粉末冶金在船舶业的应用研究

乔 斌,肖 磊,常 婧,杨建明

(1.淮海工学院机械工程学院,江苏连云港 222005;2.江苏科技大学材料科学与工程学院,江苏镇江 212003)

粉末冶金在船舶业的应用研究

乔 斌1,肖 磊2,常 婧2,杨建明1

(1.淮海工学院机械工程学院,江苏连云港 222005;2.江苏科技大学材料科学与工程学院,江苏镇江 212003)

研究了粉末冶金的主要生产工艺及其特点,分析了其在船舶制造业的主要应用状况,并与传统工艺从技术、经济方面作了比较,对粉末冶金技术在船舶业的应用进行了展望。

船舶;粉末冶金;制造;喷涂

随着加工以及制造技术的发展,传统的材料制造工艺及技术已无法满足日益增长的船用材料性能的要求,特别是在一些高温、高压、强腐蚀、难润滑条件下使用的材料。因此各种新的材料加工技术相继诞生,粉末冶金正是这些新技术中研究最为深入、应用最广泛的技术之一[1]。其产品及技术工艺被广泛地用于航空航海、汽车、机械、五金、兵器、电子信息工程等工业领域,被誉为“当今最热门的零部件成形技术”和“21世纪的成形技术”[1]。粉末冶金技术在船舶业也得到了充分的应用与发展,在世界船舶业尤其是中国船舶业的发展中发挥了相当的作用,甚至在舰艇、舰载武器上也得到了应用[1]。

1 粉末冶金简介

粉末冶金是以金属粉末或金属与非金属的混合粉末为原料,通过各种成形技术和烧结方式制造金属材料或复合材料的工艺。现代粉末冶金技术主要包括超微粉末的制备技术、快速凝固技术、机械合金化技术、喷射沉积技术、粉末特种成形技术、粉末特种烧结技术、自蔓延技术、粉末注射成形技术[2]。与传统制造工艺相比,粉末冶金具有以下特点:

(1)在粉末压制成形及注射成形中,材料利用率近 100%[4],从而可以实现粉末近净成形技术,节约能源、原料,符合新世纪节能环保要求。

(2)可以制造传统工艺无法制造或难以制造的特殊用途材料,如用粉末冶金技术压制含油轴承、压缩机曲轴动密封环[4],满足了市场的需求。

(3)能够避免传统铸造成形工艺所产生的成分偏析。

(4)可以作为制备新材料的方法,如制备非晶、纳米材料。

(5)利用粉末冶金技术可对传统材料进行表面改性,以使材料具有更好的物理化学性能,如利用粉末喷涂技术,可使金属或非金属表面具有耐磨、耐腐蚀、防磁电等功能。

2 粉末冶金在船舶业的应用

2.1 粉末冶金在船用机械上的应用

粉末冶金硬质合金可用于各种船体泵用零件,如活塞、过滤器等。粉末冶金陶瓷件可用于陶瓷汽轮机部件,如动叶片、静叶片、燃烧器圆锥鼻等。船用柴油机的部分零件也可采用粉末冶金工艺制造。

粉末冶金制造的各种含油自润滑轴承可广泛应用于各种难润滑及无法润滑的船用机械设备中[5～8]。由于船用设备的复杂,使用环境的恶劣以及安置空间的狭小,许多设备零件的更换极为困难,因此要求设备应具有很好的耐摩擦磨损性能,能够在润滑油无法进行润滑的条件下仍然具有优良的耐磨性。使用粉末冶金技术生产的金属基含油自润滑材料以其优异的自润滑功能,在各种使用条件下能够自润滑,并具有防腐蚀耐高温的优异性能,可作为船用机械设备中的自润滑轴承使用。采用粉末注射成形的零件,可用于各种船用机械设备上[5]。粉末注射成形不锈钢零件可作为小型船用机械零件使用,如轴承保持架、各种阀件等。

与传统的工艺材料相比,用钛合金制造的材料具有很好的耐摩擦、耐腐蚀性能,是理想的船用结构材料。

2.2 粉末冶金在船用电器设备中的应用

一般船用电源都是直流电,所以电机中会用到马达电刷。现在的制造工艺中,电刷基本采用粉末冶金压制工艺制造。根据船用电机的使用要求,可适当添加不同的金属或非金属元素,以满足船用电机工作时的气候腐蚀及振动要求。

各种船用设备,特别是直流电器设备中的磁体也可采用粉末冶金方式制取。与传统的工艺相比,采用粉末冶金制取的磁体磁力分布均匀且具有永磁性,使用在船用雷达、导航设备中,具有比传统工艺制造的磁体更为优异的性能。

各种船用温度检测零件、F i v e r通讯零件、摄像机部件等不适合锻造或切割成形的部件,可采用粉末冶金注射成形的工艺制造[8]。

2.3 粉末冶金在舰载武器上的应用

通过粉末冶金工艺制造的零件已成功地用于兵器工业中[6,9]。现代兵器中的异性复杂零件如通过传统的机加工、精密铸造、焊接等工艺加工,不仅工艺复杂,加工精度难以保证,而且复杂件往往难以加工。采用粉末注射成形工艺,可降低成本,保证精度,减少加工工序。目前利用此工艺制造的兵器零部件主要包括用于集束箭小箭、枪支扳机、枪支保险栓、枪弹弹心、穿甲弹弹心、高密度钨球、导弹尾翼、弹头保险装置转轴等多种兵器上。部分小型手用轻型武器也可采用注射成形工艺,其产品已通过性能质量认证。经实际测试,产品性能优良、质量稳定,生产成本降低,该技术对于提高军队武器装备质量,提高部队军费费效比有巨大的促进作用[9]。

2.4 粉末冶金在船舶修复业的应用

采用粉末喷涂的工艺进行表面改性和修复是当前最为热门的工艺之一[9]。在喷涂过程中,细小的金属或非金属粉末涂层材料处于已熔化或半熔化的状态,以一定的速度沉积到被喷涂物体的表面,在表面形成涂层,从而使被喷涂材料实现耐高温、耐腐蚀、耐电磁、耐磨损等各种新的功能。喷涂的材料广泛,几乎可以喷涂所有的固体工程材料。

由于船舶使用的特殊气候条件,船用金属的表面性能要求很高。喷涂可以用于船体结构的防腐[11]。与传统防腐工艺相比,热喷涂防腐降低了维护检修成本,降低了船舶维护的工作量,增加了船用钢板的使用寿命。电弧喷涂技术可应用于船用不锈钢油冷套的修复[11]。实验结果表明:使用电弧喷涂工艺,在一定的工艺参数下修复船用不锈钢油冷套,加之合理的喷涂工序与材料匹配,达到了良好的修复效果。船用轴类零件热喷涂修复的涂层设计与工艺选择的研究也已取得了初步的成果[12]。船用零件多为轴类零件,这些零件如采用热喷涂的工艺进行修复,可节约工期,降低成本。美国、英国、俄罗斯等国在船舶轴类零件的修复中广泛采用热喷涂工艺,使用情况良好。我国目前也在积极推广热喷涂技术在轴类零件修复中的应用。在船舶尾轴修复中可使用高速电弧喷涂工艺[13]。该工艺采用热喷涂技术修理尾轴时,涉及到了涂层制备方法及涂层材料的选择、涂层厚度的确定、热喷涂主要工艺过程及涂层加工等问题。采用该方法修复的实验船舶,2根尾轴采用高速电弧喷涂 3C r 13涂层材料修复、装船,至今已使用 3年多,使用效果良好。实验证实了采用热喷涂工艺修复船舶尾翼具有可靠、快速、经济等优点。

船用发动机叶片、螺旋桨叶片等,使用的环境腐蚀性强,需定期进行维护与修复,采用粉末热喷涂的修补工艺,在实际应用中取得了显著效果[15]。由中国科学院化工冶金研究所、广州有色金属研究院和海军 4801厂共同合作研发的钛及钛合金耐磨耐蚀低压等离子喷涂专利工艺,在以铝青铜为基材的快艇螺旋桨叶表面喷涂耐磨耐蚀的钛复合粉末涂层,解决了桨叶在海水中抗振空蚀问题。实验表明涂层与基体的结合强度高,所受污染小,抗振动空蚀能力是铝青铜的 2倍。该成果目前在海军舰艇上试用,若海军舰艇全部采用该成果则对快艇应战能力有明显提高,可取得直接经济效益数百万元。几种常用的喷涂方法及特征见表1[10]。

3 结语

(1)目前,中国船舶业发展迅速,已成为世界第3大造船国,但在船舶先进制造技术方面仍然存在不足。面对激烈的市场竞争,必须最大限度地降低生产成本,提高生产效率,增强产品质量,才可以在国际化的市场竞争中立于不败之地。

(2)粉末冶金作为一种新型工艺必将在以后的船舶制造业中发挥重要的作用。我国必须要充分抓住这次科技更新的机会,努力发展船舶业的粉末冶金技术,尽早实现工业化生产并挤进国际市场。

表1 几种常用的喷涂方法及特征

[1]张怀伟,刘强,等.金属粉末冶金近成形技术使用研究[J].工艺装备,2005,32(2):40-41,46.

[2]陈振华.现代粉末冶金技术[M].北京:化学工业出版社,2007.

[3]曲选辉,李益民,黄伯云.金属粉末注射成形技术[J].粉末冶金材料科学与工程,1996,1(2):33-35.

[4]孙永安,张玲,李县辉,王旭红.高速自润滑轴承的研究[J].粉末冶金技术,2002,20(2):90-93.

[5]李笃信,黄伯云.金属注射成形技术的研究现状[J].材料科学与工程,2002,77(1):136-139.

[6]徐鲁杰,程德彬.船用钛合金及钛合金粉末冶金技术[J].材料开发与应用,2009,(4):68-70.

[7]杜春宽.铜基石墨自润滑材料制备及其摩擦磨损性能研究[D].合肥:合肥工业大学,2007.

[8]张弛,徐春.金属粉末注射成形技术[M].北京:化学工业出版社,2008.

[9]韩风麟,马福康,曹勇家.中国材料工程大典(第 14卷)粉末冶金材料工程[M].北京:化学工业出版社,2006.

[10]李一,赵述欣,甘辉兵.热喷涂技术在船体结构防腐中的应用[J].世界海运,2005,28(5):6-8.

[11]李慕勤,黄志求,黄凯燕,李娟娟,等.电弧喷涂技术在船用不锈钢油冷套中修复的应用[J].焊接,2003,(1):30-32.

[12]丁彰雄,陈启华.船机轴类零件热喷涂修复的涂层设计与工艺选择[J].中国修船,1999,(5):19-22.

[13]赵辉,曾志龙.高速电弧喷涂在船舶尾轴修复中的应用[J].船海工程,2009,38(2):64-67.

[14]张怀伟,刘强.金属粉末冶金近净成形技术实用研究[J].工艺装备,2005,(32):40-46.

T F 124.3

A

2009-12-14

江苏省“青蓝工程”项目资助。

乔斌(1966-),男,教授,硕士,江苏科技大学兼职硕士生导师,主要从事材料成型及表面技术研究。