粉末冶金在船舶業的應用研究

喬 斌,肖 磊,常 婧,楊建明

(1.淮海工學院機械工程學院,江蘇連云港 222005;2.江蘇科技大學材料科學與工程學院,江蘇鎮江 212003)

粉末冶金在船舶業的應用研究

喬 斌1,肖 磊2,常 婧2,楊建明1

(1.淮海工學院機械工程學院,江蘇連云港 222005;2.江蘇科技大學材料科學與工程學院,江蘇鎮江 212003)

研究了粉末冶金的主要生產工藝及其特點,分析了其在船舶制造業的主要應用狀況,并與傳統工藝從技術、經濟方面作了比較,對粉末冶金技術在船舶業的應用進行了展望。

船舶;粉末冶金;制造;噴涂

隨著加工以及制造技術的發展,傳統的材料制造工藝及技術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相繼誕生,粉末冶金正是這些新技術中研究最為深入、應用最廣泛的技術之一[1]。其產品及技術工藝被廣泛地用于航空航海、汽車、機械、五金、兵器、電子信息工程等工業領域,被譽為“當今最熱門的零部件成形技術”和“21世紀的成形技術”[1]。粉末冶金技術在船舶業也得到了充分的應用與發展,在世界船舶業尤其是中國船舶業的發展中發揮了相當的作用,甚至在艦艇、艦載武器上也得到了應用[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,通過各種成形技術和燒結方式制造金屬材料或復合材料的工藝。現代粉末冶金技術主要包括超微粉末的制備技術、快速凝固技術、機械合金化技術、噴射沉積技術、粉末特種成形技術、粉末特種燒結技術、自蔓延技術、粉末注射成形技術[2]。與傳統制造工藝相比,粉末冶金具有以下特點:

(1)在粉末壓制成形及注射成形中,材料利用率近 100%[4],從而可以實現粉末近凈成形技術,節約能源、原料,符合新世紀節能環保要求。

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

(3)能夠避免傳統鑄造成形工藝所產生的成分偏析。

(4)可以作為制備新材料的方法,如制備非晶、納米材料。

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

2 粉末冶金在船舶業的應用

2.1 粉末冶金在船用機械上的應用

粉末冶金硬質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部件,如動葉片、靜葉片、燃燒器圓錐鼻等。船用柴油機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用于各種難潤滑及無法潤滑的船用機械設備中[5～8]。由于船用設備的復雜,使用環境的惡劣以及安置空間的狹小,許多設備零件的更換極為困難,因此要求設備應具有很好的耐摩擦磨損性能,能夠在潤滑油無法進行潤滑的條件下仍然具有優良的耐磨性。使用粉末冶金技術生產的金屬基含油自潤滑材料以其優異的自潤滑功能,在各種使用條件下能夠自潤滑,并具有防腐蝕耐高溫的優異性能,可作為船用機械設備中的自潤滑軸承使用。采用粉末注射成形的零件,可用于各種船用機械設備上[5]。粉末注射成形不銹鋼零件可作為小型船用機械零件使用,如軸承保持架、各種閥件等。

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

2.2 粉末冶金在船用電器設備中的應用

一般船用電源都是直流電,所以電機中會用到馬達電刷。現在的制造工藝中,電刷基本采用粉末冶金壓制工藝制造。根據船用電機的使用要求,可適當添加不同的金屬或非金屬元素,以滿足船用電機工作時的氣候腐蝕及振動要求。

各種船用設備,特別是直流電器設備中的磁體也可采用粉末冶金方式制取。與傳統的工藝相比,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、導航設備中,具有比傳統工藝制造的磁體更為優異的性能。

各種船用溫度檢測零件、F i v e r通訊零件、攝像機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用

通過粉末冶金工藝制造的零件已成功地用于兵器工業中[6,9]。現代兵器中的異性復雜零件如通過傳統的機加工、精密鑄造、焊接等工藝加工,不僅工藝復雜,加工精度難以保證,而且復雜件往往難以加工。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、槍支保險栓、槍彈彈心、穿甲彈彈心、高密度鎢球、導彈尾翼、彈頭保險裝置轉軸等多種兵器上。部分小型手用輕型武器也可采用注射成形工藝,其產品已通過性能質量認證。經實際測試,產品性能優良、質量穩定,生產成本降低,該技術對于提高軍隊武器裝備質量,提高部隊軍費費效比有巨大的促進作用[9]。

2.4 粉末冶金在船舶修復業的應用

采用粉末噴涂的工藝進行表面改性和修復是當前最為熱門的工藝之一[9]。在噴涂過程中,細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,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現耐高溫、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構的防腐[11]。與傳統防腐工藝相比,熱噴涂防腐降低了維護檢修成本,降低了船舶維護的工作量,增加了船用鋼板的使用壽命。電弧噴涂技術可應用于船用不銹鋼油冷套的修復[11]。實驗結果表明:使用電弧噴涂工藝,在一定的工藝參數下修復船用不銹鋼油冷套,加之合理的噴涂工序與材料匹配,達到了良好的修復效果。船用軸類零件熱噴涂修復的涂層設計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行修復,可節約工期,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在軸類零件修復中的應用。在船舶尾軸修復中可使用高速電弧噴涂工藝[13]。該工藝采用熱噴涂技術修理尾軸時,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。采用該方法修復的實驗船舶,2根尾軸采用高速電弧噴涂 3C r 13涂層材料修復、裝船,至今已使用 3年多,使用效果良好。實驗證實了采用熱噴涂工藝修復船舶尾翼具有可靠、快速、經濟等優點。

船用發動機葉片、螺旋槳葉片等,使用的環境腐蝕性強,需定期進行維護與修復,采用粉末熱噴涂的修補工藝,在實際應用中取得了顯著效果[15]。由中國科學院化工冶金研究所、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合粉末涂層,解決了槳葉在海水中抗振空蝕問題。實驗表明涂層與基體的結合強度高,所受污染小,抗振動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快艇應戰能力有明顯提高,可取得直接經濟效益數百萬元。幾種常用的噴涂方法及特征見表1[10]。

3 結語

(1)目前,中國船舶業發展迅速,已成為世界第3大造船國,但在船舶先進制造技術方面仍然存在不足。面對激烈的市場競爭,必須最大限度地降低生產成本,提高生產效率,增強產品質量,才可以在國際化的市場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中發揮重要的作用。我國必須要充分抓住這次科技更新的機會,努力發展船舶業的粉末冶金技術,盡早實現工業化生產并擠進國際市場。

表1 幾種常用的噴涂方法及特征

[1]張懷偉,劉強,等.金屬粉末冶金近成形技術使用研究[J].工藝裝備,2005,32(2):40-41,46.

[2]陳振華.現代粉末冶金技術[M].北京:化學工業出版社,2007.

[3]曲選輝,李益民,黃伯云.金屬粉末注射成形技術[J].粉末冶金材料科學與工程,1996,1(2):33-35.

[4]孫永安,張玲,李縣輝,王旭紅.高速自潤滑軸承的研究[J].粉末冶金技術,2002,20(2):90-93.

[5]李篤信,黃伯云.金屬注射成形技術的研究現狀[J].材料科學與工程,2002,77(1):136-139.

[6]徐魯杰,程德彬.船用鈦合金及鈦合金粉末冶金技術[J].材料開發與應用,2009,(4):68-70.

[7]杜春寬.銅基石墨自潤滑材料制備及其摩擦磨損性能研究[D].合肥:合肥工業大學,2007.

[8]張弛,徐春.金屬粉末注射成形技術[M].北京:化學工業出版社,2008.

[9]韓風麟,馬福康,曹勇家.中國材料工程大典(第 14卷)粉末冶金材料工程[M].北京:化學工業出版社,2006.

[10]李一,趙述欣,甘輝兵.熱噴涂技術在船體結構防腐中的應用[J].世界海運,2005,28(5):6-8.

[11]李慕勤,黃志求,黃凱燕,李娟娟,等.電弧噴涂技術在船用不銹鋼油冷套中修復的應用[J].焊接,2003,(1):30-32.

[12]丁彰雄,陳啟華.船機軸類零件熱噴涂修復的涂層設計與工藝選擇[J].中國修船,1999,(5):19-22.

[13]趙輝,曾志龍.高速電弧噴涂在船舶尾軸修復中的應用[J].船海工程,2009,38(2):64-67.

[14]張懷偉,劉強.金屬粉末冶金近凈成形技術實用研究[J].工藝裝備,2005,(32):40-46.

T F 124.3

A

2009-12-14

江蘇省“青藍工程”項目資助。

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