喷涂喷粉制造工艺流程

喷涂喷粉制造工艺流程（共4篇）

喷涂喷粉制造工艺流程 篇1

工件前处理→喷粉→固化→检查→废品

前处理最基本步骤为：除油-水洗-除锈-水洗-中和-水洗-表调-磷化-水洗有些工件还需要抛丸或打沙，有色金属需要用，专用的前处理液工件经过前处理除掉冷轧钢板表面的油污和灰尘后才能喷涂粉末，同时在工件外表形成一层锌系磷化膜以增强喷粉后的附着力，前处理后的工件必需完全烘干水分并且充沛冷却到35℃以下才干保证喷粉后工件的理化性能和外观质量。

1 粉末静电喷涂的基本原料

用室内型环氧聚酯粉末涂料。主要成分是环氧树脂、聚酯树脂、固化剂、颜料、填料、各种助剂(例如流平剂、防潮剂、边角改性剂等).粉末加热固化后在工件表面形成所需涂层。辅助资料是压缩空气，要求清洁干燥、无油无水[含水量小于1.3g/m3含油量小于1.010-5%(质量分数)

2、粉末静电喷涂的施工工艺

静电高压60-90kV电压过高容易造成粉末反弹和边缘麻点;电压过低上粉率低。

静电电流1020μA电流过高容易发生放电击穿粉末涂层;电流过低上粉率低。

流速压力0.30—0.55MPa.流速压力越.高则粉末的堆积速度越快，有利于快速获得预定厚度的涂层，但过高就会增加粉末用量和喷枪的磨损速度。

雾化压力0.30—0.45MPa适当增大雾化压力能够保持粉末涂层的厚度均匀，但过高会使送粉部件快速磨损。适当降低雾化压力能够提高粉末的覆盖能力，但过低容易使送粉部件堵塞。清枪压力0.5MPa清枪压力过高会加速枪头磨损，过低容易造成枪头堵塞供粉桶流化压力0.040.10MPa供粉桶流化压力过高会降低粉末密度使生产效率下降，过低容易呈现供粉不足或者粉末结团。

喷枪口至工件的距离150300mm喷枪口至工件的距离过近容易发生放电击穿粉末涂层，过远会增加粉末用量和降低生产效率。

3、粉末静电喷涂的主要设备

喷枪和静电控制器

喷枪除了保守的内藏式电极针，外部还设置了环形电晕而使静电场更加均匀以保持粉末涂层的厚度均匀。静电控制器产生需要的静电高压并维持其稳定，动摇范围小于10%。

供粉系统

供粉系统由新粉桶、旋转筛和供粉桶组成。粉末涂料先加入到新粉桶，压缩空气通过新粉桶底部的流化板上的微孔使粉末预流化，再经过粉泵输送到旋转筛。旋转筛分离出粒径过大的粉末粒子(100μm以上)剩余粉末下落到供粉桶。供粉桶将粉末流化到规定水平后通过粉泵和送粉管供给喷枪喷涂工件。

回收系统 喷枪喷出的粉末除一部分吸附到工件表面上(一般为50%～70%)外，其余局部自然沉降，

沉降过程中的粉末一部分被喷粉棚侧壁的旋风回收器收集，利用离心分离原理使粒径较大的粉末粒子(12μm以上)分离进去并送回旋转筛重新利用。

喷粉室体 顶板和壁板采用透光聚丙烯塑料材质，以最大限度减少粉末黏附量，防止静电荷累积干扰静电场。底板和基座采用不锈钢材质，既便于清洁又具有足够的机械强度。

辅助系统:包括空调器、除湿机。空调器的作用一是坚持喷粉温度在35℃以下以防止粉末结块;二是通过空气循环(风速小于0.3m/坚持喷粉室的微负压。除湿机的作用是坚持喷粉室相对湿度为45%～55%，湿度过大空气容易发生放电击穿粉末涂层，过小导电性差不易电离。

4、粉末固化的基本原理

环氧树脂中的环氧基、聚酯树脂中的羧基与固化剂中的胺基发生缩聚、加成反应交联成大分子网状体，同时释放出小分子气体(副产物)固化过程分为熔融、流平、胶化和固化4个阶段。温度升高到熔点后工件上的表层粉末开始融化，并逐渐与内部粉末形成漩涡直至全部融化。¬粉末全部融化后开始缓慢流动，工件表面形成薄而平整的一层，此阶段称流平。温度继续升高到达胶点后有几分短暂的胶化状态(温度坚持不变)之后温度继续升高粉末发生化学反应而固化。

5、粉末固化的基本工艺

采用的粉末固化工艺理论为180℃，恒温烘烤30min。实际操作中为160~~220℃(根据颜色的不同理性控温)，15—30 min(根据颜色的不同理性控时)。其中的温度和时间是指工件的实际温度和维持不低于这一温度的累积时间，而不是固化炉的设定温度和工件在炉内的停留或行走时间。但两者之间相互关联，设备最初调试时需要使用炉温跟踪仪测量最大工件的上、中、下3点表面温度及累积时间，并根据丈量结果调整固化炉设定温度和输送链速度(决定工件在炉内的行走时间)直至符合上述固化工艺要求。这样就可以得出两者之间的对应关系，因此在一段时间内(一般为2个月)只需要控制速度即可保证固化工艺。

7、粉末固化的主要设备

设备主要包括供热燃烧器、循环风机及风管、炉体3局部。本公司使用的供热燃烧器为德国威索产品，使用035#轻柴油。具有发热效率高、省油的优点。循环风机进行热交换，送风管第一级开口在炉体底部，向上每隔600mm有一级开口，共三级。这样可以保证1200mm工件范围内温度波动小于5℃，防止工件上下色差过大。回风管在炉体顶部，这样可以保证炉体内上下温度尽可能均匀。炉体为桥式结构，既有利于保存热空气，又可以防止生产结束后炉内空气体积减小吸人外界灰尘和杂质。

8、检查

固化后的工件，日常主要检查外观(否平整光亮、有无颗粒、缩孔等缺陷)和厚度(控制在5590μm如果首次调试或需要更换粉末时则要求使用相应的检测仪器检测如下项目：外观、光泽、色差、涂层厚度、附着力(划格法)硬度(铅笔法)冲击强度、耐盐雾性(400h耐候性(人工加速老化)耐湿热性(1000h)

喷涂喷粉制造工艺流程 篇2

随着资源短缺、环境污染问题的愈演愈烈以及循环经济的快速发展, 以废旧产品为毛坯的一种新型制造模式———再制造[1,2,3], 已成为机械工程等诸多领域的研究热点, 受到工业界及学术界的广泛关注。机床作为机械装备的母机, 是一种极具回收再制造价值的典型机电产品。目前我国机床保有量逾800万台, 其中役龄超过10年以上的机床超过200万台, 而且大量老旧机床仍在超负荷服役或即将面临淘汰, 由此造成的资源浪费、环境污染等问题也日趋严重。因此, 对废旧机床实施绿色再制造具有深远意义, 不仅可以最大限度地回收重用蕴涵在老旧机床的附加值, 而且节约资源, 减少替代新产品制造对环境的再污染。

机床再制造是对老旧机床进行修复和改造的过程[4], 而机床废旧零部件的修复和再制造则是机床再制造诸多内容中最为关键的一个环节。轴类零件作为机械装备中典型的零部件之一, 在进入第一次服役周期后, 由于磨损、疲劳等造成尺寸超差, 零件性能下降, 最终导致淘汰并退役。近年来, 随着热喷涂技术的发展, 对机床轴类零件实施热喷涂强化处理, 大幅度提高零件性能, 延长零部件的服役寿命已成为可能。董文[5]结合机床主轴的实际工况和技术要求, 采用电弧热喷涂技术对某废旧机床主轴进行了再制造。韩晓玲等[6]采用热喷涂技术对镗床静压主轴的轴颈进行了修复, 获得了较好的效果。

热喷涂制备的涂层系统由于材料间的热物理性能不匹配, 在冷却过程产生的过大残余热应力会导致涂层的变形、开裂以及脱落等失效。已有的研究表明[7,8], 残余应力对涂层的质量、使用性能以及涂层构件的精度和尺寸稳定性等都有着重要影响, 甚至会严重影响再制造后零件的服役寿命。因此要预估再制造后轴类零件的二次服役寿命, 就必须对涂层系统内的残余应力及其分布情况进行准确的预测和有效的控制。基于此, 本文以废旧的滚齿机床主轴为对象, 采用等离子喷涂技术对其进行损伤修复, 结合有限元法和X射线衍射法对涂层/基体系统的残余应力进行预测与分析。

1 试验材料及方法

1.1 复合耐磨涂层的设计

试验材料为某废旧滚齿机床主轴, 如图1所示, 经分析, 该主轴外锥面 (1∶20) 处磨损较严重, 与前滑动轴承的配合间隙超差而使主轴无法正常使用。主轴材料为38CrMoAlA氮化钢, 经调质和表面氮化工艺处理, 由直读光谱仪测得其化学成分为:w (C) =0.386%, w (Si) =0.376%, w (Mn) =0.47%, w (P) =0.0183%, w (S) =0.0222%, w (Cr) =1.49%, w (Mo) =0.213%, w (Al) =1.021%。

1.齿轮2.圆锥滚子轴承3.方头螺杆4.铜套5.推力圆柱滚子轴承6.滑动轴承7.主轴

主轴在运转中承受弯曲和扭转的交变载荷作用, 且外锥面处与前滑动轴承有相对的运动, 为保证主轴的刚度、强度以及改善工作表面的耐磨性能, 涂层选用镍铬碳化铬金属陶瓷粉末[9]。NiCrCr3C2由25%NiCr金属合金黏结相和75%Cr3C2陶瓷硬质相组成 (质量分数) , 具有硬度高、抗氧化能力强、耐磨性能好等优点。为缓解基体与金属陶瓷涂层热膨胀系数的不匹配, 在工作层下施加一层Ni/Al打底层。Ni/Al的膨胀系数介于基体和金属陶瓷涂层之间, 在一定程度上可以降低NiCr-Cr3C2工作层与38CrMoAlA基体间的热失配应力。其次, Ni/Al粉末的微熔池效应[10]能够使其与基体材料形成冶金结合, 可以有效提高涂层与基体的结合强度。根据外锥面的磨损程度、涂层的后处理加工余量以及喷涂过程中涂层的膨胀与收缩, 涂层的总厚度设计为0.7mm, 其中打底层厚0.1mm, 工作层厚0.6mm。

1.2 基于热喷涂的再制造工艺

热喷涂的工序主要包括基体预处理、喷涂和涂层后处理等几个方面, 具体流程如图2所示。

在喷涂前, 用丙酮清洗主轴外锥面, 然后用棕刚玉砂对外锥面进行喷砂粗化处理, 去除表面的毛刺、氧化层、渗氮层。喷砂工艺参数为:空气压力0.52~0.7 MPa, 空气流量0.6~0.9m3/min, 喷砂角度90°, 喷砂距离200mm。喷涂时, 将主轴固定在自制的卡具上, 预热待喷涂部位, 采用APS-2000A型大气等离子喷涂设备在主轴外锥面上分别制备Ni/Al打底层和NiCr-Cr3C2工作层, 主气为氩气, 次气为氢气, 喷涂工艺参数见表1。喷涂工作层粉末时采用分层喷涂, 每道涂层厚0.1~0.2mm, 分3次完成。采用半导体点温计测量喷涂过程中的温度, 温度过高时停止喷涂, 防止基体过热而影响涂层质量。

1.3 检测设备及方法

涂层系统的残余应力检测在X射线应力分析仪上进行, 采用同倾固定φ方法测量, Cr靶Kα谱线, 衍射晶面为α-Fe (211) , 管压25kV, 管流6mA, 定时2s。测试流程为:用波长为λ0的X射线先后以不同的入射角φ (取0°、15°、30°、45°) 照射到涂层构件上, 测出相应的衍射角2θφ, 然后作2θφ-sin2φ的关系直线, 用最小二乘法求得直线斜率M, 最后依据布拉格定律和弹性理论求出应力值[11], 即

式中, K为应力常数, 只与材料、选定衍射面有关;θ0为无应力状态的布拉格角;E、ν分别为材料的弹性模量和泊松比。

2 涂层系统残余应力有限元模拟与试验验证

当整个喷涂过程结束后, 涂层和基体开始冷却。在冷却过程中, 由于涂层和基体热膨胀系数不匹配, 再加上弹性模量、涂层厚度以及温度变化等原因, 会在涂层内部产生残余应力。采用有限元分析软件ANSYS对热喷涂涂层在冷却过程中产生的残余热应力进行线弹性分析, 建立模型预测涂层系统内残余应力的大小及分布情况, 并用X射线应力分析仪检测验证数值模拟的结果。

2.1 涂层系统残余热应力有限元模拟

2.1.1 有限元模型及材料性能参数

根据基体和涂层的尺寸, 建立主轴外锥面有限元分析模型, 模型由工作层、打底层和基体三部分组成, 且各材料之间满足变形协调条件。然后对模型进行网格划分, 在基体与打底层界面处、打底层与工作层界面处采用细网格划分, 远离界面处用粗网格划分, 如图3所示。

为便于分析以及较精确地显示残余应力的结果, 采用路径的方式表现涂层系统的残余应力。沿垂直于外锥面模型轴线的方向截取3个剖面A-A、B-B、C-C, 剖面的1/4视图见图3b, 并取L为观察路径。

喷涂材料为复合物, 由多相质点混合而成, 其热物理性能参数可由简单混合比法则[12]近似计算得到:

式中, P为喷涂材料的热物理性能参数;fi为i相的体积百分比;Pi为i相的热物理性能参数值。

材料的热物理性能参数如表2所示。

2.1.2 基本假设及边界条件

喷涂后的冷却过程是一个非常复杂的物理化学过程, 为简化分析, 作如下假设: (1) 涂层和基体结合良好, 冷却过程不涉及塑性变形, 且材料为各向同性; (2) 不考虑热辐射以及涂层内部对流的影响, 只考虑涂层表面与周围环境的对流; (3) 计算的残余应力为在冷却过程中因涂层与基体热膨胀系数不匹配而引发的热失配应力; (4) 基体与涂层的界面处满足应变与温度的协调方程, 即

式中, εS、TS, εB、TB, εC、TC分别为各接触表面的应变和温度。

模型两端绝热, 并限制模型两端的轴向位移。在涂层系统冷却过程中, 涂层外表面和基体的内表面满足第三类热边界条件, 可以表示为

式中, TW为构件的表面温度;TF为周围空气的温度;h为对流换热系数;l为外径。

在自然对流的情况下, 给热系数Nu仅与流体雷诺数Pr和流体普朗特数Gr有关。当 (GrPr) 值在104~109范围内时, C值取0.53, n值取0.25, 特征尺寸l为构件的外径[15]。通过以上公式计算, 在冷却过程中, 涂层外表面和基体内表面与空气的对流换热系数取11.8W/ (m2·℃) 。

在涂层系统冷却至室温的过程中, 环境温度取为25℃, 基体预热温度取为120℃, 构件外表面的初始温度由点温计测得, 为925℃。

在ANSYS数值计算中, 采用顺序耦合的方法计算涂层系统的温度分布和应力状态, 将温度场的计算结果作为结构的热载荷加载到应力分析中。热分析时选用二维8节点PLANE77单元, 结构分析时选用二维8节点PLANE82单元。

2.2 有限元分析结果及试验验证

涂层系统残余应力有限元的数值分析结果如图4所示, 3个剖面处的残余应力变化趋势相同, 且随着外径尺寸的增大, 残余应力的值稍有增加, 但变化幅度不大。由图4a可知, 周向应力在基体内为拉应力, 其值较小, 在涂层内为压应力, 且在基体和打底层的界面处达到最大值。这是由于Ni/Al打底层以及NiCr-Cr3C2工作层的热膨胀系数均小于38CrMoAlA基体的热膨胀系数喷涂结束后, 基体在冷却至室温的过程中收缩程度更大, 所以这种由热失配产生的残余应力在涂层内表现为压应力。

如图4b所示, 径向应力在涂层/基体系统内为拉应力, 从基体内表面为零处一直增大, 在基体和打底层界面处达到最大值8.8MPa, 之后逐渐减小到零。涂层系统内残余应力的主要表现形式为周向应力, 且极值远大于径向应力, 这是由涂层与基体的热物理性能不匹配所导致的。

采用X射线应力分析仪测定涂层表面的残余应力, 检测前对涂层表面进行清洗、化学抛光等处理。在每个剖面处, 每间隔90°角测量5次, 共测量20次, 并取平均值。将测试结果与有限元计算结果进行比较, 如表3所示。

通过比较可知, 残余应力的检测值与模拟值之间存在一定的误差, 该误差主要来源于两个方面:一是有限元法对模型作了很多假设, 且只分析了涂层/基体系统冷却至室温的热失配应力;二是X射线在材料中的穿透深度受到限制, 只能检测涂层表面的宏观残余应力, 且检测的精度受构件几何形状、表面光洁度等的影响。但总体而言, 计算模型与实际检测结果所存在的偏差是可以接受的, 从而间接验证了建立的有限元分析模型是合理的。

2.3 涂层的后处理加工

主轴外锥面的原设计表面粗糙度Ra为0.2μm, 主轴与前滑动轴承的配合间隙要求在0.004~0.01mm范围内。由2.2节分析可知, 涂层系统内存在较大的残余应力, 考虑涂层的加工特性, 采用磨削加工工艺。将主轴装夹在万能外圆磨床上, 采用锥堵顶尖孔的方式进行定位, 选用绿色碳化硅砂轮, 磨削加工至图纸要求。磨削工艺参数为:砂轮粒度40号, 磨削加工速度20m/s, 磨削深度5μm, 主轴转速15m/min。在主轴外锥面的工作层上涂抹红丹粉, 与新配的滑动轴承锥孔进行配研, 检测着色的覆盖率, 并进行相应的性能检测。如表4所示, 经等离子喷涂修复后, 滚齿机主轴的各项指标优于新轴。

3 结论

(1) 对于磨损较严重的轴类零件, 等离子喷涂不仅可以快速修复零件的尺寸和几何精度, 还能够强化零件表面的理化性能, 所获得的涂层组织致密性强、与基体结合强度高。

(2) 有限元法模拟结果表明, 主轴外锥面3个剖面处的残余应力变化趋势相同, 涂层系统内残余应力的主要表现形式为周向应力, 且最大值位于基体与涂层的结合处。

冷喷涂技术的工艺特点综述 篇3

冷喷涂技术是相对于热喷涂技术而言的新型技术, 其原理是利用高压气体携带粉末颗粒从轴向进入喷枪产生超音速流, 完全固态的粉末颗粒经过加速后去撞击基体, 撞击后因为塑性变形严重, 产生沉积现象, 最后在基体的表层产生涂层。冷喷涂过程是在温度较低的环境下完成的, 驱动力不足以使喷涂粒子发生相变, 粒子的晶粒不容易长大, 氧化现象不容易发生, , 所以特别适合于喷涂纳米相材料、非晶材料、氧敏感材料、相变敏感材料等温度敏感材料。

2关于冷喷涂工艺参数的研究

粒子的粒子撞击基体的速直接决定粒子会不会产生塑性变形。冲蚀现象的产生就是因为粒子速度低于了临界速度;反之, 如果粒子速度高于其临界速度就会发生塑性变形并沉积于基体表面形成涂层。不同材料有着不同的临界速度.H, Assadi等构建了理论模型, 以此来形象地表达喷涂工艺及材料的特征及对临界速度的影响并为影响因素总结概括成一个公式:

Vσ=667-14ρ0.08Tm+0.1σU-0.4Ti

式中ρ为粒子密度, 单位kg/m3;σu为粒子极限强度, 单位MPa;Tm为粒子熔点, 单位℃;Ti为粒子初始温度, 单位℃。公式中各个参数之间的关系表明冷喷涂粉末能否形成涂层主要取决于颗粒撞击基体的速度是否能够超过颗粒沉积所需的临界速度。由于粒子的速度直接影响涂层的质量, 所以应主要研究能够对粒子速度产生影响的各种因素, 如气体预热温度、气体种类、喷枪的结构等。这些因素都可以影响喷涂的质量和效果。因为这些影响都可以影响喷涂的质量和效果。对于这些因素主要一下几个方面。

2.1 气体的压力、温度、种类、送粉速率

气体的压力、温度、种类是粉末颗粒能否达到临界速度的主要因素。典型的气体压力为1.5-3.5MPa.粒子速度和气体压力的变化成正比。当气体压力不变的条件下, 对气体使用预热器加热是提高粉末颗粒速度的有效方法。同时, 气体温度的升高还将将粉末颗粒的温度得到一定程度的提高, 从而加速撞击基体时塑性流动变形的产生。通常, 气体的温度一般控制在100-600℃范围内。粒子的碰撞速度会随着气体温度的升高而增加, 但幅度会逐渐缩小, 并且如果粒子越小其碰撞速度越受到温度的影响。另外一种情况, 若在温度和压力均相同的前提下, 不同种类的气体会产生的速度差别较大。一般情况下, 送粉速率应控制在3-15kg/h。送粉速率过高, 会增强粒子在喷管中的相互作用, 制备涂层的质量较差, 会产生局部过厚、涂层厚度不均匀、甚至是涂层脱落等情况。

2.2 喷枪结构、喷涂粒子特性、喷涂角度和距离

制备冷喷涂涂层的沉积速度、均匀程度和有效喷涂面积与喷嘴出口截面形状之间存在重要关系。王晓放等人通过对冷喷涂射流流场的数值模拟, 比对了不同喷嘴截面形状的流场特点。通过试验数据说明::制备面积较大的均匀涂层时应选用截面形状为矩形的喷嘴, 因为在相同条件下, 矩形喷嘴制备的涂层的性能优于圆型喷嘴制备的涂层。

因为气体的粘滞系数和密度相对较小, 气体对粉末颗粒的作用力有限, 所以粉末颗粒不能太大;但颗粒过小又将受到高速气流作用于基体表面产生冲击波的影响:材料密度较大时, 颗粒直径应相对选择小些, 材料密度较小时, 颗粒直径应相对选择大些, 可以获得最佳的喷涂效果。通过理论计算和实验表明, 10-45μm是较为合适的颗粒尺寸。因为气流对非球状颗粒的牵引系数更大, 所以在相同状况的气流下加速, 球状颗粒的速度小于非球状颗粒的速度。另外, 影响喷涂组织的因素还包括颗粒表面的活性及氧化膜的性质。

王晓放等人研究证明, 假如粒子入射角度不断增大, 那么侵彻深度会不断减少, 粒子与基体的结合的强度会不断减弱。西安交大焊接研究所曾经做过有角度入射的铜粒子冲击铜基板的冷喷涂实验, 在相同条件下得到与数值模拟相同的结果。通过实验结果证明, 10-50mm的距离区间是较合适的冷喷涂喷射距离。如果需要提高气体和颗粒的速度, 可以增加离开喷嘴喉部距离。此外, 空气对超音速双向流的影响也比较大, 可以改变其方向、温度和速度。

2.3 基板相对移动速度和基板性质

冷喷涂过程在刚开始时有一个“准备”阶段, 并不会立刻形成涂层, 粒子在这个“准备”时间内撞击基板首先制造一个新鲜表面, 这种类似于喷丸作用过程可以为后续粒子沉积到基板表面打下坚实的基础。由于存在“准备”时间, 所以基板与喷枪之间的相对移动速度不能过快, 必须保证足够的有效沉积时间, 否则就会对涂层的质量产生影响;另外一种情况, 如果基板与喷枪之间的相对移动速度太慢, 则很难控制涂层的均匀厚度。一般情况下, 将相对移动速度控制在2-25cm/s, 可以得到均匀的组织。除此之外, 对涂层的结合强度影响较大因素还包括基板的性质。以金属铝为例, 其表面有一层很厚的钝化层, 这个钝化层只有使用更大的碰撞速度才可以将其击碎, 所以金属铝的喷涂临界速度比较大。因此, 基板材料不同也会对粒子的临界速度产生影响。在利用冷喷涂技术时, 需要考虑多种因素的影响, 来选择科学的工艺参数取得最佳的喷涂效果。

参考文献

[1]章华兵, 张俊宝, 单爱党, 等.气体温度对冷喷涂Ni粒子结合与变形行为的影响[J].金属学报, 2007, 43 (8) :823-828.

[2]B Jodoin, F Ralerz, M Vardelle.Cold spray modeling and validation using an optical diagnostic method[J].Surf Coat Tech-nol, 2005, 200 (14-15) :4424.

喷涂喷粉制造工艺流程 篇4

铝青铜有许多优良的性能,如好的耐蚀性、优良的导热系数和稳定的刚度等,作为模具材料在拉伸、 压延不锈钢板式换热器时不会产生粘模、划伤工件等缺陷,已成为一种新型模具材料[1]。但是,铝青铜合金的脆性较大,加工成本较高,而且铜的储藏量较小,价格较贵,属于应节约使用的材料之一,只有在特殊需要的情况下,例如要求有特殊的磁性、耐蚀性、加工性能、机械性能以及特殊的外观等条件下, 才考虑使用[2,3]。

采用表面工程技术在价格低廉的普通碳钢表面制作一层或多层复合的铝青铜合金涂层,既可以发挥铝青铜合金的优良性能,又可以解决铝青铜难加工问题,节约铜合金的用量,从而降低生产成本。目前,比较常用的铝青铜涂层制备方法有等离子喷焊、 等离子喷涂和电弧喷涂等方法。兰州理工大学有色金属新材料国家重点实验室的研究团队采用超音速等离子喷涂、等离子喷焊等方法制备铝青铜涂层,针对涂层的制备工艺、微观组织结构、摩擦学特性和耐腐蚀性能等方面做了系统研究[4,5,6,7],所制备的铝青铜涂层与碳钢基材、铝青铜合金材料相比较,具有更好的耐磨性能和耐腐蚀性能。涂层中形成了由富铜的 β 相、( α + γ2) 共析相包围着大量k( Fe Al,FeAl Mn等) 相质点生长的均匀细小的组织,在软质相 α、β 基体上均匀分布着硬质k相,使得对摩表面主要由表面硬质相承受载荷,而软质相起着支持硬质相作用,从而提高了耐磨性能。铝青铜合金的结晶范围很窄,冷却速度过慢容易导致共析组织( α + γ2) 的生成,使得合金脆性加大。为了提高铝青铜合金冷却速度,减少合金中脆性相 γ2的生成,S. Alam[8]等采用低压等离子喷涂技术制备铝青铜涂层,有效地减少了脆性相 γ2的数量,获得了良好减摩耐磨性能的涂层。张忠礼[9,10]等采用电弧喷涂方法制备铝青铜涂层,着重研究了铝青铜涂层的抗高温氧化作用与机理,为铝青铜涂层在钢铁防护方面的应用研究奠定了基础。

可是,有关等离子喷涂铝青铜涂层制备工艺方面的研究较少。本文采用正交实验方法,研究喷涂工艺( 如喷涂距离、喷涂电流、主气流量和次气流量等) 对涂层孔隙率、硬度以及与基材之间结合强度的影响规律,获得涂层制备的最佳工艺参数,为等离子喷涂铝青铜涂层的工业化应用提供实验基础。

2实验材料及方法

实验选用退火态45钢( HRC22 ~ 25) 作为基材,尺寸为50 × 50 × 10 mm。先用丙酮对基材进行超声清洗,除去喷涂表面油污及杂物,然后进行喷砂粗化处理,喷涂之前基材经200 ℃ 预热处理。喷涂用铝青铜粉末粒度为 - 140 ~ 325目,其SEM形貌如图1所示,实验前经烘干处理。正交实验工艺参数为喷涂距离、喷涂电流、主气流量和次气流量,每个参数设有三个不同的水平( 见表1) ,对这四个参数和三个水平进行L9( 34) 正交实验设计,设计结果如表2所示。

采用金相显微镜观察涂层界面形貌,并用Image - Pro Plus6. 0图像分析软件测定涂层的孔隙率; 采用岛津HMV - G20维氏硬度计测定涂层表面硬度,每个试样表面硬度测量5次,取其平均值; 采用粘接拉伸法[11]检测涂层与基体的界面结合强度。

3实验结果与分析

3.1孔隙率

热喷涂的工作原理决定了涂层孔隙是不可避免的,孔隙的形成通常有变形粒子间不完全重叠、气孔形成和凝固收缩等三种机制。孔隙会引入腐蚀元素,腐蚀介质有可能通过穿孔到达被保护基体表面, 使涂层与基体发生化学或电化学侵蚀,腐蚀产物在界面积累,会使热喷涂涂层龟裂、脱落,导致涂层失效,且涂层孔隙的存在影响了涂层结合强度[12]。

不同工艺参数下等离子喷涂铝青铜涂层截面的金相形貌如图2所示,涂层均呈现典型的热喷涂层状结构,可以看出工艺参数对涂层形貌有着显著影响。 正交实验孔隙率结果如表3所示,P5、P7、P8和P9涂层的孔隙率明显低于其他涂层。根据文献[13]中的方法,计算得到喷涂距离、喷涂电流、主气流量和次气流量的极差值分别为2. 949、2. 378、2. 494和1. 166,极差越大,说明该因素对涂层孔隙率的影响越大[13]。 孔隙率因素效应关系如图3所示,因此,影响孔隙率的主要因素是喷涂距离,其次是主气流量和喷涂电流,次气流量对孔隙率影响最小。

3.2显微硬度

正交实验硬度结果如表3所示,可以看出,P5涂层硬度最 高 ( HV322 ) ,而P6涂层硬度 最低 ( HV169) 。计算得到喷涂距离、喷涂电流、主气流量和次气流量的极差值分别为17、54、73和25,极差越大,说明该因素对涂层硬度的影响越大。孔隙率因素效应关系如图4所示,因此,影响涂层硬度的因素主次顺序依次为主气流量 > 喷涂电流 > 次气流量 > 喷涂距离。

P6涂层孔隙率比较高( 5. 069% ) ,当维氏压痕处于孔隙区域,所测得的硬度值自然要低一些。可是,有些涂层孔隙率较高,硬度并未明显降低( 如P4涂层) 。这是由于涂层的硬度不仅与致密性有关, 还和涂层晶粒的形状及大小和涂层的脆性等有很大关系[14],因此,有关孔隙率较高的涂层硬度反而较高的原因,还需要更深入的研究,受篇幅所限,相关研究结果以后将详细论述。

3.3结合强度

结合强度是衡量热喷涂涂层性能的重要参数。 正交试验结合强度结果如表3所示,可以看出,P5涂层与45钢基材之间的结合强度最高,而P3涂层结合强度最低。试样P5涂层与基体结合区域形貌如图5( a) 所示,可以看出在P5涂层与基体之间形成了相当紧密的机械结合,而P3涂层与基体的结合相对较疏松( 见图5( b) ) 。通过计算得到喷涂距离、喷涂电流、主气流量和次气流量的极差值分别为5、6. 8、3. 8和1. 8,结合强度因素效应关系如图6所示,因此,影响涂层结合强度的因素主次顺序依次为喷涂电流 > 喷涂距离 > 主气流量 > 次气流量。

喷涂距离从80 mm到120 mm逐渐增加时,涂层与基体的结合强度先增大后减小,最大的结合强度达到23. 5MPa。当喷涂距离较小的时候,铝青铜颗粒在等离子焰流中停留的时间也相对较短,喷向基体前铝青铜颗粒的温度比较低,造成颗粒没有充分地熔化,使形成的涂层致密性降低,从而导致涂层与基体的结合强度也降低。当喷涂距离逐渐增大时,铝青铜颗粒在焰流中停留的时间延长,颗粒被喷向45钢基体前的温度比较高,颗粒也熔化得较充分,因此喷涂后的涂层较致密,结合强度较大。当喷涂距离过大时,由于铝青铜颗粒在等离子焰流中是先加速后减速,距离太大会导致颗粒喷向基体前的速度较小,对基体表面的冲击力也变小,因此涂层和基体的结合强度较小。通过以上分析可知,100 mm左右是比较合适的喷涂距离。

喷涂电流从350A到400A时,涂层与基体的结合强度变化不是很大( 如P1和P2) ,这说明了在350A和400A之间,颗粒已经得到了充分的熔化,可以得到相对致密的涂层。当喷涂电流继续增大到450A时,涂层与基体的结合强度明显降低,这是因为喷涂电流较大时,等离子喷涂的喷涂功率也较大, 被充分熔化的颗粒温度非常高,可能会被等离子焰流雾化成液滴,导致喷向基体时形成的涂层的孔隙也相对较多,因而涂层与基体的结合强度降低。因此,等离子喷涂铝青铜时的喷涂电流应控制在400A左右比较合适。

通过以上分析可得,结合强度最大的工艺参数为: 喷涂距离100 mm,喷涂电流400A,主气流量2500L / h,次气流量30L / h( 即P5涂层的工艺参数) 。

4结论

采用等离子喷涂技术在45钢表面成功制备了铝青铜涂层,研究了主气流量、次气流量、喷涂距离、 喷涂电流等热喷涂参数对涂层孔隙率、硬度和结合强度等的影响规律。主要结论如下:

( 1) 影响涂层孔隙率的因素的主次顺序为喷涂距离 > 主气流量 > 喷涂电流 > 次气流量,喷涂距离在100 ~ 120 mm之间较适宜。

( 2) 影响涂层硬度的因素主次顺序为主气流量 > 喷涂电流 > 次气流量 > 喷涂距离,硬度达到最高 ( HV322) 的喷涂工艺参数是喷涂距离100 mm,喷涂电流400A,主气流量2 500 L/h,次气流量30 L/h。