第五章 热喷涂.

丝材带材
金属及合金
按种类 热 喷 涂 材 料 的 分 类 28
Jing Liang
金属陶瓷 陶 瓷
塑料及有机物
By
School of Materials and Metallurgy
其 他
电弧喷涂
Arc Wire Sprayed Nickel Aluminium Alloy Coating
Arc Wire Sprayed High Chromium High CarbBaidu Nhomakorabean Iron Coating
涂层的结合
1）机械结合。撞成扁平状并随基材表面起伏的颗粒，由于凹凸 不平的表面互相嵌合（即紧缩效应），形成机械的键而结合。 2）冶金-化学结合，这是当涂层和基材表面出现扩散和微区合金 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。 3）物理结合。颗粒对基材表面的结合，是由范德华力或价键 形成的结合。
80～100
优点
孔隙率低，结合 性好，多用途， 基材温度低，污 染低
设备简单， 工艺灵活
成本低，效率 高，污染低， 基材温度低
孔隙率非常低， 结合性好，基 材温度低
成本较高 缺点
孔隙率高， 结合性差， 对工件要预 热
只应用于导电 喷涂材料，通 常孔隙率较高
成本高，效率 低
5.3 待喷涂表面的制备
热喷涂的基本工艺流程图如图2所示
3）铜及铜合金
纯铜贮运爱用作电器开关和电子元件的导电喷涂层及人像、工艺 品、水泥等建筑表面的装饰喷涂层。 黄铜广泛应用于修复磨损及加工超差的零件，修补有铸造砂眼、 气孔的黄铜件，也可以为装饰喷涂层使用。 铝青铜涂层的结合强度高，抗海水腐蚀能力强，并具有很好的 耐腐蚀疲劳和耐磨性。
4） 镍及镍合金
镍合金中用作喷涂材料的主要为镍铬合金，这类合金具有非 常好的抗高温氧化性能，可在880℃高温下使用，是目前应用很 广的热阻材料。
5.5 电弧喷涂技术
电弧喷涂技术由于其设备、材料的发展与更新。使它成为目前 热喷涂技术中最受重视的技术之一。
5.5.1 原理
电弧喷涂是以电弧为热源，将金属丝熔化并用气流雾化，使熔 融粒子高速喷到工件表面形成涂层的一种工艺。图4－4是电弧喷涂 原理示意图。
喷涂时，两根丝状金属喷涂材料用送丝装置通过送丝轮均匀、连 续地分别送进电弧喷涂枪中的导电嘴内，导电嘴分别接电源的正极， 负极，并保证两根丝之间在未接触之前的可靠绝缘，当两金属丝材 端部由于送进而互相接触时，在端部之间短路并产生电弧，使丝材 端部瞬间熔化，压缩空气把熔融金属雾化成微熔滴，以很高的速度 喷射到工件表面，形成电弧喷涂层。
第五章 热喷涂技术
5.1 概述
热喷涂技术以其方法的多样性、涂层 种类的广泛性和良好的经济性在机械 制造和设备维修中有广阔的应用前景。
• 是使用某种方式的热源， 使喷涂材料加热至熔融或半 熔融状态， 用高压气流将其雾化， 并以一定速度喷 射到经过预处理的零件表面， 从而形成涂层的表面加 热喷涂 工技术。
（3）熔融或软化的微细颗粒的喷射飞行：在飞行过程中，颗粒 首先被加速形成粒子流，随着飞行距离增加，粒子运动速度逐渐 减小。 （4）粒子在基材表面发生碰撞、变形、凝固和堆集：当具有一 定温度和速度的微细颗粒与基材表面接触时，颗粒与基体表面 产生强烈的碰撞，颗粒的动能转化为热能并部分传递给基材， 同时微细颗粒沿凹凸不平表面产生变形，变形的颗粒迅速冷凝 并产生收缩，扁平状黏结在基材表面。喷涂的粒子束仍需不断 地运动并冲击表面，产生碰撞-变形-冷凝收缩的过程，变形的颗 粒与基材表面之间，以及颗粒与颗粒之间互相黏结在一起，从 而形成涂层。
电弧喷涂曲轴修复
•表面预处理： 表面预处理包括表面除油与表面粗化，首先将喷涂部位及周围表面的油彻底清洗干 净，然后用特制的加长刀杆车刀，车去轴颈表面疲劳层0.25mm，最后再用60°螺 纹刀在轴颈表面车出螺纹。 •电弧喷涂金属涂层 ： 电弧喷涂涂层的构成：轴颈表面处理后的尺寸为Φ192mm要求的基本尺寸为 195mm，所以应当喷涂至Φ199mm ；
涂层形成过程示意图如下：
冲击
碰撞
变形
凝固-收缩
图1 涂层形成过程示意图
热喷涂原理示意图
涂层形成示意图
涂层的结构
涂层结构示意图
涂层的形成过程表明，涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式 堆叠在一起而形成的层状组织结构。
在喷涂过程中由于熔融的颗粒在熔化、软化、加速及飞行及基材 表面接触过程中与周围截至发生了化学反应，使得喷涂材料经喷 涂后会出现氧化物，而且，由于颗粒的陆续堆叠和部分颗粒的反 弹散失，在颗粒之间不可避免地存在一部分孔隙式空洞。因此， 喷涂层是由变形颗粒，气孔和氧化物所组成。
5.5.3 电弧喷涂材料
1）锌及锌合金
锌为银白色金属。在大气中或水中具有良好的耐腐蚀性，并对 钢铁基材有电化学保护作用。而在酸、碱、盐中不耐腐蚀，当水中 含有二氧化硫时，它的耐腐蚀性能很差。
2）铝及铝合金 铝用作防腐蚀喷涂层时，作用与锌相似。它与锌相比，比重轻， 价格低廉，在含有二氧化硫的气体中耐腐蚀效果比较好。在铝及铝合 金加入稀土不仅提高涂层的结合强度而且降低孔隙率。 铝还可以用作耐热喷涂层。铝喷涂层已广泛用于贮水容器。硫磺气体 包围中的钢铁构件、食品贮存器。燃烧室、船体、和闸门等。
热喷涂的发展 种类与特点
热喷涂的发展
• 20世纪初：喷涂锌、铝等低熔点的金属 • 二战期间：线材火焰喷涂用于零件的修复－》 火焰粉末喷涂 • 50 年代：研制出自熔性合金粉末和放热型复合 粉末 • 爆炸喷涂、等离子喷涂——陶瓷涂层、复合梯 度涂层
热喷涂技术的发展
Sulzer Metco 公司热喷涂设备、材料销售和热喷涂技术发展。
热喷涂的一般原理
喷涂材料在热源中被加热的过程和颗粒与基体表面结合的过程 是热喷涂制备涂层的关键环节。尽管热喷涂的具体方法很多，且各 具特点，但无论哪种方法，其喷涂过程、涂层形成原理和涂层结构 基本相同。 从喷涂材料进入热源到形成涂层，喷涂过程一般经历四个阶段 ： （1）喷涂材料的加热、熔化：对于线材，当端部进入热源高温区域 时，全部被加热熔化；对于粉末，进入热源高温区域，在行进的过程 中被加热熔化或软化。 （2）熔化的喷涂材料被雾化：现材端部熔化形成的熔滴在外加压缩 气流或热源自身射流的作用下脱离线材并成微小熔滴向前喷射，粉末 一般不存在熔粒破碎和雾化的过程，而是被气流成热源射流推着向前 喷射 。
5） 钼
钼在喷涂中常作为结合底层材料使用，还可以用作摩擦表面的 减摩工作涂层，如活塞环、刹车片、铝合金气缸等。
6）碳钢和低合金钢 碳钢和低合金钢是广泛应用的电弧喷涂材料。它具有强度较高、 耐磨性好、价格低廉等特点。 7）粉芯焊丝
国内外已采用粉芯丝材作为电弧喷涂材料，我国已应用3Cr13、 4Cr13、7Cr13等粉芯丝材做为耐磨喷涂材料，并且具有良好的抗高 温稳定性。
另一种表面粗化方法是机械加工粗化法，包括车螺纹，或磨 削、滚花等。
4）预热 提高表面结合强度。 5）喷涂结合底层 喷涂结合底层可以提高工作层与工件之间的结合强度。在工 件较薄，喷砂时容易产生变形的情况下，特别适合于采用预先喷 涂结合底层的办法。厚度0.05~0.10mm。
6）喷涂工作层
7）喷涂后处理 1） 机械加工：调整尺寸。 2） 封空：封闭涂层的空隙，提高表面性能。有时不需要封空。
涂 层 工 件 送丝轮
丝盘 直流电源30V 电流300A
压缩空气
电弧 送丝动力
电源
图3 电弧喷涂原理示意图
5.5.2电弧喷涂技术的特点
1）应用电弧喷涂技术，可以在不提高工件温度、不使用贵重底层材 料的情况下获得很高的结合强度，结合强度可达20Mpa。电弧喷涂层 的结合强度是火焰喷涂层的2.5倍。
•喷涂层的机械加工 用专用车刀车削加工，留下0.8mm磨削余量，然后安装在曲轴磨床上磨至标准尺 寸Φ195mm。 •喷涂质量检验 经检验，轴颈表面涂层致密，无气孔，无砂眼，无起皮，表面粗糙度达Ra0.8μm （相当于光洁度▽8），现场喷涂的试片，用捶击法检验，无裂纹，无起皮，说明 结合良好。 •作用效果与经济效益 曲轴检验合格后装机试车，先空转24小时，然后加载运转，在运转10天、一个月、 3个月时进行分解检验，喷涂层表面光洁、致密、无剥坑、无起皮、磨损甚微。该 曲轴修好至今已正常工作三年，完好无损，该船现每天24小时连续工作，每小时 挖泥720m3，已充分发挥了技术性能。
复合型粉末
粉末材料
按形状 棒 材
非复合型粉末 填充芯复合丝材 拉拔复合丝材 拉拔丝材
其他金属及合金 铜基合金 铁及合金 钴基合金 锌基合金 镍基合金 金属+石墨原子 合金+玻璃 合金+硼化物 合金+氮化物 合金+碳化物 氧化物 磷化物 硼化物 氮化物 碳化物 有机涂料 金属塑料 热塑型塑料 热固型塑料 其他非金属材料 玻璃轴料
电弧喷涂实例
--大功率发动机曲轴修复
• 长江三峡的挖泥船在施工中由于润滑系统缺油而导致 第三连杆轴颈严重拉伤，被迫停机。 •该发动机属于大马力中速柴油机，要求曲轴轴颈修复 层具有良好的耐磨性，较高的结合强度和硬度，并能承 受低冲击负荷和有较高的抗疲劳性能。 •通过综合评估各种方案，采用电弧喷涂曲轴工艺 。
热喷涂种类及特点
1） 定义：热喷涂是利用一种热源将喷涂材料加热至熔融状态， 并通过气流吹动使其雾化高速喷射到零件表面，以形成喷涂层的 表面加工技术。
2）特点：喷涂层与基体之间，以及喷涂层中颗粒之间主要是通过 镶嵌，咬合、填塞这种机械形式连接，其次是微区冶金结合以及化 学键结合。在自熔性合金粉末，尤其是放热性自粘结复合粉末问世 以后，出现了喷涂层与基体之间以及喷涂层颗粒之间的微区冶金结 合的组织，使结合强度明显提高。
工件表面制备
表 面 净 化
表 面 预 加 工
表 预 面 粗 热 化
喷 涂 底 层
喷 涂 工 作 层
喷后处理 机 械 加 工 封 空
图2 热喷涂的基本工艺流程图
1）表面净化 喷涂前，首先须将待喷涂表面净化，彻底清除附着在表面的油 污、油漆、氧化物等，显露出新鲜的金属表面。 2）表面预加工 表面预加工的主要目的是预留一定的喷涂层厚度。 3）表面粗化 表面粗化处理与清洗过程同样重要。工件表面经过粗化处理后， 可以增大工件表面的活性和增大喷涂层的接触面积，在有些情况 （如喷砂）还可以使工件产生表面压应力，有助于增强工件的抗疲 劳性能。 最常用的表面粗化方法是喷砂，喷砂材料有多角冷凝铸铁砂 （适用于硬度为HRC50左右的工件表面）、刚玉砂（Al2O3、适用 于硬度值为HRC40左右的工件表面）和石英砂（SiO2适用于硬度 值为HRC30左右的工件表面）等。
2）电弧喷涂的高效率表现在单位时间内喷涂金属的重量大。电弧喷 涂的生产效率正比于电弧电流。比火焰喷涂提高2～6倍。
3）电弧喷涂的节能效果十分突出，能源利用率显著高于其他喷涂方 法，而能源费用降低50％以上。除它的能源利用率很高外，加之电 能的价格又远低于氧气和乙炔，其费用通常仅为火焰喷涂的1/10。 4）电弧喷涂技术仅使用电和压缩空气，不用氧气、乙炔等易燃气体， 安全性高。
轴材料牌号为KSPF55，相当于35号锻钢，因此，选用铝青铜喷涂底层，3Cr13作为 喷涂尺寸层及工作层。丝材直径Φ3mm。
电弧喷涂工艺参数： 喷涂电压40V，喷涂铝青铜电流100A，喷涂3Cr13时电流400A，空气压力0.70Mpa， 喷枪距工件表面约200～500mm。曲轴在C650车床上慢速转动，喷枪沿轴颈法线方向 喷射，并沿轴线方向轻轻摆动。
喷涂材料需要热源加热和喷涂层与零件基材之间主要是机械结合， 这是热喷涂技术最基本的特征。
热喷涂的分类，应以热源形式为主，在此基 础上必要时可再冠以喷涂材料的形态（粉材、丝 材、棒材）、材料的性质（金属、非金属）、能 量级别（高能、高速）、喷涂环境（大气、真空、 负压）等。
热喷涂可简明分为四大类，火焰喷涂、电弧 喷涂、等离子喷涂和特种喷涂。
几种常用的热喷涂技术及常用表面工程技术的比较见表1
等离子喷涂法 火焰喷涂 电弧喷涂法 爆炸喷涂法
熔粒速度/(m/s) 温度值 典型涂层孔隙率（％）
400 12000 1～10
150 3000 10～15
200 5000 10～15
1500 4000 1～2
典型结合强度/MPa
30～70
5～10
10～20
热喷涂的主要应用特性
与其他表面工程技术相比，热喷涂在实用性方面有以下方 面的特点： （1） 热喷涂的种类：热喷涂细分有十几种，根据工件的要求 在应用时有较大的选择余地。 （2）涂层的功能多：适用于热喷涂的材料有金属及其合金、陶 瓷、塑料及它们的复合材料。
（3）使用热喷涂的零件范围宽。
（4）设备简单、生产率高 。 （5）操作环境较差，需加以防护。