CNG壓縮機(jī)軸承外圈氧乙炔火焰噴涂修復(fù)

李慧林，藺虹賓

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽(yáng)618000）

0 前言

四川省德陽(yáng)市某CNG加氣站天然氣壓縮機(jī)由于常年連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，在使用過(guò)程中振動(dòng)和噪音很大，檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)因軸承常年連續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承與軸承臺(tái)之間的磨損嚴(yán)重，公差嚴(yán)重超標(biāo)。市場(chǎng)上買來(lái)的新軸承安裝后公差始終無(wú)法滿足要求。經(jīng)測(cè)量：軸承臺(tái)內(nèi)徑171.28mm，軸承外徑169.38mm。因軸承臺(tái)設(shè)備太大（長(zhǎng)度近1m、質(zhì)量近2 t），且為鑄鐵件，不易加工修復(fù)，加之軸承與軸承臺(tái)只是公差太大，所以僅需在軸承外圈表面噴涂一層薄薄的涂層滿足公差要求，即可保證設(shè)備正常使用。

1 噴涂方法和設(shè)備

根據(jù)該軸承外圈為單件、尺寸較小的特點(diǎn)，選擇氧乙炔噴涂方法進(jìn)行手工噴涂。噴嘴為1#噴嘴，如圖1所示。根據(jù)該軸承外圈的工作要求（耐磨損、耐高溫）以及材料45鋼的特性，選擇Ni25為噴涂材料。Ni25 粉末為 w（Ni）25%+w（Al）75%的 Ni基合金，顆粒度50目，如圖2所示。

圖1 噴嘴Fig.1 Nozzle

圖2 合金粉末圖片F(xiàn)ig.2 Alloy powder

2 噴涂原理及涂層形成過(guò)程

采用氧乙炔噴涂方法修復(fù)工件時(shí)，最大特點(diǎn)是熱輸入量低，不會(huì)引起工件變形和殘余應(yīng)力，尤其是在修復(fù)圓環(huán)狀工件時(shí)，效果特別明顯，因此特別適合圓形磨損零件的修復(fù)和加工過(guò)量零件的修補(bǔ)。熱噴涂原理如圖3所示。在噴涂過(guò)程中，顆粒狀的噴涂材料被加熱成熔融狀或高塑性狀顆粒，在高速氧氣流的帶動(dòng)下，快速噴射撞擊到工件表面，凝固成薄層，有些顆粒的原子與工件表面形成原子間結(jié)合，噴涂顆粒反復(fù)疊加，形成層狀結(jié)構(gòu)。在噴涂過(guò)程中，鋁包鎳粉末中的鋁與鎳產(chǎn)生的鋁熱反應(yīng)為放熱反應(yīng)，使鎳與基材形成微冶金結(jié)合，鎳由工件表面向深處擴(kuò)散，形成原子擴(kuò)散結(jié)合，提高了涂層與基材的結(jié)合性（其成分為FeNi3，擴(kuò)散層的厚度約為lμm），顆粒不斷疊加從而形成涂層[1]。

3 工件清理及表面粗化

工件尺寸φ180mm×10mm，寬度80mm。由于該工件長(zhǎng)期工作在潤(rùn)滑油、機(jī)油等高油脂環(huán)境中，所以首先要清理干凈工件表面的油脂。利用汽油將工件表面的油污清洗干凈，然后用金屬清洗劑溶液將工件浸泡2 h，將余油清洗干凈后再用流水沖洗。待工件干燥后，對(duì)工件進(jìn)行粗化加工。零件如圖4所示。

圖3 熱噴涂原理Fig.3 Schematic diagram of hermal sprayingmethod

圖4 零件Fig.4 Mechanical parts

工件表面越光滑，涂層的結(jié)合強(qiáng)度越低；相反工件表面越粗糙，涂層的結(jié)合強(qiáng)度越高，所以要預(yù)先對(duì)噴涂工件進(jìn)行粗化處理?？紤]到工件只是公差太大，使用打磨機(jī)打磨雖然效率高，粗化效果好，但不易掌握打磨厚度，可能會(huì)進(jìn)一步加大尺寸公差，所以考慮利用砂紙手工打磨，以更好地控制打磨深度，且砂紙打磨粗化兼有一定的殘余應(yīng)力，有利于提高涂層的疲勞強(qiáng)度。為使工件表面粗化明顯，用2#砂紙將工件的表面打磨粗糙，露出縱橫交錯(cuò)的溝槽痕跡即可。在打磨過(guò)程中全程需戴干凈的棉質(zhì)手套，防止沾染油脂等雜質(zhì)，打磨后的工件用干凈棉布擦拭干凈，不能用手直接觸摸打磨面，防止汗液和其他雜質(zhì)污染打磨面，影響涂層的結(jié)合強(qiáng)度。零件表面粗化如圖5所示。

4 噴涂工藝

4.1 噴涂工藝

火焰噴涂是將熔融狀的金屬顆粒以較高射速流噴射到工件表面，形成薄片狀的扁平粒子，扁平粒子的不斷疊加形成涂層。由于在粒子不斷疊加的過(guò)程中，涂層不均勻收縮產(chǎn)生殘余應(yīng)力，隨著涂層厚度的增加，殘余應(yīng)力也相應(yīng)疊加，使應(yīng)力越來(lái)越大，如果噴涂材料選擇不當(dāng)，涂層塑性不夠，就會(huì)使涂層“龜裂”“起皮”，強(qiáng)度降低。合理的預(yù)熱溫度和噴涂溫度可以使扁平粒子更好地與基層結(jié)合，形成更多的原子間結(jié)合，這種金屬鍵能夠顯著提高工件涂層的強(qiáng)度，延長(zhǎng)工件的使用壽命[2]。噴涂參數(shù)如表1所示。

圖5 零件表面粗化Fig.5 Surface ofmechanical parts roughing

表1 噴涂參數(shù)Table1 Parameters of Thermal spraying

4.2 材料

選擇市場(chǎng)上常見(jiàn)的Ni25作為噴涂材料，其噴涂時(shí)形成的涂層結(jié)合強(qiáng)度高、涂層韌性好，在噴涂過(guò)程中產(chǎn)生的煙霧少，粉末的沉積效率較高。粉末過(guò)細(xì)，容易使涂層燒損、破裂，熔融狀態(tài)的顆粒到達(dá)工件表面前就已經(jīng)被嚴(yán)重?zé)龘p、氧化；粉末過(guò)粗，可能造成對(duì)粉末顆粒的加熱不夠，使鋁與鎳產(chǎn)生的鋁熱反應(yīng)不充分，還會(huì)造成涂層致密度不足，內(nèi)部孔隙率高，涂層機(jī)械強(qiáng)度不夠。綜合考慮，選擇顆粒度為200～250目。

4.3 壓力

由于軸承的工作環(huán)境較為苛刻，需要長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)、磨損，材料一般為較硬的鋼種，該工件為45#鋼。在噴涂過(guò)程中需要較高的噴射氣流使熔融狀態(tài)的顆粒在高速射速流作用下濺射至工件表面，形成較多的原子間結(jié)合和較深的過(guò)渡層。如果壓力過(guò)小，形成的原子鍵就少，涂層的結(jié)合強(qiáng)度差，使用性能差。所以在選擇氧氣壓力時(shí)應(yīng)盡量選擇壓力區(qū)間的上限。在實(shí)際噴涂時(shí)選擇氧氣壓力為0.8MPa，乙炔壓力為0.06MPa。

4.4 溫度

噴涂又名冷噴焊，在噴涂過(guò)程中需選擇較低的噴涂溫度，不能使工件發(fā)生相變等組織的轉(zhuǎn)變。低熱輸入量加上合理的加熱方式，可以使工件噴涂加工后不發(fā)生變形，不產(chǎn)生殘余應(yīng)力，非常適合軸承外圈類耐磨損的圓形零部件的修復(fù)。因此預(yù)熱溫度和噴涂溫度的選擇直接決定了涂層的結(jié)合強(qiáng)度。

當(dāng)預(yù)熱溫度在80℃以下時(shí)，基層與涂層間的原子結(jié)合少，涂層的結(jié)合強(qiáng)度低。預(yù)熱溫度超過(guò)150℃時(shí)，涂層間的原子間結(jié)合較多，但工件受熱后的膨脹大，當(dāng)噴涂結(jié)束，涂層在冷卻過(guò)程中基層與涂層的不均勻冷卻造成基層與涂層結(jié)合處應(yīng)力較大，使涂層產(chǎn)生剝落，結(jié)合強(qiáng)度反而降低。由于工件為軸承鋼，硬度較大，較低溫度不易在工件與涂層間形成較多的金屬鍵，所以選擇較高的溫度噴涂，噴涂完成后可采取適當(dāng)?shù)谋卮胧┦构ぜ徛鋮s，以減少涂層結(jié)合處的應(yīng)力釋放，綜合考慮后選擇預(yù)熱溫度為110～130℃。

只有選擇合適的噴涂溫度，才能在噴涂過(guò)程中形成熔融狀的金屬顆粒，其噴射到工件表面形成薄片裝的涂層，薄片相互疊加，形成致密的合格涂層。當(dāng)噴涂溫度小于100℃時(shí)，由于火焰對(duì)粉末顆粒的加熱不夠，鋁熱反應(yīng)不明顯，不能形成熔融狀的顆粒，顆粒在噴射到工件表面時(shí)，形成顆粒狀的疏松涂層，孔隙率較高，強(qiáng)度低[3]；當(dāng)溫度超過(guò)150℃時(shí)，火焰對(duì)粉末顆粒的過(guò)度加熱加重了粉末顆粒燒損和氧化，雖然形成了薄片狀涂層，但由于涂層中氧化物雜質(zhì)較多，涂層的強(qiáng)度相應(yīng)降低。綜合考慮，選擇110～120℃。

4.5 噴槍高度

涂層的結(jié)合力和噴槍與噴涂面的高度成反比，高度越大，工件表面的噴涂溫度越低，噴槍嘴距工件太遠(yuǎn)，使鋁的放熱反應(yīng)未在工件表面進(jìn)行，熔融粒子從噴嘴快速噴出后，速度的衰減越大，所以涂層與工件表面的結(jié)合力越小。但是高度越小，高溫火焰對(duì)涂層的燒損越大，涂層在高溫下快速膨脹，而當(dāng)火焰離開(kāi)后則快速收縮，破壞涂層與工件表面的結(jié)合力，出現(xiàn)涂層鼓包、卷曲、燒損，結(jié)合力下降。查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、資料可知，噴槍與工件表面的距離控制在150～200mm為宜。噴槍高度如圖6所示。

圖6 噴槍高度Fig.6 Height of airbrush

4.6 火焰類型和噴涂角度

合適的火焰類型能夠提高噴涂的效率，并且涂層的結(jié)合強(qiáng)度高。采用碳化焰時(shí)，會(huì)提高涂層中碳含量，而且碳化焰的火焰較低不便于操作者控制噴涂溫度；當(dāng)采用氧化焰時(shí)，熔融粒子從噴嘴處噴出后火焰中富含的氧會(huì)使該粒子迅速氧化，尤其是其中的Al會(huì)氧化為堅(jiān)硬耐高溫的Al2O3，從而降低熔融粒子與噴涂面的結(jié)合力；選擇中性焰時(shí)，既不會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的碳粒子，也不會(huì)使噴涂粉末在高溫中氧化，綜合考慮選擇該火焰類型。噴涂時(shí)，角度應(yīng)盡量與噴涂面垂直，使熔融粒子所攜帶的動(dòng)能能全部被噴涂面吸收，形成均勻的薄片狀，達(dá)到最好的結(jié)合力。如果角度偏小，涂層間的結(jié)合力會(huì)偏小且部分粉末會(huì)噴射到空氣中，不僅造成粉末浪費(fèi)，還會(huì)提高噴涂環(huán)境中重金屬粉末的含量，污染空氣。

圖7 火焰類型和噴涂角度Fig.7 Fire spells and spray angle

4.7 噴涂過(guò)程

將打磨干凈的工件放置在操作平臺(tái)上，調(diào)整好高度。將氧氣壓力調(diào)節(jié)為0.8MPa，乙炔壓力調(diào)節(jié)為0.06MPa，點(diǎn)燃噴槍，調(diào)節(jié)火焰為中性焰，用火焰對(duì)工件進(jìn)行均勻加熱，并隨時(shí)用測(cè)溫儀測(cè)溫。當(dāng)工件預(yù)熱溫度為80～150℃時(shí)，調(diào)整好噴嘴角度，使噴嘴與噴涂面成 70°～90°，高度為 150～200 mm，迅速打開(kāi)粉閥閥門，并采用來(lái)回?cái)[動(dòng)掃射的操作手法，不僅可以使粉末均勻地噴涂于軸瓦表面，而且可以很好地控制溫度，防止噴涂點(diǎn)溫度過(guò)高，從而導(dǎo)致涂層脫落[4]。由于軸瓦是圓形，所以噴涂過(guò)程中要不斷調(diào)整工件方向，使噴嘴與噴涂面的角度始終保持在70°～90°，并隨時(shí)測(cè)溫，使預(yù)熱溫度和噴涂溫度始終保持在合理范圍內(nèi)。噴涂完成后迅速目測(cè)涂層表面，觀察是否有龜裂、起皮等缺陷，若成形良好，則迅速將工件放置于保溫箱中（保溫箱內(nèi)部溫度100℃，隨爐冷卻），緩慢冷卻，防止涂層與基層因溫度的快速下降產(chǎn)生不均勻收縮，從而產(chǎn)生較大的應(yīng)力，降低涂層的結(jié)合強(qiáng)度，并且緩慢冷卻還會(huì)使鎳由工件表面向深處擴(kuò)散，提高涂層結(jié)合力。噴涂前后的零件如圖8所示。

圖8 噴涂前后零件Fig.8 M echanical partswas sprayed before and after

4.8 樹(shù)脂強(qiáng)化

在噴涂過(guò)程中，由于噴涂火焰呈喇叭狀噴射且來(lái)回?cái)[動(dòng)，導(dǎo)致熔融粒子在火焰中的飛行路徑、飛行速度和溫度不同，這使得變形粒子在交錯(cuò)堆疊的過(guò)程中并非完全是規(guī)則的均勻疊加，涂層呈現(xiàn)出明顯的不規(guī)則狀，涂層內(nèi)部堆疊粒子之間存在縫隙或孔洞，從而降低整個(gè)涂層的強(qiáng)度，使用壽命下降。為了使涂層內(nèi)部更加致密，提高軸瓦的使用壽命，還需對(duì)涂層做強(qiáng)化處理。市場(chǎng)上的強(qiáng)化處理方法很多，利用酚醛樹(shù)脂強(qiáng)化是目前使用最多且最經(jīng)濟(jì)的方法，材料價(jià)格低、方便易得，強(qiáng)化后的涂層結(jié)合強(qiáng)度大。具體的操作方法為：用干凈的毛刷蘸取酚醛樹(shù)脂輕輕地刷涂在涂層表面上，采用在空氣中自然固化的方法，使酚醛樹(shù)脂慢慢地滲透至涂層的縫隙和孔洞中，最后自然干燥、固化，形成結(jié)合強(qiáng)度良好的涂層。

4.9 檢查及安裝

噴涂前的工件直徑為170.28mm，軸承臺(tái)的內(nèi)徑為171.82mm，用游標(biāo)卡尺測(cè)量噴涂后的工件外徑為171.26mm。用放大鏡觀察涂層是否有龜裂、起皮等缺陷。該噴涂過(guò)程為手工操作，涂層厚度不易控制，且為手工安裝，因此在安裝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)軸承外圈安裝不進(jìn)去時(shí)用砂紙和銼刀沿涂層表面輕輕打磨軸承外圈，并用火焰均勻緩慢加熱軸承臺(tái)，使其內(nèi)徑在加熱時(shí)膨脹加大，用銅塊或木塊作墊塊，用榔頭將軸承外圈輕輕敲打進(jìn)軸承臺(tái)，當(dāng)軸承臺(tái)冷卻、內(nèi)徑收縮后，軸承外圈與軸承臺(tái)將緊密結(jié)合，防止出現(xiàn)打滑，避免出現(xiàn)震動(dòng)和噪音過(guò)大的問(wèn)題[5]。

5 結(jié)論

運(yùn)用氧乙炔火焰噴涂方法修復(fù)CNG天然氣壓縮機(jī)，通過(guò)噴涂該設(shè)備中的小部件（軸承外圈），解決了主機(jī)設(shè)備因尺寸、噸位較大而不便施工的難題，不僅滿足使用要求，而且方便實(shí)用。軸承外圈噴涂前直徑170.28mm，噴涂后直徑171.26mm，噴涂后涂層厚度為0.49mm，在安裝過(guò)程中經(jīng)修磨加工，完全符合公差配合的要求。該CNG天然氣壓縮機(jī)安裝此軸承外圈后已使用一年多，未出現(xiàn)任何異常，可見(jiàn)涂層完全滿足強(qiáng)度要求，通過(guò)噴涂前后的數(shù)據(jù)比對(duì)，該修復(fù)方法具有在設(shè)備維修中大量推廣使用的價(jià)值。

[1]杜國(guó)華.實(shí)用工程材料焊接手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.9

[2]王運(yùn)炎.機(jī)械工程材料[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000:141-146.

[3]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008:911-912.

[4]李穩(wěn)，馬國(guó).等離子弧噴涂鐵基合金組織與力學(xué)性能[J].電焊機(jī)，2015，12（10）：45-49.

[5]陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.