粉末冶金在船舶業(yè)的應(yīng)用研究

喬 斌,肖 磊,常 婧,楊建明

(1.淮海工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,江蘇連云港 222005;2.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

粉末冶金在船舶業(yè)的應(yīng)用研究

喬 斌1,肖 磊2,常 婧2,楊建明1

(1.淮海工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,江蘇連云港 222005;2.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

研究了粉末冶金的主要生產(chǎn)工藝及其特點(diǎn),分析了其在船舶制造業(yè)的主要應(yīng)用狀況,并與傳統(tǒng)工藝從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面作了比較,對(duì)粉末冶金技術(shù)在船舶業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

船舶;粉末冶金;制造;噴涂

隨著加工以及制造技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的材料制造工藝及技術(shù)已無法滿足日益增長的船用材料性能的要求,特別是在一些高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、難潤滑條件下使用的材料。因此各種新的材料加工技術(shù)相繼誕生,粉末冶金正是這些新技術(shù)中研究最為深入、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一[1]。其產(chǎn)品及技術(shù)工藝被廣泛地用于航空航海、汽車、機(jī)械、五金、兵器、電子信息工程等工業(yè)領(lǐng)域,被譽(yù)為“當(dāng)今最熱門的零部件成形技術(shù)”和“21世紀(jì)的成形技術(shù)”[1]。粉末冶金技術(shù)在船舶業(yè)也得到了充分的應(yīng)用與發(fā)展,在世界船舶業(yè)尤其是中國船舶業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮了相當(dāng)?shù)淖饔?甚至在艦艇、艦載武器上也得到了應(yīng)用[1]。

1 粉末冶金簡介

粉末冶金是以金屬粉末或金屬與非金屬的混合粉末為原料,通過各種成形技術(shù)和燒結(jié)方式制造金屬材料或復(fù)合材料的工藝。現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)主要包括超微粉末的制備技術(shù)、快速凝固技術(shù)、機(jī)械合金化技術(shù)、噴射沉積技術(shù)、粉末特種成形技術(shù)、粉末特種燒結(jié)技術(shù)、自蔓延技術(shù)、粉末注射成形技術(shù)[2]。與傳統(tǒng)制造工藝相比,粉末冶金具有以下特點(diǎn):

(1)在粉末壓制成形及注射成形中,材料利用率近 100%[4],從而可以實(shí)現(xiàn)粉末近凈成形技術(shù),節(jié)約能源、原料,符合新世紀(jì)節(jié)能環(huán)保要求。

(2)可以制造傳統(tǒng)工藝無法制造或難以制造的特殊用途材料,如用粉末冶金技術(shù)壓制含油軸承、壓縮機(jī)曲軸動(dòng)密封環(huán)[4],滿足了市場(chǎng)的需求。

(3)能夠避免傳統(tǒng)鑄造成形工藝所產(chǎn)生的成分偏析。

(4)可以作為制備新材料的方法,如制備非晶、納米材料。

(5)利用粉末冶金技術(shù)可對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行表面改性,以使材料具有更好的物理化學(xué)性能,如利用粉末噴涂技術(shù),可使金屬或非金屬表面具有耐磨、耐腐蝕、防磁電等功能。

2 粉末冶金在船舶業(yè)的應(yīng)用

2.1 粉末冶金在船用機(jī)械上的應(yīng)用

粉末冶金硬質(zhì)合金可用于各種船體泵用零件,如活塞、過濾器等。粉末冶金陶瓷件可用于陶瓷汽輪機(jī)部件,如動(dòng)葉片、靜葉片、燃燒器圓錐鼻等。船用柴油機(jī)的部分零件也可采用粉末冶金工藝制造。

粉末冶金制造的各種含油自潤滑軸承可廣泛應(yīng)用于各種難潤滑及無法潤滑的船用機(jī)械設(shè)備中[5～8]。由于船用設(shè)備的復(fù)雜,使用環(huán)境的惡劣以及安置空間的狹小,許多設(shè)備零件的更換極為困難,因此要求設(shè)備應(yīng)具有很好的耐摩擦磨損性能,能夠在潤滑油無法進(jìn)行潤滑的條件下仍然具有優(yōu)良的耐磨性。使用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)的金屬基含油自潤滑材料以其優(yōu)異的自潤滑功能,在各種使用條件下能夠自潤滑,并具有防腐蝕耐高溫的優(yōu)異性能,可作為船用機(jī)械設(shè)備中的自潤滑軸承使用。采用粉末注射成形的零件,可用于各種船用機(jī)械設(shè)備上[5]。粉末注射成形不銹鋼零件可作為小型船用機(jī)械零件使用,如軸承保持架、各種閥件等。

與傳統(tǒng)的工藝材料相比,用鈦合金制造的材料具有很好的耐摩擦、耐腐蝕性能,是理想的船用結(jié)構(gòu)材料。

2.2 粉末冶金在船用電器設(shè)備中的應(yīng)用

一般船用電源都是直流電,所以電機(jī)中會(huì)用到馬達(dá)電刷?，F(xiàn)在的制造工藝中,電刷基本采用粉末冶金壓制工藝制造。根據(jù)船用電機(jī)的使用要求,可適當(dāng)添加不同的金屬或非金屬元素,以滿足船用電機(jī)工作時(shí)的氣候腐蝕及振動(dòng)要求。

各種船用設(shè)備,特別是直流電器設(shè)備中的磁體也可采用粉末冶金方式制取。與傳統(tǒng)的工藝相比,采用粉末冶金制取的磁體磁力分布均勻且具有永磁性,使用在船用雷達(dá)、導(dǎo)航設(shè)備中,具有比傳統(tǒng)工藝制造的磁體更為優(yōu)異的性能。

各種船用溫度檢測(cè)零件、F i v e r通訊零件、攝像機(jī)部件等不適合鍛造或切割成形的部件,可采用粉末冶金注射成形的工藝制造[8]。

2.3 粉末冶金在艦載武器上的應(yīng)用

通過粉末冶金工藝制造的零件已成功地用于兵器工業(yè)中[6,9]?，F(xiàn)代兵器中的異性復(fù)雜零件如通過傳統(tǒng)的機(jī)加工、精密鑄造、焊接等工藝加工,不僅工藝復(fù)雜,加工精度難以保證,而且復(fù)雜件往往難以加工。采用粉末注射成形工藝,可降低成本,保證精度,減少加工工序。目前利用此工藝制造的兵器零部件主要包括用于集束箭小箭、槍支扳機(jī)、槍支保險(xiǎn)栓、槍彈彈心、穿甲彈彈心、高密度鎢球、導(dǎo)彈尾翼、彈頭保險(xiǎn)裝置轉(zhuǎn)軸等多種兵器上。部分小型手用輕型武器也可采用注射成形工藝,其產(chǎn)品已通過性能質(zhì)量認(rèn)證。經(jīng)實(shí)際測(cè)試,產(chǎn)品性能優(yōu)良、質(zhì)量穩(wěn)定,生產(chǎn)成本降低,該技術(shù)對(duì)于提高軍隊(duì)武器裝備質(zhì)量,提高部隊(duì)軍費(fèi)費(fèi)效比有巨大的促進(jìn)作用[9]。

2.4 粉末冶金在船舶修復(fù)業(yè)的應(yīng)用

采用粉末噴涂的工藝進(jìn)行表面改性和修復(fù)是當(dāng)前最為熱門的工藝之一[9]。在噴涂過程中,細(xì)小的金屬或非金屬粉末涂層材料處于已熔化或半熔化的狀態(tài),以一定的速度沉積到被噴涂物體的表面,在表面形成涂層,從而使被噴涂材料實(shí)現(xiàn)耐高溫、耐腐蝕、耐電磁、耐磨損等各種新的功能。噴涂的材料廣泛,幾乎可以噴涂所有的固體工程材料。

由于船舶使用的特殊氣候條件,船用金屬的表面性能要求很高。噴涂可以用于船體結(jié)構(gòu)的防腐[11]。與傳統(tǒng)防腐工藝相比,熱噴涂防腐降低了維護(hù)檢修成本,降低了船舶維護(hù)的工作量,增加了船用鋼板的使用壽命。電弧噴涂技術(shù)可應(yīng)用于船用不銹鋼油冷套的修復(fù)[11]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:使用電弧噴涂工藝,在一定的工藝參數(shù)下修復(fù)船用不銹鋼油冷套,加之合理的噴涂工序與材料匹配,達(dá)到了良好的修復(fù)效果。船用軸類零件熱噴涂修復(fù)的涂層設(shè)計(jì)與工藝選擇的研究也已取得了初步的成果[12]。船用零件多為軸類零件,這些零件如采用熱噴涂的工藝進(jìn)行修復(fù),可節(jié)約工期,降低成本。美國、英國、俄羅斯等國在船舶軸類零件的修復(fù)中廣泛采用熱噴涂工藝,使用情況良好。我國目前也在積極推廣熱噴涂技術(shù)在軸類零件修復(fù)中的應(yīng)用。在船舶尾軸修復(fù)中可使用高速電弧噴涂工藝[13]。該工藝采用熱噴涂技術(shù)修理尾軸時(shí),涉及到了涂層制備方法及涂層材料的選擇、涂層厚度的確定、熱噴涂主要工藝過程及涂層加工等問題。采用該方法修復(fù)的實(shí)驗(yàn)船舶,2根尾軸采用高速電弧噴涂 3C r 13涂層材料修復(fù)、裝船,至今已使用 3年多,使用效果良好。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了采用熱噴涂工藝修復(fù)船舶尾翼具有可靠、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

船用發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、螺旋槳葉片等,使用的環(huán)境腐蝕性強(qiáng),需定期進(jìn)行維護(hù)與修復(fù),采用粉末熱噴涂的修補(bǔ)工藝,在實(shí)際應(yīng)用中取得了顯著效果[15]。由中國科學(xué)院化工冶金研究所、廣州有色金屬研究院和海軍 4801廠共同合作研發(fā)的鈦及鈦合金耐磨耐蝕低壓等離子噴涂專利工藝,在以鋁青銅為基材的快艇螺旋槳葉表面噴涂耐磨耐蝕的鈦復(fù)合粉末涂層,解決了槳葉在海水中抗振空蝕問題。實(shí)驗(yàn)表明涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高,所受污染小,抗振動(dòng)空蝕能力是鋁青銅的 2倍。該成果目前在海軍艦艇上試用,若海軍艦艇全部采用該成果則對(duì)快艇應(yīng)戰(zhàn)能力有明顯提高,可取得直接經(jīng)濟(jì)效益數(shù)百萬元。幾種常用的噴涂方法及特征見表1[10]。

3 結(jié)語

(1)目前,中國船舶業(yè)發(fā)展迅速,已成為世界第3大造船國,但在船舶先進(jìn)制造技術(shù)方面仍然存在不足。面對(duì)激烈的市場(chǎng)競爭,必須最大限度地降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率,增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量,才可以在國際化的市場(chǎng)競爭中立于不敗之地。

(2)粉末冶金作為一種新型工藝必將在以后的船舶制造業(yè)中發(fā)揮重要的作用。我國必須要充分抓住這次科技更新的機(jī)會(huì),努力發(fā)展船舶業(yè)的粉末冶金技術(shù),盡早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)并擠進(jìn)國際市場(chǎng)。

表1 幾種常用的噴涂方法及特征

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T F 124.3

A

2009-12-14

江蘇省“青藍(lán)工程”項(xiàng)目資助。

喬斌(1966-),男,教授,碩士,江蘇科技大學(xué)兼職碩士生導(dǎo)師,主要從事材料成型及表面技術(shù)研究。