热喷涂再制造工艺与技术

　　热喷涂再制造工艺与技术
　　朱　胜,姚巨坤
　　新技术新工艺-再制造工艺技术讲座(七)
　　摘　要:叙述了热喷涂技术的定义及主要技术特点,分析了电弧热喷涂与等离子热喷涂技术的原理与特点,并介绍了电弧喷涂技术在再制造加工中的应用案例。
　　关键词:再制造;热喷涂;工艺技术
　　热喷涂技术是表面工程技术的重要内容,已经在再制造工程中得到了一定的应用,具有显著的综合效益。
　　1　热喷涂技术概述
　　热喷涂是指将熔融状态的喷涂材料,通过高速气流使其雾化,并喷射在零件表面上形成喷涂层,是重要的表面加工技术之一。根据热源来分,热喷涂有4种基本方法:火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和特种喷涂。火焰喷涂就是以气体火焰为热源的热喷涂,又可按火焰喷射速度分为火焰喷涂、气体爆燃式喷涂(爆炸喷涂)及超音速火焰喷涂3种;电弧喷涂是以电弧为热源的热喷涂;等离子喷涂是以等离子弧为热源的热喷涂。热喷涂技术在设备维修和再制造中得到了广泛应用,可有效地恢复废旧零件磨损和腐蚀的表面性能及零件原设计尺寸。
　　2　热喷涂技术的应用及特点
　　机械零件大多是用金属材料制造而成,在使用中由于配合零件表面的相互作用会引起磨损,或因大气的影响造成腐蚀,造成大量机械设备的报废。采用热喷涂技术对零件因磨损或腐蚀而失效的零件表面进行喷涂,用以恢复零件的尺寸精度和几何精度。由于热喷涂涂层材料的优异性能,用其再制造修复后的零件使用寿命往往可以超过新品零件的使用寿命,从而提高再制造产品的质量。
　　表1列出了4种热喷涂技术的工艺特点.
　　3　电弧喷涂及等离子喷涂技术
　　电弧喷涂与等离子喷涂技术是再制造中应用最为广泛的2种喷涂技术。
　　3. 1　电弧喷涂技术
　　电弧喷涂是以电弧为热源,将熔化的金属丝用高速气流雾化,并高速喷射到工件表面形成涂层的一种工艺。
　　图1是电弧喷涂原理示意图。喷涂时, 2根丝状喷涂材料经送丝机构均匀、连续地送进喷枪的2个导电嘴内,导电嘴分别接喷涂电源的正、负极,并保证2根丝材端部接触前的绝缘性。当2根丝材端部接触时,由于短路产生电弧,高压空气将电弧熔化的金属雾化成微熔滴,并将微熔滴加速喷射到工件表面,经冷却、沉积过程形成涂层。此项技术可选用不同的金属丝而赋予工件表面优异的耐磨、防腐、防滑、耐高温等性能,在再制造领域中获得了广泛的应用。
　　电弧喷涂设备系统由电源、喷枪、送丝机构、冷却装置、油水分离器、储气罐和空气压缩机等组成,图2为电弧喷涂设备系统简图。
　　电弧喷涂技术具有显著的特点。
　　1)涂层性能优异,一般电弧喷涂涂层的结合强度是火焰喷涂层的2. 5倍。
　　2)喷涂效率高,比火焰喷涂高2~6倍。
　　3)节约能源,能源利用率达57%,而等离子喷涂为12%,火焰喷涂为13%。
　　4)经济性好,加工费用约为火焰喷涂的1/10,设备投资约为等离子喷涂设备的1/5。
　　5)安全性好。
　　6)设备相对简单,便于现场施工。
　　3. 2　等离子喷涂技术
　　等离子喷涂是以等离子弧为热源,以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法。图3是等离子喷涂原理示意图。
　　图3左侧的等离子喷枪,产生等离子射流。喷枪的电极(阴极)和喷嘴(阳极),分别接整流电源(F)的负极和正极,根据喷涂工艺的需要,向喷枪供给工作气体N2或Ar,也可以再通入5% ~10%的H2。这些混合气体进入弧柱区后,将发生电离,成为等离子体。由于阴极与前枪体有一段距离,故在电源的空载电压加到喷枪上以后,并不能立即产生电弧,还需在前枪体与后枪体之间并联一个高频电源。高频电源接通使阴极端部与喷嘴之间产生火花放电,于是电弧便被引燃。电弧引燃后,切断高频电路。引燃后的电弧在喷嘴孔道中受到一种压缩效应,被加热到很高的温度,体积剧烈膨胀,从喷嘴喷出时,射流速度很高,冲力很大。此时,往前枪体的送粉管中输送粉状材料,粉末在等离子焰流中被很快加热到熔融状态,并高速喷打在工件基体的表面上。当熔滴高速撞击基体表面时,发生强烈塑性变形,在表面铺展开来,迅速冷却,并黏附在基材表面,这些被撞击成的扁平颗粒堆垛起来,互相衔接,在工件表面就形成了一定厚度的等离子喷涂层。
　　等离子喷涂设备的核心是等离子喷枪,以及与喷枪配套的整个系统:包括电源柜、控制柜、送粉器、高频引弧装置、循环冷却水装置和等离子气源等。此外,还需要辅助设备:包括喷涂室,通风除尘装置,喷枪及工件运转的机械装置,喷砂房等。
　　等离子喷涂工作时会产生强光、噪声、粉尘和金属蒸气等,喷涂设备应置于隔声、通风良好的喷涂室内。等离子喷涂与其他热喷涂技术相比,其主要特点有。
　　1)基体受热温度低(<200℃),零件无变形,不改变基体金属的热处理性质。
　　2)等离子焰流的温度高,可喷涂材料非常广泛。
　　3)等离子射流速度高,形成的涂层更致密,结合强度更高,显著提高了涂层的质量,特别是在喷涂高熔点的陶瓷粉末或难熔金属等方面更显出其独特的优越性。
　　4　热喷涂技术在再制造中的应用案例
　　热喷涂技术主要应用于因零件表面磨损而造成的失效。下面以发动机缸体主轴承孔在再制造中应用的高速电弧喷涂技术为例[2],阐述热喷涂技术的具体应用。
　　4. 1　缸体的工况条件及失效形式
　　发动机缸体是发动机最重要的部件,价值非常高。缸体损坏的主要形式是气缸孔磨损、水套腐蚀、主轴承孔变形或划伤,其中缸体主轴承孔在工作状态下承受交变应力及瞬间冲击,容易导致主轴承孔变形。在发动机缺油的情况下出现烧瓦、抱轴则会导致缸体主轴承孔严重划伤。
　　对主轴承孔已发生变形或划伤的缸体,以前一般就直接报废了,给用户造成很大的损失。也有采用传统的堆焊工艺和加厚主轴瓦(主轴瓦外径加大)补偿的办法进行修复的,但效果均不理想。堆焊容易造成缸体变形甚至出现裂纹;加厚主轴瓦的办法破坏了互换性,给用户今后维修带来诸多不便。而高速电弧喷涂技术以其致密的涂层组织、较高的结合强度、方便快捷的操作和高的性能价格比,应用于缸体主轴承孔修复,显示其具有明显的技术优势和显著的经济效果。
　　4. 2　喷涂设备和喷涂材料
　　喷涂设备使用北京新迪表面工程新技术公司生产的CMD—AS1620型高速电弧喷涂机。喷涂层材料采用低碳马氏体丝材打底,再用1Cr18Ni9Ti丝材喷涂工作层。
　　4. 3　喷涂工艺流程
　　镗底孔及螺旋槽→清洗除油→喷砂粗化处理→喷底层→喷工作涂层→加工喷涂层至标准尺寸。预加工时,镗底孔至标准孔D+0. 5 mm,并镗螺距为1. 8 mm×0. 2 mm的螺旋槽,以增加底层结合面积,有利于结合强度的提高。
　　针对缸体的结构状况,在喷砂和喷涂前对主轴承孔内的油孔和油槽、冷却喷嘴座孔、挺柱孔、二道瓦两侧止推面及缸体内腔等处用不同材料的各种特制护具进行遮蔽防护。
　　图4　用高速电弧喷涂修复缸体主轴承孔喷砂处理用16#棕刚玉,喷砂用气经油水分离器和冷凝干燥机处理,喷砂目的是使待喷涂表面粗糙,但喷砂不要过度,并注意整个待喷涂面的喷砂处理必须均匀、无死角。
　　喷涂缸体的现场情况见图4,喷涂工艺参数见表2。
　　4. 4　喷涂层组织及性能
　　喷涂层显微组织为层状组织,涂层与基体界面之间结合紧密。涂层硬度为HV 280~308,适于后续的镗孔、珩磨加工。喷涂层与基体的结合强度值为27. 6~28. 1MPa。
　　4. 5　工艺分析及讨论
　　喷涂层的结合强度对其使用性能有决定性的影响,而影响结合强度的因素是多方面的,如表面预处理质量、喷涂工艺规范、压缩空气质量、雾化气流压力与流量等。
　　工件表面粗糙度越高,涂层与基体接触面积越大,二者的机械嵌合作用越大,涂层的界面结合强度越高,文中所说喷砂粗化及镗螺旋槽即为此目的。压缩空气中含油、水、杂质越少,压力越高,等离子喷涂设备内的高速射流区间射流加速距离越大,涂层结合强度越高,实际生产中压缩空气压力为0·6MPa。
　　喷涂电压越高,输入的电功率越大,焊丝熔化加快,熔融粒子温度升高,粒子表面氧化严重,对结合强度不利。而喷涂电流越大,亦造成熔融粒子温度升高,粒子表面氧化严重,同样会降低涂层颗粒间结合力。
　　另外,喷涂距离对结合强度影响较大,以200mm为宜,因为在此区间距离内,喷射出的熔融金属颗粒可以具有最大的动能,获得较高的结合强度。
　　5　结语
　　热喷涂技术是再制造加工的重要技术,能够显著提高废旧零件性能的恢复率,并能够提高零件的性能。电弧喷涂与等离子喷涂技术已经在再制造生产中得到了实际应用,并取得了良好的综合效益。
　　参考文献略
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