熱噴涂技術(shù)一種采用專用設(shè)備、運(yùn)用特定熱源將金屬或非金屬材料加熱到熔化或半熔化狀態(tài),用高速氣流將其吹成微小顆粒并噴射到零件表面形成覆蓋層,以提高零件的耐蝕、耐磨、耐熱等性能的表面工程技術(shù).熱噴涂方法的多樣性、制備涂層的廣泛性和運(yùn)用上的經(jīng)濟(jì)性,是熱噴涂技術(shù)的突出特點(diǎn),從中大型鋼鐵構(gòu)件的耐磨、抗蝕,到高新科技領(lǐng)域中特殊功能涂層的制備,熱噴涂技術(shù)都發(fā)揮了獨(dú)特的作用.

運(yùn)用該技術(shù)可使材料表面具備耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、隔熱、密封等性能;可噴涂的材料有金屬、塑料、陶瓷、復(fù)合材料等,現(xiàn)已在航空、航天、船舶、車輛、拖拉機(jī)、石化、紡織、模具制造等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用.本文針對車輛用球墨鑄鐵曲軸的熱噴涂修復(fù)工藝,研究熱噴涂技術(shù)及其在零件修復(fù)中的工藝及運(yùn)用.

車輛曲軸在使用中承受的載荷復(fù)雜,易磨損,生產(chǎn)成本高,更換價(jià)格貴.為了更好地延長車輛曲軸的使用期限,提高經(jīng)濟(jì)收益,經(jīng)常希望對磨損后的曲軸進(jìn)行修復(fù),以做到繼續(xù)使用的目的.而在眾多的修復(fù)工藝中,熱噴涂是對各類零件進(jìn)行修復(fù)的合理有效方法,可以合理有效地提高基體表面的硬度、耐磨性、耐蝕性等,延長零件的使用期限.

1熱噴涂工藝及試驗(yàn)

1.1熱噴涂的原理及方法

熱噴涂材料的加熱全過程和顆粒與基體材料表面的結(jié)合全過程是熱噴涂修復(fù)涂層的關(guān)鍵所在.盡管熱噴涂的工藝方法很多、獨(dú)具特色各不相同,但其噴涂全過程、涂層的形成原理和涂層的結(jié)構(gòu)基本相同.從熱噴涂材料進(jìn)入熱源到形成涂層一般來說需通過以下4個(gè)階段:

(1)噴涂材料的加熱和熔化:對于熱噴涂修復(fù)用線材,當(dāng)其端部進(jìn)入熱源的高溫區(qū)即被加熱熔化.

(2)熔融噴涂材料的霧化:在修復(fù)用線材端部熔化形成的熔滴在外加壓縮氣流或熱源自身射流的作用下脫離線材端部,并被霧化成微細(xì)熔滴向前噴射

(3)熔滴微細(xì)顆粒的噴射飛行:霧化的顆粒在飛行全過程中,前提被加速形成粒子流,隨著飛行距離的增加,粒子的運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小.

(4)運(yùn)動(dòng)的粒子在基體材料表面發(fā)生碰撞、變形、凝固和堆積全過程:當(dāng)具備一定環(huán)境溫度和速度的粒子與基體材料表面接觸時(shí),粒子與基體材料表面產(chǎn)生強(qiáng)烈地碰撞,粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能,并將其一部分能量傳遞給基體材料,與此同時(shí)粒子沿凸凹不平的表面產(chǎn)生變形,失去熱量冷凝后產(chǎn)生收縮,并呈扁平狀黏結(jié)在基體材料的表面上.因?yàn)閲娚涞牧Ｗ邮B續(xù)不斷的撞擊基體材料表面,不斷產(chǎn)生碰撞→變形→冷凝→收縮的全過程,使變形的粒子與基體材料表面相互之間,以及變形粒子與變形粒子相互之間產(chǎn)生黏結(jié)作用,進(jìn)而形成涂層.

由于在噴涂過程中,粒子在熔化、加速、飛行、與基體材料表面接觸等過程中,會(huì)與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使噴涂材料在噴涂后出現(xiàn)氧化物,而且由于粒子的不斷堆疊和部分粒子的反彈散失,在粒子之間不可避免的會(huì)形成一些孔隙和空洞,因此噴涂層是由變形粒子、氣孔和氧化物所組成的.

熱噴涂的方法很多,常用于零件修復(fù)的方法一般為火焰線材噴涂.火焰線材噴涂是一種出現(xiàn)較早的熱噴涂方法,其噴涂原理是將線材以一定的控制速度送入燃燒的火焰中,使受熱的線材端部熔化,并由壓縮空氣對熔流噴射、霧化、加速,噴射到基體材料表面形成涂層.由于該方法中熔融粒子的熱焓不足,致使涂層與基體材料表面以機(jī)械結(jié)合為主,其結(jié)合強(qiáng)度較低.同時(shí),由于線材的熔斷、噴散不均勻,造成涂層的性質(zhì)不均勻,組織疏松、多孔,內(nèi)應(yīng)力較大.

1.2試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)備

母體材料為球墨鑄鐵曲軸材料QT700-02,其基體的金相顯微組織為下貝氏體;所選擇的試樣材料為已磨損的球墨鑄鐵曲軸試塊,選取適當(dāng)?shù)拿孀鳛檠芯繉ο?/span>.噴涂材料選用國產(chǎn)T8A鋼的鋼絲;利用氧———乙炔焰進(jìn)行熱噴涂修復(fù)試驗(yàn).

試驗(yàn)研究設(shè)備:選用磨削及噴砂對試樣表面進(jìn)行粗化處理;采用高溫電阻加熱爐進(jìn)行試塊的預(yù)熱;熱噴涂采用排氣量為1.5m3/h的空氣壓縮機(jī),SQP-1型噴涂機(jī);采用4XB型金相顯微鏡進(jìn)行金相顯微組織分析;采用M-200磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行噴涂層的表面耐磨性測定;采用能譜分析及晶粒測定等方法分析其組織結(jié)構(gòu)和晶粒大小等.

1.3試驗(yàn)方法

在采用氧———乙炔焰進(jìn)行熱噴涂修復(fù)時(shí),其工藝流程為:被修復(fù)工件的表面處理→預(yù)熱→熱噴涂打底層→熱噴涂工作層→噴涂后處理.

(1) 被修復(fù)工件的表面處理

為提高涂層材料與曲軸基體材料的結(jié)合強(qiáng)度,使噴涂的粒子與微觀不平的基體材料表面緊緊咬合,為此要求被修復(fù)工件的表面必須潔凈、粗糙、新鮮.具體包括表面清理和表面粗糙處理兩個(gè)工序.

表面清理包括脫脂、去除油污、除銹等一系列過程,使曲軸基體材料表面潔凈、新鮮、呈現(xiàn)金屬光澤.表面處理常采用酸洗、噴砂除銹去除氧化皮;采用有機(jī)溶劑、堿水去除油污;采用300～320℃加熱、保溫2～2.5h去除曲軸舊件毛細(xì)孔內(nèi)的油污.

表面粗糙處理采用磨削和噴砂相結(jié)合的方法進(jìn)行,粗糙處理后再進(jìn)行一次必要的表面清理過程,目的是進(jìn)一步清潔被修復(fù)工件的表面,保證其表面質(zhì)量,提高噴涂材料與曲軸基體材料之間的結(jié)合強(qiáng)度,并預(yù)留出涂層厚度.

(2) 被修復(fù)工件的預(yù)熱

被修復(fù)工件在噴涂修復(fù)前要進(jìn)行預(yù)熱,其主要目的是提高工件表面與熔融粒子之間的接觸溫度,以利于熔融粒子的變形、與曲軸基體材料的相互咬合以及提高噴涂材料的沉積率;降低晶格的內(nèi)應(yīng)力和熔融粒子的冷凝速度,增加噴涂材料與曲軸基體材料的原子間結(jié)合力;減少噴涂材料與曲軸基體材料在冷凝時(shí)的收縮差別和內(nèi)應(yīng)力.針對球墨鑄鐵曲軸材料以130～150℃為宜,為使工件溫度均勻、工件表面不產(chǎn)生水分,一般采用電阻爐預(yù)熱,也可采用噴槍預(yù)熱.

(3) 熱噴涂打底層

為了增加噴涂層與曲軸基體材料的結(jié)合強(qiáng)度,可在正式噴涂修復(fù)之前先噴涂一層鎳包鋁或鋁包鎳粉末作為熱噴涂打底層,一般噴涂厚度為0.10～0.15mm左右,并使用中性焰進(jìn)行噴涂,既經(jīng)濟(jì)又有良好的結(jié)合強(qiáng)度.

(4) 熱噴涂工作層

曲軸修復(fù)的熱噴涂主要由四個(gè)過程組成,即金屬噴涂材料熔化、液態(tài)金屬的霧化、液態(tài)金屬顆粒的飛行過渡、金屬顆粒的黏結(jié)附著.根據(jù)噴涂熱源、噴涂材料、噴涂設(shè)備等具體情況,噴涂距離一般以100～150mm為宜,噴涂角度一般為60～90°.為研究金屬熱噴涂的質(zhì)量,從熱噴涂距離和涂層厚度上進(jìn)行了不同工藝的試驗(yàn).在噴涂距離上選用100、120、140、160mm等4種,在涂層厚度上選用0.25、0.5、1、1.5mm等4種.在噴涂過程中,其工作溫度控制在200～220℃的范圍內(nèi),以防止溫度過高影響噴涂材料與曲軸基體材料的結(jié)合強(qiáng)度、引起工件的變形和曲軸基體材料的組織和性能的變化.

(5) 噴涂后處理

火焰熱噴涂層是有孔結(jié)構(gòu),只對在有腐蝕性介質(zhì)條件下工作的涂層性能有不利影響,對于球墨鑄鐵曲軸的耐磨涂層性能影響不大.但是,對于噴涂后的球墨鑄鐵曲軸需要進(jìn)行機(jī)械精加工,一般采用精車加工和磨削加工,精車加工的進(jìn)刀量要小,以有效地防止車削裂紋的產(chǎn)生;在進(jìn)行磨削加工時(shí),應(yīng)盡量選擇銳利的磨削砂輪,以提高曲軸的表面質(zhì)量;加工后進(jìn)行浸油處理.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1工件修復(fù)層的組織和性能

進(jìn)行熱噴涂修復(fù)后,球墨鑄鐵曲軸的表面層由28湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)2004年三個(gè)部分組成,即表面涂層、含Ni粗化層和球墨鑄鐵表面層.經(jīng)金相分析可知,修復(fù)后的曲軸表面涂層由金屬表層、灰色孔狀物及黑色斑點(diǎn)組成,其中灰色孔狀物為氧化物,黑色斑點(diǎn)為孔洞;經(jīng)能譜分析可知,表面涂層主要由FeO、Fe3O4和F組成.灰色孔狀物是由于在熱噴涂過程中,受熱熔化的T8A鋼絲在受到壓縮空氣的作用時(shí),所形成的金屬熔滴在飛行過程中受氧化在粒子的表面層形成氧化膜所致;帶有氧化膜的高速飛行的粒子撞擊粗化層后,被擠壓成圓片狀,而在粒子間隔處形成孔洞.

經(jīng)熱噴涂修復(fù)后,在曲軸的表面形成一層金屬涂層,經(jīng)力學(xué)性能測定知,涂層強(qiáng)度σb為80～81MPa,硬度為30～31HRC,涂層與基體的黏結(jié)強(qiáng)度σb為44～45MPa,涂層抗拉強(qiáng)度明顯高于涂層與基體的黏結(jié)強(qiáng)度,能有效地滿足曲軸修復(fù)后的強(qiáng)度要求.同時(shí),在M-200磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的磨損試驗(yàn)結(jié)果表明,熱噴涂層的耐磨性與球墨鑄鐵曲軸的耐磨性要求相當(dāng),能滿足曲軸的使用性能要求.

2.2噴涂層的有效工藝參數(shù)

通過金相分析可知,熱噴涂修復(fù)層的晶粒呈現(xiàn)不規(guī)則形狀,根據(jù)熱噴涂層的氧化特性,若把氧化物包圍的部分看作一個(gè)晶粒,則晶粒直徑的平均值約為8.8～9.6μm,涂層的氧化率約為28～31%,孔隙率約為8.5～11.3%;試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著噴涂距離的增大,涂層的晶粒尺寸降低,而涂層的氧化率和孔隙率增大;隨著涂層厚度的增加,涂層與基體材料的強(qiáng)度變化不大,但其伸長率降低,結(jié)合性能變差.

綜合各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)熱噴涂距離為120mm、涂層厚度為0.5mm時(shí),熱噴涂層表現(xiàn)出了較好的抗拉強(qiáng)度、硬度、耐磨性以及涂層與基體材料的結(jié)合性能;晶粒的平均直徑約為9.1μm,孔隙率約為10.2%,氧化率約為30%.

3結(jié)束語

熱噴涂技術(shù)是一種先進(jìn)的表面處理方法,在被磨損零件的修復(fù)上具有廣闊地應(yīng)用前景.通過熱噴涂修復(fù),使球墨鑄鐵曲軸的表面性能滿足了其使用性能要求,通過熱噴涂后的機(jī)械精加工滿足了曲軸的尺寸和表面精度要求,并且能使其繼續(xù)服役,有效地節(jié)約了生產(chǎn)成本,提高了經(jīng)濟(jì)效益.