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HVOF 技術在鋼鐵行業中的應用

時間:2014-01-03 21:01:42  來源:重工與起重技術  作者:張廣偉 蘇 濤 王忠儉 劉述明

摘 要:簡述了熱噴塗技術特別是超音速火焰噴塗(HVOF)技術原理,塗層性能,並與電鍍硬鉻層進行比較,闡明超音速火焰噴塗技術代替電鍍鉻技術的可行性及在鋼鐵冶金行業中的具體應用。
關鍵詞:熱噴塗;HVOF;電鍍硬鉻

1前言
        高效連續化的現代鋼鐵生產機組中,主體設備的輥子幾乎都處於高溫、高載荷、疲勞、磨損、腐蝕及衝擊等極其惡劣的工況條件下,最終導致輥子的失效。為了提高輥子的使用壽命,傳統方法是通常在輥麵電鍍一層硬鉻金屬來提高輥子本身的耐磨性、耐腐蝕性能和硬度。然而,電鍍硬鉻過程中產生的 Cr3+和 Cr6+離子對環境造成嚴重汙染[1]。隨著近年城市的發展和生態環境改善的需求,冶金工業裝備發展的一個重要趨勢是采用各種複合材料和表麵強化技術,特別是采用熱噴塗技術製備耐高溫、抗熱震、耐磨損、抗腐蝕及特殊功能塗層,以達到提高功能、提高效率、節能、節材並延長關鍵零部件的使用壽命。文章通過超音速火焰噴塗(HVOF)技術與電鍍硬鉻塗層試驗的對比分析,闡述熱噴塗技術在鋼鐵行業尤其是連續冷軋線和熱鍍鋅線上的具體應用。
2電鍍硬鉻技術與超音速火焰噴塗技術
2.1 電鍍硬鉻技術
        電鍍硬鉻層硬度一般為 HV800~900,不及一些陶瓷和金屬陶瓷材料的硬度和耐磨性,且硬鉻鍍層硬度在溫度升高時會因內應力釋放而迅速降低,其工作溫度隻能低於 427℃,難以適應現代機械高溫、高速的工作要求。電鍍工藝沉積速度慢,約為 25μm/h,鍍 0.3~0.5mm 厚的鍍層則需要十幾至二十小時,不利於厚鍍層的使用[2]。鍍鉻層內存在微裂紋,不可避免產生穿透性裂紋,導致腐蝕介質從表麵滲透至界麵而腐蝕基體,造成鍍層表麵出現鏽斑甚至剝落。
2.2 超音速火焰噴塗技術
        熱噴塗技術是利用熱源(電弧、燃燒火焰、等離子體等)將噴塗材料(粉末或絲材)加熱至熔化或半熔化狀態,並以一定的速度噴射沉積到經過預處理的基體表麵形成塗層的方法。超音速火焰噴塗(簡稱 HVOF)是利用丙烷、丙烯等碳氫係燃氣或航空煤油等液體燃料與高壓氧氣在燃燒室或特殊噴嘴中燃燒產生高溫高壓焰流。其火焰溫度可達 3000℃,速度高達 1500~2000m/s,同時利用送粉器和載氣將粉末引入熱焰中,產生熔化或半熔化的粒子,通過高速焰流撞擊在基體表麵上沉積形成塗層。噴塗顆粒以超音速飛行而撞擊到基體表麵,噴塗塗層的結合強度、密度和硬度都非常高,且可在各種基體上形成塗層。與等離子噴塗相比,HVOF 塗層中缺碳相含量大大減少。因此,HVOF 在噴塗金屬陶瓷、合金粉末等方麵顯示良好的優越性。
3試驗與分析
3.1試驗材料與方法
        本試驗采用美國 Praxair 公司的 JP-8000 超音速噴塗設備,如圖 2 所示。采用 K-Ⅱ航空煤油為燃料,氧氣為助燃氣,氬氣為送粉氣,噴塗工藝參數見表 1。
3.2塗層顯微組織分析
        超音速火焰噴塗 WC-Co-Cr 和 WC-12Co 塗層截麵組織形貌見圖 3。由圖可見,塗層與基體結合良好,局部出現起伏嵌合狀態,界麵沒有明顯的缺陷;塗層表麵有少量孔隙、孔洞存在;塊狀的 WC 顆粒均勻分布在塗層中,說明粒子在高速衝擊下變形充分。此外,由於超音速火焰噴塗過程中粒子飛行速度快,火焰溫度低,所以塗層表麵未發現可見的層狀結構。采用定量金相顯微鏡檢測塗層的孔隙率,在塗層截麵上選取 3 個區域,測得 WC-Co-Cr 塗層平均孔隙率為 0.91%;WC-12Co 塗層的平均孔隙率為 0.85%。
3.3 塗層 X 射線衍射分析
        圖 4 為塗層 XRD 衍射分析圖譜,通過圖譜可以看出:WC-Co-Cr 塗層中主相是 WC,並含有少量的Co6W6C 相,沒有發現 W2C 相;WC-12Co 塗層中也沒有發現 W2C 相。上述分析表明在超音速火焰噴塗過程中,材料各成分損失很少,WC 幾乎不發生脫碳現象。從衍射峰的強度看,WC 相占據很大部分。另外,由於粉末中 Cr 含量不高,因此塗層中沒有可分辨的Cr 的碳化物存在。
3.4試驗結果
        上述分析表明,電鍍硬鉻塗層內存在許多細小裂紋,局部形成貫穿性裂紋,且塗層與基體結合處存在缺陷,最終導致塗層很容易失效;利用超音速火焰噴塗技術(HVOF)製備的 WC-Co 塗層和 WC-Co-Cr塗層與基體材料結合良好,塗層比較致密,WC 硬質相分布均勻。鍍鉻層顯微硬度為 HV800,WC 塗層顯微硬度在 HV1200 以上,是鍍鉻層硬度的 1.5 倍。電鍍鉻層厚度一般為 0.05~0.08mm,結合方式為機械結合;噴塗塗層厚度為 0.12~0.15mm,結合方式為機械結合和冶金結合,並且通過 XRD 分析得知噴塗塗層的 WC 硬質相均勻分布且沒有發生分解,故噴塗塗層的耐磨性和耐腐蝕性能都明顯高於電鍍鉻層。
4 HVOF技術的應用
        目前,HVOF 技術已經廣泛應用於航天領域的壓縮機葉片、壓縮機靜子葉片、飛機的起落架及液壓製動器杆等,國際上已實現了標準化操作,代替爆炸噴塗,以降低成本;石油工業大量的泵、閥門及運輸設備等采用 HVOF 工藝進行工件噴塗,可大幅度提高其耐磨耐蝕性能,從而提高工件的可靠性,延長工件壽命;在冶金領域裏,由於其生產線大量采用輸送輥來輸送各種鋼材,在長期使用後,其表麵難免出現磨損,繼續使用將會影響所生產材料的質量。輸送輥的工作溫度較低,可以在表麵采用超音速火焰噴塗技術噴塗一層 Co 基 WC 粉末,此塗層可滿足輸送輥在450℃以下工作,使其具有良好的耐磨性和綜合力學性能,延長了其工作壽命。
4.1 冷軋線輥子噴塗
       張力輥和活套輥是冷軋生產線上的重要部件,主要負責傳輸鋼帶。在設備運行過程中,由於受到鋼帶的壓力,輥身表麵的磨損情況十分嚴重。采用超音速火焰噴塗對輥身表麵進行噴塗後,張力輥和活套輥的耐磨性能大大提高,使用壽命增加。噴塗的張力輥、活套輥及水平輥產品如圖 5 所示。
4.2 熱鍍鋅線穩定輥和沉沒輥噴塗
       熱鍍鋅鋅鍋設備是連續熱鍍鋅(CGL)線中最關鍵設備之一。鍍層控製係統中的三輥係統(一根沉沒輥及兩根穩定輥)是鋅鍋設備的心髒,其質量將直接決定整個生產線的質量與效率。此外,它的使用工況又極其惡劣:高速、大張力、高溫、磨損及熔融鋅腐蝕等。因此,鋅鍋組件始終是 CGL 機組的技術難點和焦點,更是提升熱鍍鋅帶鋼表麵品質、提高生產效率的瓶頸所在,采用超音速火焰噴塗製備的沉沒輥和穩定輥耐熔鋅腐蝕能力增強,耐磨性提高,使用壽命在 3個周期以上,已經達到國內先進水平。熱鍍鋅生產線上的穩定輥和沉沒輥噴塗前後對比如圖 6 所示。
5結論
       超音速火焰噴塗所產生的塗層質量優良,是最具發展前途的噴塗技術之一。目前,我國熱噴塗行業在各工業領域與先進工業發達國家還有一定差距。對於一些大工件、厚塗層而言,采用先進的熱噴塗製備的塗層替代電鍍硬鉻無論在性能上還是在經濟上都有很大的優勢。在製備一些需要高結合強度、高耐磨材料時應用超音速火焰噴塗,綜合經濟收益會更高。雖然,要實現熱噴塗代替電鍍硬鉻工藝如結構均勻的塗層材料、高性能的噴塗設備、優化的工藝參數、高質量的後加工裝備和合理的加工工藝等還有較大難度,但隨著經濟發展及超音速火焰噴塗技術自身的革新,該技術必將應用於更廣泛的領域。
參考文獻略

 

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