热喷涂技术及其在球墨铸铁曲轴修复中的应用

2020-10-12 09:15:14

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热喷涂技术一种采用专用设备、运用特定热源将金属或非金属材料加热到熔化或半熔化状态,用高速气流将其吹成微小颗粒并喷射到零件表面形成覆盖层,以提高零件的耐蚀、耐磨、耐热等性能的表面工程技术.热喷涂方法的多样性、制备涂层的广泛性和运用上的经济性,是热喷涂技术的突出特点,从中大型钢铁构件的耐磨、抗蚀,到高新科技领域中特殊功能涂层的制备,热喷涂技术都发挥了独特的作用.

运用该技术可使材料表面具备耐磨、耐蚀、耐高温氧化、隔热、密封等性能;可喷涂的材料有金属、塑料、陶瓷、复合材料等,现已在航空、航天、船舶、车辆、拖拉机、石化、纺织、模具制造等领域广泛应用.本文针对车辆用球墨铸铁曲轴的热喷涂修复工艺,研究热喷涂技术及其在零件修复中的工艺及运用.

车辆曲轴在使用中承受的载荷复杂,易磨损,生产成本高,更换价格贵.为了更好地延长车辆曲轴的使用期限,提高经济收益,经常希望对磨损后的曲轴进行修复,以做到继续使用的目的.而在众多的修复工艺中,热喷涂是对各类零件进行修复的合理有效方法,可以合理有效地提高基体表面的硬度、耐磨性、耐蚀性等,延长零件的使用期限.

1热喷涂工艺及试验

1.1热喷涂的原理及方法

热喷涂材料的加热全过程和颗粒与基体材料表面的结合全过程是热喷涂修复涂层的关键所在.尽管热喷涂的工艺方法很多、独具特色各不相同,但其喷涂全过程、涂层的形成原理和涂层的结构基本相同.从热喷涂材料进入热源到形成涂层一般来说需通过以下4个阶段:

(1)喷涂材料的加热和熔化:对于热喷涂修复用线材,当其端部进入热源的高温区即被加热熔化.

(2)熔融喷涂材料的雾化:在修复用线材端部熔化形成的熔滴在外加压缩气流或热源自身射流的作用下脱离线材端部,并被雾化成微细熔滴向前喷射

(3)熔滴微细颗粒的喷射飞行:雾化的颗粒在飞行全过程中,前提被加速形成粒子流,随着飞行距离的增加,粒子的运动速度逐渐减小.

(4)运动的粒子在基体材料表面发生碰撞、变形、凝固和堆积全过程:当具备一定环境温度和速度的粒子与基体材料表面接触时,粒子与基体材料表面产生强烈地碰撞,粒子的动能转化为热能,并将其一部分能量传递给基体材料,与此同时粒子沿凸凹不平的表面产生变形,失去热量冷凝后产生收缩,并呈扁平状黏结在基体材料的表面上.因为喷射的粒子束连续不断的撞击基体材料表面,不断产生碰撞→变形→冷凝→收缩的全过程,使变形的粒子与基体材料表面相互之间,以及变形粒子与变形粒子相互之间产生黏结作用,进而形成涂层.

由于在喷涂过程中,粒子在熔化、加速、飞行、与基体材料表面接触等过程中,会与周围介质发生化学反应,使喷涂材料在喷涂后出现氧化物,而且由于粒子的不断堆叠和部分粒子的反弹散失,在粒子之间不可避免的会形成一些孔隙和空洞,因此喷涂层是由变形粒子、气孔和氧化物所组成的.

热喷涂的方法很多,常用于零件修复的方法一般为火焰线材喷涂.火焰线材喷涂是一种出现较早的热喷涂方法,其喷涂原理是将线材以一定的控制速度送入燃烧的火焰中,使受热的线材端部熔化,并由压缩空气对熔流喷射、雾化、加速,喷射到基体材料表面形成涂层.由于该方法中熔融粒子的热焓不足,致使涂层与基体材料表面以机械结合为主,其结合强度较低.同时,由于线材的熔断、喷散不均匀,造成涂层的性质不均匀,组织疏松、多孔,内应力较大.

热喷涂技术及其在球墨铸铁曲轴修复中的应用

1.2试验材料及试验设备

母体材料为球墨铸铁曲轴材料QT700-02,其基体的金相显微组织为下贝氏体;所选择的试样材料为已磨损的球墨铸铁曲轴试块,选取适当的面作为研究对象.喷涂材料选用国产T8A钢的钢丝;利用氧———乙炔焰进行热喷涂修复试验.

试验研究设备:选用磨削及喷砂对试样表面进行粗化处理;采用高温电阻加热炉进行试块的预热;热喷涂采用排气量为1.5m3/h的空气压缩机,SQP-1型喷涂机;采用4XB型金相显微镜进行金相显微组织分析;采用M-200磨损试验机进行喷涂层的表面耐磨性测定;采用能谱分析及晶粒测定等方法分析其组织结构和晶粒大小等.

1.3试验方法

在采用氧———乙炔焰进行热喷涂修复时,其工艺流程为:被修复工件的表面处理→预热→热喷涂打底层→热喷涂工作层→喷涂后处理.

(1) 被修复工件的表面处理

为提高涂层材料与曲轴基体材料的结合强度,使喷涂的粒子与微观不平的基体材料表面紧紧咬合,为此要求被修复工件的表面必须洁净、粗糙、新鲜.具体包括表面清理和表面粗糙处理两个工序.

表面清理包括脱脂、去除油污、除锈等一系列过程,使曲轴基体材料表面洁净、新鲜、呈现金属光泽.表面处理常采用酸洗、喷砂除锈去除氧化皮;采用有机溶剂、碱水去除油污;采用300～320℃加热、保温2～2.5h去除曲轴旧件毛细孔内的油污.

表面粗糙处理采用磨削和喷砂相结合的方法进行,粗糙处理后再进行一次必要的表面清理过程,目的是进一步清洁被修复工件的表面,保证其表面质量,提高喷涂材料与曲轴基体材料之间的结合强度,并预留出涂层厚度.

(2) 被修复工件的预热

被修复工件在喷涂修复前要进行预热,其主要目的是提高工件表面与熔融粒子之间的接触温度,以利于熔融粒子的变形、与曲轴基体材料的相互咬合以及提高喷涂材料的沉积率;降低晶格的内应力和熔融粒子的冷凝速度,增加喷涂材料与曲轴基体材料的原子间结合力;减少喷涂材料与曲轴基体材料在冷凝时的收缩差别和内应力.针对球墨铸铁曲轴材料以130～150℃为宜,为使工件温度均匀、工件表面不产生水分,一般采用电阻炉预热,也可采用喷枪预热.

(3) 热喷涂打底层

为了增加喷涂层与曲轴基体材料的结合强度,可在正式喷涂修复之前先喷涂一层镍包铝或铝包镍粉末作为热喷涂打底层,一般喷涂厚度为0.10～0.15mm左右,并使用中性焰进行喷涂,既经济又有良好的结合强度.

(4) 热喷涂工作层

曲轴修复的热喷涂主要由四个过程组成,即金属喷涂材料熔化、液态金属的雾化、液态金属颗粒的飞行过渡、金属颗粒的黏结附着.根据喷涂热源、喷涂材料、喷涂设备等具体情况,喷涂距离一般以100～150mm为宜,喷涂角度一般为60～90°.为研究金属热喷涂的质量,从热喷涂距离和涂层厚度上进行了不同工艺的试验.在喷涂距离上选用100、120、140、160mm等4种,在涂层厚度上选用0.25、0.5、1、1.5mm等4种.在喷涂过程中,其工作温度控制在200～220℃的范围内,以防止温度过高影响喷涂材料与曲轴基体材料的结合强度、引起工件的变形和曲轴基体材料的组织和性能的变化.

(5) 喷涂后处理

火焰热喷涂层是有孔结构,只对在有腐蚀性介质条件下工作的涂层性能有不利影响,对于球墨铸铁曲轴的耐磨涂层性能影响不大.但是,对于喷涂后的球墨铸铁曲轴需要进行机械精加工,一般采用精车加工和磨削加工,精车加工的进刀量要小,以有效地防止车削裂纹的产生;在进行磨削加工时,应尽量选择锐利的磨削砂轮,以提高曲轴的表面质量;加工后进行浸油处理.2试验结果及分析

2.1工件修复层的组织和性能

进行热喷涂修复后,球墨铸铁曲轴的表面层由28湖南工程学院学报2004年三个部分组成,即表面涂层、含Ni粗化层和球墨铸铁表面层.经金相分析可知,修复后的曲轴表面涂层由金属表层、灰色孔状物及黑色斑点组成,其中灰色孔状物为氧化物,黑色斑点为孔洞;经能谱分析可知,表面涂层主要由FeO、Fe3O4和F组成.灰色孔状物是由于在热喷涂过程中,受热熔化的T8A钢丝在受到压缩空气的作用时,所形成的金属熔滴在飞行过程中受氧化在粒子的表面层形成氧化膜所致;带有氧化膜的高速飞行的粒子撞击粗化层后,被挤压成圆片状,而在粒子间隔处形成孔洞.

经热喷涂修复后,在曲轴的表面形成一层金属涂层,经力学性能测定知,涂层强度σb为80～81MPa,硬度为30～31HRC,涂层与基体的黏结强度σb为44～45MPa,涂层抗拉强度明显高于涂层与基体的黏结强度,能有效地满足曲轴修复后的强度要求.同时,在M-200磨损试验机上进行的磨损试验结果表明,热喷涂层的耐磨性与球墨铸铁曲轴的耐磨性要求相当,能满足曲轴的使用性能要求.

2.2喷涂层的有效工艺参数

通过金相分析可知,热喷涂修复层的晶粒呈现不规则形状,根据热喷涂层的氧化特性,若把氧化物包围的部分看作一个晶粒,则晶粒直径的平均值约为8.8～9.6μm,涂层的氧化率约为28～31%,孔隙率约为8.5～11.3%;试验结果表明,随着喷涂距离的增大,涂层的晶粒尺寸降低,而涂层的氧化率和孔隙率增大;随着涂层厚度的增加,涂层与基体材料的强度变化不大,但其伸长率降低,结合性能变差.