1、高性能涂层在造纸工业中的应用实用L=I,I,-,-j.高性能涂层在造纸工业中的应用能徐层在造纸工业中的应用冰1 概述金属材料具有良好的切削加工性,导热,导电性和延展性,可锻,轧,铸,焊.制成各种形状的零部件,因此被广泛应用在工业,农业,国防及科学技术等领域.但是金属材料在某些环境下不能满足服役条件.如:酸碱腐蚀严重的化工设备,使用环境恶劣的海洋平台,需要有高耐磨性的采矿设备及各类刀具,模具,泵类,轴类,阀门,耐高温氧化的冶金设备等.为了获得适用于各种工况的表层性能可通过电化学方法,化学方法,热加工法,高真空法及其他物理方法处理基体表面.这些处理工艺属于表面工程的范畴.表面工程是通过表面涂覆,表
2、面改性或多种表面工程技术复合处理,改变固体金属表面或非金属表面的形态,化学成分,组织结构和应力状态.以获得耐腐蚀,抗高温氧化,减摩,耐磨,抗疲劳性能及光电磁等多种特殊性能表面.表面工程最突出的特点是无需整体改变材质而能获得原基材所不具备的某些特殊性能.热喷涂技术是表面工程技术中的一个分枝,它是指利用各种热源(气体,液体燃料或电弧,等离子弧,激光等),将欲喷涂的各种材料如金属,合金,金属陶瓷,氧化物,碳化物,塑料以及它们的复合材料等喷涂材料加热到熔融或半溶融状态,通过高速气流使其雾化,然后喷射,杨建桥,赵红霞(陕西科技大学,陕西成阳 712081)中图分类号:TS727 文献标识码:B沉积到经过
3、预处理的工件表面,从而形成附着牢固的表面层的加工方法.热喷涂技术相比于其它表面技术有诸多优点如:_2 它能够喷涂各种金属及合金,陶瓷,金属陶瓷,金属间化合物非金属矿物,塑料等几乎所有固态工程材料.从而可制备各种保护涂层,如耐磨,减摩自润滑,耐蚀,抗氧化,耐高温,热障,绝缘,防辐射,屏蔽,抗干扰,催化及生物功能等涂层;能够在金属,陶瓷,塑料,石膏,木材甚至纸板等多种基体材料上形成涂层:一般不受工件尺寸和施工场所的限制:沉积速率高.可获得较厚的表面涂层;可节约贵重材料,在满足强度要求的前提下.基体可以用普通材料,仅涂层使用优质材料;操作方便,快捷等.热喷涂材料中的陶瓷材料,多为具有离子键,共价键或
4、混合键的化合物,其价电子层或价电子的电子云,紧紧围绕在成键原子核的周围运动,受成键原子核的吸引力大,不能形成自由电子.结合牢固.这种结构特性赋予陶瓷涂材料不同于金属材料的特性,如:高熔点,高硬度,高化学稳定性,高绝缘性能,低热导率,热膨胀系数小,无延展性等特征.因为具有这些优异性能陶瓷材料被越来越多的引入到热喷涂领域.陶瓷材料为脆性材料.基本上以粉末状态应用于热喷涂制备涂层.制备陶瓷粉末的方法有破碎法,该论文为陕西省自然科学研究基金资助项目 f 编号 2001C16)雾化法,混合和机械合金化法,团聚法,喷雾干燥法,.加压氢还原法,化学镀覆法,气相沉积法,等离子急冷法,铝热法等.实验室常用的方法
5、是团聚法和喷雾干燥法.团聚法制备粉末的步骤为:混合粉末一配置粘结剂一粘结固化粉末一破碎分筛一干燥.喷涂的工艺路线一般为:基材脱脂净化一喷砂粗化一预热一喷涂工作涂层.2.1 耐磨涂层在造纸设备中,造纸脱水箱面板与高速运行的造纸网(铜网)相互磨擦.用不锈钢做面板,面板磨损快.因为经过表面淬火的合金钢的最高硬度也不超过 856(HV).WC硬度为 12002000(HV),如果用钴或镍等金属做粘结相,经高温烧结或包覆处理,形成的硬质合金 WC 陶瓷粉末进行热喷涂仅喷涂 0.15mm 的厚度.涂层的耐磨性胜过不锈钢几十倍.刮刀涂布机上的刮刀质量的好坏直接影响纸品质量及生产效率.涂布刮刀分为钢质和陶瓷刮
6、刀两种.传统的涂布刮刀是经过氧化发蓝表面处理的弹簧钢刀片.钢片刮刀在使用过程中磨损快,寿命短,需要频繁换刀,生产率低.陶瓷刮刀相比钢质刮刀更耐磨,使用寿命一般为钢刀的 56 倍,表面平整性好,表面粗糙度低;耐边缘磨损能力强;连续运行时间长.纸张品质稳定.同时西南造纸 2005 年 34 卷第 2 期町 m 耵高性能涂层在造纸工业中的应用二量蚤量互亘整 lll三三而嵋8l64莲 z0一陶瓷刮刀-l- 钢质刮刀磨损时间 min图 1 钢刮刀/陶瓷刮刀的磨损量关系图 2 等离子喷涂形成的陶瓷涂布刮刀图 3 电弧喷涂烘虹一 WCCoCr“-D-硬铬t/s图 4 涂层的磨损量比较也减少了换刀带来的损纸:
7、没有磨合时间,提高了成品率.据相关资料某企业铜板纸机用陶瓷刮刀代替钢质刮刀每月可节约购置刮刀资金l538 美元.陶瓷刮刀的制作方法是在经过预处理的钢片刮刀表面等离子喷涂金属氧化物陶瓷(喷涂粉末的制备方法有:喷雾干燥法,熔块破碎法,等离子熔融急冷法和烧结破碎法),并进行精密磨削加工后得到的刮刀.所以正确的选择和使用陶瓷刮刀不但可降低劳动强度还可提高产量,降低成本,提高生产率,提高和稳定涂布质量.造纸烘缸材质为铸铁,内通120的蒸气.外表面接触纸浆中腐蚀介质且与刮刀接触因而烘缸表面易磨损.为保证生产纸张的平整,致密.23 个月就需要对烘缸表面磨削一次.采用超音速火焰喷涂(HVOF)工艺在烘缸表面喷
8、涂具有优异耐磨耐蚀性能的 Co-WC 金属陶瓷涂层和氟化乙丙烯(FEP)聚合物层,可使烘缸表面的磨削期延长至 23 年.由于喷涂粉末粒度只有 530um.粒子飞行速度达 600900m/s.因而产生高硬度(11001200HV)的无孔隙涂层.并且这种涂层比 Crl3I 或1Cr18Ni9Ti 涂层的表面释放性能增强.氟化乙丙烯拥有与温度低于200C 时的特氟隆一样的抗粘连特性和耐腐蚀性|5.所以在烘缸表面喷涂 CoWC 层和氟化乙丙烯(FEP)聚合物层不但可提高烘缸的干燥效率,增强烘缸表面耐蚀耐磨性还能有效地防止粘缸现象的发生.造纸压光辊要求有非常光滑的表面和高的硬度,用来加工高档光板纸.传统
9、的表面处理方法是镀硬铬后抛光.镀层硬度一般为800HV900HV,硬度和耐磨性远不及某些陶瓷涂层,而且硬铬镀层的硬度在温度升高时会因内应力的释放而迅速降低,一般工作用 3-6个月需要更换.采用超音速喷涂或爆炸喷涂包覆型 CoCrWC 或 CoWC 涂层,因为有耐热合金组元 Co,Cr 的保护,喷涂时 WC 的烧损小.WC 的高硬度,高耐磨性得到保持.喷涂后的辊面能长期维持镜面光洁度,涂层抛光后可精确到 Ra 一 0.010.03um.操作温度从 150160cc 提高到 300cI=,比传统的表面镀硬铬辊寿命延长 2 倍,0.10mm 厚度的这SouthWestPulpAndPaper2005
10、.Vo1.34,No.2种涂层寿命为 2 年;由于涂层致密无孔.耐腐蚀性优于电镀辊面.Reiginer 等的研究结果表明,用HVOF 方法喷涂的 WCCoCr 涂层的磨损量平均比电镀硬铬少 80%一90%见图 (4)引.造纸设备的其它零部件,耐磨陶瓷涂层应用也非常多.例如:对高速复卷机的 A3 无图缝钢管辊体喷涂 WC 或 NiCrMo 合金,寿命可增加 3 倍以上再如对工作硬度200HV 的锈钢浆泵泵轴(1Crl8Ni9Ti)采用氧乙炔火焰热喷涂硬度为 200300HV 的 SHF313 铁基合金粉末修复,使用 5 年后修复部位未发现磨痕|_.2.2 耐高温氧化涂层造纸厂锅炉受热管件的高温腐
11、蚀问题严重.受热管件中的水冷壁管.过热器管,再热器管,省煤器管常因过早失效而严重影响锅炉安全运行,造成很大经济损失.电弧喷涂是锅炉受热管件防止高温腐蚀的有效手段.实践表明,锅炉受热管件经喷砂,打磨去除腐蚀表层,喷涂具有自粘结性能的镍铬钛与铁铬铝专用丝材.涂层厚 0.38mm.结合强度可达 48MPa.受热管件在 710 年内可正常运行.黑液锅炉的黑液喷枪.长期暴露在燃烧室的高温燃气中.喷头极易氧化烧蚀,也因此堵塞喷液孔.影响黑液的雾化,严重降低黑液的处理.可等离子喷涂铬,钼或各自的合金作为涂层材料,这些材料制备的涂层在氧和硫的作用下所生成的化合物能起高增长的比容,使涂层具有自封闭性能.阻止腐蚀
12、介质进入涂层和基体,达到保护工件的目的 N2.2.3 防腐涂层亚硫酸铵法制浆以其投资少.成本核算低,纸浆得率高,蒸煮废液可做肥料直接用于灌溉农田.避免41实用了造纸业令人头痛的污染问题,深受我国中小型造纸厂的欢迎.但亚铵制浆最突出的一个问题是设备腐蚀特别严重,一般腐蚀率达 0.33mm/a.对一般的有机涂层因不能适应亚铵蒸煮环境(170oC 左右,7.078.08kPa 无法采用,对电化学保护则由于球内运转产生的摩擦作用也不能收到预期的效果.热喷涂耐腐蚀耐磨层是一种解决亚铵法制浆设备腐蚀问题的可行途径.试验证明喷涂平均厚度为 0.26mm 的 1Cr25Ni20 不锈钢涂层,腐蚀降低为 0.0
13、03mm/a.】纸浆碱回收用的黑液锅炉,在使用过程中,燃烧的黑液和无机物对锅炉水冷管道有严重的腐蚀和冲刷磨损作用.采用美国 TAFA 公司研制的 45CT(Ni55Cr45)电弧喷涂单层涂层,取代过去采用的多层涂层体系(NI AI+不锈钢+ 纯铝+SiAl封孔剂)使用寿命可达 4 年以上.电弧喷涂 Fe 一 22Cr 一 6AI 合金线材,涂层基本达到 45CT 丝材性能指标,而成本比前者大大降低.山东华众纸业正在装的纸机,为防止纸浆化学制剂的腐蚀,机架全部用厚度为 3mm 的不锈钢保覆,等离子焊接接缝.由于纸机机架长期处于水湿环境,焊缝处若有微细裂纹,腐蚀介质很容易渗入缝内,这会导致缝隙腐蚀
14、的产生.由于缝隙腐蚀是一个自催化过程,缝隙腐蚀一旦出现,内部横梁就会受到严重腐蚀,并且等离子焊接费用昂贵:(上接第 39 页) 彩纤不是布满整个纸页而是在一定的部位成带状分布,这又增强了抄纸的难度,带状彩纤是靠特殊的设备喷上纸页的,而且要想办法控制彩纤的分布均匀性.彩条水印夹线防伪纸是彩纤技术和水印技术和夹线技术的结合,42如果采用氧乙炔火焰喷涂 0.3mm厚的 Al 粉,不但操作简单,快速,成本低廉并可达到同样的防腐效果.这是因为铝是非常活泼的金属,在大气中极易与氧结合生成氧化物.氧化铝的化学稳定性很高,致密的氧化铝能有效地阻止腐蚀介质的继续侵入,所以铝的耐蚀性能优良.铝又是很好的阳极性材料,它有比钢更负的电极电位.在电解质存在时,能对钢实行有效的牺牲阳极保护.热喷涂铝覆盖层是熔化的铝微粒堆积而成的,当热喷涂工艺得当,铝覆盖层厚度达到 180um 以上时,穿透性孑 L 隙基本消失H, 此时铝覆盖层能够隔绝腐蚀介质对钢基体的腐
