冶金机械设备维修教案

1、冶金机械设备维修教案学习情景2：冶金机械设备现代维修技术授课日期授课时数2授课形式项目教学模块六热喷涂和喷焊教学目的1、理解热喷涂技术（基本概念及原理；种类；特点），掌握氧乙炔火焰喷涂技术。2、理解喷焊技术（定义；喷焊用自熔性合金粉末），掌握氧乙炔火焰喷焊技术。3、训练学生处理实际设备修理能力。4、培养团队意识、职业责任感及自学能力。教学重点、难点重点：热喷涂和喷焊原理及方法难点：氧乙炔火焰喷涂和喷焊技术实际运用课外作业阅读专业杂志及书籍，多参加实际锻炼课后体会讲授方法得当，层次分明，重点突出，启发思维，互动良好授课主要内容或纲要使用教具、挂图或其它教学手段时间分配课程介绍、学习要求：热喷涂和

2、喷焊是现代维修技术中常用的修理技术之一。通过学习，训练学生针对冶金机电设备的常见故障，能合理确定维修策略，选取恰当的维修方法，并能熟练使用各种常见工器具，处理设备问题的能力。总结1、讲解了热喷涂技术（基本概念及原理；种类；特点；氧乙炔火焰喷涂技术）。2、阐述了喷焊（定义；喷焊用自熔性合金粉末；氧乙炔火焰喷焊技术）。3、介绍了喷涂与喷焊的工艺区别。布置作业1、氧乙炔火焰喷涂和喷焊技术实施要点演示文档（PPT）、机电设备载体、各类维修技术工器具和材料、技术资料引题5分钟；授课40分钟；实训30分钟；总结5分钟学习情境2：冶金机械设备现代维修技术模块6：热喷涂和喷焊一、热喷涂技术1、简介热喷涂技术就

3、是这种表面防护和强化的技术之一， 是表面工程中一门重要的学科。热喷涂技术起始于20世纪初。起初，只是将熔化的金属用压缩空气形成液流，喷到被涂敷的基体表面上，形成一层膜状组织。其喷涂温度、熔滴对基体表面的冲击速度及形成涂层的材料的性能构成了喷涂技术的核心。热喷涂技术的整个发展，基本上是沿着这三支主导线向前推进的。温度和速度取决于不同的热源和设备结构。从某种意义上说，温度越高、速度越快，越有利于形成优异的涂层，这就导致了温度和速度两种要素在整个技术发展过程中的竞争与协调的局面。繁多的喷涂材料的可选择性，是热喷涂指数的另一种优势，它可以使不同设备的工作面被“点铁成金、戴盔穿甲”。正是这三种要素，使热

4、喷涂成为真正具有叠加效果的独特技术，它可以设计出所需的各种各样性能的表面，获得从一般机械维修，直到航天和生物工程等高技术领域广泛的应用。比如全军装备维修表面工程研究中心采用电弧喷涂技术及高速电弧喷涂技术多次对舰船甲板进行防腐治理。经过多年的应用，证明防腐效果显著，预计使用寿命可达15年以上，中国远望1号航天测量船通过电弧喷涂进行长效防腐。据国外有关材料介绍，近几年美国热喷涂总产值约为20亿美元，日本为800亿日元，分别占其国民经济总产值（GNP）的3。6/10000和2。3/10000。那么，什么是热喷涂技术呢？热喷涂技术是一种表面强化技术，是表面工程技术的重要组成部分，一直是我国重点推广的新

5、技术项目。它是利用某种热源（如电弧、等离子弧或燃烧火焰等）将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰留本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面，沉积而形成具有各种功能的表面涂层的一种技术。热喷涂技术的原理P79是：喷涂材料经过具有某种热源形式的喷涂设备喷射之后，在到达被喷涂的基体表面之前，其飞行时间只有几千分之一秒或更少。在如此之短的时间内，它被加热、熔化或半熔化，形成细小而分散的熔滴，冲向基体表面，由于受到工件表面的阻碍，其被击成扁平的叠状小片。最先喷射来的颗粒与工件表面上的凹凸不平处产生机械咬合，随后喷射来的颗粒又打在先前到达的颗粒上，也同样变形并与先前到达

6、的颗粒互相咬合，形成机械结合。这样先前生成的扁片又被后来者所覆盖，很快就形成由很多扁平罗叠而成的覆盖层，即为喷涂层。热源湿度越高，熔滴冲击速度越大，形成的涂层越致密，从而使工件表面获得不同硬度、耐磨、耐腐、耐热、抗氧化、隔热、绝缘、导电、密封、消毒、防微波辐射以及其他各种特殊物理化学性能。它可以在设备维修中修旧利废，使报废的零部件“起死回生”；也可以在新产品制造中进行强化和预保护，使其“益寿延年”。与表面堆焊相对比而言，它可以用于恢复零件因磨损或其它原因造成的尺寸不足。但就热喷涂技术本身而言，它具有更广阔的选择材料和应用范围。无论是金属、合金还是陶瓷、玻璃、水泥、石膏、塑料、木材都可以作为喷涂

7、的基体材料。喷涂材料也是多样的，金属、合金、陶瓷、塑料、复合材料都可选用。根据需要选用不同的涂层材料可以获得耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等方面的一种或几种性能，也可获得其它特殊性能的功能涂层。 2、热喷涂技术种类热喷涂根据热源不同可以分为P79：（1）火焰喷涂，（2）电弧喷涂，（3）等离子喷涂，（4）特种喷涂，如爆炸喷涂、激光喷涂、电子束喷涂等。若按喷涂材料的形状可以分为：粉末喷涂、金属丝喷涂、金属带喷涂和熔罐喷涂。目前广泛使用的是粉末喷涂，其次是金属丝喷涂。 3、热喷涂技术特点P79： （1）、基体材料不受限制，可以是金属和非金属，可以在各种基体材料上喷涂； （2）、涂层材料的种类选择范围广泛，

8、只要具有熔点或拟熔融态的材料均可用于喷涂，如金属及其合金、陶瓷、塑料以及它们的复合材料，此外，还可制成具有特殊性能的不同材料的复合涂层或叠加涂层。； （3）、涂层性能多种种多样，可以形成耐磨、耐蚀、隔热、抗氧化、绝缘、导电、防辐射等具有各种特殊功能的涂层；（4）、工艺灵活、方便，喷涂对象的尺寸大小和形状不受限制，即可以小到10mm内孔，又可以大到桥梁、铁塔等大型结构件，可以在整体表面上进行喷涂，也可以在大型限定表面上进行喷涂，这对大型构件的局部表面要求涂层时，是既方便又经济的方法。（5）、涂层厚度可在较大范围内变化。由喷涂形成厚度可由0。01到数毫米。热喷涂技术可喷涂成形，其不但可以在材料表面

9、形成涂层，还可以用来制造机械零件实体，即喷涂成形制品。（6）、喷涂过程中基体材料温升小，不产生应力和变形。除火焰喷熔工艺外，在涂层施工中，母材受热温度低，从而使母材性能不发生变化，工件变形小，因而热喷涂也被称为“冷工艺”。 （7）适应性强，经济效益好及生产率高。多数喷涂技术的生产率可达到每小时喷涂数千克的喷涂材料，有些工艺方法甚至更高。热喷涂技术也有其局限性P80：（1）喷涂层与基体结合强度较低，不能承受交变载荷和冲击载荷；（2）对于工件基体表面制备要求高，表面粗糙化处理还会在一定程度上降低零件刚性PS：装修贴瓷砖前，需在光滑墙面上凿孔；（3）热喷涂工艺受多种条件影响，涂层质量尚无有效检测方法

10、。4、氧乙炔火焰喷涂技术氧乙炔火焰喷涂技术是最早的一种喷涂方法。它是利用氧和乙炔的燃烧火焰作为热源，借助高速气流，将粉末状或丝状、棒状的涂层材料加热到熔融或半熔融状态后，再喷射到制备好的基体表面而形成涂层的一种方法。它具有设备简单、工艺成熟、操作灵活、投资少、见效快、可进行现场维修等特点。它可制备各种金属、合金、陶瓷及塑料涂层， 是目前国内最常用的喷涂方法之一，在设备维修领域得到广泛应用。（1）、喷涂设备依据热喷涂技术的原理，喷涂设备一般主要由喷枪、热源、涂层材料供给装置以及控制系统和冷却系统组成。对氧乙炔火焰喷涂而言，主要有喷枪、氧气和乙炔存储器（或发生器）、喷砂设备、电火花拉毛机、表面粗化

11、工具及测量工具等P27。（2）、喷涂工艺氧乙炔火焰喷涂工艺过程如下：喷涂前准备工作工件表面预处理 工件预热喷涂涂层后处理1）、喷涂前准备工作喷涂前的准备工作内容，主要有工艺制定；材料、工具和设备准备两大方面。其中，工艺准备要着眼于工件表面的实际状况、技术要求，同时从本企业设备、工装的实际条件出发，避免好高骛远，不切实际，重点应确定喷涂层厚度及选择喷涂材料。喷涂厚度：应考虑喷涂后的机加工余量，以及喷涂时的热胀冷缩。喷涂材料: 喷涂材料可分为结合粉（底粉）和工作粉。结合粉喷在基体与工作层之间，作用是提高基体与工作层间的结合强度，目前多采用镍、铝复合粉。工作粉主要是应满足使用条件，同时还能与结合层可

12、靠地结合，其在成分上多为镍基、铁基、铜基三大类PS：类似于管道防腐，以及建筑物刷乳胶漆一样，分为底漆和面漆。2）、表面预处理为了使涂层与基体材料很好地结合，基材表面必须清洁及粗糙。 净化和粗化表面的方法很多， 方法的选择要根据涂层的设计要求及基材的材质、形状、厚薄、表面原始状况以及施工条件等因素而定。防腐蚀界有这么一句话“七分除锈，三分涂装”，可见除锈的重要性。净化处理的目的是除去工件表面的所有污垢，如氧化皮、油渍、油漆及其他污物，关键是除去工件表面和渗入其中的油脂。净化处理的方法常用有碱洗法、溶剂清洗法、蒸汽清洗法、及加热脱脂法等。基体表面的氧化膜可采用机械方法，如切削加工方法或人工除锈法，

13、也可采用硫酸或盐酸进行酸洗。粗化处理的目的是增加涂层与基材间的接触面，增大涂层与基材的机械咬合力，使净化处理过的表面更加活化，以提高涂层与基材的结合强度。 同时基材表面粗化还改变涂层中的残余应力分布，对提高涂层的结合强度也是有利的。 粗化处理的方法有喷砂法、机械加工法(如车螺纹、滚花)、化学腐蚀法（通过对基体表面进行化学腐蚀而形成粗糙表面）、电火花拉毛法（将细的镍丝或铝丝作为电极，在电弧作用下，电极材料与基体表面局部熔合，产生粗糙表面）等。其中喷砂处理是最常用的粗化处理方法，常用的喷砂介质有氧化铝、碳化硅和冷硬铸铁等。喷砂时，喷砂介质的种类和粒度、喷砂时风压的大小等条件必须根据工件材质的硬度、

14、工件的形状和尺寸等进行合理的选择。对于各种金属基体，推荐采用的砂粒粒度约为1660号砂，粗砂用于坚固件和重型件的喷砂，喷砂压力为0.50.7Mpa，薄工件易于变形，喷砂压力为0.30.4 Mpa。特别值得注意的一点是，用于喷砂的压缩空气一定要是无水无油的，否则会严重影响涂层的质量。喷涂前工件表面的粗化程度对大多数金属材料来说Ra2.513mm就够了。随着表面粗糙度的增加涂层与基体材料的结合增强，但是当表面粗糙度超过Ra10mm后，涂层结合强度的提高程度便会减低。3）、预热预热的目的是为了消除工件表面的水分和湿气， 提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度，以提高涂层与基体的结合强度；减少因基材与涂层

15、材料的热膨胀差异造成的应力而导致的涂层开裂。 预热温度取决于工件的大小、形状和材质，以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素。4）、喷涂预处理好的工件要在尽可能短的时间内进行喷涂（如喷砂后，一般2h转入喷涂工序，否则拖得太久，可能前期预处理需重新进行），喷涂参数要根据涂层材料、喷枪性能和工件的具体情况而定，优化的喷涂条件可以提高喷涂效率、并获得致密度高、结合强度高的高质量涂层。5）、涂层后处理喷涂所得涂层有时不能直接使用，必须进行一系列的后处理。 用于防腐蚀的涂层，为了防止腐蚀介质透过涂层的孔隙到达基材引起基材的腐蚀，必须对涂层进行封孔处理（喷涂层的孔隙约占总体积的15左右）。用作封孔剂的材料很多

16、，有石腊、环氧树脂、硅树脂等有机材料及氧 化物等无机材料，如何选择合适的封孔剂， 要根据工件的工作介质、环境、温度及成本等多种因素进行考虑。有尺寸精度要求的，要对涂层进行机械加工。 由于喷涂涂层具有与一般的金属及陶瓷材料不同的特点， 如涂层有微孔，不利于散热；涂层本身的强度较低，不能承受很大的切削力；涂层中有很多硬的质点，对刀具的磨损很快等，因而形成了喷涂涂层不同于一般材料的难于加工的特点。所以必须选用合理的加工方法和相应的工艺参数才能保证喷涂层机械加工的顺利进行和保证达到所要求的尺寸精度。（3）氧乙炔火焰喷涂技术修复机械零件实例P31（由学生自行阅读，但可视教学进度选讲）。二、喷焊1、定义：

17、喷焊P84是对经预热的自溶性合金粉末涂层再加热至10001300，使颗粒熔化，造渣上浮到涂层表面，生成的硼化物和硅化物弥散在涂层中，使颗粒间和基体表面达到良好结合。最终沉积物是致密的金属结晶组织并与基体形成约0.050.1mm的冶金结合层，其结合强度约400MPa，抗冲击性能较好、耐磨、耐腐蚀，外观呈镜面。 这一加热过程成为重熔。<对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件，为了提高涂层的结合强度，要对喷涂层进行重熔处理(如火焰重熔、感应重熔、激光重熔以及热等静压等)， 使多孔的且与基体仅以机械结合的涂层变为与基材呈冶金结合的致密涂层。>2、喷焊用自熔性合金粉末：主要是镍、钴（gu，3声）

18、、铁为基体的合金，其中添加适量硼、硅等元素，以起到脱氧造渣的作用，同时还能降低合金熔点，适用于氧乙炔火焰喷焊。具体选用时，可参见厂家提供的产品样本。3、氧乙炔火焰喷焊技术。喷焊技术过程与喷涂技术过程基本相同，但是喷焊技术是在喷涂后另外加有重熔工序。根据操作顺序不同可分为：（1）一步法喷焊：是指喷粉和重熔同时进行的操作方法，即边加粉边重熔，其对工件输入热量小，变形小，适用于小型零件或小面积喷焊；（2）二步法喷焊：即是指喷粉和重熔分两步进行。在确定采用喷焊工艺后，再根据下列情况选用一步法或二步法喷焊工艺： 工件需局部修补，且喷焊处不允许热输入量很大，如各类机床导轨局部伤痕的修补，宜用一步法喷焊工艺

19、； 工件表面复杂或无规则，如链轮、齿轮齿面、螺旋给料器等，宜用一步法喷焊工艺； 大型工件整体加热有困难，如机车、矿车轮子等，宜用一步法喷焊工艺； 可在机床旋转的一般轴类零件宜用二步法喷焊工艺； 所得涂层的硬度应尽量接近原设计的表面硬度，例如原设计采用淬火或化学处理工艺，使表面硬度达HRC55 左右的，则应选用所谓“硬面涂层”粉末，如Ni15、Ni60、Fe65或Wc复合粉；强烈磨损的非配合面，如泥沙泵的叶轮、壳体、装岩机铲齿，螺旋给料器的螺旋面等，应选用高硬度如Ni15、Ni60、Fe65或Wc复合粉；需要加工，但又无法上车床、磨床，只能靠手工用锉刀等工具进行加工的工件，如机床导轨面局部伤痕的

20、修补只能采用低硬度喷焊粉如 SH · F103 、 Ni15 等；与喷涂层相比，喷焊层的优点显著,其组织致密，耐磨，耐腐蚀，与基体结合强度高，可承受冲击载荷P85。但由于重熔过程中基体局部受热后温度达900，会产生较大热变形。因此，喷焊的使用范围有一定局限性。适于喷焊的零件和材料一般是：受冲击载荷，要求表面硬度高，耐磨性好的易损零件，如抛砂机叶片，破碎机齿板，挖掘机铲斗齿等；几何形状比较简单的大型易损零件，如轴、柱塞、滑块、液压缸、溜槽板等。三、金属粉末火焰喷涂（焊）工艺选择要点1 、了解工件本身的性能 ：如材质、成份、表面状况、磨损部位及磨损面积、深度等。2 、了解工件的使用条件

21、：使用环境(工作温度、主要介质浓度及其它成份)、受力情况(冲击负荷还是滑动配合、静配合)、失效原因(加工超差、磨损、腐蚀等)等。四、喷涂与喷焊的工艺区别：1、喷涂层和喷焊层与基体金属的结合形成不同。把特制的自放热型镍包铝粉通过喷涂焰束加热时发生放热化学反应，在经喷砂除锈达Sa3级，RZ50m的碳钢表面形成微冶金结合底层与工作层又产生“锚钩”效应的机械结合涂层，其结合强度没有喷焊工艺高，而喷焊层与基体的结合纯属冶金结合涂层。 2、喷涂材料不同，喷焊要求使用自熔性合金粉末，而喷涂则对粉末的自熔性要求不高，且不一定是自熔性合金粉末，各种自熔性合金粉末既可用于喷焊又可用于喷涂，但喷涂粉末不具备自熔性只

22、能用于喷涂而不能用于喷焊工艺。 3、工件受热情况不同，喷涂与喷焊过程中，喷前预热温度不同，工件受热影响不同，喷后工件的组织、性能亦不同。一般喷涂适用于工件材料不易加高温的场合，而喷焊基体加热温度较高，所以会出现工件热变形，金相组织发生变化高。4、涂层的致密性不同，喷焊层致密，而喷涂层中有少量孔隙。 5、承受载荷的能力不同，喷涂层一般能承受大面积接触，多在有润滑条件的工作表面，配合面以及其它受力较小的工况条件下使用，喷焊层却能承受较大的冲击力，挤压应力或接触应力等。五、喷焊工艺与电弧堆焊的区别：喷焊层与基体之间的结合是溶解扩散冶金结合，而堆焊则是熔化冶金结合，在喷焊过程中基体是不熔化的，只是喷焊

23、层与基体之间产生溶解作用，在两者之间存在一个扩散互溶区。由于基体不溶物因而喷焊层就不会被基体材料所冲淡，因此稀释率极低，能保证喷焊层的良好性能，堆焊基体熔化，堆焊层稀释率高，需要堆焊很厚才有可能保证焊层的性能，而且零件轮廓棱角难以保证，常见咬边，棱角塌陷，而喷焊则不会出现此类缺陷。六 、下列情况宜采用喷涂工艺：1、表面受静载荷或低速滑动负荷，要求耐磨但对涂层与基体抗拉结合强度要求不超过50N/mm2的工件，喷涂层硬度HV130350，涂层厚度从0.3至数毫米，喷涂态表面粗糙度Ra1025m ，涂层经磨削加工后表面粗糙度可达 Ra0.80.4m，如各种轴类的轴承部位。 2、要求耐气蚀、水蚀而加工

24、后粗糙度不超过 Ra0.4m 的表面，如进口汽车曲轴，火车曲轴、船用曲轴等3、材质为铜合金，铝或铝合金等有色金属，需要恢复尺寸或提高表面耐磨度的工件。 4、在铜合金、铝或铝合金等有色金属工件上喷涂最好选用铜基粉或铝粉。5、在腐蚀介质中使用，要求涂层致密无孔隙，应根据工件的使用环境，工作温度，介质浓度及成份，选择可满足使用条件的塑料、陶瓷或耐蚀金属喷涂后再采用合适的封孔剂对涂层进行封闭处理。6、喷涂层与基体的结合强度：传统火焰喷涂层抗拉结合强度一般为2030N/mm2，采用陕西中科表面工程有限公司最新研制生产的ZK1532型粉末多功能高速火焰喷涂枪，在球墨铸铁经过喷砂表面喷涂铝包镍复合涂层，其涂

25、层剪切结合强度可达63.7N/mm 2。虽然喷涂层不如喷焊层结合强度高，但对于修复工作在有润滑的金属间摩擦耐失效的零件是足以满足需要。经过科研单位计算，在解放牌CA141汽车满载运行时，对曲轴七个主轴颈的剪切应力集中在一个主轴颈上也仅有15N/mm2；对东方红75拖拉机则仅有5.5N/mm2 ，这些数据远远低于喷涂层的抗剪强度。7、喷涂层耐磨性能：以汽车曲轴喷涂为例，喷涂的主轴颈与新品曲轴相比有更高的耐磨性，某公司曾经喷涂过日本产日野汽车曲轴，修复的主轴颈大修时经检查磨损量为0.0220.03mm，而未经喷涂修复的主轴颈磨损量为 0.20.25mm，其磨损量几乎相差十倍，从这个实例中可以说明喷涂层具有良好的耐磨性，甚至在发动机缺油的情况下仍能坚持运行数小时之久而不会烧瓦抱轴现象。 七、喷焊技术的适用范围1、下列情况宜选用喷焊工艺： （1）、各种碳钢、低合金钢的工件表面载荷大，特别是受冲击载荷，要求涂层与基体结合强度在350450N/mm2的工件，喷焊硬度HRC15065，涂层厚度从0.3至数毫米，喷焊层经磨削加工后表面粗糙度可达Ra0.40.1m以上。 （2）、在腐蚀介质中使用，要求涂层致密，无