表面工程课程设计3151.pdf
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1、实用标准文案 精彩文档 目录 循环流化床锅炉受热面管耐高温磨蚀涂层设计.3 第一章 零件的选择.3 1.1零件的名称.3 1.2零件尺寸.3 第二章 零件的服役条件、性能及技术要求.5 2.1流化床锅炉简介.5 2.2零件服役条件.5 2.3性能要求.5 2.3.1零件性能要求.5 2.3.2涂层性能要求.6 2.4技术要求.6 第三章 表面处理技术的选择.6 3.1电弧喷涂.7 3.1.1电弧喷涂的优点.7 3.1.2电弧喷涂的缺点.7 3.2 电镀锌.7 3.2.1电镀锌优点.8 3.2.2电镀锌缺点.8 3.3手工涂装.8 3.3.1手工涂装的优点.9 3.3.2手工涂装的缺点.9 实用
2、标准文案 精彩文档 3.4三种处理技术的对比与选择.9 第四章 零件表面处理的工艺路线.10 4.1用材选择.1 0 4.1.1零件基材选择.1 0 4.1.2电弧喷涂设备.1 0 4.1.3喷涂材料选择.1 2 4.2电弧喷涂工艺流程.1 3 4.2.1基材预处理.1 3 4.2.2喷涂过程.1 4 4.2.3零件的工装图.1 6 第五章 涂层的表征.17 5.1涂层的组织形貌、成分及物相.1 7 5.1.1涂层的组织形貌.1 7 5.1.2涂层的成分.1 7 5.1.3涂层的物相.1 8 5.2涂层的性能表征.1 8 5.2.1涂层硬度的检测.1 8 5.2.2涂层的耐磨性检测.1 9 5
3、.2.3涂层抗氧化性能测试.2 0 5.2.4涂层的耐蚀性测试.2 0 5.2.5涂层的结合强度.2 1 5.2.6涂层厚度检测.2 2 附:江苏大学表面处理工艺卡 实用标准文案 精彩文档 循环流化床锅炉受热面管耐高温磨蚀涂层设计 第一章 零件的选择 1.1零件的名称 循环流化床锅炉受热面管 图 1 零件实物图 1.2零件尺寸 管外径 D=40mm;厚度 d1=4mm;长度 L=1.2m;管最小间距 d2=30mm。零件尺寸图见图 2 实用标准文案 精彩文档 实用标准文案 精彩文档 第二章 零件的服役条件、性能及技术要求 2.1流化床锅炉简介 固体粒子经与气体或液体接触而转变为类似流体状态的过
4、程,称为流化过程。流化过程用于燃料燃烧,即为流化燃烧,其锅炉称为流化床锅炉。对比与旧式锅炉,其具有以下优点:(l)燃料适应性广:循环流化床锅炉既可燃用优质煤,也可燃用各种劣质燃料,如高灰煤、高硫煤,以及油页岩、垃圾等。(2)燃烧效率高:在燃烧优质煤时,燃烧效率与煤粉锅炉持平;燃烧劣质煤时,燃烧效率约比煤粉锅炉高 5%。(3)高效脱硫:煤粉炉典型的脱硫效率一般为 50%;而循环流化床锅炉的脱硫效率通常可达 90%。(4)污染物排放低:煤粉炉氮的氧化物排放量为循环流化床锅炉212倍。(5)燃烧强度高:约为煤粉炉燃烧强度的 10 倍。(6)燃料预处理系统简单:煤粉炉所用的煤粉粒度以 2050m 居多
5、,而循环流化床锅炉的给煤粒度一般小于 8mm,因此,燃料的制备破碎系统大为简化。2.2零件服役条件 循环流化床锅炉的受热面管的工况条件恶劣,普通大气环境下以及固体物料冲蚀、烟气腐蚀的恶劣环境中高温作业,其燃烧的煤多为低热值劣质煤(煤矸石、泥煤等)、固体物料(包括燃料、脱硫剂石灰石、床料等)。2.3性能要求 2.3.1零件性能要求(1)要求零件在静态 650空气气氛中具有抗高温氧化和耐热腐蚀性能。(2)要求零件整体耐磨性提高,使零件在固体物料冲蚀、烟气腐蚀的恶劣环境中得到寿命提高。(3)要求零件有较高的耐火性,较少的受烟灰影响,从而燃料适应性以及燃烧效率。实用标准文案 精彩文档 2.3.2涂层性
6、能要求 为提高受热面管的综合性能,满足其工况要求和使用要求,高温耐磨蚀涂层材料必须具备以下性能:(1)良好的导热性能,以避免降低锅炉的热效率;(2)热膨胀系数要与基材的相近,以避免涂层脱落;(3)耐高温腐蚀,即对高温氧化、硫化、氯化和碱金属盐类的热腐蚀具有较高的腐蚀抗力;(4)耐高温磨损,即涂层在高温环境下仍要保持高的耐磨性能;(5)涂层有低的孔隙率、高的致密度;(6)工艺操作性好,喷涂设备简单,技术操作简便,便于在锅炉现场进行大面积喷涂;(7)成本低、经济性好,以满足大范围、大面积喷涂及在国内推广使用的要求。2.4技术要求 循环流化锅炉受热面管涂层整体设计要求为高温条件下耐磨损耐腐蚀。根据国
7、家标准DL/T 1600-2016循环流化床锅炉燃烧系统技术条件以及DL/T 964-2005循环流化床锅炉性能试验规程,涂层厚度应在 2mm以上,其涂层结合强度40Mpa,其涂层显微硬度1200HV。第三章 表面处理技术的选择 本设计从热喷涂技术着手,热喷涂技术在国家标准 GB/T18719-2002热喷涂 术语、分类 中定义:热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态,并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。热喷涂技术在普通材料的表面上,制造一个特殊的工作表面,使其达到:防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等一系多种功能,使其达到节约
8、材料,节约能源的目的,我们把特殊的工作表面叫涂层,把制造涂层的工作方法叫热喷涂。一般认为,热喷涂过程经历 4 个阶段,即喷涂材料加热熔化阶段、熔滴雾化阶段、雾化颗粒飞行阶段和喷涂层形成阶段。热喷涂技术是表面过程技术的重要组成部分之一,约占表面工程技术的三分之一。本次课程设计采用实用标准文案 精彩文档 的是热喷涂中电弧喷涂 Fe/BFe 粉芯线材作为表面处理方法,然后以电镀锌以及手工涂装刷涂易斯柏生产的 GK23耐热高聚合抗氧化防腐蚀漆处理作为对比,进一步说明采用热喷涂的优势。3.1电弧喷涂 电弧喷涂是高效率、高质量、低成本的一项工艺,是目前热喷涂技术中最受重视的技术之一。电弧喷涂是将两根被喷涂
9、的金属丝作为自耗性电极,分别接通电源的正负端,在喷枪喷嘴处,利用两金属丝短接瞬间产生的电弧为热源熔化自身,借助压缩空气雾化熔滴并使之加速,喷射到基体材料表面形成涂层。利用电弧喷涂在钢铁构件上喷涂锌、铝涂层,可对钢构件进行长效防腐防护。电弧喷涂作为一种优质的修复技术,在机械零件上喷涂碳钢、铬钢、青铜、巴氏合金等材料,用于修复已磨损或尺寸超差的部位,已在机械维修和机械制造业得以应用。3.1.1电弧喷涂的优点 电弧喷涂 Fe/BFe 粉芯线材具有如下优点:(1)效率高、对工件的热影响小。电弧喷涂将电能直接转化为热能熔化金属,热能利用率可高达 60%70%。电弧喷涂时不形成火焰,因而在喷涂过程中工件始
10、终处于低温(不超过 200),避免了工件热变形;(2)可获得优异的涂层性能。电弧喷涂得到的涂层可以得到较高的结合强度,大于 40Mpa。使用 2根成分不同的金属丝还可以制备出表面合金化涂层,可以获得具有独特综合性能的涂层,该涂层可获得在 650oC以上高温条件下耐磨损耐腐蚀的优异性能。(3)经济性好。电弧喷涂能源利用率高,而且电能的价格远远低于燃气价格,施工成本低。3.1.2电弧喷涂的缺点 需要特定的金属丝,因此想要获得性能优异的涂层,对金属丝要求较高。3.2 电镀锌 电镀锌又称冷镀锌,就是利用电解,在制件表面形成均匀、致密、结合良好的金实用标准文案 精彩文档 属或合金沉积层的过程。与其他金属
11、相比,锌是相对便宜而又易镀覆的一种金属,属低值防蚀电镀层,被广泛用于保护钢铁件,特别是防止大气腐蚀,并用于装饰。其工艺流程为:化学除油热水洗冷水洗电解除油热水洗冷水洗强腐蚀水洗电镀锌铁合金水洗出光钝化水洗干燥。其溶液配方如下表(表 1)表 1 酸性氯化物镀锌配方 组分及条件 Zn NH4Cl 载体光亮剂 主光亮剂 PH 值 电流密度(A/dm3)温度/oC 含量 25 150 4%0.25%4.5 2.5 20 3.2.1电镀锌优点(1)抗腐蚀性好,结合细致均匀,不易被腐蚀性气体或液体进入内部。(2)由于锌层比较纯,无论在酸或碱性环境下都不易被腐蚀。长时间有效的保护钢体。(3)经过铬酸钝化后形
12、成各种颜色使用,可根据客户喜爱挑选,镀锌美观大方,具有装饰性。(4)锌镀层具有良好的延展性,在进行各种折弯,搬运撞击等都不会轻易掉落。3.2.2电镀锌缺点(1)必须采用阴极移动。移动太快,高电流密度区镀层粗糙;太慢,可能产生气流,局部无镀层。(2)受温度的影响较大。温度太高,分散能力下降,镀层中铁含量高,耐蚀性降低,钝化膜颜色不均匀,发花;温度太低,高电流密度区烧焦,镀层脆性大,沉积速度慢。3.3手工涂装 刷涂是一种使用最早和最简单的涂装方法,适用涂料的品种多。其操作是手工用毛刷蘸上或由供给泵供给涂料,按照一定操作方法,将涂料刷涂在工件表面上,经干燥形成涂层。实用标准文案 精彩文档 3.3.1
13、手工涂装的优点(1)工具简单,施工简便,易于掌握,灵活性强,适用性强,节省涂料;对于边角、沟槽、及其设备底座等特殊位置和狭窄区域,其他施工方式难以涂装的部位,常采用手工刷涂方法施工。(2)涂料干燥后形成的涂层适用在长期 600oC高温腐蚀环境条件下对钢铁等金属基体的防护;经涂覆 23次后,涂层厚度可达 200m300m,具有了高效抗氧化性能。3.3.2手工涂装的缺点(1)手工操作,生产效率低,劳动强度大,难控制涂层平均厚度。(2)对于干性较快的和流平性较差的涂料,刷涂容易留下刷痕,形成涂层不均匀的现象,影响涂膜的平整度和装饰效果。3.4三种处理技术的对比与选择(1)从温度范围来讲,电镀锌涂层分
14、解温度在 400oC 左右,而电弧喷涂 Fe/BFe 粉芯线材和手工涂装的涂层其分解温度都在 600oC 以上甚至更高。(2)从实际操作来讲,电镀锌以及手工涂装两者操作不简便,电镀锌操作时受温度条件制约,手工涂装劳动强度太大,而电弧喷涂设备灵活,易于操作,不受温度等条件制约。(3)从涂层性能、喷涂设备价格、喷涂材料成本和工艺的现场操作性等各方面综合考虑,电弧喷涂成本低,涂层具有优异的耐高温腐蚀磨损性能,能够有效地延长循环流化床锅炉受热面的使用寿命。综上所述,本表面工程课程设计选用电弧喷涂 Fe/BFe 粉芯线材做为表面处理技术处理所选择的零件,其所需要的工艺参数见表 2。表 2 电弧喷涂工艺参
15、数 空载电压 工作电压 工作电流 空气压力 喷涂距离 喷枪移动速度 涂层厚度 36V 35V 270A 0.6MPa 80mm 6cm/s 3mm 实用标准文案 精彩文档 第四章 零件表面处理的工艺路线 4.1用材选择 4.1.1零件基材选择 根据需要,基材选择 Q235B无缝钢管。其化学成分根据国标 GB700-88,如表 3。表 3 Q235B无缝钢管化学成分 元素成分 含量 C Si Mn S P Cr Ni Cu 0.12%0.20%0.3%0.3%0.7%0.045%0.045%允许残余含量0.30%允许残余含量0.30%允许残余含量0.30%Q235B钢管是以带钢卷板为原材料,经常
16、温挤压成型,以自动双丝双面埋弧焊工艺焊接而成的钢管。Q235B钢属于普通碳素结构钢,与优质碳素钢的主要区别在于对碳含量及性能范围要求,以及对硫、磷等残余元素的限制较宽,一般在热轧状态下使用。Q235B钢含碳适中,综合性能较好,强度、塑性和焊接等性能得到较好配合,用途最广泛。常用 Q235B钢轧制成盘条或圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、窗框钢等型钢,中厚钢板,大量用于建筑及工程结构。Q235B用于制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉及其零件管、容器、船舶等,在一般机械制造中用作拉杆、吊钩、螺栓、连杆、心轴、销子及零件和焊接件。4.1.2电弧喷涂设备 电弧喷涂设备:CMD-
17、AS1620型电弧喷涂设备(见图 3)。其工艺参数如表 4实用标准文案 精彩文档 所示 表 4 CMD-AS1620型电弧喷涂设备工艺参数 名称 参数 功 率 输入电压 12 KVA AC380 V(三相)输出电压 DC27-38 V 输出电流 0-300 A 送丝速度 4-8 m/min 空气压力 0.5-0.7 MPa 空气流量 1.6-2.0 m3/min 丝材直径 1.6-2.0 mm 喷涂生产率 25Kg/h(锌)主机柜尺寸 780560500(mm)送丝机尺寸 445290250(mm)主机柜重量 190Kg 送丝机重量 30Kg 喷枪重量 1Kg CMD-AS1620型电弧喷涂机
18、可喷涂1.6-2.0(mm)的丝材,可以喷锌、喷铝、喷不锈钢、喷硬铬、喷钼、喷铜、喷镍,喷镍铬合金等。即适合于做大面积防腐工程、也适合机械零部件恢复尺寸和修复、快速喷制各种模具、耐磨涂层、及制作装饰涂层等。图 3 CMD-AS1620型电弧喷涂机 其具有以下优点:实用标准文案 精彩文档(1)不提高工件温度、不使用贵重底层材料的情况下,可以达到很高的结合强度,一般可以达到 20Mpa以上。其结合强度是火焰喷涂层的 2.55倍。(2)生产率高。以喷锌为例,当电流为 200A时,每小时可达 25Kg,比线材火焰喷涂提高 46倍。(3)设备能源利用率非常高,一般可达 57%,节能效果十分突出。一般线材
19、火焰喷涂的能源利用率只有 13%,而且该设备不使用氧、乙炔气,能源费用可降低 50%以上。(4)该设备投资少,收益快,喷涂成本低。设备投资仅为等离子喷涂设备的四分之一,总喷涂成本仅为线材火焰喷涂的十分之一。(5)由于 CMD-AS1620型电弧喷涂设备仅使用电,不用易燃、易爆气体,使安全性大大提高。CMD-AS1620型电弧喷涂设备的应用范围非常广泛,由于喷涂效率相对较高,不仅可以用于大面积防腐工程,还可以用于机械零件的修复和预保护、快速喷制模具及制作装饰涂层等。CMD-AS1620型电弧喷涂设备使用2mm的丝材,全套设备包括电源、送丝机构、送丝管、喷枪等,其辅助设备应配备 3m3/分钟空气流
20、量的空气压缩机,压力应达到 0.50.7Mpa;用于工件表面前处理的喷砂机,主要目的是为了去除工件表面上的锈蚀、油污、水气、氧化层等,同时将工件表面粗化,粗糙度等级应达到 2.53.0级;南方或海边潮湿环境下还应该为空压机配备空气过滤器,去除压缩空气中的水分和杂质。CMD-AS1620型电弧喷涂设备还可以配备 CMD-EG1620型电弧喷涂内孔喷枪,用于喷涂管道内壁,经过延长送丝管的长度,可喷涂 3m、6m、10m、12m及 15m长的管道。4.1.3喷涂材料选择 使用 Fe/BFe 粉芯线材:外皮选用低碳钢冷轧钢带,尺寸为 0.4mmx10mm,药芯采用硼铁粉,硼铁粉及钢带的成分分别见表 5
21、 和表 6。粉芯线材经轧制、拉拔后直径为2mm。选用该粉芯线材的原因有:(1)铁带:铁基合金材料具有良好的高温性能,如填加一些典型的耐热合金元素:Cr、Al、Ti 等,可以在高温时(650oC)选择性氧化,生成保护性稳实用标准文案 精彩文档 定新相如 CrZO3、Al2O3、TiO2等,这些高熔点(2000oC 以上)、稳定的氧化膜对金属基体能起到很好的保护作用。而且成本低是铁基粉芯线材的突出优点。(2)硼铁粉是硼和铁的合金粉,常用于冶金机械工业中作为硼元素添加剂。硼铁作为合金元素添加到钢中,能显著提高钢的淬透性并改善钢的机械性能。硼是一种既能与金属化合又能与非金属化合的元素,它可有效地取代其
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