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HVOF 技术在钢铁行业中的应用

时间:2014-01-03 21:01:42  来源:重工与起重技术  作者:张广伟 苏 涛 王忠俭 刘述明

摘 要:简述了热喷涂技术特别是超音速火焰喷涂(HVOF)技术原理,涂层性能,并与电镀硬铬层进行比较,阐明超音速火焰喷涂技术代替电镀铬技术的可行性及在钢铁冶金行业中的具体应用。
关键词:热喷涂;HVOF;电镀硬铬

1前言
        高效连续化的现代钢铁生产机组中,主体设备的辊子几乎都处于高温、高载荷、疲劳、磨损、腐蚀及冲击等极其恶劣的工况条件下,最终导致辊子的失效。为了提高辊子的使用寿命,传统方法是通常在辊面电镀一层硬铬金属来提高辊子本身的耐磨性、耐腐蚀性能和硬度。然而,电镀硬铬过程中产生的 Cr3+和 Cr6+离子对环境造成严重污染[1]。随着近年城市的发展和生态环境改善的需求,冶金工业装备发展的一个重要趋势是采用各种复合材料和表面强化技术,特别是采用热喷涂技术制备耐高温、抗热震、耐磨损、抗腐蚀及特殊功能涂层,以达到提高功能、提高效率、节能、节材并延长关键零部件的使用寿命。文章通过超音速火焰喷涂(HVOF)技术与电镀硬铬涂层试验的对比分析,阐述热喷涂技术在钢铁行业尤其是连续冷轧线和热镀锌线上的具体应用。
2电镀硬铬技术与超音速火焰喷涂技术
2.1 电镀硬铬技术
        电镀硬铬层硬度一般为 HV800~900,不及一些陶瓷和金属陶瓷材料的硬度和耐磨性,且硬铬镀层硬度在温度升高时会因内应力释放而迅速降低,其工作温度只能低于 427℃,难以适应现代机械高温、高速的工作要求。电镀工艺沉积速度慢,约为 25μm/h,镀 0.3~0.5mm 厚的镀层则需要十几至二十小时,不利于厚镀层的使用[2]。镀铬层内存在微裂纹,不可避免产生穿透性裂纹,导致腐蚀介质从表面渗透至界面而腐蚀基体,造成镀层表面出现锈斑甚至剥落。
2.2 超音速火焰喷涂技术
        热喷涂技术是利用热源(电弧、燃烧火焰、等离子体等)将喷涂材料(粉末或丝材)加热至熔化或半熔化状态,并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。超音速火焰喷涂(简称 HVOF)是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或航空煤油等液体燃料与高压氧气在燃烧室或特殊喷嘴中燃烧产生高温高压焰流。其火焰温度可达 3000℃,速度高达 1500~2000m/s,同时利用送粉器和载气将粉末引入热焰中,产生熔化或半熔化的粒子,通过高速焰流撞击在基体表面上沉积形成涂层。喷涂颗粒以超音速飞行而撞击到基体表面,喷涂涂层的结合强度、密度和硬度都非常高,且可在各种基体上形成涂层。与等离子喷涂相比,HVOF 涂层中缺碳相含量大大减少。因此,HVOF 在喷涂金属陶瓷、合金粉末等方面显示良好的优越性。
3试验与分析
3.1试验材料与方法
        本试验采用美国 Praxair 公司的 JP-8000 超音速喷涂设备,如图 2 所示。采用 K-Ⅱ航空煤油为燃料,氧气为助燃气,氩气为送粉气,喷涂工艺参数见表 1。
3.2涂层显微组织分析
        超音速火焰喷涂 WC-Co-Cr 和 WC-12Co 涂层截面组织形貌见图 3。由图可见,涂层与基体结合良好,局部出现起伏嵌合状态,界面没有明显的缺陷;涂层表面有少量孔隙、孔洞存在;块状的 WC 颗粒均匀分布在涂层中,说明粒子在高速冲击下变形充分。此外,由于超音速火焰喷涂过程中粒子飞行速度快,火焰温度低,所以涂层表面未发现可见的层状结构。采用定量金相显微镜检测涂层的孔隙率,在涂层截面上选取 3 个区域,测得 WC-Co-Cr 涂层平均孔隙率为 0.91%;WC-12Co 涂层的平均孔隙率为 0.85%。
3.3 涂层 X 射线衍射分析
        图 4 为涂层 XRD 衍射分析图谱,通过图谱可以看出:WC-Co-Cr 涂层中主相是 WC,并含有少量的Co6W6C 相,没有发现 W2C 相;WC-12Co 涂层中也没有发现 W2C 相。上述分析表明在超音速火焰喷涂过程中,材料各成分损失很少,WC 几乎不发生脱碳现象。从衍射峰的强度看,WC 相占据很大部分。另外,由于粉末中 Cr 含量不高,因此涂层中没有可分辨的Cr 的碳化物存在。
3.4试验结果
        上述分析表明,电镀硬铬涂层内存在许多细小裂纹,局部形成贯穿性裂纹,且涂层与基体结合处存在缺陷,最终导致涂层很容易失效;利用超音速火焰喷涂技术(HVOF)制备的 WC-Co 涂层和 WC-Co-Cr涂层与基体材料结合良好,涂层比较致密,WC 硬质相分布均匀。镀铬层显微硬度为 HV800,WC 涂层显微硬度在 HV1200 以上,是镀铬层硬度的 1.5 倍。电镀铬层厚度一般为 0.05~0.08mm,结合方式为机械结合;喷涂涂层厚度为 0.12~0.15mm,结合方式为机械结合和冶金结合,并且通过 XRD 分析得知喷涂涂层的 WC 硬质相均匀分布且没有发生分解,故喷涂涂层的耐磨性和耐腐蚀性能都明显高于电镀铬层。
4 HVOF技术的应用
        目前,HVOF 技术已经广泛应用于航天领域的压缩机叶片、压缩机静子叶片、飞机的起落架及液压制动器杆等,国际上已实现了标准化操作,代替爆炸喷涂,以降低成本;石油工业大量的泵、阀门及运输设备等采用 HVOF 工艺进行工件喷涂,可大幅度提高其耐磨耐蚀性能,从而提高工件的可靠性,延长工件寿命;在冶金领域里,由于其生产线大量采用输送辊来输送各种钢材,在长期使用后,其表面难免出现磨损,继续使用将会影响所生产材料的质量。输送辊的工作温度较低,可以在表面采用超音速火焰喷涂技术喷涂一层 Co 基 WC 粉末,此涂层可满足输送辊在450℃以下工作,使其具有良好的耐磨性和综合力学性能,延长了其工作寿命。
4.1 冷轧线辊子喷涂
       张力辊和活套辊是冷轧生产线上的重要部件,主要负责传输钢带。在设备运行过程中,由于受到钢带的压力,辊身表面的磨损情况十分严重。采用超音速火焰喷涂对辊身表面进行喷涂后,张力辊和活套辊的耐磨性能大大提高,使用寿命增加。喷涂的张力辊、活套辊及水平辊产品如图 5 所示。
4.2 热镀锌线稳定辊和沉没辊喷涂
       热镀锌锌锅设备是连续热镀锌(CGL)线中最关键设备之一。镀层控制系统中的三辊系统(一根沉没辊及两根稳定辊)是锌锅设备的心脏,其质量将直接决定整个生产线的质量与效率。此外,它的使用工况又极其恶劣:高速、大张力、高温、磨损及熔融锌腐蚀等。因此,锌锅组件始终是 CGL 机组的技术难点和焦点,更是提升热镀锌带钢表面品质、提高生产效率的瓶颈所在,采用超音速火焰喷涂制备的沉没辊和稳定辊耐熔锌腐蚀能力增强,耐磨性提高,使用寿命在 3个周期以上,已经达到国内先进水平。热镀锌生产线上的稳定辊和沉没辊喷涂前后对比如图 6 所示。
5结论
       超音速火焰喷涂所产生的涂层质量优良,是最具发展前途的喷涂技术之一。目前,我国热喷涂行业在各工业领域与先进工业发达国家还有一定差距。对于一些大工件、厚涂层而言,采用先进的热喷涂制备的涂层替代电镀硬铬无论在性能上还是在经济上都有很大的优势。在制备一些需要高结合强度、高耐磨材料时应用超音速火焰喷涂,综合经济收益会更高。虽然,要实现热喷涂代替电镀硬铬工艺如结构均匀的涂层材料、高性能的喷涂设备、优化的工艺参数、高质量的后加工装备和合理的加工工艺等还有较大难度,但随着经济发展及超音速火焰喷涂技术自身的革新,该技术必将应用于更广泛的领域。
参考文献略

 

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