表面涂敷技術(shù)

1、2022-4-261第五章 表面涂敷技術(shù)2022-4-262涂料與涂裝粘結(jié)與粘涂堆焊熱噴涂電火花表面涂敷熔結(jié)熱浸鍍搪瓷涂敷陶瓷涂敷陶瓷涂層塑料涂敷2022-4-263熱噴涂熱噴涂技術(shù)是采用氣體、液體燃料或電弧、等離子弧、激光等作熱源，使金屬、合金、金屬陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它們的復合材料等噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，通過高速氣流使其霧化，然后噴射、沉積到經(jīng)過預處理的工件表面，從而形成附著牢固的表面層的加工方法。將噴涂層再加熱重熔，則產(chǎn)生冶金結(jié)合。這種方法稱為熱噴涂方法。 2022-4-264熱噴涂特性熱噴涂能達到各種性能目的：耐磨性、耐熱性、耐腐蝕、抗氧化和潤滑等。適用材料廣：金屬

2、、合金、陶瓷、水泥、塑料、石膏、木材等。噴涂層厚度達0.5-5mm，而且對基體材料的組織和性能影響很小。2022-4-265一、熱噴涂原理1噴涂涂層形成過程和涂層形成原理2022-4-2662涂層結(jié)構(gòu) 2022-4-267涂層的結(jié)構(gòu) 涂層是層狀結(jié)構(gòu)，是一層一層堆積而成 .涂層的性能具有方向性，垂直和平行涂層方向上的性能是不一致的。 部分孔隙或空洞，其孔隙率一般在420之間。涂層中伴有氧化物和夾雜。涂層經(jīng)適當處理后，結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。 2022-4-2683涂層結(jié)合機理 涂層的結(jié)合包括涂層與基體表面的結(jié)合和涂層內(nèi)部的結(jié)合。結(jié)合力：涂層與基體表面的結(jié)合強度。內(nèi)聚力：涂層內(nèi)部的結(jié)合強度。 2022-4

3、-269涂層結(jié)合機理 （1）機械結(jié)合。 碰撞成扁平狀并隨基體表面起伏的顆粒，由于和凹凸不平的表面互相嵌合，形成機械釘扎而結(jié)合。一般說來，涂層與基體表面的結(jié)合以機械結(jié)合為主。 2022-4-2610（2）冶金-化學結(jié)合。這是當涂層和基體表面出現(xiàn)擴散和合金化時的一種結(jié)合類型，包括在結(jié)合面上生成金屬間化合物或固溶體。當噴涂后進行重熔即噴焊時，噴焊層與基體的結(jié)合主要是冶金結(jié)合。 2022-4-2611（3）物理結(jié)合。顆粒對基體表面的結(jié)合，是由范德華力或次價鍵形成的結(jié)合。 2022-4-26124涂層殘余應力當熔融顆粒碰撞基體表面時，在產(chǎn)生變形的同時受到激冷而凝固，從而產(chǎn)生微觀收縮應力，涂層的外層受拉應

4、力；基體，有時也包括涂層的內(nèi)層則產(chǎn)生壓應力。涂層中的這種殘余應力是由噴涂熱條件及噴涂材料與基體材料物理性質(zhì)的差異所造成的，它影響涂層質(zhì)量，限制涂層的厚度。工藝上要采取措施以消除和減少涂層殘余應力。2022-4-2613二、熱噴涂的種類和特點 1熱噴涂種類按涂層加熱和結(jié)合方式，熱噴涂有噴涂和噴熔兩種。熱噴涂：基體不熔化，涂層與基體形成機械結(jié)合；噴熔：是涂層經(jīng)再加熱重熔，涂層與基體互溶并擴散形成冶金結(jié)合。它們與堆焊的根本區(qū)別都在于母材基體不熔化或極少溶化。2022-4-2614熱噴涂技術(shù)按照加熱噴涂材料的熱源種類分為：火焰噴涂、電弧噴涂、高頻噴涂、等離子弧噴涂（超音速噴涂）、爆炸噴涂、激光噴涂和重

5、熔、電子束噴涂。 2022-4-26152022-4-26162022-4-26172022-4-26182熱噴涂特點 （l）適用范圍廣。涂層材料可以是金屬和非金屬（如聚乙烯、尼龍等塑料，氧化物、氮化硅、氨化硼等陶瓷）以及復合材料。被噴涂工件也可以是金屬和非金屬（如木材）。用復合粉末噴成的復合涂層可以把金屬和塑料或陶瓷結(jié)合起來，獲得良好的綜合性能。其他方法難以達到。 2022-4-2619（2）工藝靈活施工對象小到10mm內(nèi)孔，大到鐵塔、橋梁等大型結(jié)構(gòu)。噴涂既可在整體表面上進行，也可在指定區(qū)域內(nèi)涂敷，既可在真空或控制氣氛中噴涂活性材料，也可在野外現(xiàn)場作業(yè)。 2022-4-2620（3）噴涂層的

6、厚度可調(diào)范圍大 涂層厚度可從幾十微米到幾毫米，表面光滑，加工量少。用特細粉末噴涂時，不加研磨即可使用。 2022-4-2621（4）工件受熱程度可以控制除噴熔外，熱噴涂是一種冷工藝.例如氧-乙炔焰噴涂、等離子噴涂或爆炸噴涂，工件受熱程度均不超過250，工件不會發(fā)生畸變，不改變工件的金相組織。 2022-4-2622（5）生產(chǎn)率高 大多數(shù)工藝方法的生產(chǎn)率可達到每小時噴涂數(shù)千克噴涂材料，有些工藝方法可高達50kgh以上。 2022-4-2623 三、熱噴涂預處理 是噴涂工藝中一個重要工序為了提高涂層與基體表面的結(jié)合強度，在噴涂前，對基體表面進行清洗、脫脂和表面粗糙化等預處理，是噴涂工藝中一個重要工

7、序。 2022-4-26241基體表面的清洗、脫脂（l）堿洗法。堿洗法是將基體表面放到氫氧化鈉或碳酸鈉等堿性溶液中，待基體表面的油脂溶解后，再用水沖洗干凈。 （2）溶液洗滌法。溶液洗滌法是采用揮發(fā)性溶液，如雨酮、汽油、三氯乙烯和過氯乙烷乙烯等，它們的主要作用是把基體表面的礦物油溶解掉，再加以清除。2022-4-2625（3）蒸氣清洗法。蒸氣清洗法是采用三氯乙烯蒸氣進行清洗，盡管這種方法的清洗效果很好，但是對人體有一定的危害。2022-4-2626（4）對疏松表面的清洗、脫脂對疏松表面（如鑄鐵件）的清洗、脫脂是比較困難的。盡管油脂不在工件表面，但在噴涂時，由于基體表面的溫度升高，疏松孔中的油脂就

8、會滲透到基體表面，對涂層與基體的結(jié)合極為不利。因此，對疏松基體表面，經(jīng)過清洗、脫脂后，還需要將其表面加熱到250左右，盡量將油脂滲透到表面，然后再加以清洗。 2022-4-26272基體表面氧化膜的處理 一般采用機械方法去氧化膜：如切削加工方法和人工除銹法，也可以采用硫酸或鹽酸進行酸洗。 2022-4-26283基體表面的粗化處理 是提高涂層與基體表面機械結(jié)合強度的一個重要措施。噴涂前4h8h內(nèi)必須對工件表面進行粗糙化處理。常用的表面粗化處理方法如下： 1）噴砂法 噴砂是最常用的粗糙化工藝方法。砂粒有冷硬鐵砂、氧化鋁砂、碳化硅砂等多種，可根據(jù)工件表面的硬度選擇使用。 2022-4-2629（2

9、）機械加工法對軸、套類零件表面的粗化處理，可采用挑扣、開槽、滾花等簡便切削加工方法，這樣它可限制涂層的收縮應力，增加涂層與基體表面的接觸面積，提高涂層與基體以及涂層間的結(jié)合強度。 對涂層結(jié)合力要求不高的軸類工件，可在要求修復的區(qū)域內(nèi)進行車螺紋和滾壓處理，形成粗糙表面，一般為每厘米10條紋左右。需高結(jié)合力時，則可車20條左右。車削形狀為階梯狀，階梯的尖角最好加工成圓角，噴涂后不易產(chǎn)生缺陷。 2022-4-2630（3）化學腐蝕法基體表面進行化學腐蝕，由于晶粒上各個晶面的腐蝕速度不同，可形成粗糙的表面。 2022-4-2631（4）電弧法（又稱電火花拉毛法）是將直徑比較細的鎳（或鋁）絲作為電極，在

10、電弧作用下，電極材料與基體表面局部熔合，產(chǎn)生粗糙的表面。這種方法適用于硬度比較高的基體表面，但不適用于比較薄的零件表面。 2022-4-26324基體表面的預熱處理 涂層與基體表面的溫度差會使涂層產(chǎn)生收縮應力，從而引起涂層開裂和剝落?；w表面的預熱可降低和防止上述不利影響。但預熱溫度不宜過高，以免引起基體表面氧化而影響涂層與基體表面的結(jié)合強度。一般基體表面的預熱溫度在200300之間2022-4-26335非噴涂表面的保護 在噴砂和噴涂前，必須對基體的非噴涂表面進行保護，其保護方法可根據(jù)非噴涂表面的形狀和特點，設計一些簡易的保護罩。保護罩材料可采用薄銅皮或鐵皮。對基體表面上的鍵槽和小孔等不允許

11、外物進入的部位，噴砂前可以用金屬、橡膠或石棉繩等堵塞，噴砂后換上炭素物或石棉等，以防止熔融的熱噴涂材料進入。 2022-4-2634四、熱噴涂材料 （一）熱噴涂線材 （1）碳鋼及低合金鋼絲最常用的是 85優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼絲和ThA碳素工具鋼絲。一般采用電弧噴涂，用于噴涂曲軸、柱塞、機床導軌等常溫工作的機械零件滑動表面耐磨涂層及磨損部位的修復。 2022-4-2635(2) 不銹鋼絲1Cr13、2Cr13、3Cr13等馬氏體不銹鋼絲主要用于強度和硬度較高、耐蝕性要求不太高的場合，其涂層不易開裂。1Cr17在氧化性酸類、多數(shù)有機酸、有機酸鹽水溶液中有良好的耐蝕性。1Cr18Ni9Ti等奧氏體不銹鋼絲

12、有良好的工藝性能，在多數(shù)氧化性介質(zhì)和某些還原性介質(zhì)中都有較好的耐蝕性，用于噴涂水泵軸等。由于不銹鋼涂層收縮率大，易開裂，適于噴涂薄層。 2022-4-2636（3）鋁絲鋁和氧有很強的親和力，鋁在室溫下大氣中就能形成致密而堅固的Al2O3氧化膜，能防止鋁進一步氧化。純鋁噴涂除大量用于鋼鐵保護涂層外，還可作為鋼的抗高溫氧化涂層、導電涂層和改善電接觸的涂層。一般鋁絲純度（質(zhì)量分數(shù)）應大于99.7。鋁絲直徑23mm，噴涂時，表面不得有油污和氧化膜。 2022-4-2637（4）鋅絲在鋼鐵件上，只要噴涂0.2mm的鋅層，就可在大氣、淡水、海水中保持幾年至幾十年不銹蝕。鋅的純度要求（質(zhì)量分數(shù)）在99.85

13、以上的純鋅絲。在鋅中加鋁可提高涂層的耐蝕性能，若鋁的質(zhì)量分數(shù)為30，則耐蝕性最佳。鋅噴涂廣泛用于大型橋梁、鐵路配件、鋼窗、電視臺天線、水閘門和容器等。 2022-4-2638（5）鉬絲鉬與氫不產(chǎn)生反應，可用于氫氣保護或真空條件下的高溫涂層。鉬是一種自粘結(jié)材料，可與碳鋼、不銹鋼、鑄鐵、蒙乃爾合金、鎳及鎳合金、鎂及鎂合金、鋁及鋁合金等形成牢固的結(jié)合。鉬可在光滑的工件表面上形成1um的冶金結(jié)合層，常用作打底層材料。 2022-4-2639如機床導軌噴涂鋼時，用鉬作為打底層可增加鋼噴涂層與基體的結(jié)合強度。鉬的摩擦系數(shù)小，適用于噴涂活塞環(huán)和摩擦片。但鉬不能作為銅及銅合金、鍍鉻表面和硅鐵表面的涂層。 20

14、22-4-2640（6）錫及錫合金絲錫涂層具有很高的耐腐蝕性能，常用作食品器具的保護涂層，但錫中砷的質(zhì)量分數(shù)不得大于0.015。含銻和鉬的錫合金絲具有摩擦系數(shù)低、韌性好、耐蝕性和導熱性良好等特性。在機械工業(yè)中，廣泛應用于軸承、軸瓦和其他滑動摩擦部件的耐磨涂層。此外，錫可在熟石膏等材料上噴涂制成低熔點模具。 2022-4-2641（7）鉛及鉛合金絲 鉛具有很好的防X射線輻射的性能，在原子能工業(yè)中廣泛用于防輻射涂層。含銻和銅的鉛合金絲材料的涂層具有耐磨和耐蝕等特性，用于軸承、軸瓦和其他滑動摩擦部件的耐磨涂層。但涂層較疏松，用于耐腐蝕時需經(jīng)封閉處理。由于鉛蒸氣對人體危害較大，噴涂時應加強防護措施。

15、2022-4-2642（8）銅及銅合金絲銅主要用于電器開關的導電涂層、塑料和水泥等建筑表面的裝飾涂層；黃銅涂層則用于修復磨損及超差的工件，如修補有鑄造砂眼、氣孔的黃銅鑄件，也可作裝飾涂層。黃銅中加入質(zhì)量分數(shù)為1左右的錫，可改善耐海水腐蝕性能。鋁青銅的強度比一般黃銅高，耐海水、硫酸和鹽酸的腐蝕，有良好的耐磨性和抗腐蝕疲勞性能，采用電弧噴涂時與基體結(jié)合強度高，可作為打底涂層，常用于水泵葉片、氣閘活門、活塞及軸瓦等的噴涂。磷青銅涂層比其他青銅涂層更為致密，有良好的耐磨性，可用來修復軸類和軸承等的磨損部位，也可用于美術(shù)工藝品的裝飾涂層。 2022-4-2643（9）鎳及鎳合金絲蒙乃爾合金對氨水、海水、

16、照相用藥劑、酚醛、甲酚、汽油、礦物油、酒精、碳酸鹽水溶液及熔鹽、脂肪酸以及其他有機酸的耐蝕性優(yōu)良，對硫酸、醋酸、磷酸和干燥氯氣等介質(zhì)的耐蝕性較好；但對鹽酸、硝酸、鉻酸等介質(zhì)不耐蝕。常用于水泵軸、活塞軸、耐蝕容器的噴涂。 2022-4-264480Ni20Cr在高溫下幾乎不氧化，是最好的耐熱耐蝕材料，常用于高溫耐腐蝕涂層。鎳鉻耐熱合金絲涂層致密，與母材金屬的結(jié)合性好，常用于A12O3、ZrO2等陶瓷涂層的打底層，但不能用于硫化氫、亞硫酸氣體以及硝酸和鹽酸介質(zhì)中。 2022-4-2645（10）復合噴涂絲用機械方法將兩種或更多種材料復合壓制成噴涂線材稱復合噴涂絲。不銹鋼、鎳、鋁等組成的復合噴涂絲，

17、利用鎳、鋁的放熱反應使涂層與多種基體（母材）金屬結(jié)合牢固，而且因復合了多種強化元素，改善了涂層的綜合性能，涂層致密，噴涂參數(shù)易于控制，便于火焰噴涂。因此，它是目前正在擴大使用的噴涂材料，主要用于油泵轉(zhuǎn)子、軸承、汽缸襯里和機械導軌表面的噴涂，也可用于碳鋼和耐蝕鋼磨損件的修補。 2022-4-2646（二）熱噴涂粉末粉末材料可分為: 金屬及合金粉末、陶瓷材料粉末和復合材料粉末。 1金屬及合金粉末 （1）噴涂合金粉末。又稱冷噴合金粉末，這種粉末不需或不能進行重熔處理。按其用途分為打底層粉末和工作層粉末。 打底層粉末用來增加涂層與基體的結(jié)合強度；工作層粉末保證涂層具有所要求的使用性能。放熱型自粘結(jié)復合

18、粉末是最常用的打底層粉末。工作層粉末熔點要低，具有較高的伸長率，以避免涂層開裂。 氧一乙炔焰噴涂工作層粉末，最常用的是鎳包鋁復合粉末與自熔性合金的混合粉末。2022-4-2647（2）噴熔合金粉末又稱自熔性合金粉末因合金中加入了強烈的脫氧元素如 Si、 B等，在重熔過程中它們優(yōu)先與合金粉末中氧和工件表面的氧化物作用，生成低熔點的硼硅酸鹽覆蓋在表面，防止液態(tài)金屬氧化，改善對基體的潤濕能力，起到良好的自熔劑作用，所以稱之為自熔性合金粉末。噴熔用的自熔性合金粉末有鎳基、鈷基、鐵基及碳化鎢等四種系列。 2022-4-26482陶瓷材料粉末陶瓷屬高溫無機材料，是金屬氧化物、碳化物、硼化物、硅化物等的總稱

19、，其硬度高，熔點高，但脆性大。常用的陶瓷粉末有： 2022-4-2649(1) 氧化物它是使用最廣泛的高溫材料。氧化物陶瓷粉末涂層與其他耐熱材料涂層相比，絕緣性能好，熱導率低，高溫強度高，特別適合作熱屏蔽和電絕緣涂層。(2)碳化物它包括碳化鎢、碳化鉻、碳化硅等，很少單獨使用，往往采用鈷包碳化鎢或鎳包碳化鎢，以防止噴涂時產(chǎn)生嚴重失碳現(xiàn)象。為保證涂層質(zhì)量，須嚴格控制噴涂工藝參數(shù)，或在含碳的保護氣氛中噴涂。碳化鎢是一種超硬耐磨材料，由于溫度和均勻度等因數(shù)，其組織及性能很難達到燒結(jié)碳化鎢硬質(zhì)合金的性能。碳化鉻、碳化硅也可用作耐磨或耐熱涂層。2022-4-26503復合材料粉末復合材料粉末是由兩種或更多

20、種金屬和非金屬（陶瓷、塑料、非金屬礦物）固體粉末混合而成。其特點是：（1）復合粉的粉粒是非均相體，在熱噴涂作用下形成廣泛的材料組合，從而使涂層具有多功能性。 2022-4-2651（2）復合材料之間在噴涂時可發(fā)生某些希望的有利反應，改善噴涂工藝，提高涂層質(zhì)量（例如，可制成放熱型復合粉，使涂層與基體除機械結(jié)合外，還有冶金結(jié)合，提高涂層結(jié)合強度）。（3）包覆型復合粉的外殼，在噴涂時可對核心物質(zhì)提供保護，使其免于氧化和受熱分解。2022-4-2652按照復合粉末的結(jié)構(gòu)，一般分為包覆型、非包覆型和燒結(jié)型。包覆型復合粉末的芯校被包覆材料完整地包覆著；非包覆型粉末的芯核被包覆材料包覆程度是不均勻和不完整的

21、。 2022-4-2653按照復合粉末形成涂層的機理可分為自粘結(jié)（增效或自放熱）復合粉末和工作層粉末。工作層復合粉末品種較多。自粘結(jié)復合粉末多用作基體與工作層間的過渡層，即打底層粉末。它在噴涂時產(chǎn)生放熱反應，有助于涂層與基體的結(jié)合，形成致密而又粗糙的過渡層，有效地改善涂敷性能。 2022-4-2654涂層功能按照涂層功能，復合粉末有：硬質(zhì)耐磨復合粉末、耐高溫和隔熱復合粉末、耐腐蝕和抗氧化復合粉末、絕緣和導電復合粉末、以及減摩潤滑復合粉末等多種。 2022-4-26554塑料塑料具有良好的防粘、低摩擦系數(shù)和特殊的物理化學性能。 2022-4-2656熱噴涂裝置和設備 1） 氧一乙炔焰噴涂裝置 噴

22、槍主要由兩部分組成：產(chǎn)生火焰的氧、乙炔供給系統(tǒng)和噴涂粉末供給系統(tǒng)。 2022-4-26572022-4-2658爆炸噴涂是氧一乙炔焰噴涂技術(shù)中最復雜的一種方法。它是將一定量的粉末注人噴槍的的同時，引人一定量的氧一乙炔混合氣體，將混合氣體點燃引爆產(chǎn)生高溫（可達3300），使粉末加熱到高塑性或熔融狀態(tài)，以每秒48次的頻率高速（可達700ms760ms）射向工件表面，形成高結(jié)合強度和高致密度的涂層。 爆炸噴涂 2022-4-26592022-4-26602）等離子弧噴涂原理等離子噴涂是利用等離子焰流，即非轉(zhuǎn)移等離子弧作熱源，將噴涂材料加熱到熔融或高塑性狀態(tài)，在高速等離子焰流引導下高速撞擊工件表面，并沉積在經(jīng)過粗糙處理的工件表面形成很薄的涂層。涂層與母材的結(jié)合主要是機械結(jié)合。 2022-4-26612）等離子弧噴涂原理2022-4-26622022-4-26632022-4-2664等離子焰溫度高達1000以上，可噴涂幾乎所有固態(tài)工程材料，包括各種金屬和合金、陶瓷、非金屬礦物及復合粉末材料等。等