表面工程課程設計.doc

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目錄 循環(huán)流化床鍋爐受熱面管耐高溫磨蝕涂層設計 3 第一章 零件的選擇 3 1.1零件的名稱 3 1.2零件尺寸 3 第二章 零件的服役條件、性能及技術要求 5 2.1流化床鍋爐簡介 5 2.2零件服役條件 5 2.3性能要求 5 2.3.1零件性能要求 5 2.3.2涂層性能要求 6 2.4技術要求 6 第三章 表面處理技術的選擇 6 3.1電弧噴涂 7 3.1.1電弧噴涂的優(yōu)點 7 3.1.2電弧噴涂的缺點 7 3.2 電鍍鋅 7 3.2.1電鍍鋅優(yōu)點 8 3.2.2電鍍鋅缺點 8 3.3手工涂裝 8 3.3.1手工涂裝的優(yōu)點 9 3.3.2手工涂裝的缺點 9 3.4三種處理技術的對比與選擇 9 第四章 零件表面處理的工藝路線 10 4.1用材選擇 10 4.1.1零件基材選擇 10 4.1.2電弧噴涂設備 10 4.1.3噴涂材料選擇 12 4.2電弧噴涂工藝流程 13 4.2.1基材預處理 13 4.2.2噴涂過程 14 4.2.3零件的工裝圖 16 第五章 涂層的表征 17 5.1涂層的組織形貌、成分及物相 17 5.1.1涂層的組織形貌 17 5.1.2涂層的成分 17 5.1.3涂層的物相 18 5.2涂層的性能表征 18 5.2.1涂層硬度的檢測 18 5.2.2涂層的耐磨性檢測 19 5.2.3涂層抗氧化性能測試 20 5.2.4涂層的耐蝕性測試 20 5.2.5涂層的結(jié)合強度 21 5.2.6涂層厚度檢測 22 附：江蘇大學表面處理工藝卡 循環(huán)流化床鍋爐受熱面管耐高溫磨蝕涂層設計 第一章 零件的選擇 1.1零件的名稱 循環(huán)流化床鍋爐受熱面管 圖1 零件實物圖 1.2零件尺寸 管外徑D=40mm； 厚度d1=4mm; 長度L=1.2m; 管最小間距d2=30mm。 零件尺寸圖見圖2   第二章 零件的服役條件、性能及技術要求 2.1流化床鍋爐簡介 固體粒子經(jīng)與氣體或液體接觸而轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃屏黧w狀態(tài)的過程，稱為流化過程。流化過程用于燃料燃燒，即為流化燃燒，其鍋爐稱為流化床鍋爐。 對比與舊式鍋爐，其具有以下優(yōu)點： (l)燃料適應性廣：循環(huán)流化床鍋爐既可燃用優(yōu)質(zhì)煤，也可燃用各種劣質(zhì)燃料，如高灰煤、高硫煤，以及油頁巖、垃圾等。 (2)燃燒效率高：在燃燒優(yōu)質(zhì)煤時，燃燒效率與煤粉鍋爐持平；燃燒劣質(zhì)煤時，燃燒效率約比煤粉鍋爐高5%。 (3)高效脫硫：煤粉爐典型的脫硫效率一般為50%；而循環(huán)流化床鍋爐的脫硫效率通?？蛇_90%。 (4)污染物排放低：煤粉爐氮的氧化物排放量為循環(huán)流化床鍋爐2~12倍。 (5)燃燒強度高：約為煤粉爐燃燒強度的10倍。 (6)燃料預處理系統(tǒng)簡單：煤粉爐所用的煤粉粒度以20~50μm居多，而循環(huán)流化床鍋爐的給煤粒度一般小于8mm，因此，燃料的制備破碎系統(tǒng)大為簡化。 2.2零件服役條件 循環(huán)流化床鍋爐的受熱面管的工況條件惡劣,普通大氣環(huán)境下以及固體物料沖蝕、煙氣腐蝕的惡劣環(huán)境中高溫作業(yè)，其燃燒的煤多為低熱值劣質(zhì)煤(煤矸石、泥煤等)、固體物料(包括燃料、脫硫劑石灰石、床料等)。 2.3性能要求 2.3.1零件性能要求 （1）要求零件在靜態(tài)650℃空氣氣氛中具有抗高溫氧化和耐熱腐蝕性能。 （2）要求零件整體耐磨性提高，使零件在固體物料沖蝕、煙氣腐蝕的惡劣環(huán)境中得到壽命提高。 （3）要求零件有較高的耐火性，較少的受煙灰影響，從而燃料適應性以及燃燒效率。 2.3.2涂層性能要求 為提高受熱面管的綜合性能，滿足其工況要求和使用要求，高溫耐磨蝕涂層材料必須具備以下性能： （1）良好的導熱性能，以避免降低鍋爐的熱效率； （2）熱膨脹系數(shù)要與基材的相近，以避免涂層脫落； （3）耐高溫腐蝕，即對高溫氧化、硫化、氯化和堿金屬鹽類的熱腐蝕具有較高的腐蝕抗力； （4）耐高溫磨損，即涂層在高溫環(huán)境下仍要保持高的耐磨性能； （5）涂層有低的孔隙率、高的致密度； （6）工藝操作性好，噴涂設備簡單，技術操作簡便，便于在鍋爐現(xiàn)場進行大面積噴涂； （7）成本低、經(jīng)濟性好，以滿足大范圍、大面積噴涂及在國內(nèi)推廣使用的要求。 2.4技術要求 循環(huán)流化鍋爐受熱面管涂層整體設計要求為高溫條件下耐磨損耐腐蝕。根據(jù)國家標準《DL/T 1600-2016循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)技術條件》以及《DL/T 964-2005循環(huán)流化床鍋爐性能試驗規(guī)程》，涂層厚度應在2mm以上，其涂層結(jié)合強度≥40Mpa，其涂層顯微硬度≥1200HV。 第三章 表面處理技術的選擇 本設計從熱噴涂技術著手，熱噴涂技術在國家標準 GB/T18719-2002《熱噴涂 術語、分類》中定義:熱噴涂技術是利用熱源將噴涂材料加熱至溶化或半溶化狀態(tài)，并以一定的速度噴射沉積到經(jīng)過預處理的基體表面形成涂層的方法。熱噴涂技術在普通材料的表面上，制造一個特殊的工作表面，使其達到:防腐、耐磨、減摩、抗高溫、抗氧化、隔熱、絕緣、導電、防微波輻射等一系多種功能，使其達到節(jié)約材料，節(jié)約能源的目的，我們把特殊的工作表面叫涂層，把制造涂層的工作方法叫熱噴涂。一般認為,熱噴涂過程經(jīng)歷4個階段,即噴涂材料加熱熔化階段、熔滴霧化階段、霧化顆粒飛行階段和噴涂層形成階段。熱噴涂技術是表面過程技術的重要組成部分之一，約占表面工程技術的三分之一。本次課程設計采用的是熱噴涂中電弧噴涂Fe/B——Fe粉芯線材作為表面處理方法，然后以電鍍鋅以及手工涂裝刷涂易斯柏生產(chǎn)的GK23耐熱高聚合抗氧化防腐蝕漆處理作為對比，進一步說明采用熱噴涂的優(yōu)勢。 3.1電弧噴涂 電弧噴涂是高效率、高質(zhì)量、低成本的一項工藝，是目前熱噴涂技術中最受重視的技術之一。 電弧噴涂是將兩根被噴涂的金屬絲作為自耗性電極，分別接通電源的正負端,在噴槍噴嘴處，利用兩金屬絲短接瞬間產(chǎn)生的電弧為熱源熔化自身，借助壓縮空氣霧化熔滴并使之加速，噴射到基體材料表面形成涂層。利用電弧噴涂在鋼鐵構件上噴涂鋅、鋁涂層，可對鋼構件進行長效防腐防護。電弧噴涂作為一種優(yōu)質(zhì)的修復技術，在機械零件上噴涂碳鋼、鉻鋼、青銅、巴氏合金等材料，用于修復已磨損或尺寸超差的部位，已在機械維修和機械制造業(yè)得以應用。 3.1.1電弧噴涂的優(yōu)點 電弧噴涂Fe/B——Fe粉芯線材具有如下優(yōu)點： （1）效率高、對工件的熱影響小。電弧噴涂將電能直接轉(zhuǎn)化為熱能熔化金屬，熱能利用率可高達60%~70%。電弧噴涂時不形成火焰，因而在噴涂過程中工件始終處于低溫（不超過200℃），避免了工件熱變形； （2）可獲得優(yōu)異的涂層性能。電弧噴涂得到的涂層可以得到較高的結(jié)合強度，大于40Mpa。使用2根成分不同的金屬絲還可以制備出表面合金化涂層，可以獲得具有獨特綜合性能的涂層，該涂層可獲得在650oC以上高溫條件下耐磨損耐腐蝕的優(yōu)異性能。 （3）經(jīng)濟性好。電弧噴涂能源利用率高,而且電能的價格遠遠低于燃氣價格，施工成本低。 3.1.2電弧噴涂的缺點 需要特定的金屬絲，因此想要獲得性能優(yōu)異的涂層，對金屬絲要求較高。 3.2 電鍍鋅 電鍍鋅又稱冷鍍鋅，就是利用電解，在制件表面形成均勻、致密、結(jié)合良好的金屬或合金沉積層的過程。 與其他金屬相比，鋅是相對便宜而又易鍍覆的一種金屬，屬低值防蝕電鍍層，被廣泛用于保護鋼鐵件，特別是防止大氣腐蝕，并用于裝飾。 其工藝流程為：化學除油→熱水洗→冷水洗→電解除油→熱水洗→冷水洗→強腐蝕→水洗→電鍍鋅鐵合金→水洗→出光→鈍化→水洗→干燥。 其溶液配方如下表（表1） 表1 酸性氯化物鍍鋅配方 組分及條件 Zn NH4Cl 載體光亮劑 主光亮劑 PH值 電流密度（A/dm3） 溫度/oC 含量 25 150 4% 0.25% 4.5 2.5 20 3.2.1電鍍鋅優(yōu)點 （1）抗腐蝕性好，結(jié)合細致均勻，不易被腐蝕性氣體或液體進入內(nèi)部。 （2）由于鋅層比較純，無論在酸或堿性環(huán)境下都不易被腐蝕。長時間有效的保護鋼體。 （3）經(jīng)過鉻酸鈍化后形成各種顏色使用，可根據(jù)客戶喜愛挑選，鍍鋅美觀大方，具有裝飾性。 （4）鋅鍍層具有良好的延展性，在進行各種折彎，搬運撞擊等都不會輕易掉落。 3.2.2電鍍鋅缺點 （1）必須采用陰極移動。移動太快，高電流密度區(qū)鍍層粗糙；太慢，可能產(chǎn)生氣流，局部無鍍層。 （2）受溫度的影響較大。溫度太高，分散能力下降，鍍層中鐵含量高，耐蝕性降低，鈍化膜顏色不均勻，發(fā)花；溫度太低，高電流密度區(qū)燒焦，鍍層脆性大，沉積速度慢。 3.3手工涂裝 刷涂是一種使用最早和最簡單的涂裝方法，適用涂料的品種多。其操作是手工用毛刷蘸上或由供給泵供給涂料，按照一定操作方法，將涂料刷涂在工件表面上，經(jīng)干燥形成涂層。 3.3.1手工涂裝的優(yōu)點 （1）工具簡單，施工簡便，易于掌握，靈活性強，適用性強，節(jié)省涂料;對于邊角、溝槽、及其設備底座等特殊位置和狹窄區(qū)域，其他施工方式難以涂裝的部位，常采用手工刷涂方法施工。 （2）涂料干燥后形成的涂層適用在長期600oC高溫腐蝕環(huán)境條件下對鋼鐵等金屬基體的防護；經(jīng)涂覆2~3次后，涂層厚度可達200μm~300μm，具有了高效抗氧化性能。 3.3.2手工涂裝的缺點 （1）手工操作，生產(chǎn)效率低，勞動強度大，難控制涂層平均厚度。 （2）對于干性較快的和流平性較差的涂料，刷涂容易留下刷痕，形成涂層不均勻的現(xiàn)象，影響涂膜的平整度和裝飾效果。 3.4三種處理技術的對比與選擇 （1）從溫度范圍來講，電鍍鋅涂層分解溫度在400oC左右，而電弧噴涂Fe/B——Fe粉芯線材和手工涂裝的涂層其分解溫度都在600oC以上甚至更高。 （2）從實際操作來講，電鍍鋅以及手工涂裝兩者操作不簡便，電鍍鋅操作時受溫度條件制約，手工涂裝勞動強度太大，而電弧噴涂設備靈活，易于操作，不受溫度等條件制約。 （3）從涂層性能、噴涂設備價格、噴涂材料成本和工藝的現(xiàn)場操作性等各方面綜合考慮，電弧噴涂成本低，涂層具有優(yōu)異的耐高溫腐蝕磨損性能，能夠有效地延長循環(huán)流化床鍋爐受熱面的使用壽命。 綜上所述，本表面工程課程設計選用電弧噴涂Fe/B——Fe粉芯線材做為表面處理技術處理所選擇的零件，其所需要的工藝參數(shù)見表2。 表2 電弧噴涂工藝參數(shù) 空載電壓 工作電壓 工作電流 空氣壓力 噴涂距離 噴槍移動速度 涂層厚度 36V 35V 270A 0.6MPa 80mm 6cm/s 3mm 第四章 零件表面處理的工藝路線 4.1用材選擇 4.1.1零件基材選擇 根據(jù)需要，基材選擇Q235B無縫鋼管。其化學成分根據(jù)國標GB700-88，如表3。 表3 Q235B無縫鋼管化學成分 元素成分 含量 C Si Mn S P Cr Ni Cu ≤0.12%~0.20% ≤0.3% ≤0.3%~0.7% ≤0.045% ≤0.045% 允許殘余含量≤0.30% 允許殘余含量≤0.30% 允許殘余含量≤0.30 % Q235B鋼管是以帶鋼卷板為原材料,經(jīng)常溫擠壓成型,以自動雙絲雙面埋弧焊工藝焊接而成的鋼管。Q235B鋼屬于普通碳素結(jié)構鋼，與優(yōu)質(zhì)碳素鋼的主要區(qū)別在于對碳含量及性能范圍要求，以及對硫、磷等殘余元素的限制較寬，一般在熱軋狀態(tài)下使用。Q235B鋼含碳適中，綜合性能較好，強度、塑性和焊接等性能得到較好配合，用途最廣泛。常用Q235B鋼軋制成盤條或圓鋼、方鋼、扁鋼、角鋼、工字鋼、槽鋼、窗框鋼等型鋼，中厚鋼板，大量用于建筑及工程結(jié)構。Q235B用于制作鋼筋或建造廠房房架、高壓輸電鐵塔、橋梁、車輛、鍋爐及其零件管、容器、船舶等，在一般機械制造中用作拉桿、吊鉤、螺栓、連桿、心軸、銷子及零件和焊接件。 4.1.2電弧噴涂設備 電弧噴涂設備：CMD-AS1620型電弧噴涂設備（見圖3）。其工藝參數(shù)如表4所示 表4 CMD-AS1620型電弧噴涂設備工藝參數(shù) 名稱 參數(shù) 功 率 輸入電壓 12 KVA AC380 V（三相） 輸出電壓 DC27-38 V 輸出電流 0-300 A 送絲速度 4-8 m/min 空氣壓力 0.5-0.7 MPa 空氣流量 1.6-2.0 m3/min 絲材直徑 Φ1.6-2.0 mm 噴涂生產(chǎn)率 25Kg/h（鋅） 主機柜尺寸 780560500（mm） 送絲機尺寸 445290250（mm） 主機柜重量 190Kg 送絲機重量 30Kg 噴槍重量 1Kg CMD-AS1620型電弧噴涂機可噴涂Φ1.6-2.0（mm）的絲材，可以噴鋅、噴鋁、噴不銹鋼、噴硬鉻、噴鉬、噴銅、噴鎳，噴鎳鉻合金等。即適合于做大面積防腐工程、也適合機械零部件恢復尺寸和修復、快速噴制各種模具、耐磨涂層、及制作裝飾涂層等。 圖3 CMD-AS1620型電弧噴涂機 其具有以下優(yōu)點： （1）不提高工件溫度、不使用貴重底層材料的情況下，可以達到很高的結(jié)合強度，一般可以達到20Mpa以上。其結(jié)合強度是火焰噴涂層的2.5~5倍。 （2）生產(chǎn)率高。以噴鋅為例，當電流為200A時，每小時可達25Kg，比線材火焰噴涂提高4~6倍。 （3）設備能源利用率非常高，一般可達57%，節(jié)能效果十分突出。一般線材火焰噴涂的能源利用率只有13%，而且該設備不使用氧、乙炔氣，能源費用可降低50%以上。 （4）該設備投資少，收益快，噴涂成本低。設備投資僅為等離子噴涂設備的四分之一，總噴涂成本僅為線材火焰噴涂的十分之一。 （5）由于CMD-AS1620型電弧噴涂設備僅使用電，不用易燃、易爆氣體，使安全性大大提高。 CMD-AS1620型電弧噴涂設備的應用范圍非常廣泛，由于噴涂效率相對較高，不僅可以用于大面積防腐工程，還可以用于機械零件的修復和預保護、快速噴制模具及制作裝飾涂層等。 CMD-AS1620型電弧噴涂設備使用Φ2mm的絲材，全套設備包括電源、送絲機構、送絲管、噴槍等，其輔助設備應配備3m3/分鐘空氣流量的空氣壓縮機，壓力應達到0.5~0.7Mpa；用于工件表面前處理的噴砂機，主要目的是為了去除工件表面上的銹蝕、油污、水氣、氧化層等，同時將工件表面粗化，粗糙度等級應達到2.5~3.0級；南方或海邊潮濕環(huán)境下還應該為空壓機配備空氣過濾器，去除壓縮空氣中的水分和雜質(zhì)。 CMD-AS1620型電弧噴涂設備還可以配備CMD-EG1620型電弧噴涂內(nèi)孔噴槍，用于噴涂管道內(nèi)壁，經(jīng)過延長送絲管的長度，可噴涂3m、6m、10m、12m及15m長的管道。 4.1.3噴涂材料選擇 使用Fe/B——Fe粉芯線材: 外皮選用低碳鋼冷軋鋼帶，尺寸為0.4mmx10mm，藥芯采用硼鐵粉，硼鐵粉及鋼帶的成分分別見表5和表6。粉芯線材經(jīng)軋制、拉拔后直徑為Φ2mm。 選用該粉芯線材的原因有： （1） 鐵帶：鐵基合金材料具有良好的高溫性能，如填加一些典型的耐熱合金元素：Cr、Al、Ti等，可以在高溫時（650oC）選擇性氧化，生成保護性穩(wěn)定新相如CrZO3、Al2O3、TiO2等，這些高熔點（2000oC以上）、穩(wěn)定的氧化膜對金屬基體能起到很好的保護作用。而且成本低是鐵基粉芯線材的突出優(yōu)點。 （2） 硼鐵粉是硼和鐵的合金粉，常用于冶金機械工業(yè)中作為硼元素添加劑。硼鐵作為合金元素添加到鋼中，能顯著提高鋼的淬透性并改善鋼的機械性能。硼是一種既能與金屬化合又能與非金屬化合的元素，它可有效地取代其他一些價格昂貴的提高淬透性的合金元素，如Mn、Ni、Mo。等。硼能與鐵形成極穩(wěn)定的中間化合物Fe2B和FeB，這種硼化物在高溫也極為穩(wěn)定，還能與碳形成穩(wěn)定的B4C等化合物與鋼中的合金元素形成合金硼化物。合金硼化物與鐵的硼化物一樣，都具有很好的耐磨性及良好的耐蝕性和抗高溫氧化性。這些相對低碳鋼基體可以起到彌散強化作用，因此，在鋼中加入硼能代替鉻、鋁、鎳等合金元素，大大提高材料耐高溫磨蝕性能。硼鐵粉的一個突出優(yōu)點是價格很低，一般為20~30元/公斤，所以，本文選用硼鐵粉作為粉芯線材的藥芯，以制備出具有較高性價比的涂層。 表5 硼鐵粉化學成分表 元素 B C Si Al S P Fe 含量/% 16 1.0 4.0 0.5 0.01 0.2 余 表6 鋼帶化學成分表 元素 C Mn S P Fe 含量/% 0.05~0.11 0.25~0.50 <0.04 <0.04 余 4.2電弧噴涂工藝流程 電弧噴涂Fe/B——Fe粉芯線材基本工藝流程如下： 基材除銹→基材除油→水洗→烘干→基材表面粗化處理→空氣吹灰→噴涂粉末的烘干→工件預熱→噴涂→涂層封閉 4.2.1基材預處理 基材預處理包括：基材除銹、基材除油、水洗、烘干。 除銹：基材表面采用河北邢臺任縣康豐機械廠生產(chǎn)的鋼管除銹機（如圖4）進行除銹。 圖4 鋼管除銹機 鋼管除銹機是一種組合清理鋼管內(nèi)外壁的除銹機，通過拋丸來清理鋼管的外表面，通過拋噴丸清理內(nèi)表面，使表面的氧化皮均祛除掉。該機主要利用高效強力拋丸器拋出的高速丸流，拋打位于室體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)工件表面與內(nèi)腔上，去掉其它的粘砂、銹層、焊渣、氧化皮及其雜物，使之獲得精細的光潔表面。 除油：采用東莞市盛億化工有限公司中性除油劑進行除油，室溫下時間為10min。 中性除油劑具有以下優(yōu)點：中性環(huán)保配方，不傷手、不腐蝕工件，安全、環(huán)保除油速度快，效率高綜合成本低，零能耗、循環(huán)使用、廢水直接排放試用范圍廣，適用于任何金屬材質(zhì)、塑料材質(zhì)、玻璃材質(zhì)。 水洗：用室溫條件下的水將工件清洗30s。 烘干：鼓入40oC左右的熱風大約10min，使工件表面保持干燥，以便進行后續(xù)的處理。 4.2.2噴涂過程 電弧噴涂的施工過程主要有３道工序：噴砂、噴涂以及涂層封閉。 噴砂：即基材表面粗化處理，采用射吸式噴砂設備（圖5）對基材表面進行粗化處理，其目的是為了增強涂層與基體的結(jié)合力（可采用北京噴砂機專業(yè)設備有限公司生產(chǎn)的射吸式噴砂設備，型號為YZB-9080X）。噴砂時一般先選用18號石英砂粗噴，最后用15號軸承鋼砂進行表面粗糙化處理，使其表面粗糙度達到70μｍ，噴砂后管壁表面應干燥，無灰塵油污、無氧化物或其他雜物，保持清潔，因此需要進行后續(xù)的空氣吹灰和干燥過程。 圖5 射吸式噴砂設備 空氣吹灰：噴砂后用壓縮空氣將表面灰塵吹凈,避免涂層與基體之間有雜質(zhì)夾雜而影響結(jié)合力。本設計采用的國家標準GB/T13277-91《一般用壓縮空氣質(zhì)量等級》中的第三等級，具體如下表7。 表7一般用壓縮空氣質(zhì)量等級 質(zhì)量等級 固體顆粒最大直徑（μｍ） 水壓力露點oC 0.7MPa/g 油（包括蒸汽）mg/m3 1 0.1 -70 0.0.1 2 1 -40 0.1 3 5 -20 1.0 4 15 +3 5 5 40 +7 25 6 —— +10 —— 噴涂粉末的烘干：噴涂粉末在噴涂之前要烘干，以避免在噴涂過程中濕氣受熱膨脹在涂層中形成氣孔，使涂層質(zhì)量大大降低。利用鄭州匯生機械設備有限公司生產(chǎn)的金屬粉末烘干機300oC下進行烘干，大約5min左右。 工件預熱：為消除工件表面的水分和濕氣，減少因熱膨脹所造成的涂層應力，應對工件進行預熱，預熱溫度控制在130℃。 噴涂：為避免工件表面受到污染，要在盡量短的時間內(nèi)進行噴涂，一般不超過2小時。CMD-AS1620型電弧噴涂設備作業(yè)時采用井字型噴涂方式，確保噴涂層的厚度均勻及接合力足夠大。噴涂表面應是干凈均勻的，不允許有起皮、鼓包、顆粒粗大、裂紋、掉塊、漏噴及其他影響涂層使用的缺陷。 噴涂所用原理為利用兩根連續(xù)送進的金屬作為自耗電極，在其端部產(chǎn)生電弧作為熱源，利用壓縮空氣將熔化了的絲材霧化，并以高的速度噴向工件表面形成涂層的一種熱噴涂方法。噴涂時，兩根絲狀金屬噴涂材料通過送絲裝置均勻連續(xù)的分別送進電弧噴涂槍中的導電嘴內(nèi)，導電嘴分別接電源的正負極并保證兩根絲材在未接觸前的可靠絕緣。當兩根金屬絲材端部由于送進而相互接觸時，發(fā)生短路而產(chǎn)生電弧，使絲材端部瞬間熔化，壓縮空氣將熔融金屬熔化成微熔滴，以很高的速度噴射到工件表面，形成電弧噴涂層。（大致示意圖如圖6） 圖6 電弧噴涂原理示意圖 涂層封閉：對于熱噴涂涂層來說，封孔是一項必要的后處理過程。當涂層面臨腐蝕及氧化環(huán)境時，封孔是涂層設計必需要考慮的一項內(nèi)容。為研究噴涂后封孔處理對涂層性能的影響，采用湖北新四?；す煞萦邢薰旧a(chǎn)的LG-3型硅樹脂封孔劑對Fe/B——Fe涂層進行封閉處理。 LG-3型硅樹脂為雙組份的耐高溫硅樹脂，適用于抵抗在600oC以上高溫環(huán)境下的稀酸、堿、油類、液流、水和鹽水等介質(zhì)的腐蝕，固體含量為25%。封孔劑用量為8m2/L。其長期工作溫度為580C以上。施工方法噴涂法或浸泡法，在室溫下空氣干燥約1小時，但充分固化需3天，在145C烘2小時可加速固化。 4.2.3零件的工裝圖 零件的工裝示意圖圖見圖7 圖7 零件的工裝示意圖 第五章 涂層的表征 5.1涂層的組織形貌、成分及物相 5.1.1涂層的組織形貌 涂層在電子探針下，涂層組織呈現(xiàn)典型的層狀組織結(jié)構，涂層較致密，顆粒變形充分，尺寸細小均勻，涂層內(nèi)部有少量氧化物夾雜和孔隙，涂層之間、涂層與打底層以及打底層與鋼基體之間都結(jié)合良好。整個涂層與基材的界面呈鋸齒狀，結(jié)合形式屬于機械咬合，鋸齒狀是噴砂粗化的結(jié)果。而涂層的背散射電子像，可以看到涂層組織主要由層狀白色相、灰色細條紋相和黑色條狀、塊狀相組成，其中黑色塊狀相數(shù)量較少，基本上都呈不規(guī)則的棱角形。 5.1.2涂層的成分 對涂層內(nèi)部兩個不同部位的電子探針面掃描結(jié)果可知，F(xiàn)eB——Fe涂層中彌散分布的黑色不規(guī)則小塊主要含B元素和Si元素，幾乎不含F(xiàn)e元素，而基體部分均勻分布著Fe、C元素，據(jù)此可以推測，涂層基體應該是鐵基固溶體。B、Si、C三種元素的彌散分布說明噴涂中鋼帶與硼鐵粉能夠均勻混合，形成致密度較高的涂層。 5.1.3涂層的物相 涂層的X射線衍射結(jié)果表明，涂層中含有α-Fe和Fe3B兩相。衍射圖譜中。其他相的峰值太低，無法查出相對的PDF卡。 對涂層進行選區(qū)電子衍射，電子衍射法測得的d值與ASTM卡中的d值非常接近。為使衍射斑點指數(shù)標定結(jié)果可靠，用正交晶系晶面法線間夾角公式進行了檢驗。結(jié)果表明，計算值與量角器測量值吻合。從而可以確定白色相為體心立方點陣的a-Fe，其點陣常數(shù)a=b=c=2.866A=0.2866nm。 透射電鏡的衍射結(jié)果可知，F(xiàn)e/B——Fe涂層中主要含有α-Fe相和Fe3(Si,B)、Fe5SiB2、Fe2B、Fe23(C,B)6、FeB等硼化物陶瓷相。其中α-Fe相是大片白色組織，為涂層的基體；其他幾個硼化物相分別為鏡像下彌散分布的黑色或灰色的組織，是涂層中的硬質(zhì)強化相。 涂層的急冷還導致某些碳硼化物的相變以孿生的方式進行，因而發(fā)現(xiàn)了Fe23(C,B)6晶粒內(nèi)部有孿晶亞結(jié)構。Fe3(Si,B)、Fe5SiB2、Fe2B、Fe23(C,B)6、FeB等硬質(zhì)相對涂層耐磨、耐蝕性能會產(chǎn)生很大影響。這是因為金屬硼化物不但在硬度方面而且在化學穩(wěn)定性(其中包括耐高溫氧化)方面，都具有優(yōu)異的性能，甚至比相應的金屬碳化物相更高。含硼量為8.84%的Fe2B和含硼量為1.625%的FeB都是高溫也極為穩(wěn)定的化合物，二者都具有很高的硬度，其中Fe2B屬正方晶系,硬度為1290~1680HV，熔點為1389℃；FeB屬斜方晶系，硬度為1890~2340HV，熔點為1540℃。其他硼化物也與鐵硼相一樣，具有很高的硬度，高的紅硬性和良好的耐蝕性能，它們在800℃以下能保持高的硬度，在600℃以下具有良好的抗氧化性。因此，這些硬質(zhì)顆粒的存在會大大提高該涂層在高溫下的耐磨和耐蝕性能。 5.2涂層的性能表征 5.2.1涂層硬度的檢測 根據(jù)國家標準GB/T13289金屬顯微組織檢測方法規(guī)定以及國家標準GB/T9790-1988《金屬覆蓋層及其他有關覆蓋層維氏和努氏顯微硬度試驗》明確規(guī)定了金屬涂層表面硬度的檢測方法，采用HVS-1000(中國上海)型數(shù)字式顯微硬度計測量涂層的維氏硬度。所用載荷均為100gf，載荷保持時間為15s，由于涂層本身組織不均勻，易產(chǎn)生偏析，在測試中出現(xiàn)高硬度和低硬度值，因此至打5個壓痕點，然后取平均值。根據(jù)《DL/T 964-2005循環(huán)流化床鍋爐性能試驗規(guī)程》，涂層硬度應在1200HV以上。 涂層高硬度的解釋：Fe/B——Fe涂層雖然是以α-Fe為基體，但從顯微硬度檢測結(jié)果可知，該涂層的硬度很高。這是由于噴涂過程中熔粒冷卻速度非常快，涂層中的C原子來不及擴散析出，大部分保留在鐵素體點陣中，形成碳在α-Fe中的過飽和固溶體，使α-Fe的點陣發(fā)生正方畸變，從而對涂層產(chǎn)生了固溶強化作用。 涂層的急冷還導致某些碳硼化物的相變以孿生的方式進行，因而發(fā)現(xiàn)了Fe23(C,B)6晶粒內(nèi)部有孿晶亞結(jié)構。Fe3(Si,B)、Fe5SiB2、Fe2B、Fe23(C,B)6、FeB等硬質(zhì)相對涂層耐磨、耐蝕性能會產(chǎn)生很大影響。 這是因為金屬硼化物不但在硬度方面而且在化學穩(wěn)定性(其中包括耐高溫氧化)方面，都具有優(yōu)異的性能，甚至比相應的金屬碳化物相更高。含硼量為8.84%的Fe2B和含硼量為1.625%的FeB都是高溫也極為穩(wěn)定的化合物，二者都具有很高的硬度，其中Fe2B屬正方晶系,硬度為1290~1680HV，熔點為1389℃；FeB屬斜方晶系，硬度為1890~2340HV，熔點為1540℃。 其他硼化物也與鐵硼相一樣，具有很高的硬度，高的紅硬性和良好的耐蝕性能，它們在800℃以下能保持高的硬度，在600℃以下具有良好的抗氧化性。因此，這些硬質(zhì)顆粒的存在會大大提高該涂層在高溫下的耐磨和耐蝕性能。 5.2.2涂層的耐磨性檢測 本設計采用宣化試驗機廠生產(chǎn)的MLS-225型濕砂橡膠輪式磨損試驗機（其中試驗參數(shù)如下：橡膠輪轉(zhuǎn)速：240r/min；橡膠輪直徑：178mm、橡膠輪硬度：60(邵爾硬度)、砂漿比例：1000克水以及1500克砂、載荷：10Kg、磨損時間：50min、橡膠輪轉(zhuǎn)數(shù)：約12000轉(zhuǎn)、磨料：60目的石英砂）。這是一種濕砂半自由磨料磨損試驗機，它利用橡膠輪帶動與水混合的磨料對各種金屬或非金屬材料產(chǎn)生磨損，對工件進行耐磨性試驗。它可以根據(jù)實際情況改變對試樣施加的正壓力、橡膠輪的轉(zhuǎn)速以及時間等參數(shù)，故可以很好的模擬各種工況。由于在測試過程中橡膠輪能有效地將磨粒帶到輪緣和試樣中間，并使加在試樣上的單位壓力保持基本不變，而且橡膠輪的彈性使磨料不致被嚴重破碎，試驗參數(shù)不會發(fā)生較大的變化，能很好的模擬鍋爐內(nèi)低應力的磨料磨損狀態(tài)。 根據(jù)《循環(huán)流化床鍋爐受熱面防磨噴涂技術規(guī)范 DLT 1595-2016》，本實驗采用重量磨損量來評定涂層的耐磨性。具體操作如下： （1）按照上述的工藝流程，選取同種鋼管同種材料進行試樣制備。 （2）在正式磨損之前，先對涂層進行預磨，以產(chǎn)生一個預制磨痕，消除試樣表面質(zhì)量和受力不均帶來的測試誤差。 （3）預磨后，用丙酮或酒精清洗試樣，然后采用萬分之一分析天平測量試樣重量，結(jié)果作為試樣磨損前的初始重量。為盡量減少試驗誤差，在測量過程中注意避免試樣被污染。本測試采用的分析天平是上海國營長江科學儀器廠生產(chǎn)的TG328A全機械加碼分析天平，其最大載荷為200g，分度值為0.1mg。 （4）對試樣進行正式磨損，磨損時間為200min，正式磨損試驗在跑合的磨痕同一處進行，磨損后用同樣的方法清洗、稱重，作為磨損后的試樣重量。 （5）對每一試樣磨損前后的重量相減，計算出重量磨損量。 5.2.3涂層抗氧化性能測試 循環(huán)流化床鍋爐長期工作在高溫狀態(tài)下，高溫氧化成了其造成腐蝕的最基本的形式之一。因此，耐高溫氧化反應速率的測定是定量描述涂層材料腐蝕行為的基礎。對高溫氧化反應速率的測試方法最常用的是重量測量法。如果試驗中產(chǎn)生大量的腐蝕產(chǎn)物且涂層表面有剝落現(xiàn)象產(chǎn)生，則應使用矢量法，也就是要去除失去的腐蝕產(chǎn)物，然后稱量失去腐蝕產(chǎn)物后的重量。如果腐蝕產(chǎn)物致密且附著性好，且應采用增量法，也就是測量樣品腐蝕后所增加的重量。 5.2.4涂層的耐蝕性測試 實驗所用設備為采用硅碳棒作為發(fā)熱體的SX-4-10的箱式電阻爐。選用摩爾比為7:3的Na2SO4+K2SO4飽和水溶液作為腐蝕介質(zhì)，將其涂刷于試樣表面，鹽膜量控制在3.0mg/cm2。將試樣放在202-2型電熱干燥箱內(nèi)進行烘干，烘干溫度約200℃。本實驗根據(jù)DL/T964-2005《循環(huán)流化鍋爐性能試驗規(guī)程》，采用不連續(xù)增重法來測定反應試樣的腐蝕速度，所用天平為TG328A型全機械加碼分析天平。實驗中為避免腐蝕產(chǎn)物脫落和雜質(zhì)的摻入影響試驗結(jié)果，將試樣放在坩堝內(nèi)一起稱量。試樣烘干后的稱量結(jié)果作為原始重量。因循環(huán)流化床鍋爐受熱面管的壁溫在600℃左右，故本次高溫腐蝕試驗溫度設定為650℃，總腐蝕時間為100小時，每隔10小時取出試樣進行一次稱重，并觀察、記錄試樣涂層表面的腐蝕情況。經(jīng)封孔處理的Fe/B——Fe涂層具有很好的耐蝕性能，其平均腐蝕率為20g的1/5~1/6。DL/T964-2005《循環(huán)流化鍋爐性能試驗規(guī)程》 5.2.5涂層的結(jié)合強度 電弧噴涂涂層的結(jié)合強度是反映涂層性能的一個重要指標，其主要包括涂層與工件基體之間的結(jié)合強度和涂層內(nèi)部得內(nèi)聚結(jié)合強度。 （1）實驗設備 本實驗所使用的設備是css-silo電子萬能材料拉伸試驗機。 （2）試樣的制備 根據(jù)標準GB/T 8642-1988 熱噴涂層結(jié)合強度的測定。拉伸試樣的材質(zhì)是普通的Q235B鋼，經(jīng)車削加工而成。將試件端面均勻地噴上待測結(jié)合強度的涂層，厚度約為3mm，經(jīng)過100℃，1小時加熱固化以后，將試件夾在試驗機夾具上，以1m/min的速度進行拉伸，記下拉斷時所施加的載荷大小，同時觀察拉斷時，試件端面涂層的剝落情況。 （3）結(jié)果的計算 用下式計算結(jié)合強度：δb=F/A0， δb——涂層得結(jié)合強度，單位N/mm2； F——試樣破裂的最大載荷，單位N； A0——試驗的涂層面積，單位mm2。 （4）評定標準 基本破斷類型： a.涂層從基體上全部脫落，此為結(jié)合強度； b.涂層從基體上部分脫落，部分從膠層破斷，此時，結(jié)合強度與膠粘強度相接近； c.膠粘層破斷，此時，結(jié)合強度高于膠枯強度； d.涂層層間破斷，此時，結(jié)合強度高于涂層自身強度。 最終的測定結(jié)果應大于40MPa，涂層才會具有優(yōu)良的性能。 5.2.6涂層厚度檢測 涂層厚度是衡量涂層質(zhì)量的重要指標之一，影響著產(chǎn)品的可靠性和使用價值。厚度檢測可分為平均厚度檢測和局部厚度檢測兩類，局部厚度比平均厚度在實際應用中更能反映產(chǎn)品的質(zhì)量，故采用局部厚度檢測法。 金相顯微鏡法是最常用的局部厚度檢測法之一。（本設計所渡涂層厚度為3mm） 試驗操作：制作被測涂層的斷面試樣，將試樣置于顯微鏡載物臺上，觀察面朝下，通過計算機軟件可直接測量防護層的厚度。防護層厚度應不小于2mm。