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热喷涂小知识

1、热喷涂陶瓷粉末
 热喷涂陶瓷粉末主要是指氧化物、碳化物、氮化物、硼化物及硅化物粉末,常用的热喷涂陶瓷粉末主要有Al2O3、ZrO2、TiO2、WC、Cr2O3等。陶瓷涂层具有硬度高、耐磨性和耐热性好等突出优点。采用等离子喷涂可解决材料熔点高的问题,几乎可喷涂所有陶瓷材料,用火焰喷涂可获得某些陶瓷涂层。
 2、热喷涂塑料
 在金属和非金属表面喷涂塑料,具有美观、耐蚀的性能。若在塑料粉末中添加硬质相还可使涂层具有一定的耐磨性。聚乙烯涂层可耐250℃温度,在常温下耐稀硫酸、稀盐酸腐蚀,并具有耐浓盐酸、氢氟酸和磷酸腐蚀的性能,而且具有绝缘性和自润滑特性。常用的热喷涂塑料还有尼龙、环氧树脂等。
 热喷涂技术是材料表面强化与保护的新技术,它在表面改性技术中占有重要地位。该项技术在我国始于50年代,70年代末形成气候。目前,无论在设备、材料、工艺、科研等方面都在迅速发展与提高,已成为表面技术一个重要组成部分。其发展趋势是:设备方面(喷枪)向高能、高焓、高速度发展;材料方面向系列化、标准化、商品化方向发展,以保证多功能高质量涂层的需要;工艺方面向机械化、自动化方向发展,如计算机控制、机械手操作等。当今,热喷涂技术在国民经济各领域里都得到了广泛应用,推广应用前景广阔。
 一、热喷涂设备的新发展
 近期我国加快了设备研制和生产步伐,目前已形成了完整的研制和生产体系,已有20多个单位从事热喷涂设备开发与生产,能够生产各类型的氧乙炔火焰喷涂设备、喷熔设备;新型电弧喷涂设备;成套等离子喷涂设备、喷焊设备;各类专用机床;热喷涂空气净化设备,前处理及后加工设备。单机品种已达100多个,这些产品开发与生产,保证了热喷涂技术的发展, 比较突出的有:
 1、 高速火焰喷涂装置  目前从国外引进的高速火焰喷涂装置(HVOF)、(HVAF)以及超音速等离子喷涂设备,其特点是粒子飞行速度高,涂层与基体结合强度高,孔隙率低,这些设备已在航天、航空、冶金、化工和电力等行业发挥着重要作用。但是上述进口设备价格昂贵,且燃料(丙烷、丙烯)不易普及,针对上述情况,结合我国国情,四川长城喷涂技术研究所研制成功了氧乙炔焰作热源的高速喷涂枪。由于受到乙炔压力的限制,目前虽然粒子飞行速度达不到超音速,但却比常规氧乙炔火焰粉末喷涂飞行速度提高了4~5倍,比常压等离子喷涂也提高了1~2倍,可喷涂金属及合金粉末材料有Al2O3-TiO2-Co-WC以及聚乙烯、尼龙等热塑型粉末材料。此外,西安交通大学等单位已研制成功高速火焰(HVOF)喷涂装置,并开始应用。
 2、 高速电弧喷涂装置  由于电弧喷涂具有结合强度高、耗能少、成本低等优点,所以近年来这种设备在国内越来越被人重视,并积极采用,特别是在钢铁结构件大面积长效防护工程及电站锅炉管道热腐蚀中发挥了重要作用。在普通电弧喷涂的基础上,国家产学研设备工程中心装甲兵工程学院、西安第二炮兵工程学院近期又研制成功了高速电弧喷涂枪,气流速度高达600m/s以上,其涂层结合强度、孔隙率等多项指标都优于普通电弧喷涂,目前正在进一步推广应用。
 3、 氧-乙炔火焰金属粉末喷涂装置  氧-乙炔火焰金属粉末喷涂技术目前在国内推广应用范围很广,几乎所有大企业都把它作为修旧利废的一种手段。上海、江苏、武汉和四川等地已开发生产了多种型号的喷涂、喷焊枪,已广泛为喷涂单位服务。上海焊割喷涂机械厂近期在原QHT-7/h火焰喷枪的基础进行改进,采用两套喷嘴,利用两种热源:即氧乙炔焰和氧液化石油气(家用瓶装)。采用瓶装液化石油气作可燃气体,可大大降低成本,且对喷涂作业带来更大的方便。
 4、 气体爆燃式喷涂装置  航天总公司六二一研究所,从60年代开始研制,现已安置了一套完整的燃气爆炸喷涂装置,为航天、航空以及其他军工部门喷涂了许多高密度优质涂层,设备已达到或接近国外同类产品水平。北京长城钛金公司近年来与乌克兰合作,建立了中外合资的北京钛得新材料有限公司,引进了乌克兰的爆炸喷涂设备制造技术,现在能生产计算机控制三维行走机构的爆炸喷涂设备,除面向国内用户外,已出售到美国及台湾等地区。
 5、 氧-乙炔火焰塑料粉末喷涂装置  近年来,采用氧-乙炔火焰,用沸腾送粉方法,通过特制的喷枪喷涂塑料粉末,可以得到平整光滑的塑料涂层。这对于大型工件、各种贮罐、管道涂装塑料涂层提供了一种新方法。为此,沈阳市热喷涂厂、武汉材料保护研究所、装甲兵工程学院等都先后研制成功了不同型号的火焰塑料粉末喷涂装置,并且进行了大面积施工,收到了良好效果。其中,武汉材料保护研究所研制成功的FSP-Ⅱ型塑料粉末火焰喷枪性能达到了UTP公司I-SPRAY-JET喷枪的水平。
 6、 新型等离子喷涂枪  清华大学等单位研制成功了QZNI高能内孔等离子喷涂枪,该枪功率可达75kW,热效率、等离子射流平均焓值、射流温度、喷枪功率和粉末沉积率均达到Metco大内孔喷枪水平。近期,北京市熵科尔应用技术研究所研制成功了BT-G1、BT-G2、BT-G3型新型等离子喷枪,以及BT-NI型大内孔喷枪,同时还研制成功了BT-F1型双筒式超细粉末送粉器和物理方法冷却系统,使国产等离子喷涂设备水平又上了一个新的台阶,缩短了与国外设备水平的差距。
 7、 新型喷砂设备问世  北京、上海等地近期已研制成功了小型可回收式喷砂设备以及大型环保喷砂设备,大大地改善了劳动条件,减少了环境污染,为推动我国热喷涂技术的发展起到了积极作用。
 二、热喷涂材料的新发展
 人们称热喷涂材料是热喷涂的"粮食"。喷涂材料性能、质量、品种是衡量涂层质量的重要水准之一,也是影响经济效益的关键因素。我国热喷涂材料虽然起步较晚,但进入70年代以来发展相当迅速,目前已有40多个生产厂家生产近百个品种,基本上能满足国内需要。这些研究和生产单位研制和生产的热喷涂材料大体可分为(近期的新品种):
 1、 粉末材料 北京矿冶研究总院研制成功的氧化钇部分稳定型氧化锆热隙涂层材料,以及抗高温氧化的镍铬铝钴氧化钇底层材料已在航空发动机上得到了广泛应用;重庆仪表材料研究所研制成功的空气氧化锆材料喷涂的热障涂层,其各项指标也达到要求;北京矿冶研究总院研制成功的镍铬-碳化铬复合粉末材料,已在许多电厂锅炉水冷壁管上作为抗高温耐蚀耐磨涂层,应用效果良好;沈阳砂轮厂研制成功的氧化铝、氧化铝-氧化钛粉末已广泛用于纺织机械及冶金设备上,该厂研制成功的CrB2粉末在连铸机轧辊及炉底辊上喷涂应用已初见成效;北京钢铁研究总院采用自蔓延法研制的XTiC+yCr3C2+zNi复合陶瓷材料,适于等离子喷涂,涂层硬度可达54HRC,可耐800℃高温;自贡硬质合金厂生产的Co-WC合金粉末,已经得到广泛推广应用;四川等地研制成功的钼基合金粉末,已成功地应用于汽车同步环的喷涂。
 2、 丝材  北京工业大学研制成功并批量生产了含稀土元素的耐磨耐蚀热喷涂金属粉芯丝材,比较典型的有7Cr13型、3Cr13型、低碳马氏体型,适合于电弧及火焰喷涂,其涂层平均结合强度为50MPa、孔隙率小于7%、涂层平均硬度40~50HRC;北京有色金属研究总院最近研制成功了用于电弧喷涂打底用的Ni-Al合金丝,以及用于抗高温腐蚀与磨粒磨损的电弧喷涂用Ni-Cr合金丝(相当于美国TAFA公司的45CT);装甲兵工程学院研制了SL30型Ni-Cr合金丝涂层+有机金属复合涂层,成功地代替美国TAFA公司的45CT;沈阳工业大学研制成功了铁基合金电弧喷涂打底丝,代替铝青铜丝;上海、北京、浙江、四川等地研制并生产Fe-Cr-Al丝、Al-Mg合金丝、Zn-Al合金丝以及巴氏合金丝等。
 3、 塑料粉末  在开发研制供氧乙炔火焰喷涂用的聚乙烯、聚丙烯、尼龙等粉末的基础上,近期有关单位又研制成功了氯化聚醚、改性氟塑料粉末,拓宽了塑料涂层的应用范围,已在防腐工程中得到了应用。
 4、棒材  引进美国的陶瓷棒材喷涂材料,已在纺织机械中得到成功应用,国内试制的陶瓷棒材及柔性陶瓷丝材已问世,不久将推向市场。 上述材料,都是近期在国内出现的新品种,这些材料的开发与生产,为我国热喷涂技术的发展创造了有利条件。
 三、热喷涂工艺技术的新发展
 热喷涂技术目前在国内已经得到了比较广泛的推广应用,近年来发展的趋势和特点是:
 (1)大面积长效防护技术得到了广泛应用 对于长期暴露在户外大气的钢铁结构件,采用喷涂铝、锌及其合金涂层,代替传统的刷油漆方法,实行阴极保护进行长效大气防腐,近年来得到了迅速发展。如电视铁塔、桥梁、公路设施、水闸门、微波塔、高压输电铁塔、地下电缆支架,航标浮鼓、竖井井筒等大型工程,都采用了喷涂铝、锌及其合金方法进行防腐。目前国内有几十个专业喷涂厂从事这方面工作,喷涂面积每年达几百万平方米以上。这项技术不仅在国内大量推广应用,而且在援外工程中也得到了较好的推广应用。
 (2)采用热喷涂技术修复与强化大型关键设备及进口零部件国产化 近年来这方面已有许多成功应用实例,如:一米七轧机、高速风机转子,大型挤压机柱塞、大型齿轮、电极挤压成型嘴、大功率汽车曲轴等。这些工作的进行,一是解决了生产急需;二是节约了大量外汇。
 (3)超音速火焰喷涂技术的应用 随着我国热喷涂技术的发展与提高,对喷涂层质量要求也愈来愈高。近年来美国等国家发展起来的高速燃气(HVOF)法是制备高质量涂层的一种新的工艺方法。由于超音速火焰喷涂方法具有很多优点,目前国内已先后从国外引进近十几台设备,在各工业部门发挥着重要作用。
 (4)气体爆燃式喷涂技术进一步得到应用 该项喷涂技术由于粒子飞行速度可达800m/s以上,涂层与基体结合强度可达100MPa以上,孔隙率<1%,在某些领域里应用,优于其他喷涂方法。目前国内已安装10台以上。
 (5)氧乙炔火焰塑料粉末喷涂技术发展迅速 如前所述,国内近年来已有多家生产制造氧乙炔火焰塑料粉末喷涂设备,采用该项工艺技术,已在化工贮罐、管道、陶瓷行业泸泥机板框、印染行业的导布辊、煤炭行业带式运输机铸铁托轮、石油行业注聚设备,以及表面装潢等方面都得到了很好的应用,弥补了电喷塑的不足。为塑料涂层的应用,开辟了一个新的途径。
 (6)热喷涂技术在化工防腐工程中得到应用 腐蚀是机械部件受周围介质的化学或电化学作用而失效的主要原因之一。它不仅使大量金属材料受损失,从而造成的停产损失更难以估计,所以人们对化工防腐工作特别重视。热喷涂层应用于腐蚀介质中,特别是强介质腐蚀,以前所以未能突破,其主要原因是封孔剂未能解决。众所周知,喷涂层是存在着孔隙的,若不进行封孔处理,各种酸、碱、有机介质就会浸入孔隙,使涂层脱落,影响防腐效果。根据防腐工程的要求,近期我国已研制成功了聚酯型、有机聚合物型、树脂型、塑料型、胶粘剂型等几十种型号的封孔剂,适用于酸、碱、盐及有机物的腐蚀环境,其使用温度80~350℃。采用陶瓷涂层、氧化物涂层或金属或合金涂层,根据不同介质,选用适当的封孔剂,已在许多化工腐蚀介质中应用,效果良好。该系列封孔剂已获专利并获国家发明奖。这些封孔剂的研究成功,使热喷涂技术在化工防腐工程中的应用有了新进展。
 (7)激光重熔技术开始应用 近几年来,高频感应重熔、真空感应重熔只是在一定范围内得到应用。激光重熔技术前几年曾做过小面积试验,并未广泛应用。近期清华大学已将激光重熔技术用于阀门生产中,上海第二纺织机械厂已将激光重熔技术应用在纺织机械中。
 (8)热喷涂技术在建筑装潢医疗卫生方面也得到了应用 近年来四川、上海、沈阳、云南等地采用热喷涂技术喷涂了各种雕像、饰物、大型壁面等收到了良好效果,如沈阳市国际商场的孔雀开屏大型壁画就采用了热喷涂技术。随着热喷涂技术的发展与提高,该项技术已渗透到其他领域中,如生物领域用热喷涂方法,制造人工骨骼,目前国内已临床200多例,效果很好。此外,用热喷涂方法制造的人工牙齿,也得到了初步应用。
 四、进一步推广应用热喷涂技术意义重大
     磨损和腐蚀是造成材料和零部件失效的主要原因。据有关资料报道,发达国家由于磨损和腐蚀造成的损失约占国民经济总产值的3%~5%,1993年我国由于腐蚀造成的损失达1000多亿元,平均每天3亿元之多。1994年我国国民经济总产值为43800亿元,若按损失4%计算则为1700多亿元,而"八五"期间推广应用热喷涂技术直接经济效益约为35亿元。随着人们对材料性能要求进一步提高,将对热喷涂设备、工艺、材料等作更深入的研究及探索。资料表明,热喷涂工艺作为一种优良的表面改性技术具有广阔的发展前景,进一步广泛深入地推广应用该项技术意义重大。
 塑料的简介
 [1] 塑料为合成的高分子化合物{聚合物(polymer)},又可称为高分子或巨分子(macromolecules),也是一般所俗称的塑料(plastics)或树脂(resin),可以自由改变形体样式。是利用单体原料以合成或缩合反应聚合而成的材料,由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成的,它的主要成分是合成树脂。树脂[2]这一名词最初是由动植物分泌出的脂质而得名,如松香、虫胶等,目前树脂是指尚未和各种添加剂混合的高聚物。树脂约占塑料总重量的40%~100%。塑料的基本性能主要决定于树脂的本性,但添加剂也起着重要作用。有些塑料基本上是由合成树脂所组成,不含或少含添加剂,如有机玻璃、聚苯乙烯等。所谓塑料,其实它是合成树脂中的一种,形状跟天然树脂中的松树脂相似,但因又经过化学的力量来合成,而被称之为塑料。
   根据美国材料试验协会所下的定义,塑料乃是一种以高分子量有机物质为主要成分的材料,它在加工完成时呈现固态形状,在制造以及加工过程中,可以借流动(flow)来造型。
   因此,经由此说明我们可以得到以下几项了解:
   ●它是高分子有机化合物
   ●它可以多种型态存在例如液体固体胶体溶液等
   ●它可以成形(moldable)
   ●种类繁多因为不同的单体组成所以造成不同之塑料
   ●用途广泛产品呈现多样化
   ●具有不同的性质
   ●可以用不同的加工方法(processing method )
   塑料和树脂这两个名词也常混用。图1.1为塑料产生之过程。
 图 1.1 塑料产生过程
 塑料可区分为热固性与热可塑性二类,前者无法重新塑造使用,后者可一再重复生产。塑料高分子的结构基本有两种类型:第一种是线型结构,具有这种结构的高分子化合物称为线型高分子化合物;第二种是体型结构 ,具有这种结构的高分子化合称为体型高分子化合物。有些高分子带有支链,称为支链高分子,属于线型结构。有些高分子虽然分子间有交联,但交联较少,称为网状结构,属于体型结构。
 高分子的分子结构分类:
 (a)线型结构
   (b)线型结构(带有支链)
   (c)网状结构(分子链间少量交联)
   (d)体型结构(分子链间大量交联)
 两种不同的结构,表现出两种相反的性能。线型结构(包括支链结构)高聚物由于有独立的分子存在,故有弹性、可塑性,在溶剂中能溶解,加热能熔融,硬度和脆性较小的特点。体型结构高聚物由于没有独立的大分子存在,故没有弹性和可塑性,不能溶解和熔融,只能溶胀,硬度和脆性较大。塑料则两种结构的高分子都有,由线型高分子制成的是热塑性塑料,由体型高分子制成的是热固性塑料。
 塑料与其它材料比较有如下的特性:
 〈1〉 耐化学侵蚀
 〈2〉 具光泽,部份透明或半透明
 〈3〉 大部份为良好绝缘体
 〈4〉 重量轻且坚固
 〈5〉 加工容易可大量生产,价格便宜
 〈6〉 用途广泛、效用多、容易着色、部份耐高温
 

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