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热喷涂铝或锌涂层技术概论

一、 热喷涂铝或锌涂层性能

1、 耐蚀性

热喷涂铝或锌涂层有优良的耐大气、清水腐蚀能力,表2-6给出碳钢、锌和铝在大气中腐蚀速率。铝尤其是对氧的亲和力极强,在大气中常温下易与氧反应形成致密坚固的氧化膜(Al2O3,这种膜保护铝不继续氧化,所以耐蚀性很强。

表2-6碳钢、锌和铝在大气中腐蚀速率

材料

平均腐蚀速率/um/年)

乡村大气

城市大气

工业区大气

海洋大气

碳钢

465

2371

26175

26104

0.23

216

216

0.58

00.1

01

0.40.6

由于铝或锌电极电位比铁低,当铝或锌涂在正电性更高的钢铁表面时,在有电解质溶液存在条件下,基体与铝或锌形成一个原电池,铝或锌涂层为阳极,钢铁基体为阴极。阳极慢慢溶解(腐蚀),而钢铁基体却不腐蚀,即铝或锌涂层成为牺牲阳极材料,对钢铁基体进行了阴极保护。

2、 耐高温氧化

钢铁基体表面的热喷涂铝涂层经过扩散渗铝工艺的处理,在钢铁表面发生铝原子和铁原子的相互扩散,形成能抗高温氧化的铝铁合金层,可在900高温下使用。

热喷涂铝涂层若加涂高分子材料作为封闭剂,则其耐蚀性将大大提高。表2-7及表2-8为金属涂层防腐试验的几个例子。

表2-7金属喷涂层防腐试验(国内)

序号

试验单位

试验时间

试验内容

主要结论

1

北京工业大学

原冶金部钢铁研究总院

1987年

裸金属;线材火焰喷Al涂层、喷Zn涂层;电弧喷Al、喷Zn涂层及加封闭剂的盐雾试验、CNSS试验。试验标准:GB6458-86

(1) 裸金属2h试验全部腐蚀

(2) 未封闭的Al、Zn涂层经264h后,涂层表面出现白锈,但仍保护基体

(3) 加封闭剂的喷Al、Zn涂层防腐效果很好

2

北京工业大学

原冶金部钢铁研究总院

1987年

裸金属及金属喷涂层腐蚀率试验。试验方法:电化学测极化率曲线并计算腐蚀率。试验温度:25,试验介质:胜利油田辛三地区污水,主要是Cl-腐蚀

测定腐蚀率(mm/年):20钢0.070

线材火焰喷涂:Zn涂层0.107;Al涂层0.041

电弧喷涂;Zn涂层0.096;Al涂层0.075

表2-8金属喷涂层防腐试验(国外)

序号

试验单位

试验时间

试验内容

主要结论

1

美国焊接学会(19年挂片试验)

1953年发表

现场挂片,试样:低碳钢试样喷Al、Zn涂层,共3936个试样

(1) 喷AlZn涂层,可保证基体(钢)在海水、严惩海洋大气及工业大气中19年不锈

(2) AlZn涂层外加封闭剂可大大延长涂层寿命,达25年以上

2

前苏联11年及18年挂片试验

1974年发表

矿井下含矿物水对喷Al、Zn涂层作用

喷Al、Zn涂层在含矿物水腐蚀条件下挂片试验,11年不锈

3

法国地下铁道公司(10年挂片试验)

1979年发表

喷Al、Zn涂层试样,环境:海洋大气、静态海水、动态水全浸或间浸

(1) 喷AlZn涂层10年内均未锈蚀

(2) 喷AlZn涂层外加封闭剂,10年以上仍完好

4

英国钢铁公司(15年挂片试验)

AlZn涂层试样,环境:工业大气、海洋大气、热带海洋大气、海水间浸及全浸、淡水间浸及全浸

(1) 热带海洋大气,4年半后喷Zn层破坏,喷Al层完好

(2) 工业大气及海洋全浸喷Al涂层优于喷Zn

(3) 淡水中,喷涂层(AlZn+封闭层,效果更好

二、 热喷涂铝或锌涂层的形成及结构

1、 热喷涂铝或锌涂层的形成

(1) 金属线材火焰喷涂

以氧-乙炔焰为热源,将金属线材加热至熔融或塑性状态,在高速气流(压缩空气)作用下,将雾化的金属颗粒以高速打击到工件表面,不断沉积成涂层。塑性态金属颗粒打击到基体表面会变形。示意图见图2-20。

图2-20金属线材火焰喷涂

(2) 电弧喷涂

如图2-21所示,在喷枪中,两条金属丝作为通电两极间夹角θ=300~600,接触后形成电弧,将丝熔化。由中间管子中吹出之高压气流(压缩空气)将熔融金属雾化并喷射于工件上形成涂层。

图2-21电弧喷涂

2、 热喷涂铝或锌涂层结构

热喷涂铝或锌涂层结构均为典型的层状结构。这是由于塑性态金属颗粒不断打击到工件表面成为片状所致,无数片状颗料沉积靠“抛锚效应”相互勾拉,形成层状结构的涂层。

铝及锌喷涂层孔隙率由金属线材火焰喷涂一般为3%~8%;而电弧喷涂为3%以下。

金属线材火焰喷铝或锌涂层与电弧喷涂铝或锌涂层结合强度及喷涂效率比较见表2-9。由表2-9可见,电弧喷涂涂层结合强度及喷涂效率均比金属线材火焰喷涂要高得多。

三、 热喷涂铝或锌涂层制备工艺

1、 金属线材(铝或锌)涂层制备工艺

(1) 金属线材火焰喷涂系统见图2-22。

①空压机   主要要求是:压力及风量。

压力   对金属线材火焰喷涂枪要求空气压力为0.40.6Mpa

表2-9电弧喷涂与火焰喷涂比较

喷涂材料

喷涂方法

结合强度/MPa

喷涂效率/(kg/h

备注

Al

电弧法

16.48

18.62

8

北工大实验结果

火焰法

10.99

9.31

5

北工大实验结果

Zn

电弧法

13.24

7.84

34

北工大实验结果

火焰法

7.26

7.84

14

北工大实验结果

Cr13

电弧法

火焰法

31.36

20.97

15

5

含碳0.1%碳钢

电弧法

火焰法

39.89

16.07

14

5

18-8型钢

电弧法

火焰法

31.36

17.35

15

5

铝青铜

电弧法

火焰法

25.48

16

7

图2-22金属线材火焰喷涂

排气量   对金属线材火焰喷涂枪要求排气量为1.2m3/min。这个排气量是一把喷枪的排气量,若是两把火焰喷枪,或是电弧喷涂,或是喷砂与喷涂同时进行,则空压机压力和排气量分别为0.70.8MPa及6m3/min以上为宜。

②油水分离器、冷凝器及储罐、空气滤清器

油水分离器、冷凝器   将压缩空气中油雾、水蒸气(温度较高)冷却并去掉油和水,获得干燥、干净、温度较低的空气。

储罐   储存空气,耐压为10atm,同时可起冷凝作用。

空气滤清器   将空气进一步过滤并吸潮,使之更干净、干燥。

即经冷凝器和储罐初步净化的空气进入过滤器后,使体积再次膨胀,流速下降。经多层填料(如活性炭)过滤及吸附,杂质沉入底部排出,干净的空气从上部排出。

③氧气瓶   压力为15MPa,容器一般为40L,可存6m3氧气。

④乙炔瓶   压力为1.5MPa,瓶内乙炔溶解在含丙酮的多孔物质(活性炭)中。将乙炔以1.47MPa压力压进,使用时溶解在丙酮中使乙炔分解供使用。

特别要提出,乙炔瓶上必须安装回火防止器。水封式回火防止器要直立安装,且每1把喷枪必须有独立的回火防止器。水封式回火防止器必须设有卸压孔、防爆膜。

⑤喷涂枪   目前国内通用的金属线材火焰喷涂枪为QX-1型(上海良时机械设备有限公司)及SQP-1型(上海良时机械设备有限公司)。

BQP-1型金属线材火焰喷涂枪   其主要特点是:i)电动送丝、速度可调,既可喷铝又可喷钢。本枪送丝机构新颖,由专用为本枪研制配套的微电机送丝,并且送丝平稳,速度可在大范围内调节。用一把枪可喷铝、锌、铜、又可喷碳钢、不锈钢。一枪多用大大减少了用户开支,这是国内现有喷枪无法与之匹敌的。ii)阀杆及有关接触面的特殊处理,令气阀使用寿命高,即耐磨损性提高,从而在总体上提高了枪的寿命。iii)喷涂效率高,节省生产成本。无论喷铝还是喷钢,均高于国内同类产品,约分别可提高7.5%(铝)及16.6%(不锈钢)。iv)枪体轻、操作简单,使用安全、可靠,易于维修。喷枪较国内同类产品约轻7.9%,且不易回火,易损件更换简便。只要按操作步骤使用,平时几乎不用维修。其外形见图2-23。

图2-23  QX-1型金属线材火焰喷涂枪

SQP-1型金属线材火焰喷涂枪   其主要特点是:i)由空气吹动多片气轮送丝,速度调节依靠磨擦片。ii)分高速枪(喷铝、锌)及中速枪(喷钢)两种,可供用户选用。

上述两种金属线材火焰喷涂枪已广泛在我国热喷涂行业中应用,尤其是热喷涂铝或锌涂层的制备。

(2) 喷砂机

在进行热喷涂铝或锌之前,必须对工件表面进行喷砂粗化处理,即用喷砂机进行。热喷涂常用方法有下述4种。

①射吸式   如图2-24所示。压缩空气在A处产生负压,吸入砂子,由扩张口B喷出。这种喷砂方式特点是:小巧灵活,适用于小工件及实验室;缺点是效率低。

②压送式   如2-25所示。压缩空气自A处进入后分两路:一路向上进入储砂筒,在筒内产生压力P压送砂子;另一路进入喷砂枪,砂在自重及压力P压送下向下落,由压缩空气沿喷砂枪向前吹送从枪口B处喷出。可在喷砂室或现场喷砂作业。这种装置特点是结构简单、效率高,但较笨重,需要大空压机。

图2-24  射吸式喷砂                                图2-25压送式喷砂

③抛射式(或称离心抛砂法)其原理是:砂子在压缩空气输送下,进入叶轮(即从叶轮中心吸入铁砂),然后从叶尖靠离心力将砂抛出。此法多采用有回收磨料的循环抛射装置。这种喷砂方式的特点是效率高、耗电少;但不灵活,且不宜喷小工件。

④无尘喷砂式   这是一种可回收磨料的喷砂方法。在对工件表面喷砂后,砂料与锈蚀物、废旧涂料等一起被吸入机器内部。经过分离,砂料可重复使用,废弃物被置于密闭箱内以待定期排出。这种喷砂机具有保护环境、安全便捷、性能稳定和节约砂料等突出优点。

⑤我司生产的喷砂机举例

i) SPS-6.5型   是一种小型射吸式喷砂枪,见图2-26。由上海良时机械设备有限公司生产。

ii) AC-3LP型 是一种可移动式的压送式喷砂机,见图2-27。由上海良时机械设备有限公司生产。

iii) AC系列喷砂机含有多种型号,从轻便的AC-1P型手控移动式到AC-5-2A型5枪超大型喷砂机,见图2-28及图2-29。由上海良时机械设备有限公司生产。

图2-26 SPS-6.5型射吸式喷砂枪            图2-27 AC-3LP型移动压送式喷砂机

iv) KPBD-1760电控自动连续加砂型   主要用于自动化喷砂用机,见图-30。由重庆中圭长平砂设备有限责任公司生产。

v) AC系列喷砂机   包括压送式、射吸式等多种喷砂设备,见图2-31。由上海良时机械设备有限公司生产。

在我国,实验室及小工件大量采用吸入式喷砂方法。工程上大面积喷砂作业多采用压送式喷砂法,国产喷砂设备与国外相比还有一定差距,见表2-10。

图AC-1P型手控移动式喷砂机        图2-29  ACE-4-2A枪超大型喷砂(丸)机

图2-30 ACE-32A型喷砂机                       图2-31 SB系列喷砂机

表2-10国内外喷砂机效率对比

      类型

比较

压送式/(m2/h

离心抛砂/(m2/h

无尘喷砂/(m2/h

离心抛砂自动线

国外

国内

510

35

50~100

20

3~6

3~6

(3) 涂层制备工艺

①基体前处理(喷砂)对压缩空气要求:必须清洁、干燥。

对磨料要求:所选磨料必须清洁、有棱角。工程上所用磨料有下述几种。

i) 石英砂   4号~3号。粒度为0.52mm,砂子应坚硬、有棱角、干净无泥土。筛孔粗筛16目、细筛24目。

ii) 熔融刚玉和碳化硅   熔融刚玉(白刚玉、棕刚玉等)和碳化硅。这类磨料除了有较高的硬度和棱角外,还有较好的耐用性和极好的粗化效果。

iii) 冷硬铸铁       棱角形冷硬铸铁磨料有较高的使用寿命,可一直用到棱角磨钝才更换。但在非铁金属如铝锌及其合金上易造成电化学腐蚀。

除上述磨料外,炼钢炼铜的炉渣也可使用。我国禁止在敞开条件下进行喷砂作业(无尘喷砂例外)。

喷砂要达到的清洁度为Sa3,即完全除去氧化皮、锈、污垢和旧涂层等附着物。

喷砂要求达到的粗糙度为RZ25~100um,即在取样长度内5个最大轮廓峰高与5个最大轮廓谷深的平均值之和应达到上述值。

②喷铝或锌   工艺参数一般是:乙炔压力0.050.10MPa,氧气压力0.200.40MPa;压缩空气压力0.400.70MPa;氧乙炔火焰   中性焰;喷距150~200mm;涂层厚度0.150.25mm,不要一次喷到,应多次喷达。

③涂层后处理(封闭)   为什么喷涂完后涂层要封闭处理?由热喷涂涂层形成过程(前文已述)可知涂层孔隙必然存在。例如氧-乙炔火焰线材喷涂铝涂层孔隙率一般为5%~12%,可能由于错综曲折的连接从基体直达涂层表面,这将影响到防腐效果,同时会使涂层密闭性下降。故必须进行封闭(孔隙)处理。

涂层经封闭处理产生的效果如下。

i) 大大提高金属涂层防蚀能力。所形成的复合涂层(铝或锌喷涂层+封闭层),其抗腐蚀寿命大于单个涂层(铝或锌喷涂层与封闭层)寿命之和。

ii) 由于封闭剂的渗透效果,在金属涂层孔隙中会形成盐类或渗入的封闭剂而得封闭,防止污物或碎屑进入孔隙,堵死“错综曲折的通道”。

封闭剂应具备的条件如下。

i) 良好的渗透性   即要求封闭剂粘度较低,且能与金属涂层良好湿润,从而易渗入到涂层孔隙中去。

ii) 良好的耐腐蚀性   即要求封闭剂在涂层所处的介质中有良好的抗蚀性。

封闭剂的种类选择见表2-11。

表2-11封闭剂种类及用途

种类

封闭剂

施工

适用条件

无机材料

碳酸盐;磷酸盐;铬酸盐;锶盐等水溶液

喷洒或刷涂

一般大气腐蚀

有机材料

环氧树脂;环氧煤沥青;乙烯树脂;氯化橡胶;氨基酯;不饱和聚脂

刷涂

较恶劣环境、工业大气、海洋大气、江、河、海水、化工介质

耐高温抗氧化材料

硅树脂(如硅溶胶)+铝粉

刷涂

可耐550℃以下高温

④火焰金属线材喷涂铝或锌涂层选择   推荐于工程中应用的喷铝或锌涂层厚度,不同介质环

境下的选择见表2-12~表2-24。

表2-12推荐的最小涂层厚度

    涂层

环境

Zn

Al

Al-Mg5

Zn-All5

未涂装

涂装

未涂装

涂装

未涂装

涂装

未涂装

涂装

盐水

N,R

100

200

150

250

200

N,R

100

淡水

200

100

200

150

150

100

150

100

城市环境

100

50

150

100

150

100

100

50

工业环境

N,R

100

200

100

200

100

150

100

海洋大气

150

100

200

100

250

200

150

100

干燥室内环境

50

50

100

100

100

100

50

50

①N,R不推荐

②海洋环境中应用。

注:表中推荐的最小涂层厚度是防止过早失效的限定值,不能作为选择涂层的准则,这是由于系统的行为和预期寿命未必一致。

表2-13锌与铝涂层及封闭层组合体系

服役环境

喷涂层金属

涂层厚度/mm

封闭或涂装

乡村气氛

0.1

涂一层乙烯基或环氧清漆

乡村气氛

0.276

涂两层乙烯基铝或一层防蚀乙烯基加乙烯基或乙烯基醇酸色漆面层

温和工业气氛

0.1

涂一层乙烯基或环氧清漆

严酷工业气氛

0.15

涂两层乙烯基铝或其色漆

温和海洋气氛(无盐雾)

0.15

涂洗涤底漆,并可涂乙烯基铝涂料

严酷海洋气氛(含盐雾)

0.3

涂洗涤底漆,并可涂乙烯基铝涂料

严酷海洋气氛(含盐雾)

0.15

涂洗涤底漆,并涂乙烯基铝涂料

高湿度气氛

0.1

涂三层乙烯基铝涂料

自来水全浸(低于49℃,pH值>6.77.5)

0.25

不需后续覆盖层

盐水全浸

0.3

洗涤底漆,可涂乙烯基铝涂料

盐水全浸

0.15

涂洗涤底漆,并涂乙烯基铝涂料

高温

0.15

两层铝硅酮涂料

表2-14典型腐蚀环境种类

类型

种类

环境条件

户外

非污染内陆

非污染的大多数乡村和城郊

污染内陆

工业和城市居民区及一些污染严重的内陆地区

非污染海岸

除能检测到盐分之外,其他条件同非污染内陆

污染海岸

除能检测到盐分之外,其他条件同污染内陆

户内

室内常干

建筑物内

常结露或常湿

大量的凝结水或水雾,如室内游泳池

海水

海水全浸飞溅区

海水(含其他盐水和入海处的河口水)浸没

或经常性盐雾

海面和海上及经常性盐雾环境中的构筑物

其他

淡水

非盐水,如河水中的构筑物、污水处理池和居民供水系统

表2-15常用的封闭剂、封闭涂料、涂装涂料

类型

代号

成膜粘结剂

主颜料

主要性能

封闭剂

L1

双组分聚乙烯醇缩丁醛

四盐基铬酸锌

为磷化底漆,能形成磷化-钝化膜,可提高封闭层及封闭涂料的相容性及防蚀性能,其干膜厚一般小于10um

L2

双组分聚乙烯醇缩丁醛/酚醛

四盐基铬酸盐

性能同L1,干漆膜较厚,可达20um,与F2F5配套

L3

双组分环氧聚氨基甲酸酯

锌铬黄或磷酸锌

性能同L1,与F3配套

L4

双组分聚氨基甲酸酯

锌铬黄或磷酸锌

性能同L1,与F4配套

封闭涂料和涂装涂料

F1

氯乙烯-醋酸

乙烯共聚物

Al粉色

成膜性、柔韧性及耐候性均较好,可用于一般大气环境,但在水中易鼓泡脱层故不宜用于水环境与L1配套

F2

双组分

酚醛

Al粉色

耐酸性较好,可用于一般酸性气氛及水环境,但其耐碱性差,不宜用于碱性环境

F3Q1

双组分

环氧

Al粉色

耐潮、耐水、耐化学品性能优良(强碱性环境除外),但耐候性差,易粉化,故宜用于户内及水环境、而不宜用于户外大气

F4Q2

双组分

聚氨基甲酸酯

AlZn粉色

综合性能优良,耐潮、耐水、耐化学品均好,且漆膜具有良好的硬度、弹性及耐磨性,有此品种耐候性亦好,可用于户内、外各种大气及水环境

F5Q3

改性国漆

清色

耐水及耐化学品好,有的固化后漆膜无毒性,可用于食品工业钢结构设施的防蚀,漆膜耐候性差,不宜用于户外环境,施工中漆酚可能引起过敏反应,应注意防护

表2-16非污染内陆大气使用的涂层

第一次维修寿命

涂层类型

标号

总厚度/um

很长(20年以上)

喷铝

Al160

160

喷锌

Zn160

160

喷铝+封闭

Al120LF

120

喷锌+封闭

Zn160LF

160

长(1020年)

喷铝

Al120

120

喷锌

Zn120

120

喷锌+封闭

Zn120LF

120

喷铝+封闭+涂装

Al120LQA

120+(30100)

喷锌+封闭+涂装

Zn120LQA

120+(30100)

①指涂层施加至首次涂层大修的时间。

②指涂层施加方案。

③最小局部厚度(见GB9793~9796),括号内数字为涂装层厚度。

表2-17污染内陆大气户外使用的涂层

第一次维修寿命

涂层类型

标号

总厚度/um

很长(20年以上)

喷铝

Al160

160

喷锌

Zn300

300

喷铝+封闭

Al160LF

160

喷锌+封闭

Zn160LF

160

长(1020年)

喷铝

Al120

120

喷锌

Zn120

160

喷铝+封闭

Al120LF

120

喷锌+封闭

Zn120LF

120

喷铝+封闭+涂装

Al120LQB

120+(60100)

喷锌+封闭+涂装

Zn120LQB

120+(60100)

中长(5~10年)

喷锌

Zn120

120

①、②、③同表2-16注。

表2-18非污染海岸大气户外使用的涂层

第一次维修寿命

涂层类型

标号

总厚度/um

很长(20年以上)

喷铝

Al160

160

喷锌

Zn300

300

喷铝+封闭

Al160LF

160

喷锌+封闭

Zn160LF

160

长(1020年)

喷锌

Zn160

160

喷铝+封闭

Al120LF

120

喷锌+封闭

Zn120LF

120

喷铝+封闭+涂装

Al120LQA

120+(30100)

喷锌+封闭+涂装

Zn120LQA

120+(30100)

中长(5~10年)

喷锌

Zn120

120

①、②、③同表2-16注。

表2-19污染海洋大气户外使用的涂层

第一次维修寿命

涂层类型

标号

总厚度/um

很长(20年以上)

喷铝

Al300

300

喷锌

Zn400

400

喷铝+封闭

Al160LF

160

喷锌+封闭

Zn300LF

300

长(1020年)

喷铝

Al160

160

喷锌

Zn300

300

喷铝+封闭

Al120LF

120

喷锌+封闭

Zn160LF

160

喷铝+封闭+涂装

Al120LQB

120+(60100)

喷锌+封闭+涂装

Zn160LQB

120+(60100)

中长(5~10年)

喷锌

喷锌+封闭

Zn160

Zn120LF

160

120

①、②、③同表2-16注。

表2-20室内常干环境使用的涂层

第一次维修寿命

涂层类型

标号

总厚度/um

很长(20年以上)

喷铝

Al120

120

喷锌

Zn120

120

长(1020年)

喷铝+涂装

Al180LQA

80+(30100)

喷锌+涂装

Zn80LQA

80+(30100)

①、②、③同表2-16注。

表2-21经常结露和常温环境使用的涂层

第一次维修寿命

涂层类型

标号

总厚度/um

很长(20年以上)

喷铝

Al160

160

喷锌

Zn160

160

喷铝+封闭

Al120LF

120

喷锌+封闭

Zn120LF

120

长(1020年)

喷铝

Al120

120

喷锌

Zn120

120

喷铝+封闭+涂装

Al120LQA

120+(30100)

喷锌+封闭+涂装

Zn120LQA

120+(30100)

①、②、③同表2-16注。

表2-22海水全浸涂层

第一次维修寿命

涂层类型

标号

总厚度/um

很长(20年以上)

喷铝+封闭

Al160LF

160

喷锌+封闭

Zn300LF

300

长(1020年)

喷锌

Zn300

300

喷锌+封闭

Zn200LF

200

喷铝+封闭+涂料

Al160LQB

160+(60100)

喷锌+封闭+涂料

Zn200LQB

200+(60100)

中长(5~10年)

喷锌

喷锌+封闭

喷铝+封闭

Zn160

Zn120LF

Al120LQB

160

120+(60100)

120+(60100)

短(5年以下)

喷锌

Zn120

120

①、②、③同表2-16注。

表2-23海水飞溅区或经常性盐雾环境使用的涂层

第一次维修寿命

涂层类型

标号

总厚度/um

很长(20年以上)

喷铝+封闭

Al160LF

160

喷锌+封闭

Zn300LF

300

长(1020年)

喷锌

Zn300

300

喷锌+封闭

Zn200LF

200

喷铝+封闭+涂料

Al160LQB

160+(60100)

喷锌+封闭+涂料

Zn200LQB

200+(60100)

中长(5~10年)

喷锌

喷铝+封闭

喷锌+封闭

Zn160

Al120LF

Zn160LF

160

120

160

短(5年以下)

喷锌

Zn120

120

①、②、③同表2-16注。

表2-24淡水环境使用的涂层

第一次维修寿命

涂层类型

标号

总厚度/um

很长(20年以上)

喷铝

Al160

160

喷锌

Zn200

200

长(1020年)

喷铝+封闭

Al120LF

120

喷锌+封闭

喷铝+封闭+涂料

喷锌+封闭+涂料

Zn160LF

Al120LQA

Zn160LQA

160

120+(30100)

160+(30100)

注:1. ①、②、③同表2-16注。

2.与食品接触的表面喷涂锌、铝涂层保护时,应注意锌、铝涂层及其上述封闭剂或涂装层可能造成的污染与毒害,必须征求专家的意见后方可使用,钦用水设备只推荐喷锌。

⑤金属线材火焰喷铝涂层微观形貌   见图2-32。这是喷铝涂层电子显微镜扫描(SEM)照片,由照片可清楚看到层状结构。

2、 电弧喷铝或锌涂层制备工艺

(1) 电弧喷涂系统

电弧喷涂系统见图2-33。电源可以是交流电,也可以是直流焊机。其电源外特性是平特性或少许上升特性。在此,为令电弧稳定,可给电弧直流叠加高频脉冲电流。

(2) 电弧喷涂特点

①涂层与基体结合强度高   由于电弧喷涂较之火焰线材或粉末喷涂粒子飞行速度高(约为100~180m/s,一般线材火焰喷涂为80~160m/s)。由于粒子含热量大,因此,当熔融状态下粒子打到基体上时,形成局部微冶金结合的可能性要大得多,因此,涂层与基体有较强的结合强度。即一般电弧喷涂涂层与基体结合强度为线材火焰喷涂的1.52倍。

②喷涂效率高   在70年代初和中期,电弧喷钢生产率可达20~30kg/h,喷锌为45~55kg/h,为线材火焰喷涂的2倍。到80年代,电弧喷涂喷锌可达140kg/h以上。

图2-32  SEM照片

③设备投资及使用成本低   见表2-25上海良时机械设备有限公司使用一台电弧喷涂设备代替以前使用的四台电弧喷涂设备对管子和钢制电线杆喷锌,使生产连续进行。用直径3.2mm锌丝,生产率可达80.8kg/h,电喷与线材火焰喷消耗比较见表2-26。

                           图2-33电弧喷涂系统

表2-25两种线材喷涂工艺成本比较

喷涂方法

设备成本

操作成本(美元/h)

合计

美元/h

设备价格/美元

设备使用成本/(美元/h)

人工

气体

电弧

0.4万~0.9

0.55

8.0

空气0.30

0.35

9.2

线材火焰

0.2万~0.4

4.80

8.0

O2:1.90

C2H2:2.60

空气:0.30

17

表2-26电弧喷涂与线材火焰喷涂比较

喷涂

方法

设备

台数

电能消耗

kW

空气

L/min

O2

L/min

C2H2

L/min

总成本

(比例)

Zn损失

%

生产率

kg/h

电弧

1

17

1130

-

-

-

30.5

80.8

线材火焰

4

-

2490

165.2

99.1

20

34

80.8

④可方便制造“伪合金”涂层   即用两根不同万分线材即可。伪合金涂层可以具有独特的综合性能。如铜-钢伪合金具有良好的耐磨性与导热性,是制造刹车盘的好材料。

(3) 电弧喷涂设备

目前国内工程中使用的电弧喷涂设备主要有下述几种。

①ZPG-400B型电弧喷涂设备

ZPG-400B型固定式电弧喷涂设备   这种设备的主要技术参数如下。

喷枪重  6kg,全套装置重45kg

喷丝直径Φ1.6Φ1.8钢丝

电源  直流,工作电流100~170A;工作电压:30~50V

压缩空气消耗量1.4m3/min,压力0.50.6Mpa

喷涂效率Φ1.8mm钢丝:5.5kg/h,Φ1.6mm钢丝;4.3kg/h

送丝方式  拉丝

生产厂家  上海良时机械设备有限公司                        ZPG-400B型电弧喷涂机

②ZPG-400A型见图2-34。主要技术参数如下。

输入电压  380V

输出电压  27~40V

功率  12KW

最大工作电流  300A

送丝速度  24.8m/min

压缩空气压力  0.50.7MPa

喷涂生产率  10~20kg/h(钢)

生产厂家  上海良时机械设备有限公司

③ZPG型电弧喷涂设备   设备外形见图2-35,喷涂状况见图2-36。

主要技术参数

功率  12kVA

输入电压  380V                                           ZPG-400B型电弧喷涂机

输出电压  20~45V

输出电流  0~400A

送丝速度  2~5m/min

空气压力  0.50.7MPa

丝材直径  2mm(钢、铜等)

          3mm(铝、锌等)

喷涂生产率  30kg/h(锌)

            12kg/h(钢)

外形尺寸及重量                                        图2-36 喷涂状况

电源  620mm×330mm×600mm 48kg

送丝机  540mm×285mm×280mm 16kg

喷枪  1.3kg

主要技术特点如下:

i) 电源采用IGBT逆变技术,电源效率90%以上(抽头式电源为60%~65%),节省能源,重量为抽头式电源的1/4,结构轻巧、移动方便。电压连续可调、性能可靠、不断弧。电流在315A时,暂载率为100%;400A时,暂载率为60%。可24h连续作业。

ii) 送丝机构结构新颖、送丝流畅,且可与电源远距离分开使用,方便用户大面积、远距离作业的需要。

iii) 特别设计的喷涂枪可提供强大雾化气流,令雾化熔融金属粒子比一般电弧喷涂设备具有更高的飞行速度,因此所获涂层更致密,结合强度更高。

iv) 用户根据需要,可选择配置直径为2mm或3mm的线材喷嘴及送丝软管。

v) 喷涂时热输入小,工件不易变形。基体材料可以是金属,亦可以是非金属(如水泥、塑料、木材、玻璃钢、纸等)。

生产单位:上海良时机械设备有限公司

(4) 电弧喷涂工艺

基体前处理及封闭工艺与金属线材火焰喷涂工艺相同。铝涂层或锌涂层制备喷涂工艺可参考表2-27,涂层照片见图2-37。

表2-27电弧喷涂(铝或锌)工艺

喷涂材料

线材直径mm

电弧电压V

电弧电流A

压缩空气MPa

喷距mm

Φ2.0

28

150180

0.50.7

150250

Φ2.0

22

150180

0.50.7

150250

四、 热喷涂铝或锌涂层的应用

1、 概述

热喷涂铝或锌涂层是历史最早、技术最为成熟、应用面也最广的热喷涂层,前文所述的国内外挂片试验是其应用的最有力依据。

金属防护目前主要有三种方法。第1种是将工件与环境介质隔开,使环境介质无法对工件产生腐蚀作用。例如,采用有机涂层、电层、化学镀层、釉瓷、搪瓷层等。第2种是采用电保护。例如阴极保护。第3种是减弱介质对工件的腐蚀。例如,向介质(或反应剂)中加缓蚀剂,在涂料中加缓蚀颜料。而热喷涂铝或锌涂层在一定程度上兼具了上述三种保护作用。

2、 Zn-Al复合涂层及Al-RE涂层

(1) Zn-Al复合喷涂层

当用Zn-Al复合丝(铝含量为16%)制备热喷涂层时,其防腐蚀效果大为增加。当铝含量达30%时,更佳(但由于此时加工拉拔丝困难加大,故很少用)。

图2-37  电弧喷涂铝涂层金相片

(2) Al-RE稀土铝丝喷涂层

由于稀土元素(如镧)的加入,会使喷涂层耐蚀性能尤其是耐海水腐蚀性能大为提高。

3、 热喷涂锌或铝涂层防腐工程举例

(1) 大型水闸钢闸门及水工结构(耐水腐蚀、水库)

基本情况   闸门是水库、水电站、水闸、船闸抽水站等水利工程中的主要构件。长期浸水,启闭时频繁干湿交替,高速水冲击。水线部分受水、气、日光及水生物浸蚀及泥沙冲磨,因此易腐蚀。刷油漆一般防护期为3~4年,较好的可达7~8年,较差的为1~2年。喷Zn或Al寿命可达20年。

工艺方法   氧-乙炔火焰喷涂或电弧喷涂。

喷涂材料   AlZnΦ3.0mmΦ2.0mm

喷涂工艺   金属线材火焰喷涂枪或电弧喷枪。涂层厚度:0.150.25mm。涂层后处理:用环氧清漆(第1遍)+环氧铝粉漆(第2遍)或沥青漆、环氧煤沥青漆。

(2) 电厂输电铁塔、广播电视塔、电站管道等(耐大气腐蚀、电厂、电视台等)

工艺方法   金属线材火焰喷涂或电弧喷涂。

喷涂材料   Al或Zn丝。

喷涂工艺   同上例。

(3) 煤矿井下钢结构长效防腐(井下潮湿大气腐蚀,煤矿)

基本情况   平顶山煤矿、二矿、十一矿、进下水滴如注,空气中含CO2、SO2、NO2等腐蚀气。工字钢制梁及支架每年腐蚀约0.71mm,投产6年严重腐蚀。井筒寿命一般为10~15年,平顶山14个矿,每年至少1~2个矿的井筒因腐蚀必须更换。井筒是煤矿提升工人、煤及其他物料的关键部位,更换井筒一般要30天,维修停产费达500万元之巨。全国煤矿系统每年因维修井筒消耗钢材达4.5万吨。停产损失达亿元以上,现采用喷铝防护。

工艺方法   氧-乙炔火焰线材喷涂或电弧喷涂。

喷涂材料   铝(或锌)。

喷涂工艺   常规火焰线材喷涂或电弧喷涂工艺

适用范围    洗煤机械、框架、紧固件、井筒钢结构件,排水管道。

(4) 甲醇部分氧化反应器喷铝防腐蚀(高温水气腐蚀,化工厂)

基本情况   甲醇部分氧化反应器为生产甲醇的重要设备。设备直径为Φ3568×22,高7米,外壳材质相当于A3。反应器中因反应温度高,外加冷却水管,导致外壳严重水腐蚀,几乎需要年年除锈,漆膜多则3个月即全部脱落。某些部分腐蚀速度达1mm/年,壁厚减薄严重。后三台设备外壳喷铝防腐(加封闭),获得成功应用。

工艺方法   火焰线材喷涂或电弧喷涂。

喷涂材料   铝丝Φ3.0mm

喷涂工艺   常规氧-乙炔火焰喷涂或电弧喷涂工艺。

工程   例四川维尼纶厂机修厂

五、 热喷涂铝或锌涂层标准

1、 表面准备

(1)GB/T11373-1989热喷涂金属表面预处理通则

2、 名词述语与通用规范

(2)JB/T5070-1991热喷涂常用语

(3) GB/T12607-1990热喷涂涂层设计命名方法

(4) GB/T12608-1990热喷涂涂层材料命名方法

3、 絷喷涂涂层材料

(5)GB/T3197-1982焊条用铝及铝合金线材

4、 热喷涂

(6)GB/T9793-1997金属和其他无机覆盖层热喷涂锌、铝及其合金

(7)JB/T8427-1996钢结构腐蚀防护热喷涂锌、铝及其合金涂层选择与应用导则

(8)GB/T17456-1998球墨铸铁管   外表面喷锌涂层

5、 热喷涂设备

(9)JB/T4108-1999热喷涂设备   分类及型号编制方法

6、 热喷涂层试验与检验

(10)GB/T11374-1989热喷涂涂层厚义的无损测量方法

(11)GB/T8642-1988热喷涂层结合强度的测定

(12)GB/T8641-1988热喷涂层抗拉强度的测定

(13)GB/T8640-1988金属热喷涂层表面洛氏硬度试验方法

(14)JB/T7509-1994热喷涂涂层孔隙率试验方法   铁试剂法

7、 

(15)GB11375-1989热喷涂操作安全

(16)JB/T6973-1993热喷涂操作人员考核要求

添加时间:2015-10-20     浏览量:1965次    [上一条][下一条][返回

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