第五章 表面涂覆技术-part2

第五章第五章表面涂敷技术2第二节热浸镀一.概述：热浸镀简称热镀（HotDip），是将被镀金属材料浸于熔点较低的其他液态金属或合金中进行镀层的方法。基本特征是在基体金属与镀层金属之间有合金层形成。因此，热浸镀层由合金金属和镀层金属构成。(时间不宜过短)形成热镀层的基本前提是被镀金属与熔融金属之间能发生溶解、化学反应和扩散等过程。热浸镀常用的低熔点金属相和合金中，只有铅不与铁反应，也不发生溶解。因此，必须在铅中添加一定数量的第二种元素，例如锡或锑等，它们与铁反应并形成合金层，而与铅形成固溶合金。3第二节热浸镀被镀金属材料一般为钢、铸铁及不锈钢等。用于热镀的低熔点金属有锌、铝、铅、锡及其合金等。热镀锌(HotdipGalvanizing)：价廉、耐蚀性良好的镀层。还具有牺牲性保护作用，被大量用于保护钢材防大气腐蚀。热镀铝(HotdipAluminizing)：发展较晚，1930’s出现于美国。除具有优异的抗大气腐蚀性(尤其对工业大气和海洋大气)外，其铁铝合金层还具有良好的耐热性(Heatresistance)。热镀锡(HotDipTinning)：是昀早发展的热浸镀层。l6世纪在欧洲一些国家用原始的简单方法生产镀锡板，主要用作食品包装器具。由于锡资源短缺，目前热镀锡工艺多以电镀锡代替。热镀铅(HotDipTerne)：也是较早发展的镀层产品。1830年开始在美国生产热镀铅板。由于铅的熔点低，化学稳定性好，很适于作钢材的保护镀层材料。但需要添加一定量锡或锑。为减少锡的消耗，巳开发出先镀镍再热镀铅的新工艺。从而可把锡的添加量从原来的l5%-20%降低到8％(重量)以下。锌铝合金镀层：1970’s起开发，耐蚀性远优于单一的镀锌层。其中已商品化的有55％A1-Zn合金镀层和Zn-5％A1-Re合金镀层，将逐渐代替现有的镀锌层。4第二节热浸镀5种类用途热浸镀锌板、带1)建筑业：屋顶板内、外壁材料，围栏，百叶窗，排水管道及其它建筑器材2)交通运输业：汽车车体与运输器械制造的面板与底板等3)机器制造业：各种机器、家用电器、通风装置的壳体、仪表箱、信号与开关箱等4)器具方面：各种橱柜、公文柜、箱子、槽、罐、水桶与烟筒等热浸镀锌钢管1)一般管道用：水、煤气、蒸汽与空气用管、电线套管与农田喷灌管、排水管等2)石油、化工业:油井管、油井套管、输油管及架设栈桥钢管桩、加热器、冷凝冷却器等3)建筑业：建筑构件、脚手架、暖房结构架、电视塔及桥梁结构等热浸镀锌钢件1)通讯与电力工程：电报、电话、有线广播、铁道闭塞信号架空线、电缆、高压输电导线、矿用钢丝绳等2)一般用途：牵拉、编织、结扎、捆绑及普通民用等3)供水暖、电讯构件，输变电铁塔、灯塔，矿山井筒装备、井热浸镀铝钢板1)耐热方面：汽车排气系统、烘烤炉、食品烤箱、粮食烘干设备、烟筒等2)耐蚀方面：大型建筑物的屋顶板、侧壁、瓦楞板；通风管道、汽车底板和驾驶室；包装用材、水槽、冷藏设备等热浸镀铝钢丝1)低碳钢丝：编织成网用作篱笆、围栏、海岸护堤网、鱼网；山道及矿井巷道用安全网；食品烤炉链条等2)高碳钢丝：架空通讯电缆、架空地线、钢芯铝绞线的芯线；舰船用钢丝绳等热浸镀铝钢管1)石油加工：管式炉管、热交换器管道2)炼焦化工：热交换器、分馏塔、冷凝器、管式煤气初冷器、洗涤塔管道等3)化学工业：硫酸、邻苯二甲酸酐的管式接触器、热交换器及各种干或湿、热及冷的腐蚀性气体、液体的输送管道等，蒸汽锅炉管道等热浸镀钢材的主要用途6第二节热浸镀根据热浸镀前处理方法的不同，其工艺可分为溶剂法和保护气法两大类：1.溶剂法热浸镀(FluxMethod)溶剂法是最常用的热浸镀方法。在热浸镀之前，在清洁的金属表面涂一层助镀剂，防止钢铁腐蚀。浸入镀液后，助镀层能迅速分解，并起到清除基体金属表面的氧化物、降低熔融金属表面张力的作用，以提高镀层质量。预镀件碱洗→水洗→稀盐酸处理→水洗→溶剂处理→烘干→热浸镀→镀厚处理→制品。2.氢还原法热浸镀(ReducingMethodbyHydrogen)典型的生产工艺是森吉米耳(Sendzimir)法。它是将待镀的钢材先通过微氧化炉，将钢材表面残余的油污、乳化液等烧掉，同时钢材表面被氧化成蓝色的氧化薄膜。然后进入通有氢气的还原炉，把钢材表面的氧化皮还原为适合热浸镀的活性海绵状铁，并使钢铁继续加热，完成再结晶退火。在保护性气氛中，钢材被冷却到适当温度后，进入镀锅。其余工艺同溶剂法。该工艺取消了溶剂法中的碱洗、酸洗、水洗与溶剂处理等一系列操作步骤，适合连续化生产，主要用于带钢热镀锌、铝和钢管镀锌等现代化的大生产工艺。7第二节热浸镀8二.热浸镀锌热浸镀锌是世界各国公认的一种经济实惠的保护工艺。热浸镀锌镀层的结合牢固性、覆盖性都远比电镀锌好。第二节热浸镀9在钢材热镀锌时，锌液与钢材之间发生一系列的复杂的物理化学过程。包括锌液对钢表面的浸润、铁的熔解、铁原子与锌原子之间的化学反应以及铁原子与锌原子的相互扩散等。经过这些过程，在钢材表面便形成了由铁与锌结合的Fe-Zn合金层。当热镀纯锌时，此合金层由Γ、δ1和ζ三个相构成。从钢基体起，按锌浓度增大方向，形成的Fe－Zn合金相依次为Γ、δ1和ζ三个相，其昀外层为纯锌层。由于纯锌层中熔解少量铁，在相图中也占有一定的区域，称为η相。镀锌层断面示意图第二节热浸镀FeZn10第二节热浸镀三.热浸镀铝镀铝钢材是表面涂镀层钢材一个主要品种。它是钢基体的高强度和镀铝层的良好耐蚀性结合起来而构成的一种新材料，因而具有强度高、耐蚀性好的特性，此外，镀铝层还赋予这种新材料以良好的耐热性。镀铝方法中，以热浸镀工艺昀经济，应用范围昀广，并且在许多情况下可以用普通碳钢代替不锈钢和高合金镍铬钢，节约大量昂贵的合金元素钢材的热镀铝一般指热镀纯铝和热镀铝硅两种镀层。铝硅镀层多用于钢板、钢丝等需加工变形的产品。纯铝镀层主要用于不需再加工的钢结构件和钢管等产品。热镀纯铝层的合金层厚而脆，不能用于钢板、钢丝等需加工变形的产品，而含硅的镀铝层的合金层薄而软，有利其镀层产品的加工变形。纯铝镀层的合金层很厚，且不平坦．呈锯齿状。一般镀铝条件下，纯铝镀层的合金层厚度约30μm。铝硅镀层的合金层厚度很小且平坦。一般热镀铝硅合金条件下，其厚度约5μm。铝硅镀层的硅含量一般在6％-l0％。11第二节热浸镀a)耐热性（抗高温氧化性）：镀铝钢材在大气中在450℃以下可以长期使用。镀铝后的钢材使用温度可提高200℃。Q235钢镀铝后抗高温氧化性能优于0Crl7Mnl3Mo2N，提高抗高温氧化能力100倍以上。b)耐蚀性：镀铝钢材具有优异的耐大气腐蚀性，特别是在含有SO2、H2S、NO2、CO2等工业大气的环境下。在大气条件下，浸镀铝比浸镀锌有更好的耐蚀性能，其腐蚀量仅为热浸镀锌钢的1/10～1/5。c)对光和热的反射性：镀铝钢材对光和热的反射能力与表面形成的Al2O3膜有关，在500℃以下仍然保持很高的反射率，此时镀铝钢板比不锈钢板表面温度低近50℃。适合做炉子内衬。12第二节热浸镀Fe2Al5＋FeAl3Al13第二节热浸镀14第二节热浸镀15第二节热浸镀16第三节堆焊一.堆焊的定义：堆焊(Surfacing)是用焊接的方法把填充金属熔敷在基材表面以获得满足某特定服务要求所需要的性能和尺寸的工艺过程。堆焊既可修复材料的缺陷，也可用于强化材料或零件表面，使材料具有新的性能。17二.堆焊的特点堆焊就其物理本质和冶金过程而言，具有焊接的一般规律，但还具有自身的特性：1.堆焊的目的是用于表面改质，因此，堆焊材料与基体往往差别很大，具有异种金属焊接的特点。堆焊层材料和基体材料的性能差异会严重影响其焊接性。如果两种金属不相容，则不可能直接用于堆焊，例如：铅与铜、铁与镁、铁与铅。对于那些有限互溶而易形成金属间化合物的焊材，一般焊接会降低接头性能，但大多可用于堆焊。不过必须采取适当的工艺防止堆焊层开裂。2.与整个机件相比，堆焊层仍是很薄的一层，其强度只要能承受表面耐磨等要求即可。堆焊层与基体的结合力，一般冶金结合即可满足，但是必须保证对基体的强度不损害，或者损害可控制在允许限度之内。3.要保证堆焊层自身的高性能，要求尽可能低的稀释率。4.堆焊用于强化某些表面，因而希望焊层尽可能平整而均匀。这要求堆焊材料与基体应有尽可能好的润湿性和尽可能好的流平性。第三节堆焊18堆焊方法分类氧乙炔焰堆焊（丝材、粉末）手工电弧堆焊埋弧堆焊单丝埋弧堆焊多丝埋弧堆焊带板埋弧堆焊电弧堆焊气体保护堆焊熔化极气体保护堆焊非熔化极气体保护堆自保护管状焊丝堆焊振动电弧堆焊等离子弧堆焊冷丝等离子弧堆焊热丝等离子弧堆焊粉末等离子弧堆焊堆焊电渣堆焊第三节堆焊19第三节堆焊20几种堆焊方法特点比较堆焊方法稀释度（%）熔敷速度（㎏/h）最小堆焊厚度（mm）熔敷效率（%）氧乙炔焰堆焊手工送丝自动送丝粉末堆焊1～101～101～100.5～1.80.5～6.80.5～1.80.80.80.210010085～95手工电弧堆焊10～200.5～5.43.265钨极氩弧堆焊10～200.5～4.52.498～100熔化极气体保护电弧堆焊其中：自保护电弧堆焊10～4015～400.9～5.42.3～11.33.23.290～9580～85埋弧堆焊单丝多丝串联电弧单带极多带极30～6015～2510～2510～208～154.5～11.311.3～27.211.3～15.912～3622～683.24.84.83.04.09595959595等离子弧堆焊自动送粉手工送粉自动送丝双热丝5～155～155～155～150.5～6.81.5～3.60.5～3.613～270.252.42.42.485～9598～10098～10098～100电渣堆焊10～1415～751595～100第三节堆焊21堆焊金属选择的一般原则工作条件堆焊合金高应力金属间磨损钴基合金低应力金属间磨损低合金钢金属间磨损+腐蚀或氧化钴基、镍基合金低应力磨料磨损、冲击浸蚀、磨料浸蚀高合金铸铁低应力严重磨料磨损，切割刃碳化物气蚀浸蚀钴基合金严重冲击高合金锰钢严重冲击+腐蚀+氧化钴基合金高温下金属间磨损钴基合金凿削式磨料磨损奥氏体锰钢热稳定性，高温蠕变强度（540℃）钴基、镍基合金22第三节堆焊三.堆焊的用途分类按用途分：堆焊通常有4种类型：包覆层堆焊(Cladding)：把填充金属熔敷在低合金钢或碳钢的基材表面。提供抗腐蚀的保护层的工艺过程。包覆层除了耐均匀腐蚀外，还要抗局部腐蚀，因而应严格控制堆焊层的稀释率，确保包覆层所需的合金含量。包覆层在强度设计中不予考虑。耐磨层堆焊(Hardfacing)：熔覆高硬度耐磨层。堆积层堆焊(Buildup)：修复填充缺失磨损的体积。隔离层堆焊(Buttering)：焊接异种材料或有特殊要求的材料时，为保证接头质量和性能，预先在母材表面（或坡口面）上熔敷的一定成分的金属层称隔离层。熔敷隔离层的工艺过程称隔离层堆焊23第三节堆焊汽车、拖拉机、工程机械、轧辊、轴类、工模具等易损零件均大量采用堆焊工艺修复。修复旧件的费用较低，而使用寿命往往比新件还高，如堆焊旧轧辊的费用是新轧辊的30％～50％，而轧制金属量可比新轧辊提高3—5倍。因此，广泛采用堆焊工艺修复旧件，对节约钢材，节省资金，弥补配件短缺，提高经济效益等作用显著。堆焊技术的进步一是体现在工艺方法上，例如由最初的手工电弧堆焊、氧乙炔堆焊发展为埋弧堆焊、振动堆焊、气体保护堆焊和等离子堆焊等；另一方面体现在堆焊材料上，成分由原来的碳钢、低合金钢发展为多种性能的高合金钢(如高速钢、高铬合金铸铁)、镍基合金，钴基合金、铜基合金以及超硬碳化钨金属陶瓷。24第三节堆焊25思考题•形成热镀层的前提是什么?•热镀铅需要注意什么?•热镀铝和铝硅合金层的特点有何不同？•比较热镀铝与热镀锌的适用场合？•堆焊与一般焊接有何不同？•按照用途分，堆焊可分为哪四类，各自的目的是什么？•零件修复可用哪些表面技术？