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火焰噴涂技術(shù)之線材火焰噴涂技術(shù)

線材火焰噴涂一般利用氧-火焰燃?xì)猓ㄒ话銥橐胰玻┳鳛闊嵩?,噴涂的材料可以是絲狀的金屬、合金或柔性材料包覆的復(fù)合粉末絲材。它是最早獲得應(yīng)用的熱噴涂方法,迄今仍在普遍使用。

線材火焰噴涂原理


圖1為火焰噴涂方法的基本原理示意圖。噴槍通過氣閥分別引入乙炔、氧氣和壓縮空氣,利用氧-乙炔燃燒火焰作為熱源,將連續(xù)、均勻送入火焰中的噴涂絲材端部加熱到熔化狀態(tài),借助于高壓氣體將熔化狀態(tài)的絲材霧化成微粒,噴射到經(jīng)過預(yù)先處理的工件表面形成涂層。



圖1  線材火焰噴涂基本原理圖

1-基材;2-涂層;3-噴涂束流;4-熔融材料;5-火焰;6-線材或棒材;

7-氧氣;8-燃料氣;9-霧化氣;10-氣體噴嘴。

火焰線材噴涂裝置簡(jiǎn)單、操作方便;容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻的送料,噴涂質(zhì)量穩(wěn)定;噴涂效率高,耗能少。但絲材制造受到拉絲成型工藝的限制。


線材火焰噴涂設(shè)備


典型火焰線材噴涂系統(tǒng)如圖2所示,主要包括有線材火焰噴槍、氧氣、燃?xì)夂蛪嚎s空氣控制裝置、送絲裝置和供氣系統(tǒng)四部分組成。



1-空氣壓縮機(jī);2-空氣干燥器;3-儲(chǔ)氣罐;4-乙炔瓶;5-氧氣瓶;6-氣體流量表;

7-空氣凈化器;8-空氣控制器;9-空氣流量表;10-絲架;11-噴槍。

(1)噴槍

噴槍是火焰線材噴涂設(shè)備中最關(guān)鍵的部件。用于噴涂線材的火焰噴槍,按氧-燃?xì)獾囊M(jìn)方式可分為射吸式和等壓式兩種,射吸式噴槍是利用氧氣氣流吸入乙炔氣,操作方便,使用安全。按送絲動(dòng)力可分為氣渦輪送絲和電機(jī)送絲兩種。我國(guó)設(shè)計(jì)的噴槍多為射吸式。

SQP-1型氧-乙炔火焰線材噴槍是由上海噴涂機(jī)械廠自行設(shè)計(jì)的射吸式火焰線材噴槍(熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)),主要性能見表1,是目前國(guó)內(nèi)最常用的火焰線材噴槍,它以線材的金屬材料為噴涂材料,以氧-乙炔火焰為熱源,送絲動(dòng)力氣源為氣渦輪,可手持和機(jī)夾,該槍的外形和結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2  SQP-1型火焰線材噴槍性能

序號(hào)

項(xiàng)目

性能和數(shù)據(jù)

序號(hào)

項(xiàng)目

性能和數(shù)據(jù)

1

型號(hào)

SQP-1吸射式

12

氣體表壓力/MPa

氧氣

0.3~0.7

2

操作方式

手持固定兩用

乙炔

0.03~0.1

3

動(dòng)力源

壓縮空氣吹動(dòng)汽輪

空氣

0.4~0.8

4

調(diào)速方式

離心力-離合器

13

氣體消耗量

氧氣

2.5

乙炔

0.7

5

質(zhì)量

≤1.8kg

空氣

30

6

外形尺寸/(mm)

90×180×215

14

噴涂效率

/kgh-1

 

80

Ф2.3

1.8

7

使用熱源

-乙炔火焰

Ф3.0

2.7

8

火花束角度

4°

Ф3.0

3.2

9

引力/N

≥65

A12O3

Ф2.2

0.4

10

線材直徑

/(mm)

Ф2.3Ф3.0

低碳鋼

Ф3.3

2

11

噴射時(shí)顆粒直徑()/um

4~40

不銹鋼

Ф2.3

1.8

Ф3.0

4.3

Ф2.3

0.9

 

 



 

3  SQP-1型線材火焰噴槍外形和結(jié)構(gòu)圖

1-噴嘴部分;2-絲材;3-掛鉤;4-送絲滾輪;5-風(fēng)機(jī)部件;6-氣體開關(guān)

 

2)控制裝置

氣體燃料、氧氣、壓縮空氣的壓力與流量是影響涂層性能的重要參數(shù),一般需要采用調(diào)壓器和流量計(jì)同時(shí)進(jìn)行控制。通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氣體的壓力和流量,并通過串聯(lián)回火防止器確保系統(tǒng)安全。

(3)送絲機(jī)構(gòu)

由絲材盤架和送絲驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成,送絲機(jī)構(gòu)取決于槍內(nèi)的驅(qū)動(dòng)裝置,為了能夠?qū)⒔z材均勻地送入火焰中,一般使用可使盤狀絲材回轉(zhuǎn)送出的送絲裝置。

(4)供氣系統(tǒng)

火焰線材噴涂必須氧氣、燃?xì)?、壓縮氣體三氣俱全?;鹧婢€材噴槍最好選用瓶裝氧氣,乙炔氣和經(jīng)干燥、凈化處理的壓縮空氣(熱噴涂與再制造微信公眾號(hào))。乙炔氣最低限度也要用中壓發(fā)生器產(chǎn)生的乙炔氣,并且要能保證足夠的供氣量。壓縮空氣壓力、流量都必須滿足噴槍說明書的要求(熱噴涂與再制造微信公眾號(hào))。壓縮機(jī)后應(yīng)接有空氣換熱排污器及油水分離器,以除去壓縮空氣中所含的水分和油。對(duì)“三氣”性能要求見表2。

表2  氧氣、乙炔、壓縮空氣的要求

名稱

分子式

純度/%

最高壓力/MPa

最大流量/m3·h-1

備注

氧氣

O2

99.2

>0.7

>2.5

乙炔

C2H2

99.0

>0.1

>0.7

空氣

>0.7

>30

清潔干燥


線材火焰噴涂工藝


火焰線材噴涂層能改善基體材料的表面特性。涂層的質(zhì)量取決于噴槍的性能和金屬絲的質(zhì)量,合理的選擇噴涂工藝方法和工藝參數(shù)也是確保涂層質(zhì)量的重要因素之一(熱噴涂與再制造微信公眾號(hào))。噴涂工藝參數(shù)的變化將影響涂層的噴涂效率、沉積效率、結(jié)合強(qiáng)度、內(nèi)應(yīng)力和組織狀態(tài)等。氧—乙炔線材火焰噴涂的工藝如下:

(1)氧-乙炔火焰的選擇

火焰性質(zhì)對(duì)涂層質(zhì)量的影響,對(duì)不同材料會(huì)得出不同的效果。只有根據(jù)噴涂材料特性,涂層工作環(huán)境,來選用適宜的火焰性質(zhì),才能更好地提高噴涂效率和涂層質(zhì)量。

中性火焰燃燒殘余物少,能提高噴涂效率和噴涂質(zhì)量,節(jié)約能源,是火焰線材噴涂時(shí)最常用的火焰,常用的金屬線材(如:鋅、鋁、鋼、銅、不銹鋼等)都采用中性火焰進(jìn)行噴涂作業(yè)。

氧化焰在噴涂合金鋼、不銹鋼、鋁之類材料時(shí),則會(huì)增加涂層材料中的碳和合金元素的燒損,使涂層中的氧化物含量增高,耐蝕性下降,因此一般不用。

還原焰中若乙炔含量過高,火焰的穩(wěn)定性和剛度將下降,只是在噴涂鋁、不銹鋼材料時(shí)使用微還原焰可以減少涂層中氧化物含量和合金元素的燒損,提高涂層的耐蝕性能(熱噴涂與再制造微信公眾號(hào))

(2)氣體壓力和流量的選擇

如采用不同型式的噴槍,其噴涂參數(shù)可能不同,應(yīng)根據(jù)每把槍的使用說明書進(jìn)行調(diào)整。采用SQP-1型噴槍時(shí),由于是射吸式,一般氧氣壓力選用0.3~0.7 MPa;乙炔壓力選用0.03~0.10 MPa;壓縮空氣是氧-乙炔火焰線材噴涂中不可缺少的氣源之一,是線材熔化后形成微小粒子并噴射到工件表面動(dòng)力的主要來源,在噴涂過程中,提高壓縮空氣的壓力(熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)),既能使絲材熔滴獲得高的動(dòng)能,又能使熔滴保持高的溫度,對(duì)提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度和涂層的致密度都非常有利,但壓力和流量過大將使火焰的溫度降低,造成粒子熔化不良,也會(huì)影響涂層質(zhì)量(熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)),因此,壓縮空氣的壓力與流量也要根據(jù)火焰的參數(shù)進(jìn)行匹配選擇。一般氧-乙炔噴涂時(shí)選用壓縮空氣的壓力為0.4~0.8 MPa。

燃?xì)饬髁亢脱鯕饬髁康拇笈c小,可決定火焰的長(zhǎng)度。采用SQP-1型噴槍當(dāng)火焰為中性焰時(shí),隨著氧-燃?xì)饬髁康脑黾樱鹧娴拈L(zhǎng)度明顯增加,焰流速度也增加,達(dá)到提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度,減少涂層的孔隙率,改善涂層質(zhì)量的目的。

(3)噴涂距離的選擇

選擇合適的噴涂距離,對(duì)涂層的質(zhì)量影響很大,若選用過小的噴涂距離,絲材的熔滴溫度就高,動(dòng)能也大,有利于提高涂層與基體表面的結(jié)合強(qiáng)度。但是,氧-乙炔火焰?zhèn)鬟f給基體表面的溫度增高(熱噴涂與再制造微信公眾號(hào)),容易引起基體的熱變形,而且對(duì)加熱基體也會(huì)因?yàn)橥繉优c基體間熱膨脹系數(shù)的差異而引起涂層中新的應(yīng)力,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致涂層的開裂和剝落。噴涂距離過大時(shí),絲材熔滴的溫度和動(dòng)能下降,會(huì)降低涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度和涂層的致密度(熱噴涂與再制造微信公眾號(hào))。因此,噴涂時(shí)的理想情況是在對(duì)基體幾乎不產(chǎn)生熱變形的條件下,盡可能選用較小的噴涂距離。

粒子的最高飛行速度同噴涂時(shí)所用的燃?xì)狻⒀鯕饬髁?,壓縮氣體壓力的大小有非常大的關(guān)系(熱噴涂與再制造微信公眾號(hào))。當(dāng)三種氣體都增加時(shí),粒子的飛行速度將增加,而且最大速度的位置前移,此狀態(tài)時(shí),噴涂距離可以選擇較大些。

在通常的工藝參數(shù)下,絲材熔滴飛行的最大速度在噴涂距離為100 mm左右處。因此,氧-乙炔焰絲材噴涂距離一般選為100~150 mm,對(duì)于放熱型復(fù)合絲材,噴涂距離可加大到150~200 mm。

(4)絲材直徑和絲材送進(jìn)速度的選擇

在氧-乙炔焰絲材噴涂中,選用的絲材直徑越大,可以提高噴涂的效率和降低涂層的含氧量(熱噴涂與再制造微信公眾號(hào))。但是選用大直徑的絲材進(jìn)行噴涂時(shí),受到噴槍功率的限制。國(guó)產(chǎn)SQP-1型氧-乙炔焰絲材噴槍選用的絲材直徑為2.3 mm和3 mm兩種。美制12E型氧-乙炔焰絲材噴槍選用的絲材直徑一般為3.77 mm和4.77 mm兩種。

絲材送進(jìn)速度取決于絲材本身的熔點(diǎn)和氧-乙炔焰參數(shù)的最佳條件。當(dāng)氧-乙炔焰參數(shù)為最佳條件時(shí),由于火焰能量大、穩(wěn)定性好,絲材也可處于最佳的加熱狀態(tài),絲材的送進(jìn)速度可以偏高些(熱噴涂與再制造微信公眾號(hào))。但是,當(dāng)絲材的送進(jìn)速度過高時(shí),會(huì)造成絲材熔滴出現(xiàn)熔化不均勻的現(xiàn)象。因此,在確保涂層質(zhì)量的前提下,必須選用較高的絲材送進(jìn)速度,以便提高噴涂效率。當(dāng)絲材的送進(jìn)速度過低時(shí),絲材熔滴出現(xiàn)細(xì)密狀顆粒,造成涂層含有較多的氧化物,會(huì)降低涂層的性能和噴涂效率(熱噴涂與再制造微信公眾號(hào))。比較合適的送絲速度,得到的金屬霧化粒子的尺寸約在20~70 μm。每一種噴涂材料其噴涂時(shí)送絲速度是不同的。使用QX-1型噴槍可以通過觀察線材在火焰中伸出空氣帽的長(zhǎng)度判斷送絲速度是否合理(熱噴涂與再制造微信公眾號(hào))。一般熔點(diǎn)高于750 ℃的金屬材料,如:碳鋼、不銹鋼絲等,其伸出長(zhǎng)度約在3~5 mm,而熔點(diǎn)低于750 ℃的鋅、錫、鉛、巴氏合金等其伸出空氣帽長(zhǎng)度可大于5 mm以上。

國(guó)產(chǎn)SQP-1型氧-乙炔焰絲材噴槍具有中速和高速兩種送進(jìn)速度。對(duì)于高熔點(diǎn)絲材和氧化物絲材,其直徑為2.3 mm時(shí),則一般選用中速檔(熱噴涂與再制造微信公眾號(hào));對(duì)熔點(diǎn)較低的金屬絲材,其直徑為3 mm時(shí),則一般用高速檔。

(5)噴槍與基體表面的相對(duì)移動(dòng)速度的選擇

噴槍與基體表面的相對(duì)移動(dòng)速度,對(duì)涂層質(zhì)量和基體的熱變形有一定的影響。當(dāng)相對(duì)移動(dòng)速度過慢時(shí),基體表面溫度升高,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)表面氧化和熱變形。同時(shí)基體表面出現(xiàn)的熱膨脹與涂層出現(xiàn)的冷凝收縮,均發(fā)生在它們之間的接觸面上,使之出現(xiàn)較大的拉伸應(yīng)力,降低了涂層與基體表面之間的結(jié)合強(qiáng)度(熱噴涂與再制造微信公眾號(hào))。所以,除及時(shí)冷卻涂層外,正確選擇噴槍與基體表面的相對(duì)移動(dòng)速度是很重要的。


線材火焰噴涂設(shè)備


火焰線材噴涂可以直接、快速、方便地在鋼結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)罐、機(jī)械零部件表面制備耐腐蝕、抗氧化、耐磨損、導(dǎo)電、屏蔽等金屬及復(fù)合材料涂層。還可以在水泥、木材、石膏等非金屬表面制備具有裝飾性的金屬涂層,目前該技術(shù)的應(yīng)用已遍及各行各業(yè)(熱噴涂與再制造微信公眾號(hào))。

為使涂層性能達(dá)到使用要求,在應(yīng)用火焰線材噴涂涂層時(shí),應(yīng)考慮涂層的如下特點(diǎn):

(1)涂層與基體的結(jié)合是機(jī)械錨接形式,涂層與涂層的母材相比更脆、更硬、耐磨性更好。但它不適合在沖擊載荷下使用。

(2)涂層一般都有孔隙,在有腐蝕介質(zhì)環(huán)境中使用,涂層必須進(jìn)行封閉處理。

(3)涂層形成過程中,有元素?zé)龘p和氧化反應(yīng)。對(duì)涂層進(jìn)行熱擴(kuò)散處理時(shí),則需考慮元素?zé)龘p和氧化物的含量。


文章轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào):熱噴涂與再制造



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