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1.1 熱噴塗技術基礎

時間:2012-12-26 13:23:00  來源:熱噴塗技術問答  作者:王海軍

 1.什麽是熱噴塗技術?

熱噴塗技術是指利用某種熱源將欲噴塗材料迅速加熱到熔融或半熔融狀態,再經過高速氣流或焰流將其霧化加速噴射到經預處理的工件表麵上,形成噴塗層的一種表麵加工方法。

2.熱噴塗技術如何分類?

熱噴塗根據不同的標準有不同的分類:

(1)按噴塗材料的性質不同,熱噴塗可分為金屬噴塗、陶瓷噴塗、塑料噴塗等。

(2)按噴塗材料的形狀噴塗,熱噴塗可分為粉末噴塗、絲材噴塗、棒狀噴塗等。

(3)按噴塗熱源的性質不同,熱噴塗可分為氣體燃燒火焰噴塗、電弧噴塗、等離子噴塗、激光噴塗等。

3.熱噴塗技術有哪些特點?

熱噴塗技術特點很多,采用熱噴塗技術製備的各種塗層,具有許多獨特的優點。主要有以下幾點:

(1)能夠噴塗的材料範圍特別廣。包括各種金屬及合金、陶瓷、金屬陶瓷、金屬間化合物,非金屬礦物、塑料等幾乎所有固態工程材料,因而能夠製備各種各樣的保護塗層和功能塗層,如耐磨、減摩自潤滑、可磨耗密封、摩阻、耐蝕、抗氧化、耐高溫、熱障、絕緣、導電、超導、輻射、防輻射、屏蔽、抗幹擾、波長吸收、催化及生物功能等塗層。

(2)能夠在多種基體材料上形成塗層。這些材料包括金屬、陶瓷、塑料基體、石膏、木材甚至紙板。被噴塗的基體材料範圍十分廣泛。

(3)一般不受工件尺寸和施工場所的限製。既可噴塗大型重型工件,又可噴塗小件、薄壁件;既可在工廠內施工,也可現場施工。

(4)沉積效率較高,特別適合沉積厚膜塗層。與電鍍、化學鍍、離子鍍、氣相沉積等技術相比,熱噴塗的沉積效率較高、生產效率高,且塗層厚度能夠控製,可從幾十微米到幾毫米,甚至更厚。

(5)對基體材料的熱影響小。與熱擴散滲鍍、氣相沉積、高溫合成、燒結等工藝相比,除噴焊外,熱噴塗對基體的熱影響很小,基體受熱溫度一般不超過200℃,因而基體材料不會發生組織、性能變化,不會產生變形。

(6)調整塗層成分比較容易。可以通過調整塗層材料的種類、配比及塗覆工藝等,比較容易地實現塗層成分和塗層性能的調整。

(7)容易對製品進行局部強化或改性。能夠在製品的局部進行噴塗,實現局部表麵強化和改性。還可通過脫模,製造無基體的薄壁件、空心件和形狀複雜的工件。

(8)節約貴重材料。在滿足強度要求的前提下,基體材料可以選用較普通的材料代替貴重的整體材料,僅表麵塗層使用貴重材料。

(9)方便維修。熱噴塗操作靈活,工藝相對簡便,適應性強,廣泛應用於各種裝備和部件的維修。塗層損壞後,可以除去重新噴塗修複,基體材料能夠充分利用。

當然,熱噴塗技術也有一些局限。

(1)結合強度不太高。熱噴塗塗層與基體的結合主要為物理結合與機械結合,結合強度不太高,塗層耐高應力、衝擊和重載性能較差。

但隨著熱噴塗技術的發展,爆炸噴塗、超聲速火焰噴塗、超聲速等離子噴塗、冷噴塗等使熱噴塗塗層的結合強度得到了很大的提高。

(2)熱噴塗塗層含有不同程度的孔隙和夾雜,片層狀塗層結構導致塗層的各向異性這使塗層的力學性能、耐蝕、抗氧化、絕緣等性能都比較致密實體的同種材料要差。

當然,對任何技術都需要用辯證的觀點分析判斷。例如,熱噴塗塗層的孔隙問題,對於防腐蝕、絕緣、耐高溫等應用是缺陷,但用於氣敏元件(如氧探測器)、可磨耗密封、催化、生物功能等塗層,則可獲得意想不到的效果。在油潤滑條件下,孔隙起到了很好的儲油功能,使塗層具有更好的減摩潤滑性能。

(3)熱能利用率比較低。占熱噴塗技術主體地位的等離子噴塗卻隻有10%~40%的熱能被用於熔化塗層材料;而等離子噴塗陶瓷塗層的沉積效率依據噴塗材料的不同,通常在30%~80%間變化,特別是噴塗工件時,沉積效率低。這些都使得熱噴塗塗層的成本相對較高。在保證塗層質量的前提下努力降低成本是熱噴塗工作者始終努力的目標。

(4)熱噴塗粒子呈線性飛行的特性,在遮蔽的凹腔、複雜型麵、細長內孔、盲孔等部位很難製備質量合格的塗層。

(5)熱噴塗的工作環境有噪聲、粉塵、熱和弧光輻射等問題,現場人工操作時,必須采取相應的勞動保護與環境保護措施。但隨著計算機控製技術、機器人技術等先進技術的應用,這些問題有所減少。

4.熱噴塗的工藝過程有哪些步驟?

除了火焰噴熔和等離子弧粉末堆焊外,其他各種噴塗工藝方法製備的塗層形成機理基體上是相同的。都是通過熱源的加熱,使噴塗材料加熱至熔融、半熔融或高塑性狀態,處於上述狀態的微顆粒高速撞擊在基體表麵上產生變形,形成了“盤碟”形狀。後來的顆粒將碰撞在已經粘附在基體上的顆粒,它們將形成扁平狀,並互相鑲嵌,淬冷後逐漸形成塗層。因此各種工藝的工序流程是大體相同的,基體上包括基體的準備與製備。因此,各種工藝的工序流程是大體相同的,基本上包括基體的準備與製備、基體的預處理、噴塗施工、塗層後處理及精加工等步驟。

5.塗層與基體的結合機理有哪些?

1)機械結合

機械結合是指具有一定功能的熔融狀粒子撞擊到經粗化處理的基材表麵時,鋪展成扁平狀的液態薄片並緊貼基材表麵的凹凸點上,在冷凝時收縮咬住凸點(或稱拋錨點),形成機械結合。機械結合是熱噴塗塗層與基體結合的最主要形式。

2)微冶金結合

在噴塗放熱型噴塗材料時,熔融微粒到達基材表麵後,放熱反應可維持幾微秒,基材表麵微區內接觸溫度可高達基材的熔點,因此,有可能使熔融粒子與基材形成微區冶金結合,提高塗層與基材間的結合性能。

3)擴散結合

當熔融的噴塗材料高速撞擊基材表麵形成緊密接觸時,由於變形、高溫等作用,在塗層與基材間有可能產生微小的擴散,增加塗層與基材間的結合強度。如,在碳鋼基材上噴塗鎳包鋁複合粉末時,發現結合層由Ni-Al-Fe等元素組成,厚度約為0.5~1µm

4)物理結合

當基材表麵極其幹淨或進行活化處理後,基材與塗層間充分潤濕形成分子間作用力。

噴塗層與基體之間結合以機械結合為主,某些情況下會產生微冶金結合、擴散結合、物理結合。

6.熱噴塗中的噴塗與噴熔有哪些區別?

1)工件受熱情況不同

噴塗無重熔過程,工件表麵溫度始終可控製在250℃以下,一般不會產生變形和改變工件的原始組織。這對噴修工件形狀複雜、薄壁、長袖及一些重要機件是有利的。噴熔要使粉層熔化,重熔燒結工件溫度可達900℃以上,容易引起應力和變形,多數工件會發生退火及不完全退火。

2)與基材表麵結合狀態不同

噴塗與基材表麵的結合,以機械咬合為主,也有微小的顯微焊合,結合強度不高;一般為20MPa~65MPa。噴焊是通過粉層熔化與基材表麵形成冶金結合,結合強度一般可達343MPa~441MPa

3)所使用粉末不同

噴熔所用的粉末必須是自熔性的合金粉末,而噴塗所使用粉末不受限製。

4)噴層結構不同

噴熔層均勻致密,一般認為無孔隙而噴塗層具有一定孔隙。

5)承受載荷性能不同

噴塗層不能承受衝擊載荷和較高的接觸應力,適用於各種麵接觸配合。噴熔層結合強度大,可承受衝擊載荷,可用於線接觸等場合,能承受較高的接觸應力。

7.如何選擇噴塗與噴熔?

當工件承受負載大,尤其是承受衝擊負荷,要求塗層有很高的結合強度或工件在腐蝕介質中使用,或要求塗層致密的情況下,以采用噴熔為宜。

當工件尺寸精度要求很高和不允許變形或不允許改變它原有的淬火組織,而且這些工件不受衝擊負荷或隻承受輕微的衝擊負荷,對結合強度要求不是很高時,宜采用噴塗方法。

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