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热喷涂技术在冶金工业中的应用
2014/03/19

1. 前言

   热喷涂技术起始于本世纪初。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、速度越大,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,是热喷涂技术的另一种优势,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,以及其他多项可控的影响因素,使热喷涂成为真正的具有叠加效果的独特技术,它可以设计出所需的多种多样的改性表面,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。不久前,在日本神户举行的第十四届国际热喷涂会议上,将汽车、冶金和能源等工业领域作为热喷涂技术深化应用与重点开发的三大主题,表明这项技术在扩充应用中的新动向。


2 基本概念
2.1 定义
  热喷涂是这样的一系列过程:以某种形式的热源将喷涂材料加热,受热的材料形成熔融或半熔融状态的微粒,这些微粒以一定的速度冲击并沉积在基体表面上,形成具有一定特性的喷涂层。
2.2 喷涂材料
    喷涂材料有粉、线、带和棒等不同形态,它们的成分是金属、合金、陶瓷、金属陶瓷及塑料等。粉末材料居重要地位,种类逾百种。线材与带材多为金属或合金(复合线材尚含有陶瓷或塑料);棒材只有十几种,多为氧化物陶瓷。
2.3 喷涂方法
    以提供热源的不同,可分为燃烧法及电热法。前者包括燃烧火焰喷涂、爆炸喷涂及高速火焰喷涂(HVOF);后者包括电弧喷涂及等离子喷涂(又分常压等离子喷涂、低压等离子喷涂与水稳等离子喷涂)。喷涂工艺对涂层产生重要影响的是喷涂温度(严格点说,是熔滴冲击基体表面时的温度)和熔滴冲击基体表面的速度。

2.4涂层的形成及其评价
    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,被击成扁平的叠状小片,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。热源温度越高,熔滴冲击速度越大,形成的涂层越致密。涂层性能与诸多因素有关。


3. 涂层功能
  当某一个工程问题提出后,首先应明确接受施工的工件被喷涂的部位(通常是设备或设施的工作表面)处于什么样的工况条件,而涂层功能则是确定喷涂工艺及材料的主要依据,同时还要考虑在经济上是否允许。
3.1 涂层的多样性
    涂层的多样性源于喷涂材料的多种选择、工艺参数的可控及喷涂方法的可变。喷涂粉末材质逾百种,线材和棒材也有数十种,不同的喷涂方法和工艺参数的变化,能使同一材质形成不尽相同的涂层。如此,这些变数的组合就可得到一组“菜单式”的涂层系列,当你需要具有某种特性的涂层时,只需从中择取即是。
3.2 涂层类别
    喷涂材料喷涂而成的涂层依据它们的成分可以分为10个系列;(1)铁、镍和钴基涂层;(2)自熔合金涂层;(3)有色金属涂层;(4)氧化物陶瓷涂层;(5)碳化钨涂层;(6)碳化铬和其他碳化物涂层3(7)难熔金属涂层;(8)氧化物陶瓷涂层;(9)塑料基涂层3(10)金属陶瓷涂层。
3.3 涂层功能

    依据美国F.N.LONGO对热喷涂涂层的分类方法,涂层按功能可分为:
    (1)耐磨损涂层。包括抗粘着磨损、表面疲劳磨损涂层和耐冲蚀涂层。其中有些情况还有抗低温(<538oC)磨损和抗高温(538~843oC)磨损涂层之分。 
    (2)耐热抗氧化涂层。该种涂层包括高温过程(其中有氧化气氛、腐蚀性气体、高于843oC的冲蚀及热障)和熔融金属过程(其中有熔融锌、熔融铝、熔融铁和钢、熔融铜)所应用的涂层。
    (3)抗大气和浸渍腐蚀涂层。大气腐蚀包括工业气氛、盐性气氛、田野气氛等造成的腐蚀;浸渍腐蚀包括饮用淡水、非饮用淡水、热淡水、盐水、化学和食品加工等造成的腐蚀。
    (4)电导和电阻涂层。该种涂层用于电导、电阻和屏蔽。
    (5)恢复尺寸涂层。该种涂层用于铁基(可切削与可磨削的碳钢和耐蚀钢)和有色金属(镍、钻、铜、铝、钛及他们的合金)制品。
    (6)机械部件间隙控制涂层。该种涂层可磨。
    (7)耐化学腐蚀涂层。化学腐蚀包括各种酸、碱、盐,各种无机物和各种有机化学介质的腐蚀。
    上述各涂层功能中,与冶金工业生产有密切关系的是耐磨损涂层、耐热抗氧化涂层和耐化学腐蚀涂层。


4. 热喷涂技术在冶金工业中的开发与应用

  冶金工业生产中存在着大量的高温氧化、磨损及介质腐蚀等问题,这些问题都是一种使工作表面失效的过程,应该而且能够从热喷涂技术中寻求一种有效的解决途径。喷涂工艺既可以修复已失效的旧工件,也可以在新工件投人工作前进行强化预保护,也可以二者兼用。
4.1 冶金工业生产特征
    冶金工业生产从矿石到金属材料,其间经过开采、运输、贮存、破碎、分级、选别、液固分离、制团、烧结、冶炼、铸型、精炼等多道生产环节。每一环节的主体设备都处于高磨损、高负荷、高温和腐蚀等极其恶劣的工况条件下,这些因素导致生产设备的失效,使冶金工业成为国民经济的耗材耗能大户。面临这种情况,为了维持生产,每年必须耗用大量的备品备件,有些还需进口。一个大型钢铁企业,每年为此要付出几亿元以上的资金。另一方面,现代化的冶金生产是一个高度连续化的过程,即使生产环节每一局部的设备过早失效,也会造成停产或减产,带来巨大的经济损失。例如,我国某钢铁企业高炉渣口,因受高温熔体的侵蚀,工作寿命极短,每更换一次,高炉需休风减压,少加三批炉料,少出生铁60t。该企业转炉连铸生产线连铸辊道,其寿命只有4000炉(20万t),而日本同类连铸辊道可达15000炉,几乎高达4倍。
4.2抗高温氧化涂层
    (1)功能。这些涂层用以改善基体(设备或设施)材料的高温性能(最高温度可达1150℃),使之能经受高温化学或物理溶解过程以及机械损伤的冲蚀过程,或二者都适应。
    (2)对抗高温氧化涂层的要求。为了使基体避免高温氧化所造成的破坏,这些涂层必须:a阻止大气中氧的扩散;b阻止涂层本身向基体迅速扩散;c具有高于操作温度的熔点;d在操作温度下具有较低的蒸汽压。
    (3)推荐的喷涂材料有镍铬合金、镍铬铝合金、喷铝封孔热渗。
    (4)推荐的喷涂方法有等离子喷涂、高速火焰喷涂、燃烧火焰喷涂。
    (5)应用实例包括加热炉、均热炉、热处理炉、烧结炉、热风炉、蓄热炉及蓄热室的炉壁,金属篦的表面;退火盘、退火罩、热处理夹具、回转窑外表面、高温阀门、滑动闸板、烟道及烟囱等。多晶硅炉、烧结金属成型、排气消声器、高炉风口、送风系统、烧结设备、鼓风系统、净气系统、排烟系统、退火炉辊、弗朗克林炉、热金属浸渍加热器、钛条、锻造工具、加热罩、焦炉密封装置、鼓风冷却系统、转炉供氧系统、焦炉风口、连续浇铸辊及冷却砂型等。

4.3 耐腐蚀性气体涂层

    (1)功能。这些涂层必须保护暴露于高温腐蚀性气体中的基体材料,由于氧化和化学反应同时存在,要防止涂层与气体反应的生成物对基体产生破坏。

    (2)对耐腐蚀性气体涂层的要求。这些涂层应该是:1)能经受高温腐蚀性气体;2)能经受周期性的热冲及过热;3)与基体热膨胀系数要匹配。
    (3)推荐的喷涂材料有镍铬合金(但含硫介质除外),喷铝封孔热渗。
    (4)推荐的喷涂方法有等离子喷涂,燃烧火焰喷涂。

    (5)应用实例包括回转窑内表面、钎焊 夹具、碳化盒、排风机叶片、氰化处理坩蜗、燃气烟道系统、电厂锅炉回管、炼焦炉管、转炉用锅炉等。 
4.4 热障涂层
    (1)功能。这些涂层的热导性低,作为热障以降低基体金属的受热程度。
    (2)对热障涂层的要求。这些涂层应满足:1)必须在工作温度中耐氧化;2)有良好的耐热冲性;3)与基体的热膨胀系数尽可能接近;4)导热率要低。
    (3)推荐的喷涂材料有氧化铬、氧化铝和铬酸镁。
    (4)推荐的喷涂方法为等离子喷涂。
    (5)应用实例包括高温炉感应圈、钎焊和热处理夹具、火炬热障、加热罩、高温计 套管、铸铁厂U形槽。
4.5抗熔融金属涂层
    (1)功能。这些涂层能经受锌、铝、钢、铁和铜等熔融金属的作用。
    (2)对抗熔融金属涂层的要求。这些涂层应满足:1)能经受熔渣和熔剂的腐蚀作用和处于熔体液面附近的金属蒸气和氧的侵蚀;2)防止涂层与融体形成低熔合金;3)能经受热疲劳和热冲击。
    (3)推荐的喷涂材料有氧化铝、铬酸镁、白钨和铂。
    (4)推荐的喷涂方法有等离子喷涂、燃烧火焰喷涂。
    (5)应用实例包括镀锌槽、浇铸槽、模具、风口、锌蒸馏罐、冷凝管、锌合金熔化炉、镀锌浸渍槽、高炉渣口、铸铝模、铸铜模、连铸机模、砂型铸模、板块结晶器、炼锌搅拌装置、结晶器护板、氧气管喷嘴、转炉吹氧枪、钢包水口、金属熔体测温头和石墨电极。
4.6耐磨损涂层 
   冶金工业生产中,各种机械设备失效的最大因素是磨损问题,而热喷涂的最重要功能是提供耐磨损涂层,为大量的工程磨损进行有效的保护。这类涂层的应用范围比其他类要广泛。其磨损机理复杂,类型较多,加之冶金生产工况不一,因而这类涂层的功能与要求也不尽相同,兹分述如下:
4.6.1 耐粘着磨损涂层
    (1)功能。这些涂层有的容许磨粒嵌入和变形(软支承表面);有的则是硬的支承材料(硬支承表面)。 

    (2)对耐粘着磨损涂层的要求。这些涂层应满足:1)依软或硬支承的不同,选用不耐磨的软质材料及耐磨的硬质材料;2) 对硬支承来说,涂层要适应大载荷和高速度的要求。
    (3)推荐的喷涂材料有铝青铜、磷青铜、巴氏合金、锡(以上是软支承);自熔合金与铂或铜的混合物、高碳钢、不锈钢、 Co—WC合金、氧化物陶瓷等(以上是硬支承)。
    (4)推荐的喷涂方法有燃烧火焰喷涂(线材或粉材)、等离子喷涂。
    (5)应用实例包括巴氏合金轴瓦、水压机轴套、止推轴瓦、活塞导承、压气机十字滑块、铜合金衬套、防伤轴承、主齿轮轴颈。

4.6.2耐磨粒磨损涂层磨粒磨损是磨损中的重要形式,当考虑到该过程处于不同温度(<538oC为低温,538~843oC为高温)时,则该类涂层具有很广的应用面。
    (1)功能。耐磨粒磨损涂层能经受外来磨粒的作用,或是发生于某一硬表面或软表面之间滑动。
   (2)对耐磨粒磨损涂层的要求。这些涂层的硬度要超过所存磨粒的硬度;对工作温度要适应,在高温中要有良好的抗氧化性。
    (3)推荐的喷涂材料包括陶瓷、金属陶瓷、合金和金属,根据工况从中选定。
    (4)推荐的喷涂方法有等离子喷涂、燃烧火焰喷涂、高速火焰喷涂、爆炸喷涂和电弧喷涂。
    (5)应用实例包括矿石输送系统、贮存设备、破碎系统、筛分系统、选矿系统、造粒系统、球磨机、抽风机叶片、抛光夹具,冲压模、转炉入料口、切断机、液压千斤顶、氧传感器、鼓风炉体、高炉料钟、泥浆泵活塞杆、拉丝绞盘、制动卷筒、挤压模、导向杆、泵密封、锻造工具、破碎辊、热成型模具、各类曲轴、各类主轴和传动轴、各种轴套、球磨机内衬、切削刀口、叶轮、机械密封套、阀座、各类齿轮、油压机拉杆、葫芦齿轴、车床拖板、电机端盖、螺杆泵、冲头、车床分配轴、混砂机刮板、磨煤机锤头和冲击板、浮选机螺旋、磨粉机衬胆、无心磨托板、给水泵平衡卷、金刚石工具、冷拔钢管内模、钢管、芯棒顶头、制动鼓。

4.6.3耐冲蚀涂层
    (1)功能。这些涂层能经受尖利的硬颗粒引起的磨损,这些颗粒存在于气体或液体之中,并以一定的速度运动。
    (2)对耐冲蚀涂层的要求。这些涂层应满足:1)选择硬涂层,但冲击角大于45°时,同时应注意涂层的韧性;2)大多数涂层应进行封孔处理;3)涂层能经受介质的腐蚀性。
    (3)推荐的喷涂材料有合金、陶瓷、和金属陶瓷。
    (4)推荐的喷涂方法有等离子喷涂、燃烧火焰喷涂和爆炸喷涂。
    (5)应用实例有抽风机、旋风收尘系统、切断阀杆和阀座。
4.7 耐化学介质腐蚀涂层
  冶金工业,特别是湿法冶金工业,常碰到介质腐蚀给设备带来危害的问题,若作业过程进行在较高温度中,这一问服为突出。选择高级材质固然减缓这一问题,但不经济。在很多情况下,采用热喷涂技术能得到满意的结果。例如,不必采用不锈钢制作设备的整体,只须用普钢在其工作表面喷涂一层不锈钢涂层。同样,根据介质及其他工况情况,可以喷铜、铝、铂、蒙乃尔合金、镍铬合金、镍铬铜钛合金(316L)等,使设备身价倍增。当然,并非热喷涂能有效地解决所有的腐蚀问题。事实上,采用这项技术解决带有强腐蚀性问题,是一项十分慎重的工作,有些方面和某些环节还要研究与探讨。

 

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