表面工程课程设计Word文件下载.docx
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〔2〕要求零件整体耐磨性进步,使零件在固体物料冲蚀、烟气腐蚀的恶劣环境中得到寿命进步。
〔3〕要求零件有较高的耐火性,较少的受烟灰影响,从而燃料适应性以及燃烧效率。
涂层性能要求
为进步受热面管的综合性能,满足其工况要求和使用要求,高温耐磨蚀涂层材料必须具备以下性能:
〔1〕良好的导热性能,以防止降低锅炉的热效率;
〔2〕热膨胀系数要与基材的相近,以防止涂层脱落;
〔3〕耐高温腐蚀,即对高温氧化、硫化、氯化和碱金属盐类的热腐蚀具有较高的腐蚀抗力;
〔4〕耐高温磨损,即涂层在高温环境下仍要保持高的耐磨性能;
〔5〕涂层有低的孔隙率、高的致密度;
〔6〕工艺操作性好,喷涂设备简单,技术操作简便,便于在锅炉现场进展大面积喷涂;
〔7〕本钱低、经济性好,以满足大范围、大面积喷涂及在国内推广使用的要求。
技术要求
循环流化锅炉受热面管涂层整体设计要求为高温条件下耐磨损耐腐蚀。
根据国家标准?
DL/T1600-2021循环流化床锅炉燃烧系统技术条件?
以及?
DL/T964-2005循环流化床锅炉性能试验规程?
,涂层厚度应在2mm以上,其涂层结合强度≥40Mpa,其涂层显微硬度≥1200HV。
第三章外表处理技术的选择
本设计从热喷涂技术着手,热喷涂技术在国家标准GB/T18719-2002?
热喷涂术语、分类?
中定义:
热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态,并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体外表形成涂层的方法。
热喷涂技术在普通材料的外表上,制造一个特殊的工作外表,使其到达:
防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等一系多种功能,使其到达节约材料,节约能源的目的,我们把特殊的工作外表叫涂层,把制造涂层的工作方法叫热喷涂。
一般认为,热喷涂过程经历4个阶段,即喷涂材料加热熔化阶段、熔滴雾化阶段、雾化颗粒飞行阶段和喷涂层形成阶段。
热喷涂技术是外表过程技术的重要组成部分之一,约占外表工程技术的三分之一。
本次课程设计采用的是热喷涂中电弧喷涂Fe/B——Fe粉芯线材作为外表处理方法,然后以电镀锌以及手工涂装刷涂易斯柏消费的GK23耐热高聚合抗氧化防腐蚀漆处理作为比照,进一步说明采用热喷涂的优势。
电弧喷涂
电弧喷涂是高效率、高质量、低本钱的一项工艺,是目前热喷涂技术中最受重视的技术之一。
电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极,分别接通电源的正负端,在喷枪喷嘴处,利用两金属丝短接瞬间产生的电弧为热源熔化自身,借助压缩空气雾化熔滴并使之加速,喷射到基体材料外表形成涂层。
利用电弧喷涂在钢铁构件上喷涂锌、铝涂层,可对钢构件进展长效防腐防护。
电弧喷涂作为一种优质的修复技术,在机械零件上喷涂碳钢、铬钢、青铜、巴氏合金等材料,用于修复已磨损或尺寸超差的部位,已在机械维修和机械制造业得以应用。
.1电弧喷涂的优点
电弧喷涂Fe/B——Fe粉芯线材具有如下优点:
〔1〕效率高、对工件的热影响小。
电弧喷涂将电能直接转化为热能熔化金属,热能利用率可高达60%~70%。
电弧喷涂时不形成火焰,因此在喷涂过程中工件始终处于低温〔不超过200℃〕,防止了工件热变形;
〔2〕可获得优异的涂层性能。
电弧喷涂得到的涂层可以得到较高的结合强度,大于40Mpa。
使用2根成分不同的金属丝还可以制备出外表合金化涂层,可以获得具有独特综合性能的涂层,该涂层可获得在650oC以上高温条件下耐磨损耐腐蚀的优异性能。
〔3〕经济性好。
电弧喷涂能源利用率高,而且电能的价格远远低于燃气价格,施工本钱低。
.2电弧喷涂的缺点
需要特定的金属丝,因此想要获得性能优异的涂层,对金属丝要求较高。
3.2电镀锌
电镀锌又称冷镀锌,就是利用电解,在制件外表形成均匀、致密、结合良好的金属或合金沉积层的过程。
与其他金属相比,锌是相对廉价而又易镀覆的一种金属,属低值防蚀电镀层,被广泛用于保护钢铁件,特别是防止大气腐蚀,并用于装饰。
其工艺流程为:
化学除油→热水洗→冷水洗→电解除油→热水洗→冷水洗→强腐蚀→水洗→电镀锌铁合金→水洗→出光→钝化→水洗→枯燥。
其溶液配方如下表〔表1〕
表1酸性氯化物镀锌配方
组分及条件
Zn
NH4Cl
载体光亮剂
主光亮剂
PH值
电流密度〔A/dm3〕
温度/oC
含量
25
150
4%
0.25%
20
.1电镀锌优点
〔1〕抗腐蚀性好,结合细致均匀,不易被腐蚀性气体或液体进入内部。
〔2〕由于锌层比拟纯,无论在酸或碱性环境下都不易被腐蚀。
长时间有效的保护钢体。
〔3〕经过铬酸钝化后形成各种颜色使用,可根据客户喜欢挑选,镀锌美观大方,具有装饰性。
〔4〕锌镀层具有良好的延展性,在进展各种折弯,搬运撞击等都不会轻易掉落。
.2电镀锌缺点
〔1〕必须采用阴极挪动。
挪动太快,高电流密度区镀层粗糙;
太慢,可能产生气流,部分无镀层。
〔2〕受温度的影响较大。
温度太高,分散才能下降,镀层中铁含量高,耐蚀性降低,钝化膜颜色不均匀,发花;
温度太低,高电流密度区烧焦,镀层脆性大,沉积速度慢。
手工涂装
刷涂是一种使用最早和最简单的涂装方法,适用涂料的品种多。
其操作是手工用毛刷蘸上或由供应泵供应涂料,按照一定操作方法,将涂料刷涂在工件外表上,经枯燥形成涂层。
手工涂装的优点
〔1〕工具简单,施工简便,易于掌握,灵敏性强,适用性强,节省涂料;
对于边角、沟槽、及其设备底座等特殊位置和狭窄区域,其他施工方式难以涂装的部位,常采用手工刷涂方法施工。
〔2〕涂料枯燥后形成的涂层适用在长期600oC高温腐蚀环境条件下对钢铁等金属基体的防护;
经涂覆2~3次后,涂层厚度可达200μm~300μm,具有了高效抗氧化性能。
手工涂装的缺点
〔1〕手工操作,消费效率低,劳动强度大,难控制涂层平均厚度。
〔2〕对于干性较快的和流平性较差的涂料,刷涂容易留下刷痕,形成涂层不均匀的现象,影响涂膜的平整度和装饰效果。
三种处理技术的比照与选择
〔1〕从温度范围来讲,电镀锌涂层分解温度在400oC左右,而电弧喷涂Fe/B——Fe粉芯线材和手工涂装的涂层其分解温度都在600oC以上甚至更高。
〔2〕从实际操作来讲,电镀锌以及手工涂装两者操作不简便,电镀锌操作时受温度条件制约,手工涂装劳动强度太大,而电弧喷涂设备灵敏,易于操作,不受温度等条件制约。
〔3〕从涂层性能、喷涂设备价格、喷涂材料本钱和工艺的现场操作性等各方面综合考虑,电弧喷涂本钱低,涂层具有优异的耐高温腐蚀磨损性能,可以有效地延长循环流化床锅炉受热面的使用寿命。
综上所述,本外表工程课程设计选用电弧喷涂Fe/B——Fe粉芯线材做为外表处理技术处理所选择的零件,其所需要的工艺参数见表2。
表2电弧喷涂工艺参数
空载电压
工作电压
工作电流
空气压力
喷涂间隔
喷枪挪动速度
涂层厚度
36V
35V
270A
80mm
6cm/s
3mm
第四章零件外表处理的工艺道路
用材选择
零件基材选择
根据需要,基材选择Q235B无缝钢管。
其化学成分根据国标GB700-88,如表3。
表3Q235B无缝钢管化学成分
元素成分
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Cu
≤0.12%~0.20%
≤0.3%
≤0.3%~0.7%
≤0.045%
允许剩余含量≤0.30%
允许剩余含量≤0.30%
Q235B钢管是以带钢卷板为原材料,经常温挤压成型,以自动双丝双面埋弧焊工艺焊接而成的钢管。
Q235B钢属于普通碳素构造钢,与优质碳素钢的主要区别在于对碳含量及性能范围要求,以及对硫、磷等剩余元素的限制较宽,一般在热轧状态下使用。
Q235B钢含碳适中,综合性能较好,强度、塑性和焊接等性能得到较好配合,用处最广泛。
常用Q235B钢轧制成盘条或圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、窗框钢等型钢,中厚钢板,大量用于建筑及工程构造。
Q235B用于制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉及其零件管、容器、船舶等,在一般机械制造中用作拉杆、吊钩、螺栓、连杆、心轴、销子及零件和焊接件。
电弧喷涂设备
电弧喷涂设备:
CMD-AS1620型电弧喷涂设备〔见图3〕。
其工艺参数如表4所示
表4CMD-AS1620型电弧喷涂设备工艺参数
名称
参数
功率
输入电压
12KVA
AC380V〔三相〕
输出电压
DC27-38V
输出电流
0-300A
送丝速度
4-8m/min
0.5-0.7MPa
空气流量
1.6-2.0m3/min
丝材直径
Φ1.6-2.0mm
喷涂消费率
25Kg/h〔锌〕
主机柜尺寸
780×
560×
500〔mm〕
送丝机尺寸
445×
290×
250〔mm〕
主机柜重量
190Kg
送丝机重量
30Kg
喷枪重量
1Kg
CMD-AS1620型电弧喷涂机可喷涂〔mm〕的丝材,可以喷锌、喷铝、喷不锈钢、喷硬铬、喷钼、喷铜、喷镍,喷镍铬合金等。
即合适于做大面积防腐工程、也合适机械零部件恢复尺寸和修复、快速喷制各种模具、耐磨涂层、及制作装饰涂层等。
图3CMD-AS1620型电弧喷涂机
其具有以下优点:
〔1〕不进步工件温度、不使用贵重底层材料的情况下,可以到达很高的结合强度,一般可以到达20Mpa以上。
其结合强度是火焰喷涂层的2.5~5倍。
〔2〕消费率高。
以喷锌为例,当电流为200A时,每小时可达25Kg,比线材火焰喷涂进步4~6倍。
〔3〕设备能源利用率非常高,一般可达57%,节能效果非常突出。
一般线材火焰喷涂的能源利用率只有13%,而且该设备不使用氧、乙炔气,能源费用可降低50%以上。
〔4〕该设备投资少,收益快,喷涂本钱低。
设备投资仅为等离子喷涂设备的四分之一,总喷涂本钱仅为线材火焰喷涂的非常之一。
〔5〕由于CMD-AS1620型电弧喷涂设备仅使用电,不用易燃、易爆气体,使平安性大大进步。
CMD-AS1620型电弧喷涂设备的应用范围非常广泛,由于喷涂效率相对较高,不仅可以用于大面积防腐工程,还可以用于机械零件的修复和预保护、快速喷制模具及制作装饰涂层等。
CMD-AS1620型电弧喷涂设备使用Φ2mm的丝材,全套设备包括电源、送丝机构、送丝管、喷枪等,其辅助设备应装备3m3/分钟空气流量的空气压缩机,压力应到达;
用于工件外表前处理的喷砂机,主要目的是为了去除工件外表上的锈蚀、油污、水气、氧化层等,同时将工件外表粗化,粗糙度等级应到达级;
南方或海边潮湿环境下还应该为空压机装备空气过滤器,去除压缩空气中的水分和杂质。
CMD-AS1620型电弧喷涂设备还可以装备CMD-EG1620型电弧喷涂内孔喷枪,用于喷涂管道内壁,经过延长送丝管的长度,可喷涂3m、6m、10m、12m及15m长的管道。
喷涂材料选择
使用Fe/B——Fe粉芯线材:
外皮选用低碳钢冷轧钢带,尺寸为,药芯采用硼铁粉,硼铁粉及钢带的成分分别见表5和表6。
粉芯线材经轧制、拉拔后直径为Φ2mm。
选用该粉芯线材的原因有:
(1)铁带:
铁基合金材料具有良好的高温性能,如填加一些典型的耐热合金元素:
Cr、Al、Ti等,可以在高温时〔650oC〕选择性氧化,生成保护性稳定新相如CrZO3、Al2O3、TiO2等,这些高熔点〔2000oC以上〕、稳定的氧化膜对金属基体能起到很好的保护作用。
而且本钱低是铁基粉芯线材的突出优点。
(2)硼铁粉是硼和铁的合金粉,常用于冶金机械工业中作为硼元素添加剂。
硼铁作为合金元素添加到钢中,能显著进步钢的淬透性并改善钢的机械性能。
硼是一种既能与金属化合又能与非金属化合的元素,它可有效地取代其他一些价格昂贵的进步淬透性的合金元素,如Mn、Ni、Mo。
等。
硼能与铁形成极稳定的中间化合物Fe2B和FeB,这种硼化物在高温也极为稳定,还能与碳形成稳定的B4C等化合物与钢中的合金元素形成合金硼化物。
合金硼化物与铁的硼化物一样,都具有很好的耐磨性及良好的耐蚀性和抗高温氧化性。
这些相对低碳钢基体可以起到弥散强化作用,因此,在钢中参加硼能代替铬、铝、镍等合金元素,大大进步材料耐高温磨蚀性能。
硼铁粉的一个突出优点是价格很低,一般为20~30元/公斤,所以,本文选用硼铁粉作为粉芯线材的药芯,以制备出具有较高性价比的涂层。
表5硼铁粉化学成分表
元素
B
Al
Fe
含量/%
16
余
表6钢带化学成分表
电弧喷涂工艺流程
电弧喷涂Fe/B——Fe粉芯线材根本工艺流程如下:
基材除锈→基材除油→水洗→烘干→基材外表粗化处理→空气吹灰→喷涂粉末的烘干→工件预热→喷涂→涂层封闭
基材预处理
基材预处理包括:
基材除锈、基材除油、水洗、烘干。
除锈:
基材外表采用河北邢台任县康丰机械厂消费的钢管除锈机〔如图4〕进展除锈。
图4钢管除锈机
钢管除锈机是一种组合清理钢管内外壁的除锈机,通过抛丸来清理钢管的外外表,通过抛喷丸清理内外表,使外表的氧化皮均祛除掉。
该机主要利用高效强力抛丸器抛出的高速丸流,抛打位于室体内的旋转工件外表与内腔上,去掉其它的粘砂、锈层、焊渣、氧化皮及其杂物,使之获得精细的光洁外表。
除油:
采用东莞市盛亿化工中性除油剂进展除油,室温下时间为10min。
中性除油剂具有以下优点:
中性环保配方,不伤手、不腐蚀工件,平安、环保除油速度快,效率高综合本钱低,零能耗、循环使用、废水直接排放试用范围广,适用于任何金属材质、塑料材质、玻璃材质。
水洗:
用室温条件下的水将工件清洗30s。
烘干:
鼓入40oC左右的热风大约10min,使工件外表保持枯燥,以便进展后续的处理。
喷涂过程
电弧喷涂的施工过程主要有3道工序:
喷砂、喷涂以及涂层封闭。
喷砂:
即基材外表粗化处理,采用射吸式喷砂设备〔图5〕对基材外表进展粗化处理,其目的是为了增强涂层与基体的结合力〔可采用北京喷砂机专业设备消费的射吸式喷砂设备,型号为YZB-9080X〕。
喷砂时一般先选用18号石英砂粗喷,最后用15号轴承钢砂进展外表粗糙化处理,使其外表粗糙度到达70μm,喷砂后管壁外表应枯燥,无灰尘油污、无氧化物或其他杂物,保持清洁,因此需要进展后续的空气吹灰和枯燥过程。
图5射吸式喷砂设备
空气吹灰:
喷砂后用压缩空气将外表灰尘吹净,防止涂层与基体之间有杂质夹杂而影响结合力。
本设计采用的国家标准GB/T13277-91?
一般用压缩空气质量等级?
中的第三等级,详细如下表7。
表7一般用压缩空气质量等级
质量等级
固体颗粒最大直径〔μm〕
水压力露点oC
油〔包括蒸汽〕mg/m3
1
-70
2
-40
3
5
-20
4
15
+3
40
+7
6
——
+10
喷涂粉末的烘干:
喷涂粉末在喷涂之前要烘干,以防止在喷涂过程中湿气受热膨胀在涂层中形成气孔,使涂层质量大大降低。
利用郑州汇活力械设备消费的金属粉末烘干机300oC下进展烘干,大约5min左右。
工件预热:
为消除工件外表的水分和湿气,减少因热膨胀所造成的涂层应力,应对工件进展预热,预热温度控制在130℃。
喷涂:
为防止工件外表受到污染,要在尽量短的时间内进展喷涂,一般不超过2小时。
CMD-AS1620型电弧喷涂设备作业时采用井字型喷涂方式,确保喷涂层的厚度均匀及接合力足够大。
喷涂外表应是干净均匀的,不允许有起皮、鼓包、颗粒粗大、裂纹、掉块、漏喷及其他影响涂层使用的缺陷。
喷涂所用原理为利用两根连续送进的金属作为自耗电极,在其端部产生电弧作为热源,利用压缩空气将熔化了的丝材雾化,并以高的速度喷向工件外表形成涂层的一种热喷涂方法。
喷涂时,两根丝状金属喷涂材料通过送丝装置均匀连续的分别送进电弧喷涂枪中的导电嘴内,导电嘴分别接电源的正负极并保证两根丝材在未接触前的可靠绝缘。
当两根金属丝材端部由于送进而互相接触时,发生短路而产生电弧,使丝材端部瞬间熔化,压缩空气将熔融金属熔化成微熔滴,以很高的速度喷射到工件外表,形成电弧喷涂层。
〔大致示意图如图6〕
图6电弧喷涂原理示意图
涂层封闭:
对于热喷涂涂层来说,封孔是一项必要的后处理过程。
当涂层面临腐蚀及氧化环境时,封孔是涂层设计必需要考虑的一项内容。
为研究喷涂后封孔处理对涂层性能的影响,采用湖北新四海化工股份消费的LG-3型硅树脂封孔剂对Fe/B——Fe涂层进展封闭处理。
LG-3型硅树脂为双组份的耐高温硅树脂,适用于抵抗在600oC以上高温环境下的稀酸、碱、油类、液流、水和盐水等介质的腐蚀,固体含量为25%。
封孔剂用量为8m2/L。
其长期工作温度为580°
C以上。
施工方法喷涂法或浸泡法,在室温下空气枯燥约1小时,但充分固化需3天,在145°
C烘2小时可加速固化。
零件的工装图
零件的工装示意图图见图7
图7零件的工装示意图
第五章涂层的表征
涂层的组织形貌、成分及物相
涂层的组织形貌
涂层在电子探针下,涂层组织呈现典型的层状组织构造,涂层较致密,颗粒变形充分,尺寸细小均匀,涂层内部有少量氧化物夹杂和孔隙,涂层之间、涂层与打底层以及打底层与钢基体之间都结合良好。
整个涂层与基材的界面呈锯齿状,结合形式属于机械咬合,锯齿状是喷砂粗化的结果。
而涂层的背散射电子像,可以看到涂层组织主要由层状白色相、灰色细条纹相和黑色条状、块状相组成,其中黑色块状相数量较少,根本上都呈不规那么的棱角形。
涂层的成分
对涂层内部两个不同部位的电子探针面扫描结果可知,FeB——Fe涂层中弥散分布的黑色不规那么小块主要含B元素和Si元素,几乎不含Fe元素,而基体部分均匀分布着Fe、C元素,据此可以推测,涂层基体应该是铁基固溶体。
B、Si、C三种元素的弥散分布说明喷涂中钢带与硼铁粉可以均匀混合,形成致密度较高的涂层。
涂层的物相
涂层的X射线衍射结果说明,涂层中含有α-Fe和Fe3B两相。
衍射图谱中。
其他相的峰值太低,无法查出相对的PDF卡。
对涂层进展选区电子衍射,电子衍射法测得的d值与ASTM卡中的d值非常接近。
为使衍射斑点指数标定结果可靠,用正交晶系晶面法线间夹角公式进展了检验。
结果说明,计算值与量角器测量值吻合。
从而可以确定白色相为体心立方点阵的a-Fe,其点阵常数。
透射电镜的衍射结果可知,Fe/B——Fe涂层中主要含有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相是大片白色组织,为涂层的基体;
其他几个硼化物相分别为镜像下弥散分布的黑色或灰色的组织,是涂层中的硬质强化相。
涂层的急冷还导致某些碳硼化物的相变以孪生的方式进展,因此发现了Fe23(C,B)6晶粒内部有孪晶亚构造。
Fe3(Si,B)、Fe5SiB2、Fe2B、Fe23(C,B)6、FeB等硬质相对涂层耐磨、耐蚀性能会产生很大影响。
这是因为金属硼化物不但在硬度方面而且在化学稳定性(其中包括耐高温氧化)方面,都具有优异的性能,甚至比相应的金属碳化物相更高。
含硼量为8.84%的Fe2B和含硼量为1.625%的FeB都是高温也极为稳定的化合物,二者都具有很高的硬度,其中Fe2B属正方晶系,硬度为1290~1680HV,熔点为1389℃;
FeB属斜方晶系,硬度为1890~2340HV,熔点为1540℃。
其他硼化物也与铁硼相一样,具有很高的硬度,高的红硬性和良好的耐蚀性能,它们在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,这些硬质颗粒的存在会大大进步该涂层在高温下的耐磨和耐蚀性能。
涂层的性能表征
涂层硬度的检测
根据国家标准GB/T13289金属显微组织检测方法规定以及国家标准GB/T
9790-1988?
金属覆盖层及其他有关覆盖层维氏和努氏显微硬度试验?
明确规定了金属涂层外表硬度的检测方法,采用HVS-1000(中国上海)型数字式显微硬度计测量涂层的维氏硬度。
所用载荷均为100gf,载荷保持时间为15s,由于涂层本身组织不均匀,易产生偏析,在测试中出现高硬度和低硬度值,因此至打5个压痕点,然后取平均值。
根据?
,涂层硬度应在1200HV以上。
涂层高硬度的解释:
Fe/B——Fe涂层虽然是以α-Fe为基体,但从显微硬度检测结果可知,该涂层的硬度很高。
这是由于喷涂过程中熔粒冷却速度非常快,涂层中的C原子来不及扩散析出,大部分保存在铁素体点阵中,形成碳在α-Fe中的过饱和固溶体,使α-Fe的点阵发生正方畸变,从而对涂层产生了固溶强化作用。
涂层的耐磨性检测
本设计采用宣化试验机厂消费的MLS-225型湿砂橡胶轮式磨损试验机〔其中试验参数如下:
橡胶轮转速:
240
r/min;
橡胶轮直径:
178mm、橡胶轮硬度:
60(邵尔硬度)、砂浆比例:
1000克水以及1500
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