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超音速火焰噴塗鉄基粉末塗層取代硬鍍鉻在印刷行業的應用

時間:2013-11-26 08:18:17  來源:熱噴塗技術  作者:Andreas Wank , Alexander Schwe

  摘 要:目前,在印刷行業采用 HVOF 噴塗鐵基合金塗層取代硬鍍鉻處理印刷輥成為必然的趨勢。首先,采用噴塗 AISI 316L 材料在此應用領域基本上可滿足其抗腐蝕條件。 不過, AISI 316L 材料的耐磨損性能卻不能滿足其應用環境。采用 GTV 公司的 K2 噴塗係統,使用兩種不同的高鉻含量和高硼含量硬合金材料可以達到更高的耐腐蝕性能和同等的抗磨損效果。當然,噴塗參數以及噴塗顆粒的狀況和塗層的顯微組織結構都需要進行優化。下文中對本塗層的耐磨和抗腐蝕性能與 AISI 316L 材料和硬質合金材料進行了比較。 新開發的鐵基硬合金材料塗層的平均硬度可達 850 HV0.3。與傳統的 AISI316L 塗層相比,在進行鹽霧試驗和摩擦磨損試驗中,鐵基合金材料塗層的耐腐蝕和抗磨損性能要高得多。試驗結果得到證實,並且在目前全球頂尖的印刷設備生產商開始正式的投用。
  關鍵詞:鐵基合金塗層;HVOF K2 噴塗工藝;印刷行業;替代硬鍍鉻塗層;在國際頂尖印刷設備製造商應用
  
  目前,人們一直在尋找一種有利於環保的、對生產者無害的塗層解決方案來取代傳統的硬鍍鉻塗層的應用。其中,超音速火焰塗層具有技術工藝上的優勢。它的優勢在於:HVOF 塗層擁有超高的壓應力,這種壓應力則反映在當工件承受動態壓力時 具有很高的強度。以碳化鎢為基礎的 HVOF 塗層在麵對各種摩擦負載時具有相當高的抗磨損能力。這種塗層的生產簡單便捷,並且不會產生脆性的氫化物質。因此,以碳化鎢為基礎的 HVOF 塗層可以再很多領域取代傳統的硬鍍鉻塗層,如飛機的起落架、液壓杆或成型輥等[1-2]。在硬鍍鉻塗層的應用領域在很多情況下,塗層的抗磨損性能並不是很重要的。例如在印刷行業,印刷輥的防腐性能則是最重要的主題。為了使得所生產的塗層盡管因為微裂紋典型的高致密度而獲得更好的防腐性能,大多數的情況下將采用噴塗一層鎳或者先噴塗一層銅再噴塗一層鎳的方式來達到這一要求。更加有效的方法是采用硬鍍鉻塗層的方式來避免腐蝕介質穿透縱橫交錯的微裂紋對基體進行腐蝕。由此就要求塗層的後續機加工,如磨削等工序,不能對塗層產生破壞(產生微裂紋)而影響塗層本身的防腐性能。對於那些以耐磨性能為重點的應用目的來說,主要借助 HVOF 工藝來噴塗WC/Co(Cr) 材料得以實現,而對於那些以防腐性能為重點的應用目的來說,如印刷行業,則可以采用價格更低廉的材料如鉄基合金材料等來實現。采用AISI 316L 材料所噴塗的塗層經證明可以是印刷輥獲得足夠的防腐性能,但與硬鍍鉻塗層相比,其防腐性能相差甚遠。 同時,由於采用 AISI 316L 材料所噴塗的塗層的耐磨性能較差,使得印刷輥的使用壽命非常有限。因此,人們一直在尋找一種塗層,要使得它的防腐和耐磨性能要高於 AISI 316L 塗層,但是其生產成本又不能太高。為此,鉄基合金材料就適逢其會的產生了。在下麵的文章中,就德國 GTV 公司與海德堡印刷機械公司、K&B 公司以及 MAN 羅蘭公司共同開發和研究的關於鉄基合金材料與 AISI 316L 材料在印刷行業的應用比較結果這一課題做進一步的闡述。
  1 合金材料的選擇
  目前,針對各種不同的鉄基合金材料已經進行了很多的超音速噴塗實驗。氮化鎳鉻合金鋼借助超音速噴塗的塗層比 AISI 316L 塗層的硬度略高一些, 而且這種塗層的防腐蝕性能也比它高。不過,由於這種材料的變形性較差,因而塗層的孔隙率相對較高,這樣就影響了塗層防腐性能[3]。含鉻量較高的帶鐵素體的鋼材如 AISI 446 材料等,他們的抗腐蝕的能力與 AISI 316L 材料相比會有很大的改善。盡管它們的硬度隻是略微高一些,而且組織內部的等距晶格表明他們的變形性很差,但是,塗層的孔隙率還是相對較高,而且噴塗的沉積效率呈現下降的趨勢[4]。
  從理論上來說,噴塗含馬氏體的不鏽鋼材料相比含奧氏體的鎳鉻鋼材所獲得的塗層的硬度會明顯高出一截。由於像 AISI 431 等材料所具有的變形性較差的特性,而且其塗層的抗腐蝕能力相對較弱,因此,這類材料一般隻會為提供固定粒度範圍的等離子噴塗的應用。 此外,由於含馬氏體的不鏽鋼材料中的碳在鉻原子形成碳化物時會分解掉,這樣會明顯影響塗層的防腐性能。
  組織結構為α相和γ相各占一半的雙相鋼等材料因其優異的強度和優異的防腐性能而被大家所共知。采用 GTV 公司生產的 HVOF K2 液體燃料超音速噴塗係統對 AISI 318LN 材料進行過多次噴塗實驗,實驗結果表明,隻要調整好氧氣和煤油的劑量,並會的較高的火焰溫度,噴塗這種材料可以得到致密性很高的塗層,見圖 1 和圖 2。
  噴塗的沉積效率高達 80%,而且送粉效率為100 克/分鍾。用同樣方式製得的 AISI 316L 材料的塗層硬度僅為典型的 350 HV0.3,而 AISI 318LN 塗層的硬度則可達 500 HV0.3 。
  想通過采用噴塗鉄基材料獲得更高的塗層硬度是可行的。它們可依據傳統的硬合金係統劃分為Fe-Cr-C 及 Fe-Cr-B(-C)合金和無定型凝固合金。許多的Fe-Cr-C 硬合金由於它們所含的鉻有很大的一部分被分解在的碳化物裏因而不能形成鈍化。例如,像 AISI D7 工具鋼或 X380VCrWMo17-13 合金等,借助 HVOF 超音速設備利用它們是否適合製作防護塗層的實驗一直在進行著。實驗證明,由於這些材料本身所具備的變形性很差的特性,所以要求必須認真地優化粉末的力度分布和噴塗參數,以保證在噴塗時獲得較低的塗層孔隙率,同時還要保證塗層具備足夠的防腐蝕和耐磨性能。通過 ASTMG65 標準,對用 X380VCrWMo17-13 材料采用HVOF 超音速噴塗所獲得的塗層的耐磨性能進行檢測後發現,其耐磨性能是淬火鋼材 AISI 51200 的三倍[5-7]。上述的兩種合金對於在於印刷行業的印刷輥的防腐蝕性要求的應用來說還缺少必要的防腐性能。
  在選擇噴塗材料時,若要兼顧到塗層的防腐性能和耐磨性能,無定形凝固的鉄基合金無疑是一種非常合適的選項。很對研究小組根據不同的研究方向為此發表了各種各樣的論文。某些實驗塗層的硬度可以達到 1100~1300 HV ,而有些報告顯示塗層的硬度則隻能達到 700 HV[8]。一些硬度很高並且孔隙率很低的塗層,它們在通過 ASTM G105 標準進行的摩擦磨損實驗中表現出與 AISI 1090 鋼材相媲美的抗摩損性能[9]。這種材料應用在印刷行業的印刷輥上使用時,隻有在進行過超過 568 °C 的熱處理後,其耐磨損性能才可以達到 4 倍以上。 而且在塗層的氧含量方麵,所測得的數據也是五花八門,有的說氧含量為塗層重量的 0.01 %~0.03 %,有的則說有 2.0 %[10]。不論如何,盡管無定形凝固的鉄基合金材料由於缺少必要的顆粒粒度限製而會導致腐蝕性介質侵蝕基材,但是它確實具有很高的抗腐蝕性能[11]。實驗表明,與全無定形凝固材料相比,鈍化的超音速噴塗塗層盡管含有晶體成分並且伴隨有相限,但它更加穩定[9]。
  看起來采用無定形凝固的鉄基合金材料縮獲得的 HVOF 超音速塗層很難對基體材料起到防腐作用。在一些針對采用和基體材料相同的塗層的防腐試驗中,盡管他不會產生塗層底部腐蝕的問題[8-12],但是,在論文[9]中說到,腐蝕介質會穿透 450微米厚的塗層並對基體材料產生腐蝕。 在鹽霧實驗中,針對不同的試樣,盡管采用 AISI 316L 作為基體材質,但是在其表麵還是發現了鏽蝕的痕跡[13]。
  關於噴塗參數的設置方麵,為了生產更致密的塗層,在使用 JP5000 噴槍時,要求其燃燒室的壓力保持在 0.55~0.62 Mpa 之間,這樣就可以保證粉末的顆粒在火焰中獲得足夠多的熱量,從而使得它們獲得更高的變形性。一直以來的實驗表明,盡管送粉的效率很低[9],但是由於粉末在焰流中獲得更高的熱量,從而也導致了粉末在爆炸槍管中更頻繁的粘接現象[10]。 所以,在這次實驗中就沒有考慮采用無定形凝固的鉄基合金材料進行實驗。
  從根本上來說,Fe-Cr-B(-C)等硬合金材料也存在著鉻與碳化物和硼化物結合的危險,以至於形成鈍化塗層,從而影響塗層的高防腐性能。不過,一旦塗層內的鉻含量較高,其在某些腐蝕介質下的防腐性能反而比在防腐領域廣泛應用的鎳基合金要高得多[14]。 另外,這類硬合金在摩擦性能粉末也有很大的優勢。在幹摩擦情況下, 過於飽和的鉄基混合晶體與硼和矽等一起形成凝固的表麵,它則會產生特別小的摩擦係數[15]。采用 X180CrVCoB 26,5-21-9-4 材料噴塗的 HVOF 塗層的用哪個度可達900 HV0.3 ,並且在 根據 ASTM G65 標準進行的摩擦磨損實驗中證明,其耐磨性能是 AISI 52100 淬火鋼的4倍[7]。這種合金的主要缺點在於它的變形性很差,而變形性差則會導致微孔相互連接、變大,從而影響了塗層的防腐性能[6]。與 HVOF 超音速AISI 316L 塗層相比,含鉻量較高的 Fe-Cr-B 係列硬合金材料不論是在防腐性能還是在耐磨性能上都有更大的改善,更加適合這項應用。
  2 實驗實施過程
  2.1 噴塗粉末
  在實驗中采用的粉末是標號為 GTV 82.02.1C和 GTV 82.03.1C 的新型 Fe-Cr-B-C 硬合金,粉末的粒度是超音速噴塗常用的 20 µm < d < 53 µm。為了便於比較,在實驗中還對一種不含硼的標號為GTV 81.43.1H 的相同粒度範圍的鉄基硬合金同時進行實驗。這些粉末的標準化學成分在表 1 中進行了說明。
  2.2 噴塗參數
  實驗中采用的 GTV K2 超音速噴塗係統,噴塗參數在前期實驗中已經經過了優化。但是在實驗時,燃燒室的壓力在 0.8~0.9 Mpa 之間變動,而燃燒比則在 1.0 ~1.2 之間變動 (采用過量的氧氣)。在線噴塗檢測儀器采用的是 GTV NIR SENSOR 係統,噴塗距離在 350 mm 和 380 mm 之間,在噴塗參 數 變 動 情 況 下 所 獲 得 的 平 均 粒 子 速 度 為720 m/s ~ 750 m/s ,平均的離子表麵溫度為1210 °C~1250 °C。上述的檢測結果表明,盡管噴塗工藝參數變化較大,但是檢測結果的變化隻是在檢測儀器的公差範圍內變動。在以最大的噴塗沉積效率(根據 DIN EN ISO 17836 標準檢測)獲得最高的塗層致密性的前提條件而獲得最佳的噴塗參數為爆炸槍管:150K;煤油流量:22 l/h;氧氣流量:850 l/min;載粉氣體(氬氣)流量:2 x 8 l/min;送粉量:2 x 50 g/min;噴塗距離:350 mm。實驗中的基材為 S235JR 鋼。噴塗 GTV 81.43.1H 材料時,其噴塗沉積效率 為 73% ,而噴塗 GTV 82.02.1C和 GTV 82.03.1C 時,它們的沉積效率為 60% 。
  2.3 塗層性能分析
  借助 Clemex Vision PE & Vision Lite 5.0 電鏡掃描實驗設備和金相圖譜對實驗材料的塗層在顯微結構,特別是塗層的孔隙率和與基體材料的結合強度方麵進行分析。而塗層的顯微硬度的檢測則是通過 FM 300 設備進行實驗。檢測荷重為 300 克。塗層的防腐性能則按照 DIN EN ISO 9227 標準(溫度 35 °C;檢測時間最大 168 小時)進行鹽霧實驗。塗層的耐磨性能按照 ASTM G65 E 標準 (檢測時間 : 300 秒 ;檢測介質:石英砂 ,粒度125 µm < d < 450 µm, 送砂量:300 g/min) 用膠輥進行。磨損量將按照重量損耗獲得。為了獲得與其它的噴塗方案更加精確的計算結果,在實驗中兼顧到實驗材料的密度,至少要對三個試樣進行檢測,並計算出其體積磨損量的平均值。
  3 實驗結果
  3.1 塗層的顯微結構
  實驗中所采用的 3 種材料的塗層與基體材料的結合強度都是非常理想的。不過,塗層的孔隙率在借助試樣的數碼照片的情況下不能完全確定。但是,如果試樣的製備和顯微鏡的條件保持一致的話,對塗層的質量是可以進行比較的。所有的試樣都采用 GTV K2 超音速噴塗係統,AISI 316L 塗層能的孔隙率大約在 0.5% ~1.0% ,而實驗用的 3種材料的塗層孔隙率的平均值在 2.0%~3.0%之間。圖 2 顯示的是不含硼的 GTV 81.43.1H 塗層的金相圖片。從實驗結果看,鉄基硬質合金塗層的顯微硬度明顯要比 AISI 316L 塗層的 350 HV0.3 高出很多。采用不含硼的 GTV 81.43.1H 材料所獲得平均顯微硬度為 600 HV0.3 。而采用含硼的 GTV82.02.1C 材料所獲得平均顯微硬度為 700 HV0.3 ,最高的硬度可達 850 HV0.3 。
  3.2 塗層的耐磨性能
  盡管采用 AISI 316L 材料所獲得的差因素塗層的顯微硬度是 S355J2G3 鋼材的 3 倍,但是它在摩擦磨損實驗中的磨損程度卻高得多,見表 2。而采用 GTV 81.43.1H 材料所獲得的塗層的耐磨性能要比 AISI 316L 塗層高一些,但是與S355J2G3 材料相比,其磨損程度還是要厲害一些。相反,采用含硼的 GTV 82.02.1C 和 GTV 82.03.1C材料所獲得的超音速塗層的耐磨性能是 S355J2G3材料的兩倍,並且是 AISI 316L 材料的 3 倍。依照ASTM G65 摩擦磨損實驗結果來看,與傳統的超音速硬質合金塗層和硬鍍鉻塗層相比,新型的Fe-Cr-B-C 塗層的耐磨性能明顯要高出很多。
  3.3 塗層的防腐性能
  根據電鏡掃描對塗層的金相分析結果來看,盡管在 500 µm 厚的 AISI 316L 塗層中所觀測到的的孔隙率非常低,但是在經過 24 小時的鹽霧實驗後,在塗層的整個表麵發現了紅色的鏽蝕點,見圖 4。因此,針對此材料的實驗將不再進行下去。恰恰相反,經過了長達 168 小時的鹽霧實驗後,不管是不含硼的 GTV 81.43.1H 塗層還是含硼的 GTV82.02.1C 和 GTV 82.03.1C 塗層,都沒有發現任何腐蝕的痕跡。接著對經過鹽霧實驗過的試樣進行電鏡掃描金相分析。分析的結果表明,GTV 81.43.1H塗層的表麵分布有單個的腐蝕點,見圖 5。
  但是,在 含硼的 GTV 82.02.1C 和 GTV82.03.1C 得塗層中未發現任何腐蝕點,見圖 6。
  4 摘要和結論
  采用含鉻量較高的鉄基硬合金材料借助 HVOF超音速噴塗設備製備經濟性能更高的塗層是完全可能的,同時,這種塗層與 AISI 316L 塗層相比,防腐性能更好,耐磨性更強。實驗證明,根據 ASTMG65 標準進行檢測,含硼的 GTV 82.02.1C 和 GTV82.03.1C 材料比不含硼的 GTV 81.43.1H 具有更多的優點,特別是在耐磨性能方麵。同時,針對防腐性能來說,與不含硼的 GTV 81.43.1H 相比,經過鹽霧實驗後在塗層的表麵未發現任何腐蝕的痕跡。
  盡管從金相照片分析的結果看,AISI 316L 塗層已經應用到印刷行業的輥子上,而且其孔隙率相對較低,但是它的防腐性能與實驗的鉄基硬合金材料相比卻差得很遠。當然,這些新型的含硼的鉄基硬合金材料塗層的耐磨性能與傳統的硬質合金如 Cr3C2或 WC 塗層相比還有很大差距。但是對於那些以防腐性能而不是以耐磨性能為中心的應用領域,GTV 82.02.1C 和 GTV 82.03.1C 等材料比傳統的硬鍍鉻塗層相比具有更高的適用性。因此,我們認為,除了在印刷行業已經成功地應用之外,還可以尋找其它同樣適合的領域來推廣。
  參考文獻略


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