液洗涤法是采用挥发性溶液 如雨酮 汽油 三氯乙烯和过氯乙烷乙烯等 它们的主要作用是把基体表面的矿物油溶解掉 再加以清除 2020 2 22 25 3 蒸气清洗法 蒸气清洗法是采用三氯乙烯蒸气进行清洗 尽管这种方法的清洗效果很好 但是对人体有一定的危害 2020 2 22 26 4 对疏松表面的清洗 脱脂 对疏松表面 如铸铁件 的清洗 脱脂是比较困难的 尽管油脂不在工件表面 但在喷涂时 由于基体表面的温度升高 疏松孔中的油脂就会渗透到基体表面 对涂层与基体的结合极为不利 因此 对疏松基体表面 经过清洗 脱脂后 还需要将其表面加热到250 左右 尽量将油脂渗透到表面 然后再加以清洗 2020 2 22 27 2 基体表面氧化膜的处理 一般采用机械方法去氧化膜 如切削加工方法和人工除锈法 也可以采用硫酸或盐酸进行酸洗 2020 2 22 28 3 基体表面的粗化处理 是提高涂层与基体表面机械结合强度的一个重要措施 喷涂前4h 8h内必须对工件表面进行粗糙化处理 常用的表面粗化处理方法如下 1 喷砂法喷砂是最常用的粗糙化工艺方法 砂粒有冷硬铁砂 氧化铝砂 碳化硅砂等多种 可根据工件表面的硬度选择使用 2020 2 22 29 2 机械加工法 对轴 套类零件表面的粗化处理 可采用挑扣 开槽 滚花等简便切削加工方法 这样它可限制涂层的收缩应力 增加涂层与基体表面的接触面积 提高涂层与基体以及涂层间的结合强度 对涂层结合力要求不高的轴类工件 可在要求修复的区域内进行车螺纹和滚压处理 形成粗糙表面 一般为每厘米10条纹左右 需高结合力时 则可车20条左右 车削形状为阶梯状 阶梯的尖角最好加工成圆角 喷涂后不易产生缺陷 2020 2 22 30 3 化学腐蚀法 基体表面进行化学腐蚀 由于晶粒上各个晶面的腐蚀速度不同 可形成粗糙的表面 2020 2 22 31 4 电弧法 又称电火花拉毛法 是将直径比较细的镍 或铝 丝作为电极 在电弧作用下 电极材料与基体表面局部熔合 产生粗糙的表面 这种方法适用于硬度比较高的基体表面 但不适用于比较薄的零件表面 2020 2 22 32 4 基体表面的预热处理 涂层与基体表面的温度差会使涂层产生收缩应力 从而引起涂层开裂和剥落 基体表面的预热可降低和防止上述不利影响 但预热温度不宜过高 以免引起基体表面氧化而影响涂层与基体表面的结合强度 一般基体表面的预热温度在200 300 之间 2020 2 22 33 5 非喷涂表面的保护 在喷砂和喷涂前 必须对基体的非喷涂表面进行保护 其保护方法可根据非喷涂表面的形状和特点 设计一些简易的保护罩 保护罩材料可采用薄铜皮或铁皮 对基体表面上的键槽和小孔等不允许外物进入的部位 喷砂前可以用金属 橡胶或石棉绳等堵塞 喷砂后换上炭素物或石棉等 以防止熔融的热喷涂材料进入 2020 2 22 34 四 热喷涂材料 一 热喷涂线材 1 碳钢及低合金钢丝最常用的是85优质碳素结构钢丝和ThA碳素工具钢丝 一般采用电弧喷涂 用于喷涂曲轴 柱塞 机床导轨等常温工作的机械零件滑动表面耐磨涂层及磨损部位的修复 2020 2 22 35 2 不锈钢丝 1Cr13 2Cr13 3Cr13等马氏体不锈钢丝主要用于强度和硬度较高 耐蚀性要求不太高的场合 其涂层不易开裂 1Cr17在氧化性酸类 多数有机酸 有机酸盐水溶液中有良好的耐蚀性 1Cr18Ni9Ti等奥氏体不锈钢丝有良好的工艺性能 在多数氧化性介质和某些还原性介质中都有较好的耐蚀性 用于喷涂水泵轴等 由于不锈钢涂层收缩率大 易开裂 适于喷涂薄层 2020 2 22 36 3 铝丝 铝和氧有很强的亲和力 铝在室温下大气中就能形成致密而坚固的Al2O3氧化膜 能防止铝进一步氧化 纯铝喷涂除大量用于钢铁保护涂层外 还可作为钢的抗高温氧化涂层 导电涂层和改善电接触的涂层 一般铝丝纯度 质量分数 应大于99 7 铝丝直径2 3mm 喷涂时 表面不得有油污和氧化膜 2020 2 22 37 4 锌丝 在钢铁件上 只要喷涂0 2mm的锌层 就可在大气 淡水 海水中保持几年至几十年不锈蚀 锌的纯度要求 质量分数 在99 85 以上的纯锌丝 在锌中加铝可提高涂层的耐蚀性能 若铝的质量分数为30 则耐蚀性最佳 锌喷涂广泛用于大型桥梁 铁路配件 钢窗 电视台天线 水闸门和容器等 2020 2 22 38 5 钼丝 钼与氢不产生反应 可用于氢气保护或真空条件下的高温涂层 钼是一种自粘结材料 可与碳钢 不锈钢 铸铁 蒙乃尔合金 镍及镍合金 镁及镁合金 铝及铝合金等形成牢固的结合 钼可在光滑的工件表面上形成1um的冶金结合层 常用作打底层材料 2020 2 22 39 如机床导轨喷涂钢时 用钼作为打底层可增加钢喷涂层与基体的结合强度 钼的摩擦系数小 适用于喷涂活塞环和摩擦片 但钼不能作为铜及铜合金 镀铬表面和硅铁表面的涂层 2020 2 22 40 6 锡及锡合金丝 锡涂层具有很高的耐腐蚀性能 常用作食品器具的保护涂层 但锡中砷的质量分数不得大于0 015 含锑和钼的锡合金丝具有摩擦系数低 韧性好 耐蚀性和导热性良好等特性 在机械工业中 广泛应用于轴承 轴瓦和其他滑动摩擦部件的耐磨涂层 此外 锡可在熟石膏等材料上喷涂制成低熔点模具 2020 2 22 41 7 铅及铅合金丝 铅具有很好的防X射线辐射的性能 在原子能工业中广泛用于防辐射涂层 含锑和铜的铅合金丝材料的涂层具有耐磨和耐蚀等特性 用于轴承 轴瓦和其他滑动摩擦部件的耐磨涂层 但涂层较疏松 用于耐腐蚀时需经封闭处理 由于铅蒸气对人体危害较大 喷涂时应加强防护措施 2020 2 22 42 8 铜及铜合金丝 铜主要用于电器开关的导电涂层 塑料和水泥等建筑表面的装饰涂层 黄铜涂层则用于修复磨损及超差的工件 如修补有铸造砂眼 气孔的黄铜铸件 也可作装饰涂层 黄铜中加入质量分数为1 左右的锡 可改善耐海水腐蚀性能 铝青铜的强度比一般黄铜高 耐海水 硫酸和盐酸的腐蚀 有良好的耐磨性和抗腐蚀疲劳性能 采用电弧喷涂时与基体结合强度高 可作为打底涂层 常用于水泵叶片 气闸活门 活塞及轴瓦等的喷涂 磷青铜涂层比其他青铜涂层更为致密 有良好的耐磨性 可用来修复轴类和轴承等的磨损部位 也可用于美术工艺品的装饰涂层 2020 2 22 43 9 镍及镍合金丝 蒙乃尔合金对氨水 海水 照相用药剂 酚醛 甲酚 汽油 矿物油 酒精 碳酸盐水溶液及熔盐 脂肪酸以及其他有机酸的耐蚀性优良 对硫酸 醋酸 磷酸和干燥氯气等介质的耐蚀性较好 但对盐酸 硝酸 铬酸等介质不耐蚀 常用于水泵轴 活塞轴 耐蚀容器的喷涂 2020 2 22 44 80Ni20Cr在高温下几乎不氧化 是最好的耐热耐蚀材料 常用于高温耐腐蚀涂层 镍铬耐热合金丝涂层致密 与母材金属的结合性好 常用于A12O3 ZrO2等陶瓷涂层的打底层 但不能用于硫化氢 亚硫酸气体以及硝酸和盐酸介质中 2020 2 22 45 10 复合喷涂丝 用机械方法将两种或更多种材料复合压制成喷涂线材称复合喷涂丝 不锈钢 镍 铝等组成的复合喷涂丝 利用镍 铝的放热反应使涂层与多种基体 母材 金属结合牢固 而且因复合了多种强化元素 改善了涂层的综合性能 涂层致密 喷涂参数易于控制 便于火焰喷涂 因此 它是目前正在扩大使用的喷涂材料 主要用于油泵转子 轴承 汽缸衬里和机械导轨表面的喷涂 也可用于碳钢和耐蚀钢磨损件的修补 2020 2 22 46 二 热喷涂粉末 粉末材料可分为 金属及合金粉末 陶瓷材料粉末和复合材料粉末 1 金属及合金粉末 1 喷涂合金粉末 又称冷喷合金粉末 这种粉末不需或不能进行重熔处理 按其用途分为打底层粉末和工作层粉末 打底层粉末用来增加涂层与基体的结合强度 工作层粉末保证涂层具有所要求的使用性能 放热型自粘结复合粉末是最常用的打底层粉末 工作层粉末熔点要低 具有较高的伸长率 以避免涂层开裂 氧一乙炔焰喷涂工作层粉末 最常用的是镍包铝复合粉末与自熔性合金的混合粉末 2020 2 22 47 2 喷熔合金粉末 又称自熔性合金粉末因合金中加入了强烈的脱氧元素如Si B等 在重熔过程中它们优先与合金粉末中氧和工件表面的氧化物作用 生成低熔点的硼硅酸盐覆盖在表面 防止液态金属氧化 改善对基体的润湿能力 起到良好的自熔剂作用 所以称之为自熔性合金粉末 喷熔用的自熔性合金粉末有镍基 钴基 铁基及碳化钨等四种系列 2020 2 22 48 2 陶瓷材料粉末 陶瓷属高温无机材料 是金属氧化物 碳化物 硼化物 硅化物等的总称 其硬度高 熔点高 但脆性大 常用的陶瓷粉末有 2020 2 22 49 1 氧化物它是使用最广泛的高温材料 氧化物陶瓷粉末涂层与其他耐热材料涂层相比 绝缘性能好 热导率低 高温强度高 特别适合作热屏蔽和电绝缘涂层 2 碳化物它包括碳化钨 碳化铬 碳化硅等 很少单独使用 往往采用钴包碳化钨或镍包碳化钨 以防止喷涂时产生严重失碳现象 为保证涂层质量 须严格控制喷涂工艺参数 或在含碳的保护气氛中喷涂 碳化钨是一种超硬耐磨材料 由于温度和均匀度等因数 其组织及性能很难达到烧结碳化钨硬质合金的性能 碳化铬 碳化硅也可用作耐磨或耐热涂层 2020 2 22 50 3 复合材料粉末 复合材料粉末是由两种或更多种金属和非金属 陶瓷 塑料 非金属矿物 固体粉末混合而成 其特点是 1 复合粉的粉粒是非均相体 在热喷涂作用下形成广泛的材料组合 从而使涂层具有多功能性 2020 2 22 51 2 复合材料之间在喷涂时可发生某些希望的有利反应 改善喷涂工艺 提高涂层质量 例如 可制成放热型复合粉 使涂层与基体除机械结合外 还有冶金结合 提高涂层结合强度 3 包覆型复合粉的外壳 在喷涂时可对核心物质提供保护 使其免于氧化和受热分解 2020 2 22 52 按照复合粉末的结构 一般分为包覆型 非包覆型和烧结型 包覆型复合粉末的芯校被包覆材料完整地包覆着 非包覆型粉末的芯核被包覆材料包覆程度是不均匀和不完整的 2020 2 22 53 按照复合粉末形成涂层的机理可分为自粘结 增效或自放热 复合粉末和工作层粉末 工作层复合粉末品种较多 自粘结复合粉末多用作基体与工作层间的过渡层 即打底层粉末 它在喷涂时产生放热反应 有助于涂层与基体的结合 形成致密而又粗糙的过渡层 有效地改善涂敷性能 2020 2 22 54 涂层功能 按照涂层功能 复合粉末有 硬质耐磨复合粉末 耐高温和隔热复合粉末 耐腐蚀和抗氧化复合粉末 绝缘和导电复合粉末 以及减摩润滑复合粉末等多种 2020 2 22 55 4 塑料 塑料具有良好的防粘 低摩擦系数和特殊的物理化学性能 2020 2 22 56 热喷涂装置和设备 1 氧一乙炔焰喷涂装置喷枪主要由两部分组成 产生火焰的氧 乙炔供给系统和喷涂粉末供给系统 2020 2 22 57 2020 2 22 58 爆炸喷涂是氧一乙炔焰喷涂技术中最复杂的一种方法 它是将一定量的粉末注人喷枪的的同时 引人一定量的氧一乙炔混合气体 将混合气体点燃引爆产生高温 可达3300 使粉末加热到高塑性或熔融状态 以每秒4 8次的频率高速 可达700m s 760m s 射向工件表面 形成高结合强度和高致密度的涂层 爆炸喷涂 2020 2 22 59 2020 2 22 60 2 等离子弧喷涂原理 等离子喷涂是利用等离子焰流 即非转移等离子弧作热源 将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态 在高速等离子焰流引导下高速撞击工件表面 并沉积在经过粗糙处理的工件表面形成很薄的涂层 涂层与母材的结合主要是机械结合 2020 2 22 61 2 等离子弧喷涂原理 2020 2 22 62 2020 2 22 63 2020 2 22 64 等离子焰温度高达1000 以上 可喷涂几乎所有固态工程材料 包括各种金属和合金 陶瓷 非金属矿物及复合粉末材