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電弧噴涂工藝參數的選擇

電弧噴涂工藝參數的選擇

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發布時間:
2019/12/12 16:57
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【摘要】:
 


 

根據電弧噴涂工藝的特點和要求,可將電弧噴涂操作的主要工藝參數總結為四項:電弧電壓,工作電流,霧化空氣壓力和噴涂距離。工藝參數選擇是否正確和合理,將直接影響到電弧噴涂工藝的穩定性、涂層質量、噴涂速度和沉積效率等,因此合理選擇工藝參數十分重要。

對于操作人員來說,在噴涂時,控制這些參數很容易,只需短時間培訓就可熟練地操作設備,得到穩定質量的涂層。

1. 噴涂電壓

噴涂電壓是指噴涂時兩金屬絲間的電弧電壓。在電弧噴涂時,兩根金屬絲被均勻地送進,在噴涂槍前部兩絲尖端產生電弧,欲得到性能穩定和質量可靠的涂層,需要維持穩定的電弧電壓。電弧電壓反映了線材尖端距離的量度,有效地控制這個參數可以維持霧化區幾何形狀的穩定,所以通常使用的電弧噴涂設備要求具有平直的電源伏安特性。電弧電壓影響著電弧燃燒的穩定性,每一種材料都有自己的電弧穩定燃燒的最低電弧電壓值。電弧電壓越低,熔化了的粒子尺寸就越小,范圍也越窄。如果電弧電壓低于材料的臨界最低電弧電壓,電弧就不能穩定地燃燒,線材就會出現斷續接觸現象,伴隨著電弧的間斷和引燃,塊狀的未充分熔化的絲段出現,有時甚至出現兩根絲平行焊在一起的現象。此時電流表指數劇烈擺動,有時甚至超出電流表的量程范圍。

材料的臨界電弧電壓值主要與材料的熔點有關。一般說來,熔點低的材料,臨界電弧電壓值低;反之,熔點高的材料,臨界電弧電壓也高。臨界電弧電壓除了受材料熔點影響外,線材表面的氧化膜的電阻率對材料的臨界電弧電壓值也有影響。例如,純鋁的熔點667 ℃,它的噴涂電弧電壓要求在30~32 V,這個數值與熔點為1500 ℃的鋼絲噴涂電弧電壓值相近。噴涂鋁絲對電壓要求較高是因為在鋁絲表面氧化膜的電阻率較大,導電性差,需要高的電壓值才能維持電弧的穩定。

當噴涂電壓高于臨界電弧電壓值后,隨著電弧電壓的提高,線材尖端的距離增大,噴涂射流的角度增加,噴涂粒子的顆粒尺寸范圍將會增大。圖1是電弧電壓對噴涂粒子霧化和分布的影響。隨著電弧電壓的提高,噴涂材料的元素燒損傾向增加,尤其是那些容易與氧化合的元素,元素的損失更嚴重。


例如,當電弧噴涂含碳0.36%的4Cr13線材時,如果選用31V的電弧電壓,160 A的工作電流,霧化空氣壓力為0.45 MPa,噴涂距離150 mm,所得涂層的碳含量是0.22%,涂層硬度HV 390,與原始線材相比,碳元素燒損40%左右;在其他參數不變的情況下,當電弧電壓提高到34 V時,涂層含碳量為0.16%,涂層硬度HV 328,碳元素燒損了55%;若提高電弧電壓到37 V,涂層含碳量僅剩下0.11%,涂層硬度HV 298。由此可見,電弧電壓對噴涂質量影響很大,欲得到高質量涂層,在保證電弧穩定燃燒的前提下,要選擇盡可能低的電弧電壓值。電弧電壓越高,電弧越長,這就意味著在保持電弧穩定的前提下,允許兩根金屬絲在噴涂槍槍口處的交點偏差越大。在噴涂過程中,有時利用電弧的這個性質,在導電管磨損,且又沒有備用導電管可供更換的情況下,通過提高電壓來保持電弧的穩定。當然,使用這種應急方法獲得的涂層霧化質量會受到影響。表1是一些材料的噴涂工作電壓。

表1 一些材料的噴涂工作電壓

材料

工作電壓/V

材料

工作電壓/V

26~28

碳鋼及不銹鋼

30~32

30~32

錫合金

23~25

鋅鋁合金

28~30

鎳合金

30~33

鋁鎂合金

30~32

銅合金

29~32

稀土鋁合金

30~32

鋁青銅(黏結層)

34~38

鋅鋁偽合金

28~30

鎳鋁合金(黏結層)

34~38

在電弧噴涂自粘結材料用于打底層時,不能依據上述原則選擇電弧電壓。在這種情況下適當提高噴涂電壓,可以獲得更為粗大的噴涂粒子,過熱程度大,以便攜帶更多的熱量,有利于粒子的氧化與放熱反應。當粒子撞擊到工件表面時,經過充分加熱的粗大粒子更可能與工件表面發生微冶金結合,增加涂層與基體之間的結合強度,以提高表面工作層的結合可靠性。

2. 工作電流

平特性的電弧噴涂設備,噴涂電流直接受到送絲速度的控制。提高送絲速度,線材尖端的間隙減小,由于線材的間距決定于電弧電壓,電源有自動維持電弧電壓穩定的特性,因此,只有增加輸出功率,即增加工作電流,使線材更迅速地熔化才能維持這個平衡。工作電流正比于送絲速度,也就是說工作電流是噴涂生產效率的量度。從微觀角度看,電源的這個特點也很重要,如果由于某種原因,在噴涂過程中,送絲速度發生微小變化,電源會自動調節熔化線材所需功率。電弧噴涂的這個性質是與火焰噴涂不同的,火焰噴涂時的能量輸出不會自動隨著送絲量的變化而變化,這就勢必影響材料的熔化程度。

提高工作電流,不但可以增加噴涂生產效率,還可以提高涂層質量。表2是在0.5MPa的霧化空氣壓力,125mm的噴涂距離條件下,選用不同工作電流,測得的Crl3型馬氏體不銹鋼涂層中的氧化物含量和孔隙率。

表2 工作電流對涂層中氧化物含量和孔隙率的影響

工作電流 /A

生產能力 /Kg.h-1

孔隙率 /%

氧化物含量 /%

50

1.14

4.29

8.48

100

2.27

2.47

11.80

200

4.54

1.96

9.33

300

8.0

1.79

6.56

較大的工作電流可以得到高質量的涂層,但工作電流的上限往往受到電弧噴涂設備容量的限制。當工作電流低于某一數值時,電弧也不能穩定燃燒。最低工作電流值不但與材料有關,還與線材尺寸截面有關,對具體規格的線材來說,每種材料都有對應的最低工作電流值。

3. 霧化空氣

霧化空氣壓力很大程度地決定了噴涂粒子的霧化程度和飛行速度,并影響涂層的性能。同樣的霧化空氣壓力,對不同的噴槍設計有不同的霧化效果,好的噴槍設計應當使霧化氣流集中在熔化金屬絲的尖端部位,使高速氣流以剪切方式將金屬熔滴變成細片狀脫離電弧區,并進一步將其霧化和加速。對具體的噴涂槍來說,當噴涂某種線材時,在其他工藝參數不變的情況下,高的霧化空氣壓力將得到高致密的涂層。

在噴涂自粘結材料做黏結底層時,往往不希望使用很大的霧化空氣壓力,去獲得細密的涂層,相反的,稍粗大一些的噴涂粒子可攜帶較多的熱量,更有利于與基體之間發生微冶金結合。

有時對某些低熔點材料也不希望有過高的霧化空氣壓力,因為,材料的熔點較低,高的霧化壓力將使熔滴更細小,加劇熔滴氧化和冷卻,在噴涂粒子流到達工件表面之前,許多比較細小或嚴重氧化的熔滴已經凝固和硬化,當撞擊到工件表面時就會被反彈掉,降低噴涂層的沉積率。例如,在噴涂鋅涂層時,可明顯地觀察到這種現象。

壓縮空氣是最經濟的霧化氣源,在鋼鐵結構大面積防腐蝕的噴涂施工中,主要是采用壓縮空氣作為霧化氣體。為了避免某些材料的過分氧化,有時,使用氮氣作為霧化氣源可得到非常致密,且氧化物含量很少的涂層,涂層的力學性能也有明顯改善。由于電弧噴涂時氣體消耗量很大,大量使用瓶裝氮氣會造成經濟上和運輸上的困難,因此限制了它的應用。

4. 噴涂距離

噴涂距離是指噴涂槍與工件表面間的距離。金屬絲在電弧區被熔化后經霧化空氣霧化和加速,撞擊到工件表面形成涂層。在噴涂槍的噴嘴處,壓縮空氣的流動速度最大,熔滴的速度最低,隨著噴涂距離的增加,噴涂粒子被逐漸加速。同時霧化氣流的速度逐漸降低。例如,在噴涂鋼絲時,在大約50 mm處噴涂粒子有最快的飛行速度;由于空氣阻力和加速氣流的減弱,噴涂粒子的飛行速度開始下降。根據流體力學原理,在一定的霧化氣體壓力和流量下,粒子的飛行速度取決于它的尺寸。熔化的金屬從噴涂槍噴射出后,被霧化和加速,由于粒子的尺寸不同,它們被加速的程度不同,圖2是電弧噴涂碳鋼涂層時,測繪的霧化氣流速度與不同尺寸噴涂粒子的飛行速度隨噴涂距離的變化規律。

由圖2中可見噴涂粒子在50~200 mm的噴涂距離內有較高的飛行速度。欲得到高質量涂層,不但需要噴涂粒子具有較高的飛行速度,還要求粒子具有足夠高的溫度,使粒子處于熔化或軟化狀態,在撞擊到工件表面時充分變形,保證各個噴涂粒子互相鑲嵌,使涂層有足夠的內聚強度與結合強度。圖3是噴涂距離對3Crl3涂層的結合強度的影響。

在噴涂過程中,處于高度過熱狀態的噴涂粒子極易氧化,它們具有很大的比表面積。粒子尺寸越細小,單位體積的比表面積越大,與氧化合的機會越多。在正常噴涂距離內,噴涂粒子只需1~2 ms時間就可達工件表面。盡管粒子在空氣中的飛行時間很短,由于粒子有很大的比表面積和有充分的氧氣供給,所以粒子的氧化現象往往是很嚴重的。對鋼鐵材料來說,氧化過程會給涂層帶來許多不利的影響,如碳元素燒損,氧化物含量增加和孔隙率的增加等,其中碳元素的含量變化直接影響著涂層的力學性能。圖4是噴涂距離對3Crl3涂層的氧化物含量和孔隙率的影響。

       

對于電弧噴涂鋅或電弧噴涂鋁這些防腐蝕涂層來說,常用的噴涂距離應為150~250 mm.在這個范圍內,噴涂粒子可獲得足夠高的飛行速度和粒子溫度,所得到的涂層具有較好的涂層質量和力學性能。隨著噴涂距離的增大,一些飛行速度較慢的粒子以及一些氧化嚴重的粒子已喪失了足夠的動能和塑性,不能沉積到工件上,從而影響了涂層的沉積效率。由于離開噴槍的噴涂粒束流大多呈圓錐形狀,距噴槍越遠,錐底越大。大面積防腐蝕施工時,較遠一些的噴涂距離有助于提高噴涂沉積的均勻程度,但一定注意不要過大,以免過多地降低涂層的結合強度和沉積率。


 

根據電弧噴涂工藝的特點和要求,可將電弧噴涂操作的主要工藝參數總結為四項:電弧電壓,工作電流,霧化空氣壓力和噴涂距離。工藝參數選擇是否正確和合理,將直接影響到電弧噴涂工藝的穩定性、涂層質量、噴涂速度和沉積效率等,因此合理選擇工藝參數十分重要。

對于操作人員來說,在噴涂時,控制這些參數很容易,只需短時間培訓就可熟練地操作設備,得到穩定質量的涂層。

1. 噴涂電壓

噴涂電壓是指噴涂時兩金屬絲間的電弧電壓。在電弧噴涂時,兩根金屬絲被均勻地送進,在噴涂槍前部兩絲尖端產生電弧,欲得到性能穩定和質量可靠的涂層,需要維持穩定的電弧電壓。電弧電壓反映了線材尖端距離的量度,有效地控制這個參數可以維持霧化區幾何形狀的穩定,所以通常使用的電弧噴涂設備要求具有平直的電源伏安特性。電弧電壓影響著電弧燃燒的穩定性,每一種材料都有自己的電弧穩定燃燒的最低電弧電壓值。電弧電壓越低,熔化了的粒子尺寸就越小,范圍也越窄。如果電弧電壓低于材料的臨界最低電弧電壓,電弧就不能穩定地燃燒,線材就會出現斷續接觸現象,伴隨著電弧的間斷和引燃,塊狀的未充分熔化的絲段出現,有時甚至出現兩根絲平行焊在一起的現象。此時電流表指數劇烈擺動,有時甚至超出電流表的量程范圍。

材料的臨界電弧電壓值主要與材料的熔點有關。一般說來,熔點低的材料,臨界電弧電壓值低;反之,熔點高的材料,臨界電弧電壓也高。臨界電弧電壓除了受材料熔點影響外,線材表面的氧化膜的電阻率對材料的臨界電弧電壓值也有影響。例如,純鋁的熔點667 ℃,它的噴涂電弧電壓要求在30~32 V,這個數值與熔點為1500 ℃的鋼絲噴涂電弧電壓值相近。噴涂鋁絲對電壓要求較高是因為在鋁絲表面氧化膜的電阻率較大,導電性差,需要高的電壓值才能維持電弧的穩定。

當噴涂電壓高于臨界電弧電壓值后,隨著電弧電壓的提高,線材尖端的距離增大,噴涂射流的角度增加,噴涂粒子的顆粒尺寸范圍將會增大。圖1是電弧電壓對噴涂粒子霧化和分布的影響。隨著電弧電壓的提高,噴涂材料的元素燒損傾向增加,尤其是那些容易與氧化合的元素,元素的損失更嚴重。


例如,當電弧噴涂含碳0.36%的4Cr13線材時,如果選用31V的電弧電壓,160 A的工作電流,霧化空氣壓力為0.45 MPa,噴涂距離150 mm,所得涂層的碳含量是0.22%,涂層硬度HV 390,與原始線材相比,碳元素燒損40%左右;在其他參數不變的情況下,當電弧電壓提高到34 V時,涂層含碳量為0.16%,涂層硬度HV 328,碳元素燒損了55%;若提高電弧電壓到37 V,涂層含碳量僅剩下0.11%,涂層硬度HV 298。由此可見,電弧電壓對噴涂質量影響很大,欲得到高質量涂層,在保證電弧穩定燃燒的前提下,要選擇盡可能低的電弧電壓值。電弧電壓越高,電弧越長,這就意味著在保持電弧穩定的前提下,允許兩根金屬絲在噴涂槍槍口處的交點偏差越大。在噴涂過程中,有時利用電弧的這個性質,在導電管磨損,且又沒有備用導電管可供更換的情況下,通過提高電壓來保持電弧的穩定。當然,使用這種應急方法獲得的涂層霧化質量會受到影響。表1是一些材料的噴涂工作電壓。

表1 一些材料的噴涂工作電壓

材料

工作電壓/V

材料

工作電壓/V

26~28

碳鋼及不銹鋼

30~32

30~32

錫合金

23~25

鋅鋁合金

28~30

鎳合金

30~33

鋁鎂合金

30~32

銅合金

29~32

稀土鋁合金

30~32

鋁青銅(黏結層)

34~38

鋅鋁偽合金

28~30

鎳鋁合金(黏結層)

34~38

在電弧噴涂自粘結材料用于打底層時,不能依據上述原則選擇電弧電壓。在這種情況下適當提高噴涂電壓,可以獲得更為粗大的噴涂粒子,過熱程度大,以便攜帶更多的熱量,有利于粒子的氧化與放熱反應。當粒子撞擊到工件表面時,經過充分加熱的粗大粒子更可能與工件表面發生微冶金結合,增加涂層與基體之間的結合強度,以提高表面工作層的結合可靠性。

2. 工作電流

平特性的電弧噴涂設備,噴涂電流直接受到送絲速度的控制。提高送絲速度,線材尖端的間隙減小,由于線材的間距決定于電弧電壓,電源有自動維持電弧電壓穩定的特性,因此,只有增加輸出功率,即增加工作電流,使線材更迅速地熔化才能維持這個平衡。工作電流正比于送絲速度,也就是說工作電流是噴涂生產效率的量度。從微觀角度看,電源的這個特點也很重要,如果由于某種原因,在噴涂過程中,送絲速度發生微小變化,電源會自動調節熔化線材所需功率。電弧噴涂的這個性質是與火焰噴涂不同的,火焰噴涂時的能量輸出不會自動隨著送絲量的變化而變化,這就勢必影響材料的熔化程度。

提高工作電流,不但可以增加噴涂生產效率,還可以提高涂層質量。表2是在0.5MPa的霧化空氣壓力,125mm的噴涂距離條件下,選用不同工作電流,測得的Crl3型馬氏體不銹鋼涂層中的氧化物含量和孔隙率。

表2 工作電流對涂層中氧化物含量和孔隙率的影響

工作電流 /A

生產能力 /Kg.h-1

孔隙率 /%

氧化物含量 /%

50

1.14

4.29

8.48

100

2.27

2.47

11.80

200

4.54

1.96

9.33

300

8.0

1.79

6.56

較大的工作電流可以得到高質量的涂層,但工作電流的上限往往受到電弧噴涂設備容量的限制。當工作電流低于某一數值時,電弧也不能穩定燃燒。最低工作電流值不但與材料有關,還與線材尺寸截面有關,對具體規格的線材來說,每種材料都有對應的最低工作電流值。

3. 霧化空氣

霧化空氣壓力很大程度地決定了噴涂粒子的霧化程度和飛行速度,并影響涂層的性能。同樣的霧化空氣壓力,對不同的噴槍設計有不同的霧化效果,好的噴槍設計應當使霧化氣流集中在熔化金屬絲的尖端部位,使高速氣流以剪切方式將金屬熔滴變成細片狀脫離電弧區,并進一步將其霧化和加速。對具體的噴涂槍來說,當噴涂某種線材時,在其他工藝參數不變的情況下,高的霧化空氣壓力將得到高致密的涂層。

在噴涂自粘結材料做黏結底層時,往往不希望使用很大的霧化空氣壓力,去獲得細密的涂層,相反的,稍粗大一些的噴涂粒子可攜帶較多的熱量,更有利于與基體之間發生微冶金結合。

有時對某些低熔點材料也不希望有過高的霧化空氣壓力,因為,材料的熔點較低,高的霧化壓力將使熔滴更細小,加劇熔滴氧化和冷卻,在噴涂粒子流到達工件表面之前,許多比較細小或嚴重氧化的熔滴已經凝固和硬化,當撞擊到工件表面時就會被反彈掉,降低噴涂層的沉積率。例如,在噴涂鋅涂層時,可明顯地觀察到這種現象。

壓縮空氣是最經濟的霧化氣源,在鋼鐵結構大面積防腐蝕的噴涂施工中,主要是采用壓縮空氣作為霧化氣體。為了避免某些材料的過分氧化,有時,使用氮氣作為霧化氣源可得到非常致密,且氧化物含量很少的涂層,涂層的力學性能也有明顯改善。由于電弧噴涂時氣體消耗量很大,大量使用瓶裝氮氣會造成經濟上和運輸上的困難,因此限制了它的應用。

4. 噴涂距離

噴涂距離是指噴涂槍與工件表面間的距離。金屬絲在電弧區被熔化后經霧化空氣霧化和加速,撞擊到工件表面形成涂層。在噴涂槍的噴嘴處,壓縮空氣的流動速度最大,熔滴的速度最低,隨著噴涂距離的增加,噴涂粒子被逐漸加速。同時霧化氣流的速度逐漸降低。例如,在噴涂鋼絲時,在大約50 mm處噴涂粒子有最快的飛行速度;由于空氣阻力和加速氣流的減弱,噴涂粒子的飛行速度開始下降。根據流體力學原理,在一定的霧化氣體壓力和流量下,粒子的飛行速度取決于它的尺寸。熔化的金屬從噴涂槍噴射出后,被霧化和加速,由于粒子的尺寸不同,它們被加速的程度不同,圖2是電弧噴涂碳鋼涂層時,測繪的霧化氣流速度與不同尺寸噴涂粒子的飛行速度隨噴涂距離的變化規律。

由圖2中可見噴涂粒子在50~200 mm的噴涂距離內有較高的飛行速度。欲得到高質量涂層,不但需要噴涂粒子具有較高的飛行速度,還要求粒子具有足夠高的溫度,使粒子處于熔化或軟化狀態,在撞擊到工件表面時充分變形,保證各個噴涂粒子互相鑲嵌,使涂層有足夠的內聚強度與結合強度。圖3是噴涂距離對3Crl3涂層的結合強度的影響。

在噴涂過程中,處于高度過熱狀態的噴涂粒子極易氧化,它們具有很大的比表面積。粒子尺寸越細小,單位體積的比表面積越大,與氧化合的機會越多。在正常噴涂距離內,噴涂粒子只需1~2 ms時間就可達工件表面。盡管粒子在空氣中的飛行時間很短,由于粒子有很大的比表面積和有充分的氧氣供給,所以粒子的氧化現象往往是很嚴重的。對鋼鐵材料來說,氧化過程會給涂層帶來許多不利的影響,如碳元素燒損,氧化物含量增加和孔隙率的增加等,其中碳元素的含量變化直接影響著涂層的力學性能。圖4是噴涂距離對3Crl3涂層的氧化物含量和孔隙率的影響。

       

對于電弧噴涂鋅或電弧噴涂鋁這些防腐蝕涂層來說,常用的噴涂距離應為150~250 mm.在這個范圍內,噴涂粒子可獲得足夠高的飛行速度和粒子溫度,所得到的涂層具有較好的涂層質量和力學性能。隨著噴涂距離的增大,一些飛行速度較慢的粒子以及一些氧化嚴重的粒子已喪失了足夠的動能和塑性,不能沉積到工件上,從而影響了涂層的沉積效率。由于離開噴槍的噴涂粒束流大多呈圓錐形狀,距噴槍越遠,錐底越大。大面積防腐蝕施工時,較遠一些的噴涂距離有助于提高噴涂沉積的均勻程度,但一定注意不要過大,以免過多地降低涂層的結合強度和沉積率。

 

 


 

根據電弧噴涂工藝的特點和要求,可將電弧噴涂操作的主要工藝參數總結為四項:電弧電壓,工作電流,霧化空氣壓力和噴涂距離。工藝參數選擇是否正確和合理,將直接影響到電弧噴涂工藝的穩定性、涂層質量、噴涂速度和沉積效率等,因此合理選擇工藝參數十分重要。

對于操作人員來說,在噴涂時,控制這些參數很容易,只需短時間培訓就可熟練地操作設備,得到穩定質量的涂層。

1. 噴涂電壓

噴涂電壓是指噴涂時兩金屬絲間的電弧電壓。在電弧噴涂時,兩根金屬絲被均勻地送進,在噴涂槍前部兩絲尖端產生電弧,欲得到性能穩定和質量可靠的涂層,需要維持穩定的電弧電壓。電弧電壓反映了線材尖端距離的量度,有效地控制這個參數可以維持霧化區幾何形狀的穩定,所以通常使用的電弧噴涂設備要求具有平直的電源伏安特性。電弧電壓影響著電弧燃燒的穩定性,每一種材料都有自己的電弧穩定燃燒的最低電弧電壓值。電弧電壓越低,熔化了的粒子尺寸就越小,范圍也越窄。如果電弧電壓低于材料的臨界最低電弧電壓,電弧就不能穩定地燃燒,線材就會出現斷續接觸現象,伴隨著電弧的間斷和引燃,塊狀的未充分熔化的絲段出現,有時甚至出現兩根絲平行焊在一起的現象。此時電流表指數劇烈擺動,有時甚至超出電流表的量程范圍。

材料的臨界電弧電壓值主要與材料的熔點有關。一般說來,熔點低的材料,臨界電弧電壓值低;反之,熔點高的材料,臨界電弧電壓也高。臨界電弧電壓除了受材料熔點影響外,線材表面的氧化膜的電阻率對材料的臨界電弧電壓值也有影響。例如,純鋁的熔點667 ℃,它的噴涂電弧電壓要求在30~32 V,這個數值與熔點為1500 ℃的鋼絲噴涂電弧電壓值相近。噴涂鋁絲對電壓要求較高是因為在鋁絲表面氧化膜的電阻率較大,導電性差,需要高的電壓值才能維持電弧的穩定。

當噴涂電壓高于臨界電弧電壓值后,隨著電弧電壓的提高,線材尖端的距離增大,噴涂射流的角度增加,噴涂粒子的顆粒尺寸范圍將會增大。圖1是電弧電壓對噴涂粒子霧化和分布的影響。隨著電弧電壓的提高,噴涂材料的元素燒損傾向增加,尤其是那些容易與氧化合的元素,元素的損失更嚴重。


例如,當電弧噴涂含碳0.36%的4Cr13線材時,如果選用31V的電弧電壓,160 A的工作電流,霧化空氣壓力為0.45 MPa,噴涂距離150 mm,所得涂層的碳含量是0.22%,涂層硬度HV 390,與原始線材相比,碳元素燒損40%左右;在其他參數不變的情況下,當電弧電壓提高到34 V時,涂層含碳量為0.16%,涂層硬度HV 328,碳元素燒損了55%;若提高電弧電壓到37 V,涂層含碳量僅剩下0.11%,涂層硬度HV 298。由此可見,電弧電壓對噴涂質量影響很大,欲得到高質量涂層,在保證電弧穩定燃燒的前提下,要選擇盡可能低的電弧電壓值。電弧電壓越高,電弧越長,這就意味著在保持電弧穩定的前提下,允許兩根金屬絲在噴涂槍槍口處的交點偏差越大。在噴涂過程中,有時利用電弧的這個性質,在導電管磨損,且又沒有備用導電管可供更換的情況下,通過提高電壓來保持電弧的穩定。當然,使用這種應急方法獲得的涂層霧化質量會受到影響。表1是一些材料的噴涂工作電壓。

表1 一些材料的噴涂工作電壓

材料

工作電壓/V

材料

工作電壓/V

26~28

碳鋼及不銹鋼

30~32

30~32

錫合金

23~25

鋅鋁合金

28~30

鎳合金

30~33

鋁鎂合金

30~32

銅合金

29~32

稀土鋁合金

30~32

鋁青銅(黏結層)

34~38

鋅鋁偽合金

28~30

鎳鋁合金(黏結層)

34~38

在電弧噴涂自粘結材料用于打底層時,不能依據上述原則選擇電弧電壓。在這種情況下適當提高噴涂電壓,可以獲得更為粗大的噴涂粒子,過熱程度大,以便攜帶更多的熱量,有利于粒子的氧化與放熱反應。當粒子撞擊到工件表面時,經過充分加熱的粗大粒子更可能與工件表面發生微冶金結合,增加涂層與基體之間的結合強度,以提高表面工作層的結合可靠性。

2. 工作電流

平特性的電弧噴涂設備,噴涂電流直接受到送絲速度的控制。提高送絲速度,線材尖端的間隙減小,由于線材的間距決定于電弧電壓,電源有自動維持電弧電壓穩定的特性,因此,只有增加輸出功率,即增加工作電流,使線材更迅速地熔化才能維持這個平衡。工作電流正比于送絲速度,也就是說工作電流是噴涂生產效率的量度。從微觀角度看,電源的這個特點也很重要,如果由于某種原因,在噴涂過程中,送絲速度發生微小變化,電源會自動調節熔化線材所需功率。電弧噴涂的這個性質是與火焰噴涂不同的,火焰噴涂時的能量輸出不會自動隨著送絲量的變化而變化,這就勢必影響材料的熔化程度。

提高工作電流,不但可以增加噴涂生產效率,還可以提高涂層質量。表2是在0.5MPa的霧化空氣壓力,125mm的噴涂距離條件下,選用不同工作電流,測得的Crl3型馬氏體不銹鋼涂層中的氧化物含量和孔隙率。

表2 工作電流對涂層中氧化物含量和孔隙率的影響

工作電流 /A

生產能力 /Kg.h-1

孔隙率 /%

氧化物含量 /%

50

1.14

4.29

8.48

100

2.27

2.47

11.80

200

4.54

1.96

9.33

300

8.0

1.79

6.56

較大的工作電流可以得到高質量的涂層,但工作電流的上限往往受到電弧噴涂設備容量的限制。當工作電流低于某一數值時,電弧也不能穩定燃燒。最低工作電流值不但與材料有關,還與線材尺寸截面有關,對具體規格的線材來說,每種材料都有對應的最低工作電流值。

3. 霧化空氣

霧化空氣壓力很大程度地決定了噴涂粒子的霧化程度和飛行速度,并影響涂層的性能。同樣的霧化空氣壓力,對不同的噴槍設計有不同的霧化效果,好的噴槍設計應當使霧化氣流集中在熔化金屬絲的尖端部位,使高速氣流以剪切方式將金屬熔滴變成細片狀脫離電弧區,并進一步將其霧化和加速。對具體的噴涂槍來說,當噴涂某種線材時,在其他工藝參數不變的情況下,高的霧化空氣壓力將得到高致密的涂層。

在噴涂自粘結材料做黏結底層時,往往不希望使用很大的霧化空氣壓力,去獲得細密的涂層,相反的,稍粗大一些的噴涂粒子可攜帶較多的熱量,更有利于與基體之間發生微冶金結合。

有時對某些低熔點材料也不希望有過高的霧化空氣壓力,因為,材料的熔點較低,高的霧化壓力將使熔滴更細小,加劇熔滴氧化和冷卻,在噴涂粒子流到達工件表面之前,許多比較細小或嚴重氧化的熔滴已經凝固和硬化,當撞擊到工件表面時就會被反彈掉,降低噴涂層的沉積率。例如,在噴涂鋅涂層時,可明顯地觀察到這種現象。

壓縮空氣是最經濟的霧化氣源,在鋼鐵結構大面積防腐蝕的噴涂施工中,主要是采用壓縮空氣作為霧化氣體。為了避免某些材料的過分氧化,有時,使用氮氣作為霧化氣源可得到非常致密,且氧化物含量很少的涂層,涂層的力學性能也有明顯改善。由于電弧噴涂時氣體消耗量很大,大量使用瓶裝氮氣會造成經濟上和運輸上的困難,因此限制了它的應用。

4. 噴涂距離

噴涂距離是指噴涂槍與工件表面間的距離。金屬絲在電弧區被熔化后經霧化空氣霧化和加速,撞擊到工件表面形成涂層。在噴涂槍的噴嘴處,壓縮空氣的流動速度最大,熔滴的速度最低,隨著噴涂距離的增加,噴涂粒子被逐漸加速。同時霧化氣流的速度逐漸降低。例如,在噴涂鋼絲時,在大約50 mm處噴涂粒子有最快的飛行速度;由于空氣阻力和加速氣流的減弱,噴涂粒子的飛行速度開始下降。根據流體力學原理,在一定的霧化氣體壓力和流量下,粒子的飛行速度取決于它的尺寸。熔化的金屬從噴涂槍噴射出后,被霧化和加速,由于粒子的尺寸不同,它們被加速的程度不同,圖2是電弧噴涂碳鋼涂層時,測繪的霧化氣流速度與不同尺寸噴涂粒子的飛行速度隨噴涂距離的變化規律。

由圖2中可見噴涂粒子在50~200 mm的噴涂距離內有較高的飛行速度。欲得到高質量涂層,不但需要噴涂粒子具有較高的飛行速度,還要求粒子具有足夠高的溫度,使粒子處于熔化或軟化狀態,在撞擊到工件表面時充分變形,保證各個噴涂粒子互相鑲嵌,使涂層有足夠的內聚強度與結合強度。圖3是噴涂距離對3Crl3涂層的結合強度的影響。

在噴涂過程中,處于高度過熱狀態的噴涂粒子極易氧化,它們具有很大的比表面積。粒子尺寸越細小,單位體積的比表面積越大,與氧化合的機會越多。在正常噴涂距離內,噴涂粒子只需1~2 ms時間就可達工件表面。盡管粒子在空氣中的飛行時間很短,由于粒子有很大的比表面積和有充分的氧氣供給,所以粒子的氧化現象往往是很嚴重的。對鋼鐵材料來說,氧化過程會給涂層帶來許多不利的影響,如碳元素燒損,氧化物含量增加和孔隙率的增加等,其中碳元素的含量變化直接影響著涂層的力學性能。圖4是噴涂距離對3Crl3涂層的氧化物含量和孔隙率的影響。

       

對于電弧噴涂鋅或電弧噴涂鋁這些防腐蝕涂層來說,常用的噴涂距離應為150~250 mm.在這個范圍內,噴涂粒子可獲得足夠高的飛行速度和粒子溫度,所得到的涂層具有較好的涂層質量和力學性能。隨著噴涂距離的增大,一些飛行速度較慢的粒子以及一些氧化嚴重的粒子已喪失了足夠的動能和塑性,不能沉積到工件上,從而影響了涂層的沉積效率。由于離開噴槍的噴涂粒束流大多呈圓錐形狀,距噴槍越遠,錐底越大。大面積防腐蝕施工時,較遠一些的噴涂距離有助于提高噴涂沉積的均勻程度,但一定注意不要過大,以免過多地降低涂層的結合強度和沉積率。

 

 


 

根據電弧噴涂工藝的特點和要求,可將電弧噴涂操作的主要工藝參數總結為四項:電弧電壓,工作電流,霧化空氣壓力和噴涂距離。工藝參數選擇是否正確和合理,將直接影響到電弧噴涂工藝的穩定性、涂層質量、噴涂速度和沉積效率等,因此合理選擇工藝參數十分重要。

對于操作人員來說,在噴涂時,控制這些參數很容易,只需短時間培訓就可熟練地操作設備,得到穩定質量的涂層。

1. 噴涂電壓

噴涂電壓是指噴涂時兩金屬絲間的電弧電壓。在電弧噴涂時,兩根金屬絲被均勻地送進,在噴涂槍前部兩絲尖端產生電弧,欲得到性能穩定和質量可靠的涂層,需要維持穩定的電弧電壓。電弧電壓反映了線材尖端距離的量度,有效地控制這個參數可以維持霧化區幾何形狀的穩定,所以通常使用的電弧噴涂設備要求具有平直的電源伏安特性。電弧電壓影響著電弧燃燒的穩定性,每一種材料都有自己的電弧穩定燃燒的最低電弧電壓值。電弧電壓越低,熔化了的粒子尺寸就越小,范圍也越窄。如果電弧電壓低于材料的臨界最低電弧電壓,電弧就不能穩定地燃燒,線材就會出現斷續接觸現象,伴隨著電弧的間斷和引燃,塊狀的未充分熔化的絲段出現,有時甚至出現兩根絲平行焊在一起的現象。此時電流表指數劇烈擺動,有時甚至超出電流表的量程范圍。

材料的臨界電弧電壓值主要與材料的熔點有關。一般說來,熔點低的材料,臨界電弧電壓值低;反之,熔點高的材料,臨界電弧電壓也高。臨界電弧電壓除了受材料熔點影響外,線材表面的氧化膜的電阻率對材料的臨界電弧電壓值也有影響。例如,純鋁的熔點667 ℃,它的噴涂電弧電壓要求在30~32 V,這個數值與熔點為1500 ℃的鋼絲噴涂電弧電壓值相近。噴涂鋁絲對電壓要求較高是因為在鋁絲表面氧化膜的電阻率較大,導電性差,需要高的電壓值才能維持電弧的穩定。

當噴涂電壓高于臨界電弧電壓值后,隨著電弧電壓的提高,線材尖端的距離增大,噴涂射流的角度增加,噴涂粒子的顆粒尺寸范圍將會增大。圖1是電弧電壓對噴涂粒子霧化和分布的影響。隨著電弧電壓的提高,噴涂材料的元素燒損傾向增加,尤其是那些容易與氧化合的元素,元素的損失更嚴重。


例如,當電弧噴涂含碳0.36%的4Cr13線材時,如果選用31V的電弧電壓,160 A的工作電流,霧化空氣壓力為0.45 MPa,噴涂距離150 mm,所得涂層的碳含量是0.22%,涂層硬度HV 390,與原始線材相比,碳元素燒損40%左右;在其他參數不變的情況下,當電弧電壓提高到34 V時,涂層含碳量為0.16%,涂層硬度HV 328,碳元素燒損了55%;若提高電弧電壓到37 V,涂層含碳量僅剩下0.11%,涂層硬度HV 298。由此可見,電弧電壓對噴涂質量影響很大,欲得到高質量涂層,在保證電弧穩定燃燒的前提下,要選擇盡可能低的電弧電壓值。電弧電壓越高,電弧越長,這就意味著在保持電弧穩定的前提下,允許兩根金屬絲在噴涂槍槍口處的交點偏差越大。在噴涂過程中,有時利用電弧的這個性質,在導電管磨損,且又沒有備用導電管可供更換的情況下,通過提高電壓來保持電弧的穩定。當然,使用這種應急方法獲得的涂層霧化質量會受到影響。表1是一些材料的噴涂工作電壓。

表1 一些材料的噴涂工作電壓

材料

工作電壓/V

材料

工作電壓/V

26~28

碳鋼及不銹鋼

30~32

30~32

錫合金

23~25

鋅鋁合金

28~30

鎳合金

30~33

鋁鎂合金

30~32

銅合金

29~32

稀土鋁合金

30~32

鋁青銅(黏結層)

34~38

鋅鋁偽合金

28~30

鎳鋁合金(黏結層)

34~38

在電弧噴涂自粘結材料用于打底層時,不能依據上述原則選擇電弧電壓。在這種情況下適當提高噴涂電壓,可以獲得更為粗大的噴涂粒子,過熱程度大,以便攜帶更多的熱量,有利于粒子的氧化與放熱反應。當粒子撞擊到工件表面時,經過充分加熱的粗大粒子更可能與工件表面發生微冶金結合,增加涂層與基體之間的結合強度,以提高表面工作層的結合可靠性。

2. 工作電流

平特性的電弧噴涂設備,噴涂電流直接受到送絲速度的控制。提高送絲速度,線材尖端的間隙減小,由于線材的間距決定于電弧電壓,電源有自動維持電弧電壓穩定的特性,因此,只有增加輸出功率,即增加工作電流,使線材更迅速地熔化才能維持這個平衡。工作電流正比于送絲速度,也就是說工作電流是噴涂生產效率的量度。從微觀角度看,電源的這個特點也很重要,如果由于某種原因,在噴涂過程中,送絲速度發生微小變化,電源會自動調節熔化線材所需功率。電弧噴涂的這個性質是與火焰噴涂不同的,火焰噴涂時的能量輸出不會自動隨著送絲量的變化而變化,這就勢必影響材料的熔化程度。

提高工作電流,不但可以增加噴涂生產效率,還可以提高涂層質量。表2是在0.5MPa的霧化空氣壓力,125mm的噴涂距離條件下,選用不同工作電流,測得的Crl3型馬氏體不銹鋼涂層中的氧化物含量和孔隙率。

表2 工作電流對涂層中氧化物含量和孔隙率的影響

工作電流 /A

生產能力 /Kg.h-1

孔隙率 /%

氧化物含量 /%

50

1.14

4.29

8.48

100

2.27

2.47

11.80

200

4.54

1.96

9.33

300

8.0

1.79

6.56

較大的工作電流可以得到高質量的涂層,但工作電流的上限往往受到電弧噴涂設備容量的限制。當工作電流低于某一數值時,電弧也不能穩定燃燒。最低工作電流值不但與材料有關,還與線材尺寸截面有關,對具體規格的線材來說,每種材料都有對應的最低工作電流值。

3. 霧化空氣

霧化空氣壓力很大程度地決定了噴涂粒子的霧化程度和飛行速度,并影響涂層的性能。同樣的霧化空氣壓力,對不同的噴槍設計有不同的霧化效果,好的噴槍設計應當使霧化氣流集中在熔化金屬絲的尖端部位,使高速氣流以剪切方式將金屬熔滴變成細片狀脫離電弧區,并進一步將其霧化和加速。對具體的噴涂槍來說,當噴涂某種線材時,在其他工藝參數不變的情況下,高的霧化空氣壓力將得到高致密的涂層。

在噴涂自粘結材料做黏結底層時,往往不希望使用很大的霧化空氣壓力,去獲得細密的涂層,相反的,稍粗大一些的噴涂粒子可攜帶較多的熱量,更有利于與基體之間發生微冶金結合。

有時對某些低熔點材料也不希望有過高的霧化空氣壓力,因為,材料的熔點較低,高的霧化壓力將使熔滴更細小,加劇熔滴氧化和冷卻,在噴涂粒子流到達工件表面之前,許多比較細小或嚴重氧化的熔滴已經凝固和硬化,當撞擊到工件表面時就會被反彈掉,降低噴涂層的沉積率。例如,在噴涂鋅涂層時,可明顯地觀察到這種現象。

壓縮空氣是最經濟的霧化氣源,在鋼鐵結構大面積防腐蝕的噴涂施工中,主要是采用壓縮空氣作為霧化氣體。為了避免某些材料的過分氧化,有時,使用氮氣作為霧化氣源可得到非常致密,且氧化物含量很少的涂層,涂層的力學性能也有明顯改善。由于電弧噴涂時氣體消耗量很大,大量使用瓶裝氮氣會造成經濟上和運輸上的困難,因此限制了它的應用。

4. 噴涂距離

噴涂距離是指噴涂槍與工件表面間的距離。金屬絲在電弧區被熔化后經霧化空氣霧化和加速,撞擊到工件表面形成涂層。在噴涂槍的噴嘴處,壓縮空氣的流動速度最大,熔滴的速度最低,隨著噴涂距離的增加,噴涂粒子被逐漸加速。同時霧化氣流的速度逐漸降低。例如,在噴涂鋼絲時,在大約50 mm處噴涂粒子有最快的飛行速度;由于空氣阻力和加速氣流的減弱,噴涂粒子的飛行速度開始下降。根據流體力學原理,在一定的霧化氣體壓力和流量下,粒子的飛行速度取決于它的尺寸。熔化的金屬從噴涂槍噴射出后,被霧化和加速,由于粒子的尺寸不同,它們被加速的程度不同,圖2是電弧噴涂碳鋼涂層時,測繪的霧化氣流速度與不同尺寸噴涂粒子的飛行速度隨噴涂距離的變化規律。

由圖2中可見噴涂粒子在50~200 mm的噴涂距離內有較高的飛行速度。欲得到高質量涂層,不但需要噴涂粒子具有較高的飛行速度,還要求粒子具有足夠高的溫度,使粒子處于熔化或軟化狀態,在撞擊到工件表面時充分變形,保證各個噴涂粒子互相鑲嵌,使涂層有足夠的內聚強度與結合強度。圖3是噴涂距離對3Crl3涂層的結合強度的影響。

在噴涂過程中,處于高度過熱狀態的噴涂粒子極易氧化,它們具有很大的比表面積。粒子尺寸越細小,單位體積的比表面積越大,與氧化合的機會越多。在正常噴涂距離內,噴涂粒子只需1~2 ms時間就可達工件表面。盡管粒子在空氣中的飛行時間很短,由于粒子有很大的比表面積和有充分的氧氣供給,所以粒子的氧化現象往往是很嚴重的。對鋼鐵材料來說,氧化過程會給涂層帶來許多不利的影響,如碳元素燒損,氧化物含量增加和孔隙率的增加等,其中碳元素的含量變化直接影響著涂層的力學性能。圖4是噴涂距離對3Crl3涂層的氧化物含量和孔隙率的影響。

       

對于電弧噴涂鋅或電弧噴涂鋁這些防腐蝕涂層來說,常用的噴涂距離應為150~250 mm.在這個范圍內,噴涂粒子可獲得足夠高的飛行速度和粒子溫度,所得到的涂層具有較好的涂層質量和力學性能。隨著噴涂距離的增大,一些飛行速度較慢的粒子以及一些氧化嚴重的粒子已喪失了足夠的動能和塑性,不能沉積到工件上,從而影響了涂層的沉積效率。由于離開噴槍的噴涂粒束流大多呈圓錐形狀,距噴槍越遠,錐底越大。大面積防腐蝕施工時,較遠一些的噴涂距離有助于提高噴涂沉積的均勻程度,但一定注意不要過大,以免過多地降低涂層的結合強度和沉積率。

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