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 一、 概述
由于热喷涂涂层与基体的结合主要以物理及机械镶嵌结合为主,涂层与基体的结合质量与基体表面的清洁程度和粗糙度直接相关,因此,表面预处理就成了整个热喷涂作业中非常重要的一个环节。严格遵守表面制备中所采取的工艺规程,是确保热喷涂涂层获得成功应用的前提。为了获得良好的涂层质量,必须采用正确的表面制备方法。进行表面制备时需要考虑的重要因素有两个,其中,第一个因素是基体材料;第二个因素就是喷涂材料。
对于承受高应力的机器零件,喷涂前必须采用无损探伤方法进行仔细检查,以确保基体金属内没有缺陷存在。如果零件中存在结构缺陷,那么,在制备的涂层中也会产生类似缺陷,从而严重影响涂层质量。特别是,当工作介质中的气体、液体等渗入缺陷中时,如果在喷涂前不将缺陷消除,在喷涂过程中,由于燃流及喷涂粒子对基体的加热作用,会引起渗入的液体向涂层表面扩散,从而污染涂层表面,影响涂层与基体以及涂层内部变形粒子之间的结合,导致涂层质量下降,有时,甚至会导致形不成涂层。也就是说,不能奢望采用热喷涂来修复基体中存在的裂纹,也不可能通过热喷涂涂层来提高基体的强度。
在生产实际中,应根据实际零件的表面状态来选用合适的表面预处理工艺,在保证涂层质量的前提条件下,尽可能采用简化的表面预处理工艺,以降低涂层成本。
二、表面净化
表面净化是实施热喷涂前基体表面制备的第一步,主要用于除去所有喷涂表面的污垢,包括氧化皮、油渍、油脂和油漆等,喷涂过程的热不能除去这些污垢,这些污垢会严重影响涂层与基体的粘结。将这些污垢去除之后,清洁表面要一直保持,所有的喷涂表面都应小心保护,当待喷零件搬运时,要使用清洁工具,以免沾染灰尘和手印,从而导致表面发生二次污染。
1.表面除油
应用机械和化学的方法除去待喷涂工件表面的油渍。
(1)蒸汽除油。通常采用蒸汽法清除零件表面的有机污垢,这是一种经济而有效的方法。工件应烘烤15~30分钟,以除去缝隙中以及表面孔隙中的油污。砂型铸件或灰口铸铁之类的多孔材料,烘烤时间应更长一些。在蒸汽除油或清洗过程中,如果处理的物件太大,可将物件浸泡于热洗涤剂或无油溶剂中由专人进行清洗。工件表面的残余物要用机械方法除净。
从安全性及清洗的温度方面来考虑,通常采用的是全氯乙烯:三氯乙烯:三氯乙烷为1:1:1的除油剂。很多的烃类溶剂是危险品,有关其用途、使用场所及处理方法等都应严格遵照厂家的使用说明来进行。
生产厂家应考虑溶剂的再循环使用问题。氯化物溶剂会留有轻微的残渣,这可通过浸没洗涤法或用异丙醇及丁酯檫拭掉。
因氯气对钛及钛合金材料有诱发裂纹作用,因此,禁止用氯化物溶剂清洗此类材料。这类零件可选用碱洗、蒸汽吹、酸浸或挥发性溶剂洗涤等任何一种方法。或者,如有必要,可采用上述任两种或多种方法进行复合除油。
超声波清洗对于污垢积聚在狭窄的区域内的工件,适用于超声波清洗。该装置包括盛清洗液的容器及在容器内的超声波振荡发生器,根据所遇到的具体问题选定清洗液。由于操作中产生热量,对于长时间作业,不推荐使用易燃或易挥发的溶剂。
(2)有机溶剂除油。有机溶剂除油是利用有机溶剂对两类油脂的物理溶解作用除油。常用的有机溶剂包括:煤油、汽油、苯类、酮类、某些氯化烷烃、烯烃等。有机溶剂除油速度比较快,对金属无腐蚀(特例除外),但多数情况下除油不彻底,当附着在零件上的有机溶剂挥发后,其中溶解的油仍将残留在零件上。所以,进行有机溶剂除油后,必须再采用化学除油或电化学除油,进行补充除油处理,才能彻底除净残留在工件上的少量油脂。
有机溶剂除油的另一特点,是有机溶剂易燃或有毒,使用时要加强防护。
有机溶剂除油比碱性溶液化学除油贵。但若除油设备好,能对有机溶剂进行反复蒸馏,使其再生并循环使用,则可克服成本高的缺点。如某厂油污严重的轮轴,用破性化学除油需40-260 min,但采用三氯乙烯除油只需3-5 min,就能满足要求。
在配方中加人少量乳化剂如硅酸钠、皂粉、OP乳化剂、海鸥洗涤剂等表面活性剂可以除去矿物油。在碱液及乳化剂共同作用下除油效果更好。由于碱液除油的乳化作用有限,故对镀层结合力要求高,或需在弱酸或弱碱电解液中进行电镀时,仅采用碱液除油是不够的。特别是零件被矿物油严重污染时,不仅处理时间长,而且除油不彻底、为此这类零件进行碱液除油后,应采用乳化作用强的电解除油来进一步进行处理,才能获得满意的结果。
常用有机溶剂除油方法包括四种,具体如下:
1)浸洗法。此法将零件浸泡在有机溶剂中,并不断搅拌,油脂被溶解并带走不溶解的污物。各种有机溶剂都可用作除油剂。
2)喷淋法。将有机溶剂喷淋到零件表面上,使油脂被溶解下来,反复喷淋直到所有油污都除净为止,除沸点低、易挥发丙酮、汽油和二氯甲烷外,其他溶剂都可用于喷淋除油。喷淋除油最好在密封容器内进行。
3)蒸气洗法。将有机溶剂装在密闭容器底部,工件悬挂在有机溶剂上面,将溶剂加热,有机溶剂产生的蒸气在工件表面冷凝成液体,将油脂溶解并连同其它污物一起落回到容器底部,以除去工件表面的油污。
4)联合法。可采用浸洗加蒸气洗联合除油、或采用浸洗一喷淋一蒸气联合除油,效果更好。采用三氯乙烯做溶剂的三槽除油工艺除油效果最好。零件在第一槽中经加温浸泡,溶解掉大部分油脂;第二槽中用比较干净的溶剂除去工件上残留的油脂和污物;最后在第三槽中再进行蒸气除油。
三氯乙烯蒸气与冷的零件表面接触时,将冷凝成液体,并溶解掉零件表面残留的油脂,然后回流到槽中。如此循环,可除去零件表面的油脂。由于三氯乙烯比重较大,故不易从槽口演出。除油槽上部应有冷却装置,用来冷凝剩余的三氯乙烯蒸气。
若在第一槽底部加人超声波,可加速油脂及污物的脱离,特别能将抛光膏迅速除去。若加装喷淋装置,则可快速将大颗粒灰尘、粉末等冲掉。
在进行除油时,应注意以下事项:首先,要加强通风、防火、防爆;其次,当有机溶剂中油污的混入量达到25%-3O%时,应更换新溶剂,以免污染零件;最后,要注意防毒,因三氯乙烯在紫外线、热(>120C)、氧和火作用下,特别是在铝、镁的强烈催化下,会分解出有剧毒的光气和腐蚀性强的氯化氢。因此,采用三氯乙烯除油时,要严防将水带入除油槽内;避免除油槽受日光直射和高温烘烤;尽快捞出掉到槽中的铝、镁工件;安装良好的抽风装置等。
(3)电化学除油。将挂在阴极或阳极上的金属零件浸在碱性电解液中,并通人直流电,使油脂与工件分离的工艺过程称为电化学除油。电化学除油速度远远超过化学除油,而且除油彻底,效果良好。
电化学除油基本原理是,将金同零件作为一个电极,浸没在碱性电解液中,当通人直流电时,由于极化作用,金属-溶液界面的界面张力降低,溶液很容易渗透到油膜下的零件表面,并析出大量的氢气或氧气。当它们从溶液中浮出时,会产生强烈的搅拌作用,猛烈地撞击和撕裂油膜,使吸附在零件表面的油膜被碎成细小的油珠,迅速与工件脱离,进人溶液后成为乳浊液,从而达到除油的目的。
根据零件的极性电化学除油可分为阴极除油与阳极除油两类,工件接阴极叫阴极除油;工件接阳极叫阳极除油。电化学除油是最后的除油工序。
影响电化学除油的因素包括氢氧化钠的浓度、乳化剂选择、电流密度、电解液温度以及除油方法。
氢氧化钠是强电解质,其水溶液导电能力强,浓度越高,导电能力越强,电流密度大,除油速度快。氢氧化钠对钢铁表面有钝化作用,可以防止钢铁零件在阳极除油时遭受腐蚀。氢氧化钠对铝、锌等金属有强烈的腐蚀作用,一般不用于这些金属的除油。
电解除油时,乳化剂的作用已降至次要地位。通常不使用OP-10、烷基硫酸钠、洗净剂6501及6502、肥皂等表面活性剂,因为它们的发泡能力强,若电解液中含上述成分,在工作时,液面会被大量的氢、氧混合气体的泡沫覆盖,遇有电极接触不良产生的火花,就会发生爆炸。因此电化学除油的电解液中通常只加人磷酸三钠、硅酸钠等发泡能力弱的乳化剂。皂化性油脂在除油过程中生成的肥皂,也有很强的发泡能力,当液面上泡沫较多时,应先切断电源,然后再放进或取出零件,以免发生爆炸。
提高电流密度,可以提高除油速度和改善深孔内的除油质量。但电流密度过高时,会形成大量的碱雾,污染车间里的空气;还可能腐蚀零件。不仅在阳极除油时会产生腐蚀作用,铝及其合金零件在阴极除油电流密度过大时,也会因阴极区溶液的 pH值升高,遭到腐蚀;而钢质零件则因渗氢作用增大会变脆。合适的电流密度要保证能析出足够的气泡,才能提高除油效果,一般采用 5-10 A/dm2。
提高温度可降低电解液的电阻,增加电流密度,促进皂化和乳化作用,加快除油速度,提高除油效率,节约电能。但温度过高,不仅消耗了大量热能、污染车间空气、恶化劳动条件,还有可能腐蚀铝和锌等零件。合适的温度是70-90℃。电化学除油主要是靠电解作用除油,电解液的温度可稍低于化学除油。
当金属零件接阳极时,其表面进行的是氧化过程,并析出氧气。反应过程如下:
4OH--4e=02↑+ 4H2O
因此,采用阳极除油时,零件没有氢脆的危险,能除去零件表面的浸蚀残渣和某些金属的薄膜,如锡、锌、铅、铬等。但阳极除油速度比阴极除油低,且铝、锌、锡、铅、铜及其合金会受到腐蚀。当溶液碱度低、温度低和电流密度高时,特别是电解液中含有氯离子时,钢铁零件也可能遭受斑点腐蚀。
当金属零件接阴极时,其表面进行的是还原过程,并析出氢气。反应过程如下:
4H2O+4e=2H2↑+4OH-
阴极上析出的氢是阳极上析出氧的2倍。因此,阴极除油速度快,一般不腐蚀零件。但是,阴极上析出的氢容易渗到钢铁零件中,并引起氢脆(特别是高强钢或弹簧钢,受氢脆影响极易损坏)。经阴极除油的零件,因渗氢的影响,电镀时镀层容易起泡;若电解液中含有少量锌、锡、铅等杂质时,会在零件表面产生海棉状析出物,也将影响后续的电镀质量。为了克服以上两种方法的缺点,最好采用联合电化学除油法。
(4)超声除油。超声波是频率在16kHZ以上的高频声波,向除油液中发射超声波可以加速除油过程,这种工艺方法叫超声除油。将超声波用于化学除油、电化学除油、有机溶剂除油及酸洗等,都能大大地提高效率。对形状复杂、有细孔、盲孔和除油要求高的制品,除油更有效。
超声除油的基本原理是,当向液体中发射超声波时,将使液体产生超声振荡,液体内部某一瞬间压力突然减小,接着的瞬间压力突然增大,如此不断反复。在压力突然减小时,溶液内会产生很多真空的、很小的空穴,溶解在溶液中的气体会被吸人空穴中,形成气泡,小气泡形成后的瞬间,由于压力增大,气泡被压破,并产生冲击波,这种冲击波能使油污脱离工件表面。气泡破裂瞬间,还会产生瞬间高温高压,将加速液体内的搅拌和 流。超声波就是利用冲击波对油膜的破坏作用及空洞现象、高温高压引起的激烈的搅拌作用强化了溶解、皂化和乳化作用,加速了除油过程。此外,超声波在溶液内的反射产生的声压,也会促进搅拌作用。
超声除油通常是和有机溶剂除油、化学除油、电化学除油、低温除油等方法联合使用的,除遵守相应的除油方法的工艺参数外,独立的工艺参数有两个,一是超声波发生器的功率,超声发生器的功率越大,除油效果越好。有资料介绍,当超声波场强度达到0.3 w/cm2以上时,在1s内,溶液间将发生数万次强烈碰撞,碰撞力为 5-200 kPa,产生非常大的能量,形成极高的液体加速度,使油污迅速除去;二是超声波加人方式,可以将超声换能器直接装在清洗槽上,也可以把换能器放在清洗槽内。采用前者要求超声功率大,后者功率相对较小,但要通过试验,将换能器放在清洗槽内最有效的部位。
采用超声除油时,要合理选择超声波场参数、频率和振幅等参数,参数选择合理,可抑制阴极电化学除油的渗氢作用,防止氢脆。一般形状较复杂的小制品可用高频低振幅的超声波;表面较大的制品则可选用频率较低的超声波(15-30 kHz)。
超声波是直线传播的,与超声传播方向垂直的表面除油效果最好,为提高工件凹陷部位及背面的除油效果,最好不断旋转或翻动零件。
(5)擦拭除油。用毛刷或抹布在上石灰浆、氧化镁、去污物、洗衣粉或金属除油剂在零件表面擦拭叫擦拭除油。擦拭除油不需要除油设备,操作灵活性大,不需要外加能源,成本低,可对任何零件进行除油。其缺点是手工操作,效率低,劳动条件差,故目前主要用于体积大,批量小,形状复杂,用其它方法很难处理的零件除油。
2.浸蚀
酸浸或稀酸浸蚀,是一种比较强烈的表面净化过程,主要用于除去零件表面的油污、锈蚀产物和氧化膜等。常用浸蚀液大多是各类酸的混合物,包括硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、铬酐和氢氟酸。而对于铝、锌等两性金属,则需采用碱性浸蚀剂。其中,氢氟酸有剧毒,且挥发性强,使用时应严防氢氟酸液和氟化氢气体接触人体,浸蚀槽最好能密封并有良好的通风装置,含氟废水不能顺意排放。注意:多数浸蚀液,不仅能溶解金属氧化物,而且还能溶解金属并析出氢,会导致基体过腐蚀并引起氢脆。为了抑制基体腐蚀,并减少氢脆,常常在浸蚀液中加入缓蚀剂。常用的缓蚀剂有:硫化动物蛋白、皂荚浸出液、二磷甲苯硫脲、硫脲、尿素、六次甲基四胺和氯化亚锡等。此外,酸液中的某些杂质,如硫化物、胶体硫、磷等,虽然它们的含量只有万分之几或千分之几,但也会加速氢的扩散过程,所以,浸蚀时应防止有害杂质进入浸蚀溶液中。
浸蚀过程应该是工件加工的最后一步,以减少酸所招致的危害或伴随出现的金属晶间腐蚀。酸浸时要求将零件全部浸泡在酸液中。视工件表面污垢的顽固情况及对表面清除的要求,来决定浸泡的时间长短。酸浸之后,用热水冲洗、碱水浸泡,最后再用热水或蒸汽彻底清洗或吹洗。
被酸污染的表面,可浸泡在小苏打溶液或热碱溶液中进行中和清洗。相反,被碱污染的表面,可用1%的盐酸溶液,或10%的醋酸溶液进行中和清洗,然后再用清洁的水冲洗,并用压缩空气吹干。
3.擦刷
当只需进行局部清洗时,可采用手工金属丝刷或电动金属丝刷来完成,主要借助金属丝刷的划痕作用来达到清洁表面的效果。当需要清除零件表面的氧化皮、锈蚀物、油漆层、焊渣、焊接飞溅物等污染物时,需要的切削力较大,常选用刚性大的钢丝刷,并进行干式擦刷;当需要清除零件表面的浮灰时,所需切削力较小,可选用刚性小的黄铜丝、猪棕或纤维丝刷,可干刷,也可湿刷。湿刷时,若只需去除浮灰,可用自来水作为介质;如要除油,则应采用能去除油的清洁剂。
4.烘烤
许多机器零件往往是用多孔材料制造的,例如砂型铸件,这类零件往往容易吸附大量的油脂并渗入组织内部,采用清洗法不易清理干净,喷涂之前应将这些油脂去除。特别是,经过荧光渗透检查的焊接组件,尤其要经过烘烤处理。对于修复件来讲,多数工况条件下都采用油润滑,其疲劳裂纹中都会有油渗入,进行喷涂修复时,其表面净化处理尤为重要。如疲劳裂纹或磨损产生的犁沟较多、较深,应考虑采用机械加工的办法将裂纹部分切除;如没有肉眼明显可见的裂纹,常采用炉内加热或火焰烘烤法进行处理。一般来讲,在315℃的炉中烘烤4小时,即可达到除油效果。一次烘烤温度不易过高,如油污严重,可分多次烘烤。
强化和修复铸铁零件表面时,由于铸铁组织中含碳量高且以游离态的石墨形式存在,游离态的石墨会吸附在工件表面,如不将其全部清除,将严重影响粘结底层与基体的结合,可能引起局部翘起或脱落。因此,对于铸铁零件的喷涂,应特别注意其表面粗化和预加工后的二次净化处理。
三、表面机械加工
表面机械加工是另外一种表面预处理方法,通常是由车削或磨削来完成,其中,采用车削加工可使涂层与基体之间的结合面积增加30%左右,并且能提高涂层的抗剪切能力。表面经过车削或磨削后,还必须采用喷砂粗化或其它粗化方法进行表面处理,以进一步提高涂层与基体之间的结合强度。在热喷涂技术中,经常采用的表面机械加工方法有下切、开槽和平面布钉或切缝三种。
1.下切
下切是用车削或磨削的加工方法,将零件表面适当去除,一方面可以去除表面疲劳层,同时也为实施热喷涂涂层提供了空间的一种操作方法。在机械零件需要修复时,通常采用下切法。
为了使精加工涂层获得均匀的厚度,或者为了去除加工硬化的表层、化学污染、氧化物及先前遗留的热喷涂层的工件表面,往往也采用下切。由于下切会减少工件的横截面积,因而会影响到工件的抗拉强度和抗疲劳强度。
在圆柱体工件的每个下切切面端部,都必须在肩部切成方的或小钝角(15o),不推荐采用锐角楔形。每个下切角的半径应为0.38-0.50毫米,下切面不应延伸到轴的端部,而应留出一定的距离。
在下切截面的尽头,任何可能的地方都要留肩。
对于涂层经受来自端部压力的圆柱面(如泵柱塞),在其受压端的外圆周围,推荐采用堆焊层。将这道焊层机加工成3.2毫米的最小的肩,肩的直径应比轴的最后精加工尺寸大一些。在承压工作中,这道堆焊层比热喷涂涂层要好。
值得注意的是,焊接会影响基体金属的性能,在修复与维护中务必对此引起重视。
2.开槽
开槽是一种在基体上切出保持一定间距的一条条沟槽。开槽(或车螺纹)主要为了达到以下目的:
(1)减少收缩应力;
(2)增大涂层与基体的接触面积;
(3) 使涂层生成起伏叠层,以限制内应力。
当涂层遭受冷热循环时,在冷却过程中,因涂层与基体之间存在热物性的差异,会在界面上及涂层内部产生,该应力在涂层内不断累积,会导致涂层与基体发生剥离。这种应力随着涂层厚度的增加而增大,对于硬质金属或陶瓷涂层来讲,这种现象更为严重。由于开槽能使应力分散成很多小的分量,从而有效的减少内应力,对提高结合强度有利。
由于热喷涂涂层是由很多碰撞后的变形粒子组成的,很像一层有直线纹理的木料,与涂层垂直方向的强度要比其平行方向的强度低。由于变形粒子会随着大的凹槽上下起伏,从而改善了涂层的结合强度,减弱了涂层产生分裂的倾向。
在存在下列情况之一时,应考虑实施开槽处理:
1)厚度超过1.27毫米的所有涂层,任何部位有一条棱边的地方。
2)涂层的收缩性很高,而其厚度又超过0.76毫米,任何部位有一条棱边的地方。
3)没有棱边的涂层,例如,工作条件苛刻,或由于涂层厚、材料收缩大,因而在圆柱体表面上进行连续喷涂时存在开裂危险的涂层。
3.平面布钉或切缝
在平面上喷涂的硬金属涂层会出现特殊的问题。如果基体属于较硬的金属,喷砂所能剥蚀的深度将会减小,导致涂层的结合强度下降。另外,硬金属涂层通常较厚,不像铝或锌等一些软金属涂层那样薄,因此,在冷却过程中涂层产生的总收缩量会大得多。此时,通常要对平面进行布钉处理。布钉过程包括钻孔与攻丝,孔距约为25毫米,孔内插入没有镀层的平头螺钉,其材质应与基体成分相符。螺钉直径为3?6毫米,固定之后,对表面和螺钉都要进行喷砂处理。
四、 遮蔽处理
为了避免表面粗化过程中对非粗化表面的影响,以及在喷涂过程中保护非喷涂表面,便于喷涂后对非喷涂表面进行清理,特别是对各种自粘结粉末来讲,在非粗化表面上也能形成涂层且不容易清理掉,因此,在喷砂粗化和喷涂前均需进行遮蔽处理。根据遮蔽保护的目的不同可将其分为粗化遮蔽保护和喷涂遮蔽保护两种。
只有硅树脂和特氟隆(聚四氟乙烯)既可作为粗化处理前的遮蔽保护也可作为喷涂前的遮蔽保护。但是,在热喷涂过程中,要特别注意使零件表面保持在较低温度,尤其是采用硅树脂和特氟隆(聚四氟乙烯)进行遮蔽保护时,更要谨慎控制基体表面温度,以防遮蔽物产生过热,甚至燃烧,从而污染涂层。适于粗化前遮蔽保护的材料主要有织物、橡胶和塑料;适于喷涂前遮蔽保护的材料主要是金属或玻璃丝遮蔽胶带,如美科遮蔽胶带(Flame Spray Masking Tape、HP Flame Spray Masking Tape和MachblocTM)和圣戈班遮蔽胶带(Saint-Gobain Thermal Tapes),这些遮蔽胶带可以阻挡喷涂粒子在非粗化表面形成涂层,并且在喷涂完成后可以轻易去除。
在喷涂前对非喷涂表面进行遮蔽处理时,还可采用以下方法完成遮蔽保护。
1.采用保护罩,根据零件特点对非喷涂部位预先做好保护罩,在粗化和喷涂前使用;
2.在非喷涂部位捆扎薄铜皮或薄铁皮;
3.在喷涂表面附近刷涂涂层防粘材料,如美科防粘剂(Metco Anti-Bond、Metco Masking Compound和Metco Super Spray Mask)和天津市机械涂层研究所生产的JPTK-1型石墨抗粘剂,该法对形状复杂或不规则表面尤为适用;
4.采用木塞、石墨棒或其它耐热非金属材料堵塞喷涂表面的键槽、油孔或螺纹孔,堵塞块要高出基体表面约1.5mm,以利喷涂完毕后进行清除。
五、表面粗化
清洗之后,可采用多种方法对零件表面进行粗化处理,其中最常用的方法有两种,即喷砂粗化处理和电火花拉毛粗化处理。
正确的粗化处理与清洗过程同样重要。在热喷涂过程中,处于熔融或半熔融状态的加热粒子碰撞到基体表面后,经变形形成薄片,当它们冷却或硬化时,必然粘附到工件表面。经过粗化处理的表面,有助于涂层的机械结合。
1.粗化目的
由于存在下述原因,对待喷涂零件表面进行粗化处理可使涂层与涂层以及涂层与基体之间的结合得到强化。
(1)使表面处于压应力状态;
(2)使变形粒子之间形成相互镶嵌联锁的叠层(或层次)结构;
(3)增大结合面积;
(4)净化表面。
2.粗化程度表示法
鉴于不同基体材料、不同涂层对喷涂前基体表面的粗糙度要求不同,要想获得涂层所需要的理想粗化表面,必须认真分析零件工况使用条件,并谨慎选取粗化所用的材料及粗化方法,并能通过某种方法对粗化表面进行测量。
粗化程度表示法一般借用机械设计中常用的表面粗糙度来表示待喷零件表面的粗化程度,其单位为微米(μm)。表面粗糙度主要反映零件表面的凹凸不平程度,常用表示法有以下6种。


表面粗糙度轮廓示意图
(1)表面粗糙度算术平均偏差Ra的计算法为:
Ra=(h1+h2+h3+…+hn)/n?????????
上式中的h值取绝对值。
(2)表面粗糙度均方根偏差Rq的计算法为:
Rq=[(h12+h22+h32+…+hn2)/n]1/2???
Rq比Ra能更灵敏地反映离开中线的偏差,由于对高度值进行了平方取值计算,Rq值约比Ra值高11%左右。
(3)表面粗糙度10个峰谷高度(5个峰值加5个谷值)的算术平均值Rz的计算法为:
Rz=[(hp1+hp2+hp3+hp4+hp5)+( hv1+hv2+hv3+hv4+hv5)]/5
上式中,hpi代表最大峰高度;hvi代表最大谷高度。
(4)表面粗糙度最大峰值高度Rmax(从谷底到峰顶的最大高度)或最大凸峰高度Rp(从中线到峰顶的最大高度)。
(5)表面粗糙度平均凸峰间距Sm的计算法为:
Sm=(S1+S2+…+Sn)/n???????
(6)表面粗糙度相对凸峰宽度tp的计算法为:
tp=(b1+b2+…+bn)/ι???????
上式中ι代表测量时的取样长度。
在实际应用中,常采用表面粗糙度算术平均偏差Ra来表示零件表面的粗化程度。它表示凹凸不平表面与理想中性面(中性面表示一个绝对平的没有凹凸不平的面,以该平面作为测量表面上下点的中心线)的偏差程度,Ra值可采用表面粗糙度仪来测定,该仪器利用很细的笔尖在整个工作表面上移动,测出对中心线的多个峰和谷的高度(hi),然后取它们的平均值,即可得到Ra值。
零件表面粗糙度等级与各种表示参数之间的关系如表所示。
表面粗糙度与各种表示参数


粗糙度等级

Ra(μm)

Rq(μm)

Rz(μm)

Rmax(μm)

Rp(μm)

ι(mm)

1

 

 

320~160

400~200

200~100

8.0

2

 

25~12.5

160~80

200~100

100~50

3

 

 

80~40

100~50

50~25

4

10~5

12.5~6.25

40~20

50~25

25~12.5

2.5

5

5~2.5

6.25~3.16

20~10

25~12.5

12.5~6.25

6

2.5~1.25

3.16~1.58

10~5

12.5~6.25

6.25~3.12

0.8

7

1.25~0.63

1.58~0.79

5~2.8

6.25~3.48

3.12~1.74

8

0.63~0.32

0.79~0.4

2.8~1.4

3.48~1.76

1.74~0.88

9

0.32~0.16

0.4~0.2

1.4~0.7

1.76~0.87

0.88~0.43

10

0.16~0.08

0.2~0.1

0.7~0.4

0.87~0.48

0.43~0.24

0.25

11

0.08~0.04

0.1~0.05

0.4~0.2

0.48~0.24

0.24~0.12

12

0.04~0.02

0.05~0.025

0.2~0.1

0.24~0.12

0.12~0.06

13

0.02~0.01

~

0.1~0.05

0.12~0.06

0.06~0.03

0.08

14

 

~

0.05~0.025

0.06~0.03

0.03~0.015

3.喷砂粗化
喷砂粗化是最主要、最常用的粗化工艺方法,非常适合于大面积大批量零件的表面粗化预处理,也是去除烘烤积垢及表面氧化皮或其它氧化物的有效方法。具体过程是,让含有砂粒的压缩空气流,经过一特制喷嘴直接将砂粒喷向基体表面,零件表面由于受到以一定速度和角度飞行砂粒的冲刷作用而使基体表面得到净化、粗化和活化。完成该工序时,要采用专门的设备进行操作,所用设备要和其它表面制备设备分开,以防喷砂材料受到污染,同时,要严格选择磨料砂粒的类型及其粒度大小。
(1)砂粒选择。砂粒的选择必须经过试验,要考虑的因素包括:
1)基体材料及其硬度;
2)工件喷砂部位的结构和零件壁厚;
3)工件大小;
4)良好结合所要求的涂层厚度及表面粗糙度;
5)工作环境要求;
6)生产率要求;
7)砂粒粗细;
8)喷砂压力;
9)喷嘴尺寸;
10)使用寿命。
(2)砂粒的类型及尺寸。喷砂粗化效果取决于砂粒的类型及尺寸大小。锋利、坚硬及有棱角的砂粒可提供最好的粗化效果,球形或圆形的砂粒的粗化效果较差,不建议使用。所有砂粒都应保持清洁、干燥,不应含油、长石或其它杂物等。
热喷涂生产中常用的砂粒特性如表所示。
热喷涂喷砂粗化常用砂粒的特性


喷砂粒力

天然的或
人造的

主要化学
成份

形状

松装密度
克/厘米3

砂粒损失①
%

硬度
Rc

激冷钢砂

人造

多角状

7.65

0

100

激冷铁砂

人造

多角状

7.40

8

97

纯氧化铝

人造

氧化铝

立方

3.80

24

76

再生氧化铝

人造

氧化铝

立方

3.76

34

66

金刚砂

天然

铁石英

立方

4.09

46

54

矿渣

人造

硅酸铝铁

立方

2.79

61

39

燧石

天然

石英

有很好的角

2.61

67

33

石英砂

天然

石英

立方

2.61

77

23

石英砂

天然

石英

角状

2.63

90

10

碳化硅

人造

碳化硅

块状

3.80

57

43

标准砂

天然

石英

角状

2.62

84

16

注:砂粒破坏到标准喷砂试验中不符合粒度要求砂粒的占有量。
在上表所列砂粒中,最常用的应用类型包括带棱角的钢砂、激冷铁砂、氧化铝、金刚砂和碳化硅砂粒。
砂粒种类的选择主要与基体硬度高低有关。带有尖锐棱角的耐熔金属氧化物,如氧化铝,可用于马氏体类钢的硬质基体,若用其粗化镁及其合金、铝及其合金等软基体,颗粒可能被镶嵌在基体表面,喷砂后需采用纯压缩空气喷吹处理,以除去任何可能被镶嵌的砂粒。而对于硬度低于Rc40-45的大多数基体,最好采用激冷铁砂,它在碰撞时会变钝但不会破碎。激冷铁砂通常比氧化铝更容易给基体造成较大的应力,因此,为避免工件发生变形,对薄壁件基体进行喷砂粗化时,不建议采用激冷铁砂。碳化硅砂粒嵌入基体的倾向性更大,同时比氧化铝更容易发生破碎。
由于工件表面粗化后的粗糙度大小与喷砂颗粒大小直接相关,因此,砂粒是按不同粒度分布供应的。要求单位时间内处理较大基体表面时,可选用较小颗粒的砂粒。而粒径较大的砂粒可更迅速地从基体表面除掉不需要的物质,并获得较粗糙的表面。对于各种金属基体,推荐采用粒度号为1~60号的砂粒,而对于大多数塑料基体,则应选用60-100号砂粒。对于薄涂层,特别是用于薄基体,则应选用粒度较细的砂粒(粒度号为25~120);对于厚涂层(大于0.25毫米),为了获得最好的结合强度,则应选用粒度较粗的砂粒(粒度号为18-25),以便产生较粗糙的表面。
(3)喷砂后的表面粗糙度。根据美国国家腐蚀工程师协会(NACE)技术委员会T-60制定的热喷涂表面制备标准,在钢表面进行喷砂粗化处理时,最适宜的等级是NACE No.1。满足NACE No.1标准的喷砂处理表面,是一种带有灰白色均质的金属表面,这种表面已粗化到能“锚住”涂层,同时又无油、无脂、无污染、无轧制铁鳞、无锈斑、无腐蚀物、无氧化物、无油漆以及其他外来物(可与SSPC-SP5-63白金属基体喷砂清理相比)。
在满足热喷涂技术粗化要求的前提下,各种喷砂粗化设备与粗化速度之间的关系如表所示。
各种喷砂粗化设备与喷砂速度之间的关系


设? 备

速? 度(m2/小时)

最小①

最大

虹吸式
压力式
手动磨料回收室
自动磨料回收室
不通风轮式(每轮)

0.929
1.86
2.787
4.64
13.94

1.86
3.72
5.57
9.29
37.16

注:最小速度是指在严重侵蚀条件下对工件表面进行严格喷砂的处理速度;最大速度是指对工件大表面只需轻微侵蚀或喷成半亮的条件下的喷砂处理速度。
通常,随着表面粗糙度的增大,结合强度也提高,但超过Ra10μm之后,提高结合性能的程度要有所降低。
对于大多数喷涂层来说,当表面粗糙度为Ra2.5μm-13μm时,就能够满足喷涂要求;在某些特殊情况下,特别是薄金属件,可采用粗糙度为Ra1.3μm的表面;而对某些喷涂低熔点材料及合金(如锌)的工件来讲,表面粗糙度最小应为Ra6μm。
(4)喷砂程序。除了磨料类型和尺寸之外,其他重要的工艺变量是空气压力、喷砂角度、距离和时间,如表所示。
钢基体达到所要求的粗糙度通常采用的条件


磨料粒度
(目)

磨粒材质

喷砂压力
(kPa)

喷嘴孔径
(mm)

设备类型

基体材质

粗糙度Ra(μm)

24

氧化铝

414

7.9

压力式

13

60

碳化硅或
氧化铝

414

7.9

虹吸式

不锈钢

6

80

氧化铝

414

7.9

压力式

塑料

6

凡是有可能被喷砂造成损伤的或已喷涂层的所有基体表面,都必须遮蔽保护。粘附在基体表面的尘埃或磨料,在喷涂之前要用压缩空气吹掉。
喷砂用空气压力的大小取决与基体材质、要求的表面光洁度、砂粒的流动性、重量及粒度,以及所用喷嘴和喷砂设备的类型,一般为3.4-8.8公斤/厘米2。
对于铝、铜合金、青铜及塑料一类的基体,宜采用低风压及软而细的砂粒,以减少砂粒嵌入的可能。高风压气体会产生压应力,导致薄件基体的变形,也容易使砂粒迅速破碎。
对压力式喷砂设备,应采用下列喷嘴压力:
1)采用氧化铝、碳化硅、燧石或炉渣,最小风压力为345kPa,最大为414kPa。
2)对砂石、金刚砂或激冷铁砂,最小为517kPa。
这些压力值不是风机罐的压力,而是用压力探头在喷嘴处测定的压力。
采用虹吸式(吸入式)喷砂,最大的喷嘴压力应为:
1)采用氧化铝、碳化硅、燧石或炉渣,为517kPa。
2)对砂石、金刚砂或激冷铁砂,为621kPa。
喷砂束流与基体表面应成75-90o的喷射角。喷砂要从一端移动到另一端进行。
喷嘴到基体表面的距离,取决于磨料的粒度及类型、喷嘴孔径的大小及喷砂机的处理能力,一般在102-304mm的范围内波动。
为了取得相当于NACE No.1的喷砂表面,要在较强的光线下对喷砂表面的结构及均匀程度进行目视检查,以整个喷砂表面呈现漫反射状、无反射亮斑为合格,从而确定所需要的喷砂时间。过长的喷砂时间会导致不希望的表面结构。
(5)喷砂速度及成本。喷砂速度及成本与下列因素有关:喷砂设备的类型、尺寸、负荷能力以及基体材料。各种喷砂装置的典型参数如表4-9所示。
大孔径喷嘴喷砂机比小口径喷嘴喷砂机单位时间的喷涂面积要大。但喷嘴孔径大小的选择,要受到所获得压缩空气量的限制。采用一种连续压力式喷砂设备和925铁砂,空气压力为7.03公斤/厘米2,对不同钢基体表面进行喷砂粗化,以表面达到半光亮或轻微侵蚀为标准,其喷砂速度与喷嘴孔径之间的关系如表所示。
压力式喷砂清理速度与喷嘴孔径关系表


表面状况

被喷砂
表面的类型

喷砂速度( m2/h)

喷嘴直径(毫米)

6.4

7.9

9.5

1

酸洗的
生产的
擦刷过的

7.0
10.4
27.8

109
16.3
43.4

15.6
23.4
62.4

2

酸洗的
生产的
擦刷过的

8.9
13.4
35.4

13.9
20.9
55.7

20.1
29.8
79.1

3

酸洗的
生产的
擦刷过的

7.9
11.9
31.7

12.4
18.6
49.5

17.8
26.8
71.4

磨料类型及粒度也影响喷砂速度。通常,磨料粒度越大,喷砂速度越低。每平方英尺的喷砂表面,大约需要6.8公斤的氧化铝或11.3公斤的激冷铁砂。
(6)砂粒的循环使用。在车间或生产中所用的喷砂磨料,经过清理和筛分后可循环使用。带棱角的激冷铁砂和氧化铝,经常要经这种处理而反复使用。当一种磨料重新应用时,要清理其中的灰尘,经过筛分,使之至少其中有80%的量要符合原始粒度的要求。对于那些被污染的磨料或质量有问题的部分,不应再返回使用。要及时从磨料中除去破碎的细砂,否则有损于涂层与基体的正常结合。
在同等条件下,几种常用砂粒反复使用的次数如表所示。有很多变数会影响这些数据。但由表中列出的数据,可得到不同类型砂粒通过喷砂机可反复使用次数的相对概念。
在生产现场或工地上,可使用一次性磨料。在这种场合对磨料进行回收或重复使用是不经济的。
不同磨料使用寿命

材? 料

循环使用次数

氧化铝
激冷铁砂

金刚砂

10
15
100
7

(7)压缩空气。空压机应提供必须的压力和风量,以保证正常的喷砂质量。压缩空气中应无油、无水及其它的污物。油和水不仅阻塞整个供气系统,而且还会对表面制备及涂层的结合强度产生不利的影响,因此,必须严格控制。
压缩空气在进入喷砂枪前,必须经过除油、除水等净化处理。
4.电火花毛化
对硬度较大,不易采用喷砂或机械加工方法进行粗化的表面,可采用电火花拉毛法进行处理。将工件接电源的一极,镍条接电源的另一极。将镍条不断地与工件表面接触以产生火花,利用产生的电火花使镍呈颗粒状熔化并焊接在零件表面上,将工件表面烧毛,形成凹凸不平的表面,所形成的凹凸度可达0.1~0.75mm,镍颗粒能深入基体金属达0.1mm以上。拉毛时应均匀拉动镍条,防止漏拉或过烧。拉后的正常表面应呈现金黄色鱼鳞状或波浪状表面,其厚度最好控制在0.2~0.3mm。拉毛后工件表面的碳灰应采用擦刷法使其表面净化。总之,拉毛后的表面要求净、毛、新,有利于增加涂层与基体间的结合强度,提高涂层质量。
5.粗化应用举例
(1)抗腐蚀涂层。在这种场合下,通常采用锌或铝涂层。当锌涂层厚达0.23毫米,铝涂层厚达0.18毫米时,采用压力式喷砂设备,用以下所推荐的磨料,可产生Ra0.75μm的锚齿形结构。
1)氧化铝或碳化硅。
粒度:SAE G-25到SAE G-40。
2)淬火钢砂。
粒度:SAE G-25到SAE G-40。
3)带棱角的石英砂、金刚石、燧石或碾碎炉渣。
粒度:SAE G-25到SAE G-50。
当锌涂层厚度超出0.25毫米或铝涂层厚度巢础.20毫米时,推荐采用以下磨料及压力式喷砂机,可产出Ra13μm的锚齿形结构:
1)氧化铝或碳化硅。
粒度:SAE G-18到SAE G-25。
2)淬火钢砂。
粒度:SAE G-18到SAE G-25。
3)带棱角的石英砂、金刚石、燧石或碾碎炉渣
粒度:SAE G-18到SAE G-25。
(2)重熔涂层。当采用自熔合金时,表面制备一直保持到重熔作业结束为止。在982-1149℃的温度区间进行重熔时,自熔合金涂层受到最大的应力。
在表面制备时,通常采用SAE G-25激冷铁砂,其粒度可根据基体的硬度等作适当改变。然而,像氧化铝这样的磨料,容易嵌入表面,有损于涂层的结合。
对于进行精密加工的圆柱体表面,应进行下切。下切深度依工作条件而定。如果最大允许磨削量为0.5毫米,推荐下切量最小要加0.38毫米。这样,在磨损到最大量之后,仍能保留一些涂层。
在下切截面一端的留肩,要开40-45o左右的角;当要求涂层厚度大于1.00毫米时,喷砂前对下切面车螺纹是合理的。
(3)不锈钢涂层。对淬硬钢基体表面喷不锈钢涂层,采用SAE G-20氧化铝磨料喷砂,能得到粗糙度达Ra13μm的锚形结构。在软钢或铸铁表面喷不锈钢涂层时,则推荐采用SAE G-25激冷铁砂。
(4)塑料基体。对于塑料一类的软基体,要求细粒级的砂料,风压低一些,采用粒度为SAE G-50到SAE G-80的氧化铝喷砂,能得到粗糙度为Ra6μm的表面。
六、 粗化后的处理
采用喷砂粗化处理后所暴露的新鲜表面,极易受到外界的污染,要避免用手触摸、用嘴向已粗化表面吹气。因为手印、湿气或油渍都会显著影响涂层与基体的结合。干净的粗糙表面会因为吸附湿气或凝聚物而发生退化,如果工件放置在空气过度潮湿的环境中,容易导致干净粗糙表面发生轻微腐蚀,如果条件许可,在喷涂或表面制备过程中,应使工件所处环境的湿度维持在60%左右或更低。在某些情况下,喷砂前进行轻微预热有利于提高涂层与基体之间的结合。切记:待喷零件应在新鲜表面没有被氧化之前完成喷涂作业!
1.覆盖
经过制备的新表面,如果不是立刻进行喷涂,可用清洁的塑料膜覆盖保护。在搁置期间,所有经过制备的零件,都应放入清洁的预热过的橱柜或箱内,或置于有干燥剂的封闭包装袋中,加热贮藏可减少喷涂预热的困难。
2.搬动
经过表面制备的工件,在完成喷涂作业之前,若要进行搬动,应佩戴清洁的不脱绒手套或相类似的物品,以免污染零件表面。
七、 预热处理
预热处理是表面预处理工序的最后一道工序,一般在喷涂前进行,以使工件表面获得具有一定温度,又新鲜的基体表面,这对提高涂层与基体的结合强度非常有利。
1.预热的主要作用
(1)驱除工件表面的湿气和冷凝物(如水蒸汽等);
(2)提高基体温度,减小涂层与基体间的温差,从而减小两者间热胀冷缩的差别,从而减少热应力,有效防止涂层剥落或产生裂纹;
(3)有利于表面产生“热活化”,可增加喷涂粒子与基体间的接触温度,对促进基体表面和涂层之间的物理化学作用有利,同时,可提高粉末的沉积率;
(4)可降低喷涂粒子的冷却速度,不仅有利于喷涂微粒的变形,而且可减小微粒的收缩应力,从而减少涂层的应力积累。
上述作用均有利于提高涂层与基体之间的结合强度。实践证明,恰当的预热处理不仅对提高结合强度有利,而且能明显提高涂层工作寿命。
2.预热方法
预热方法一般有两种,即炉内预热和喷枪焰流预热。但采用喷枪焰流预热时要注意焰流不能太靠近工件表面,避免工件表面产生骤热现象,也不应产生加热不均匀现象,这两种情况均会导致表面出现过度氧化或引起较大的热应力,出现这种现象,不仅不会提高涂层结合强度,而且会降低涂层与基体之间的结合强度。
3.预热注意事项
由于预热不当可能会引起工件发生氧化和变形,实施时要特别注意控制预热温度和预热方式。对于不同的基体材料,要选择不同的预热温度和预热方式。对于普通钢材,预热温度一般控制在80℃-120℃;对于铝基材,最好采用间接预热的方法(即从背面或侧面预热,而不能直接在喷涂面预热,也不推荐烘箱预热方法),预备热温度一般控制在65℃-95℃,如果不能或不方便采用间接预热,可以不进行预热,并且在喷涂期间,基材温度要保持在200℃以下;、对于镁及其合金基材,由于表面氧化太快,则不应进行预热处理,因为预热会在喷涂表面产生氧化物薄膜,这种氧化物薄膜的存在会严重影响喷涂层与基体的结合强度。
喷涂部位不同,预热温度和预热方式也应有所差别。喷涂内孔时,其预热温度应高于喷涂外圆表面时的预热温度。
喷焊时,其表面预热温度与喷涂又有不同。应根据基体材料的热膨胀特性和抗氧化性能以及工件的大小和形状来进行谨慎选择,预热温度太低时,不仅粉末沉积率低,而且熔化时容易产生脱落;预热温度太高时,基体膨胀厉害、氧化严重,不仅影响重熔时基体的润湿和原子的微扩散作用,而且会导致喷焊层中出现明显夹渣。因此,对于普通碳钢,预热温度常选择250-350℃;而对抗氧化性好的钢材,如不锈钢,可选取350-450℃。对较小零件,预热温度要适当降低;对较大零件,则可适当升高一些;对形状复杂的零件,应注意预热范围和部位,以减小变形和开裂倾向;对局部喷涂零件,应采用局部预热。


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