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说明书模板1机电及自动化学院第十届创新设计大赛
机电学院第十届创新设计大赛产品说明书
『产品名称』
非金属工艺品表面仿古铜技术研究
『产品说明』(包括创新性说明和产品原理说明等)
一、背景介绍
铜和铜合金是人类应用最早和最广泛的一种有色金属,随着人们对铜和铜合金制品的外观色泽的进一步要求,铜及其合金表面着色技术研究备受关注。
铜及其合金在艺术领域的应用因为其铸造成本较高而受到限制,难以满足广大人们的需求,非金属工艺品表面金属化可以解决这一难题,同时利用表面着色技术可以完善工艺品的艺术效果。
制作铜质工艺品,所面临的最大问题是原料价格昂贵,制作工艺相对复杂,成本高。
开发低成本、快捷的仿铜工艺品及其表面仿古铜处理技术是本项目研究的核心,通过实施表面沉积、表面着色工艺,使非金属工艺品获得了逼真的、古青铜效果。
该技术可解决大型室外雕塑等艺术品不易镀铜及仿古的难题,投资小,见效快,具有极大的推广价值。
本项目表面铜沉淀主要采用电弧熔射的方法。
电弧熔射具有效率高,能源利用率高,原材料及设备投资低,经济效益好等优点,在表面工程领域有着广阔的发展空间。
目前电弧熔射技术广泛应用于机械零部件表面维修制造以及先进制造领域。
本研究将电弧喷涂技术应用于非金属制品仿古铜技术。
传统艺术古铜制造工艺较为复杂,加工周期长,原材料用量大。
若采用现有非金属造型或者自制工艺造型,然后采用电弧熔射工艺在其表面披覆金属铜就可以达到省工、省料的目的。
二、基体材料的选用及分析
非金属艺术原型制取可以采取多种途径,可以直接采用工艺品厂生产的非金属艺术品,也可以采用石膏、粘土、水泥等材料制作,还可以选用闽南地区常见的石雕作为基体材料。
以下对应用较广的石膏雕塑和石雕作为基体的情况进行分析:
1、石膏雕像:
石膏的主要成分是硫酸钙,CaSO4→SO2+O2+CaO,在1350~1400摄氏度左右时充分分解;纯铜的熔点是1083摄氏度左右,所产生电弧的温度为5000K左右;因此,电弧熔射装置工作时石膏雕像表面处温度,此时雕像表面的石膏发生了部分分解;硫酸钙分解产生气体,气体溢出,导致表面铜层致密性不好,且CaO为粉末状物质,使表面铜层和石膏像心部分离,使薄铜层无法牢固地结合在石膏像上,容易脱落。
使用过渡层的方法,即在石膏雕塑上先喷涂一层熔点较低的金属(如Zn),而后在喷涂铜或者是进行电化学反应,使得雕像表面覆盖一层铜。
然后,对表面进行化学处理,达到表面仿古效果。
2、石雕:
耐高温,耐腐蚀,不易变形,在高温下,石雕表面不会发生分解,可以直接喷铜,且石雕表面一般是凹凸不平,粗糙度大,利于表面铜层的附着;此外,石雕在闽南的产量很大,大型的工艺品选用石材作为基体可以很大地降低成本。
本项目根据以上两种方案进行了试验。
三、表面铜层生成技术的选择和电弧熔射原理
表面铜层的形成主要有电镀和热喷涂,电镀一般需要在非金属工艺品基体表面沉淀一层金属,因此生产周期一般较长,过程较为复杂。
此外,电镀技术不适用大型的工艺品。
因此,本项目主要选择热喷涂,以下为电弧熔射的基本原理。
电弧熔射是采用电弧为热源将金属丝材熔化,并用高速压缩空气流使之雾化成微细粒子,熔射到经过预处理的非金属制品(熔射模)表面后发生碰撞、扁平化、快速凝固、堆积等过程而形成熔射层,原理如图1所示。
金属化表面的质量取决于熔射层的显微组织和硬度、氧化物含量、孔隙率以及熔射层与基体的结合强度等因素。
对工艺参数进行优化,使雾化后的粒子以较小的直径,较高的速度撞击非金属熔射模表面,并通过控制熔射模的温度来控制粒子扁平化,使之形成规则的饼状薄层,从而获得组织致密孔隙率低的熔射层,提高了制件的使用性能和寿命。
图1电弧熔射原理示意图
四、古铜化处理工艺过程
图2非金属艺术品古铜化工艺框图
电弧熔射法使非金属艺术造型金属化及古铜处理的工艺过程如图2所示。
非金属艺术原型制取可以采取多种途径,可以直接采用工艺品厂生产的非金属艺术品,也可以采用石膏、粘土、水泥等材料制作,还可以选用闽南地区常见的石雕作为基体材料。
熔射模表面预处理目的主要是提高熔射层与非金属制品的结合强度,熔射成形后工艺品表面与熔射层间只是达到机械嵌合,表面处理后的熔射模表面在满足一定要求情况下,尽量使其呈凸凹面形貌,这有利于提高熔射层质量,如图3(a)所示。
凸凹的表面一方面限制了熔射层收缩而出现的应力,可以避免出现开裂现象;另一方面可以增加它与熔射层的接触总面积,提高了整个熔射层与表面的结合强度,避免熔射层脱落。
光滑表面上得到的熔射层,由于不同材料润湿效果差以及冷凝收缩而产生剪切应力易使熔射层开裂和脱落。
如果原始表面没有经过预处理,存在污染物或者表面过于光滑,这样金属层难于涂覆在表面,使后续实验环节无法进行。
电弧熔射金属底层主要目的是提高金属与非金属表面材料的结合,一般选用低熔点合金,金属铜的熔点相对较高,难于在非金属表面沉积。
由于加入低熔点合金层作为过渡,使得材料物理化学性能能够相互匹配,提高了相互间的结合和性能。
金属铜熔射过程是关键技术环节,直接决定了成形质量。
熔射过程从工艺参数控制到粒子飞行过程中的状态参数变化,从粒子的扁平化到熔射层生长过程,每一步涉及到的因素均很多,都必须引起重视。
在具体操作过程中还要注意基体的预热,熔射路径和移动速度的控制问题。
在熔射过程中,由于熔射材料与熔射模材料的热膨胀系数的不同和显著的温差,造成了熔射层收缩应力。
熔射层的收缩应力会导致熔射层开裂、起翘和剥落的后果。
为了降低或消除熔射层出现的收缩应力,采取对熔射底层之后的熔射模预热处理,来减少熔射模表面与熔射层材料间的温差,从而降低熔射层内部所产生的收缩应力。
较高的预热温度,不但可缩小熔射模表面与熔射层之间的温度差,而且可以抵消熔射模表面与熔射层材料之间热膨胀系数差异而产生的应力。
但是,对于金属熔射模预热温度过高,将会引起底层材料与非金属表面的脱离。
因此,合理地选用和控制预热温度是很重要的,一般对熔射模表面的预热温度在100-200℃之间。
古铜着色一般采用涂古铜着色漆和化学变色方法,前者漆层不耐磨易脱落,但是色泽均匀,后者因化学腐蚀原理使得金属变色,变色膜层性能好。
(详见附二)
熔射成形过程中扁平化粒子在填充、搭接和不规则的堆积过程中会形成一定孔隙,粒子在飞行过程中的高温氧化及部分未熔化粒子的夹杂也会造成了熔射层组织缺陷。
后处理的目的是为了填补、消除制件的上述缺陷,改善制件性能,提高零件机械强度和表面质量。
后处理方法很多,如化学强化、金属熔渗、激光熔凝、高温自蔓延处理等都可以降低孔隙率,提高熔射层质量和使用性能。
封闭处理则是采用封孔剂填充熔射层中的空洞,避免外界腐蚀介质进入金属熔射层内部使材料失效。
图3不同粗糙度表面的金属熔射层
五、质量控制环节
图4是选用熔射电压35V、熔射电流220A、熔射距离20cm、雾化气压0.55MPa的条件下制得的金属铜涂层微观表面,获得表面一般都属于凸凹不平的结构,整体呈层状,内部含有氧化物、气孔等缺陷。
通过后续熔射层硬度、气孔率、氧化物含量测试等环节,通过反馈控制熔射参数(空气压力、熔射电流、熔射电压、熔射速率等),可以进一步提高熔射层质量。
图4电弧熔射铜涂层显微照片
目前电弧熔射铜等高熔点金属及合金材料还存在诸多难点,比如熔射层产生开裂、翘曲和脱落等缺陷难于得到有效控制。
熔射过程中,应保证熔射层不脱离熔射模表面,否则将影响熔射质量以至于失败。
熔射层与熔射模表面分离取决于它们之间的剪应力及剪切强度。
影响剪应力的因素主要有熔射模材料与熔射材料的力学性能及热物理性能,熔射模表面的温度等;影响剪切强度的因素主要有涂敷脱模剂形成的表面膜的厚度,熔射模表面粗糙度,熔射模与熔射层热胀系数差异等因素。
熔射膜表面不要过于光滑并尽量减少表面膜的厚度,这样才可以提高剪切强度,有利于熔射层的逐层叠加,从而制得具有相当厚度的熔射层。
熔射高熔点合金带来的问题是高熔点金属熔射层内部热应力过大,约束作用增强。
若剪应力超过熔射层与熔射模表面剪切强度,则容易导致熔射层开裂、翘曲、鼓包、脱落,并且熔融的高温金属液滴也容易烧损耐热性差的非金属熔射模。
解决这样的问题就应该从影响熔射层与熔射模表面结合性能的剪应力与剪切强度入手,在不影响后期脱模的情况下即剪切强度一定时,降低剪应力。
电弧熔射过程中必须注意熔射模与熔射层间的温度控制,而熔射模预热过程和冷却过程的温度控制是关键。
熔射模内部设置通水冷却装置,外部添加对熔射层辅助吹风冷却装置来加速对流换热,控制喷枪与熔射模的相对移动速度,采用间歇式喷涂等方式,使熔射模与熔射层界面附近温度场均匀,这样就减少了熔射粒子的收缩应力及熔射层与熔射模材料因热胀系数差异而产生的熔射层应力,熔射层剥离、翘曲等缺陷得到有效控制。
六、实践环节
初步着色实验照片如图5所示,针对一定的化学着色溶液配方,腐蚀时间和腐蚀温度环境对着色效果明显。
随着着色时间的加长,腐蚀深度增加,着色膜变厚。
相同着色情况下,温度影响显著,在着色溶液加热50℃情况下,色膜均匀,效果好。
(a)铜熔射层
(b)室温化学着色4min(c)室温化学着色6min(d)50℃化学着色6min
图5变色试件照片
(3)
附注资料一:
熔射粒子沉积过程实验研究
熔射过程中粒子的飞行状态参数对熔射层质量的影响是最关键的,在缺乏研究设备和手段的情况下,一般都是通过改变初始输入参数来考察最终质量,对影响加工质量的本质因素研究较为缺乏。
本实验考察了电弧熔射工艺,建立了飞行粒子收集装置,扁平化粒子收集装置,结合显微分析,确立了粒子温度和速度与熔射层孔隙率、显微硬度之间的真实的内在的关系。
重点研究内容包括以下几个方面:
●通过飞行粒子收集装置,结合输入参数分析粒子的熔融状态,考察电弧熔射的粒子雾化程度。
●通过收集扁平化粒子并加以分析,讨论对熔射粒子扁平化形态和特征有影响的因素,得出粒子扁平化形态和熔射层质量间的内在关系。
●对熔射层结构进行气孔率、显微硬度等测试,结合在线质量测试系统,分析粒子状态参数对熔射层质量的影响规律。
上述问题的研究,有助于电弧熔射过程中的质量评价、反馈控制以及进一步深入研究粒子与基体相互作用机理,最终控制熔射成形质量。
4.1粒子熔融状态分析
熔射粒子收集装置如图1所示,将喷枪朝向下方,在下面的平台上放置装有水或油的玻璃器皿,器皿上盖有带若干ø2mm孔的钢板,喷枪至钢板的距离为S1,钢板至玻璃器皿内的液面距离为S2。
熔射完毕,将器皿内收集到的粒子与溶液分离烘干,制成粉末。
图1熔射粒子收集装置
4.1.1熔射粒子收集
电弧熔射粒子的收集实验采用表1第二组参数,其中雾化空气压力取550kPa、650kPa和750kPa,S1=120mm,S2=40mm。
表1电弧熔射工艺参数
组号
电流I/A
电压U/V
气压P/kPa
距离S/mm
1
160-240
33
700
160
2
200
33
550-800
160
3
200
33
700
120-280
附注:
1)160-240指电流变化160,180,200,220,240,260,280;
2)550-800指空气压力变化550,600,650,700,750,800;
3)120-280指熔射距离变化120,160,200,240,280。
图2熔融粒子形态
空气压力:
(a)550kPa;(b)650kPa;(c)750kPa
图3粒子尺寸分布
图2为不同空气压力下得到雾化粒子的显微形态,从图中可知雾化后的粒子呈球形。
实验表明,由于阳极金属丝由阴极释放的电子加热,部分电子能量转移到等离子区,使得阳极温度低,金属丝熔化不充分,产生较粗大的粒子;而阴极由正的气态离子碰撞加热,温度高,金属丝熔融充分,粒子较易雾
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