热喷涂技术在专用车生产中的应用分析
魏安平
工艺·设备·材料
摘 要:热喷涂技术可以对材料表面实施特殊保护,应用于专用汽车易损部件可大幅度延长使用寿命,比采用整体加强技术既经济又方便加工。介绍了热喷涂技术的方法、特点及应用效果,同时分析了一些专用汽车抗腐耐磨部件的应用前景。
关键词:热喷涂技术 专用汽车部件 应用分析
1 前言
热喷涂是一种将特殊的粉末或丝状材料经高温熔融,形成液态或液态加固态的微粒,使其以较高的速度碰撞于基体表面,形成具有特殊功能涂层的一种表面处理技术。随着科技进步和工业需求的日益增大,热喷涂技术应用领域也得到了飞速的发展,由以前的航空、航天、核工业、军事领域逐步推广到民用及其他传统工业上。这主要得益于各种热喷涂方法不断开发,以及相应国产喷涂设备和喷涂材料日益成熟,为热喷涂技术的推广应用起了极大的推动作用。本文主要介绍热喷涂技术在专用汽车领域应用来提高部件的抗腐蚀和抗耐磨性,从而延长使用寿命。
2 热喷涂的方法及特点
根据热喷涂加热方法以及对粒子加速的方式不同主要有火焰喷涂、电弧喷涂和等离子喷涂三大类。
2·1 火焰喷涂
火焰喷涂主要是利用氧—可燃气体产生高温火焰,将喷涂材料熔融,再利用压缩空气使熔融材料喷射黏附于基体表面。由于燃烧气体的温度的限制,喷涂材料的熔点一般低于2 500℃。火焰喷涂方法比较简单,设备也不复杂,因此在工业中被广泛应用。随着超音速火焰喷涂技术的开发,其喷射速度高达音速的两倍,熔融粒子的速度高达400 m/s,约为普通火焰喷涂的4倍和等离子的2倍。故涂层更为致密,结合强度大,另外这种方法有沉积率高,涂层性能稳定,特别适合于喷涂碳化物涂层,非常适宜在专用汽车中的应用。
2·2 电弧喷涂
以金属丝作为喷涂材料的电弧喷涂与其他热喷涂方法有很大的不同,它是由两根作为喷涂材料而不断被消耗的载流金属丝短路,产生连续电弧而使金属丝端部熔融,用高速冷空气射流使熔化的金属丝端部雾化喷射到基体表面。电弧喷涂不会提高基体表面的温度,喷涂效率也比火焰喷涂提高2~6倍。电弧喷涂成本低,约为火焰喷涂的1/10,设备投资为等离子喷涂的1/3。以前由于喷涂丝材的限制,应用受到一定约束,但随着管状丝材的发展,电弧喷涂应用领域得到广泛的拓展。
2·3 等离子喷涂
等离子喷涂是热喷涂技术中最为重要的一种。它是利用电流电弧放电,把高温加热的氩气、氮气、氦气等气体部分电离成离子束,在电弧放电部位四周强制流过的低温气体,产生收缩效应,使电弧放电部位断面缩小,导致能量密度和电流密度升高,最高温度可达20 000℃。由于等离子喷涂温度高,气体可控制,可以用来喷涂各类高熔点的金属、氧化物和其他各种陶瓷材料。最近10年开发的真空等离子喷涂设备,不仅使涂层的品种扩大,质量提高,而且可以进行新材料的合成和材料表面改性。
3 喷涂设备及材料
以前,我国的热喷涂主要集中高端领域、实验室,设备依赖进口,喷涂材料品种少,成本高。近几年国内从事热喷涂设备制造企业的产品逐渐成熟,像上海新业、北京新迪的火焰、等离子、高能等离子、超音速、高速电弧喷涂设备技术可与进口相比,成本要低得多,特别是管内专用喷砂枪、管内喷涂枪为管件内壁喷涂提供了专用设备;喷涂材料生产和研发企业也很多,有金属丝材、管状丝材、合金粉末、合金陶瓷粉末以及纳米陶瓷粉末等。
4 热喷涂技术在专用汽车中应用的分析
4·1 各行业中应用情况
热喷涂技术虽然在我国推广应用仅20年左右的时间,但已经在很多行业得到广泛的应用。如:汽车的发动机缸体、活塞、活塞环、同步环、喷油嘴、传感器、气门、曲轴等喷涂钼、金属陶瓷、陶瓷和合金涂层可提高该零部件使用寿命3~5倍;风机叶片上喷土氧化铬和碳化钨涂层可以抗冲蚀、抗气蚀、抗磨损;打印机、印刷机、造纸行业喷涂各种金属陶瓷和合金涂层可提高零部件使用寿命3~5倍;航空发动机的叶片上喷涂氧化锆或WC-Co涂层可以提高抗高温腐蚀和磨损的能力;在化工行业喷涂Zn、Al、Al2O3、Cr2O3、TiO2、WC-Co涂层具有很好的耐腐蚀耐磨损作用;在各种机械零部件上喷涂Cr2O3、TiO2、WC-Co、NiCrBSi、Cr3C2-NiCr以及各种合金涂层可提高零部件的耐磨度3~5倍;喷涂Al2O3、MgOAl2O3、Al2O3TiO2、ZrO2SiO2、3Al2O32SiO2、ZrO2以及钨等粉末材料可以直接喷涂制作各种形状的零件;纺织机械的罗拉、导丝圈、导丝棒、导丝钩、卷绕槽筒、喇叭口上喷涂Al2O3、TiO2涂层可提高罗拉的使用寿命5倍以上;人工骨髋关节、人工股骨头、人工牙等喷涂三氧化二铝涂层的Co-Cr合金及Ti合金,可以达到和人骨一样的效果。
4·2 专用汽车生产应用分析
随着国家拉动内需,加大基础设施的建设,北京奥运工程、上海世博会工程、西气东输、南水北调、西部开发等国家大型工程建设需要大量的专用汽车,近几年需求更是以50%的速度递增。而大部分专用汽车都存在关键部位磨损快,使用寿命不长,目前一般采用整体增加材料强度设计或局部磨损后堆焊修理或作为易损件更换,维修耗时、费用高,这增加了生产企业和使用者的成本。对专用汽车耐磨性要求较高的部位进行热喷涂强化的技术处理既可以提高机械设备的使用寿命又可降低企业的成本,具有极高的推广价值。
虽然各种热喷涂方式都能达到喷涂涂层的目的,但由于火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂各自喷涂机理不同,所适宜的喷涂材料和得到的涂层性能也有区别。表1为超音速火焰喷涂、高速电弧喷涂、等离子喷涂三种方式的比较。应用中可根据不同专用汽车的工作状况和磨损情况选择不同的热喷涂工艺。
大部分专用汽车在使用中存在机械磨损的问题,对此,一般是在磨损后采取耐磨堆焊耐磨焊条的方式,或者作为易损件更换。采用耐磨焊条堆焊一般存在下列问题:焊前预热焊后保温处理,用户不具备这方面的专业知识,操作不当往往达不到理想的效果;堆焊表面粗糙,在有些设备上易造成积料;给用户造成维修时间上的经济损失;对销售方造成质量信誉的损失。如果在设备制造过程中就对磨损较快的部位喷涂耐磨层,能大大的提高设备的使用寿命,从而能延长设备的维修期,对生产商是一举两得的事,提高企业的竞争力。另外新颁布的GB1589-2004《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》中严格规定了车辆的装载总质量,降低车辆自重,可提高车辆的载货量,采用热喷涂可减少材料的厚度设计,达到高耐磨性的要求。下面介绍几种专用汽车生产中进行喷涂层作业的分析。
4·2·1 混凝土泵车
混凝土泵车的出料管、搅拌料斗、搅拌叶片、S摆阀工作时,流动的混凝土对这些的部件连续的进行冲蚀、磨损。出料管的寿命一般为8 000~10 000m3;搅拌料斗采用16Mn整体加厚,底部寿命也只有60 000 m3左右,S摆阀整体材料加强寿命为60 000m3,搅拌叶片寿命在20 000 m3。这些部件如果进行喷涂处理耐磨寿命则可大大提高:出料管采用高速电弧喷涂1Cr18Ni9Ti、2Cr13、或3Cr13使用寿命可达30 000~40 000 m3;搅拌料斗采用高速电弧喷涂3Cr13、7Cr13(粉芯)使用寿命可达100 000 m3以上;S摆阀采用超音速火焰喷涂或等离子喷涂WC-CO使用寿命可达150 000 m3;搅拌叶片采用高速电弧喷涂3Cr13使用寿命可达50 000 m3以上。
4·2·2 混凝土搅拌车
搅拌筒内的螺旋叶片、进料斗、滑料槽等经常受到混凝土的冲蚀和磨损。螺旋叶片采用5 mm的16MnCu材料制作,有效使用寿命一般在2~3年左右,采用高速电弧喷涂1Cr18Ni9Ti、2Cr13使用寿命可使4mm的16Mn材料制作的螺旋叶片寿命达到5年以上;现在的进料斗和滑料槽主体采用3mm的16Mn制作,内加4mm的16Mn耐磨层,以便于更换,这种结构使用寿命在一年左右,采用高速电弧对3 mm的16Mn制作料斗料槽进行喷涂1Cr18Ni9Ti、2Cr13或者3Cr13工艺处理,寿命可达3年以上。
4·2·3 其他几种专用汽车
大型工程自卸汽车、压缩式垃圾车、散装水泥车等都存在局部磨损和腐蚀快的问题。工程自卸汽车在装运矿石、建筑石料、黄沙等材料卸料时对车箱的内壁特别是底板造成凿削式、冲击式磨损,采用10mm厚16Mn制做的底板使用寿命在1~2年,采用高速电弧工艺对8 mm厚的底板表面喷涂1Cr18Ni9Ti、Cr13,其使用寿命可达3年以上;压缩式垃圾车的车箱内壁和刮板存在腐蚀和磨损问题,采用高速电弧喷涂工艺对车箱内壁喷涂AL、锌铝合金比做油漆的耐腐蚀度大大提高,对刮板采用同样的工艺喷涂1Cr18Ni9Ti可使其寿命提高2倍;对散装水泥车的出灰口快速接头采用高速电弧喷涂1Cr18Ni9Ti、2Cr13能大大延长其更换周期。
5 结论
热喷涂技术在国内很多领域已得到成功的应用,而国产热喷涂设备和喷涂材料为热喷涂技术的推广提供了相对较低的成本。一些专用汽车的设备也存在的抗耐磨的问题,采用热喷涂技术可降低自重,大量的实例也验证了其使用效果。因此,大力推广热喷涂技术在专用汽车上的应用有非常广阔的前景和价值。
参考文献略
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