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电弧喷涂技术及其在冶金机修中的应用

时间:2012-09-24 09:11:58  来源:涟钢科技与管理  作者:袁训中

  电弧喷涂技术及其在冶金机修中的应用
  袁训中
  涟钢科技与管理
  本文介绍了电弧喷涂技术的新发展;重点介绍了电弧喷涂技术在冶金机修中的成功应用及其巨大的潜力。
  1前言
  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、精炼、轧制、铸型等多道生产环节。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环境,这些是导致生产设备失效的主要因素。
  采用热喷涂技术可以大大减少上述损失。在日本神户举行的第十四届国际热喷涂会议上,已将汽车、冶金和能源等工业领域作为热喷徐技术深化应用与重点开发的三大主题,表明了这项技术在冶金机修应用中的新动向。其中电弧喷涂技术以其设备价捌氏、热利用效率高,涂层制备成本低、生产效率高,对工件热输人量少,喷涂材料范围广,可获得假合金涂层,涂层与母材结合强度高的特点侧,尤其适合在冶金机修中应用。
  2电弧喷涂技术进展
  电弧喷涂是利用交流或直流电弧溶化不断进给的金属喷丝,再由压缩空气通过喷嘴使之.雾化并喷射到清洁而粗糙的工件表面。温度越高、速度越快,越有利于形成优异的涂层。因此,其喷徐温度、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电弧喷涂技术的核心。
  2.1电弧喷涂设备的发展
  电弧喷涂设备主要包括4个部分:喷涂电源、送丝机构、送丝电缆和电弧喷枪。作为电弧喷涂的主要设备,电弧喷枪的改进与发展史,在很大程度上说也就是电弧喷涂技术的发展史。早期的敞开式喷枪结构简单,对电弧熔化的雾化效果差,喷射粒子速度只有50一100m/s。几经改进,采用了二次雾化头结构,加装空气帽,将弧区适当封闭,并将雾化气流分为两路,会同辅助的二次雾化气流将弧区适当压缩,构成了封闭喷嘴。这种结构增加了弧区的压力,提高了空气流的喷射速度和电弧温度,使喷射的金属粒子速度可达么1)而s,加强了对熔化金属的雾化效果,使喷出的粒子更加细微,同时提高了涂层与基体的结合强度。卯年代后,我国科技人员通过采用拉瓦尔喷嘴技术,研究成功出高速电弧喷涂和超音速电弧喷涂技术,大大提高了电弧喷涂涂层的质量,接近等离子喷涂涂层质量。其中,第二炮兵工程学院王汉功教授川等开创性地研制了超音速电弧喷涂装置,测得的粒子速度大大超过了普通电弧喷涂的水平,其中铝粒子最大速度为385.7m/s。
  装甲兵工程学院的徐滨士院士等研制的一种高速电弧喷枪,结构简单,易于操作,与普通电弧喷枪具有互换性,而且涂层的结合强度提高1.5一2.2倍,喷涂的沉积效率由原来的印%提高到了75%。
  本人成功地发明了一种模块化设计的电弧喷枪,在获得超音速喷涂粒子流的同时,结构与制造工艺都十分简单,单位时间的喷涂率较常规电弧枪实现了成倍的提高,有利于电弧喷涂技术在诸如离心铸管喷涂锌等需快速喷涂作业的场合推广应用。
  2.2电弧喷涂丝材的发展
  为了满足电弧喷涂涂层在不同工作环境下的防腐、耐磨及其它性能要求,开发合适的丝材是电弧喷涂技术发展中的一个重要领域。传统的丝材主要为Al、Zn、碳钢等实心丝材。后又将其扩展到其它延展性好的金属或合金丝材,如Mo、Cu等。
  近年来,人们将研究重点转向了管状丝材。与实心丝材相比,管状丝材具有化学成份调节容易、能制备伪合金和结合强度高、耐磨、耐热性好的涂层等特点,如用Fe3组合金粉芯丝材获得的Fe3尼金属化合物涂层在650℃氧化环境下具有优良的高温抗冲蚀磨损性能,扩展了电弧喷涂技术的应用领域。
  3电弧喷涂技术在冶金机修中的应用
  电弧喷涂在冶金机修中主要应用于:(a).用于抗腐蚀、抗高温氧化或耐磨损等防护性涂层。(b).用于修复零件尺寸,如由于大范围磨蚀或局部机械加工错误而造成构件几何尺寸的不足,可通过金属喷涂予以修复。(c).喷涂在非金属表面,以金属表面良好的耐热性、光泽等,如在耐火泥表面喷涂铝等可以提高耐火度。(d).改变冶金工业设备、构件传统的“黑面孔”,提高设备及构件的观感质量,如喷涂尤、Zn可获得银白色的表面,喷涂Cu、Ti可获得金黄色的表层。具体地应用领域为:a.抗高温氧化涂层。(a).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。(b).推荐的喷涂材料有80Ni20Cr等实心或粉芯合金丝材。(c).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,电弧炉及高炉的水冷却壁;金属蓖的表面,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、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、热金属浸渍加热器、加热罩、除尘捕尘罩、焦炉密封装置、鼓风冷却系统、转炉供氧系统、焦炉风口、连续浇铸辊等。b.耐腐蚀性介质涂层(a).功能:这些涂层必须保护暴露于高温腐蚀险气体中的基体材料,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。(b).推荐的喷涂材料有80Ni20Cr(含硫介质除外)、Zn一Ni5%、znAI合金、Zn、Al、Cu、ICr18NigTi、Crl7、Crl7Ti、C等。(c).应用实例包括回转窑内表面、钎焊夹具、排冈肌叶片、燃气烟道系统、电厂锅炉管、炼焦管等、转炉用锅炉管、转炉固定和活动烟罩、除尘通风管道、厂房尤其是焦化厂房的钢结构件等。c.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,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,分述如下:(a).耐粘着磨损涂层。a).功能:这些涂层有的容许磨粒嵌人和变形(软支承表面);有的则是硬的支承材料(硬支承表面)。b).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、即钢、1Cr13、ZCrl3(以上是硬支承)。C).应用实例包括巴氏合金轴瓦、水压机轴套、止推轴瓦、活塞导杆、压气机十字滑块、铜合金衬套、防伤轴承、主齿轮轴颈。(b).耐磨粒磨损涂层。a).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。b).推荐的喷徐材料包括合金和金属,根据工作状况从中选定。c).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、高炉料钟,转炉入料口、切断机、鼓风炉体、拉丝绞盘、制动卷筒,导向杆、泵密封、锻造工具、破碎辊、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,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、金刚石工具、冷拔钢管内模、钢管、芯棒顶头、制动鼓等。各类轧辊:初轧辊、支撑辊、导卫板、夹送·辊、成型辊、热处理炉辊、推料辊、传送辊、牵引辊、冷车以辊、酸洗槽支承辊、镀锌槽浸没辊等。涟钢6印轧机主传动轴采用由湖南省冶金材料研究所的长城7号涂层进行修复,成本仅数千元,直接减少设备损失十多万元。
  4应用展望
  由于电弧喷涂技术的进步,以其本身的特点,必将在冶金机修中广泛应用。本人认为电弧喷徐技术与其它热处理技术尤其是表面热处理技术相结合,还有可能在如下领域扩展其应用:
  a.轧辊采用“超音速电弧喷钦+激光表面淬火“工艺处理,可以在工作表面生成具有高硬度的TIC、TIN层,大幅提高工件表面的耐磨性能和使用寿命。
  b.不锈钢管采用“超音速电弧喷铝十高频感应加热”工艺处理,用于加热炉等的热交换器,可以大幅度的提高管体的耐热性和抗S02等腐蚀性气体的能力。
  总之,在冶金机修中大力推广使用电弧喷涂技术,尤其是超音速电弧喷涂工艺,将对冶金设备及结构件在使用寿命内的综合性能和经济效益都大为有利,同时也能有效地增强冶金机修企业的竞争能力。
  
 图略 
参考文献略

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