超音速火焰噴涂在液壓支架立柱修復(fù)的應(yīng)用研究

摘 要：隨著國(guó)家環(huán)保的要求，傳統(tǒng)的液壓支架立柱鍍鉻工藝正在被淘汰，立柱表面處理技術(shù)工藝是目前立柱生產(chǎn)廠家和維修企業(yè)面臨的一個(gè)重大難題。超音速火焰噴涂技術(shù)用于液壓支架立柱的制造與再制造，是替代傳統(tǒng)鍍鉻的最佳技術(shù)工藝。本文主要分析了超音速火焰噴涂技術(shù)的應(yīng)用工藝，推動(dòng)新工藝在煤礦設(shè)備檢修中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：火焰噴涂 超音速 立柱修復(fù) 噴涂技術(shù)

前言

隨著近年來(lái)涂層技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)有一些涂層的使用效果證明比電鍍硬鉻層更清潔、更有效，甚至成本更低。其中超音速火焰噴涂（HVOF）的涂層的成本與電鍍硬鉻鍍層相當(dāng)，一些粉末材料已經(jīng)比電鍍成本低，并且仍在不斷降低，而電鍍硬鉻鍍層成本則在不斷上升。國(guó)家對(duì)于環(huán)境保護(hù)非常重視，在這種背景下，國(guó)家也大力度鼓勵(lì)熱噴涂行業(yè)積極開(kāi)拓市場(chǎng)，用該工藝取代目前有害環(huán)境的鍍鉻工藝，以噴代鍍將會(huì)越來(lái)越深入各行各業(yè)。

1 主要研究?jī)?nèi)容

超音速火焰噴涂是一種新型的HVOF系統(tǒng)，它的基本原理是以高標(biāo)號(hào)煤油為燃料在噴槍中與氧氣完全混合，配以粉末狀的合金材料，通過(guò)噴嘴高速燃燒噴出，使合金材料被完全熔化，撞擊在工件表面，形成一個(gè)高質(zhì)量的致密涂層。

電鍍硬鉻工藝會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。導(dǎo)致環(huán)境問(wèn)題的不是鉻本身，而是鍍鉻過(guò)程。鉻是不活潑的元素，可以安全地用于日常用品乃至人工關(guān)節(jié)等。主要問(wèn)題是鍍鉻工藝使用的鉻酸溶液，產(chǎn)生含Cr（VI）酸霧和廢水。因此，各國(guó)對(duì)鍍鉻工藝的限制將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)。人們一直努力尋找替代電鍍硬鉻的涂層工藝。技術(shù)關(guān)鍵是替代電鍍硬鉻鍍層的HVOF涂層的特性必須達(dá)要求，特性主要包括：耐磨性、耐蝕性和耐疲勞性。

通過(guò)適當(dāng)?shù)睦鋮s方法和仔細(xì)控制噴槍的運(yùn)動(dòng)，可以將工件表面的溫度控制在93℃以下，因此許多對(duì)溫度敏感的材料也可以噴涂處理。近年來(lái)采用熱噴涂代替鍍硬鉻的研究從涂層材料、噴涂工藝、涂層性能、涂層后加工工藝及涂層的應(yīng)用等方面進(jìn)行了更為全面和深入的研究。從已經(jīng)獲得的結(jié)果來(lái)看，熱噴涂涂層不但能達(dá)到鍍鉻層的鏡面光潔度，而且在硬度及耐磨性能等方面還大大超過(guò)鍍鉻層。

2 工藝特性及試驗(yàn)方法

1） 耐磨性

涂層耐磨性是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)。通過(guò)對(duì)各種耐磨性的研究，涂層耐磨粒磨損試驗(yàn)中硬度在HRC55-62之間，是電鍍硬鉻鍍層耐磨性的2.5倍多。涂層的磨損量平均比電鍍硬鉻少80%～90%，涂層的耐磨性要明顯優(yōu)于電鍍硬鉻。

2） 耐蝕性

腐蝕試驗(yàn)包括ASTMB117鹽霧試驗(yàn)、GM9540P/B循環(huán)腐蝕試驗(yàn)以及大氣腐蝕試驗(yàn)。前兩種試驗(yàn)在鹽霧腐蝕箱中進(jìn)行，而大氣腐蝕試驗(yàn)則靠近海邊進(jìn)行，并且每周給試樣噴灑鹽水。涂層的耐鹽霧腐蝕能力強(qiáng)于電鍍硬鉻，經(jīng)過(guò)240h的鹽霧腐蝕試驗(yàn)，涂層表面沒(méi)有任何腐蝕跡象。

3）耐疲勞性

對(duì)于許多電鍍硬鉻鍍層的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，所鍍的部件對(duì)疲勞特性非常敏感，特別是對(duì)于航空工業(yè)的應(yīng)用，如飛機(jī)起落架和液壓傳動(dòng)裝置，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全。因此在用HVOF涂層替代電鍍硬鉻鍍層之前，必須對(duì)HVOF涂層對(duì)基體的耐疲勞特性的影響研究清楚。眾所周知，電鍍硬鉻鍍層中存在拉應(yīng)力，因此會(huì)對(duì)基體的耐疲勞特性有非常不利的影響，在設(shè)計(jì)疲勞敏感部件時(shí)是一個(gè)必須加以考慮的重要因素。但是，對(duì)于HVOF涂層來(lái)說(shuō)，通過(guò)精確控制沉積工藝，可以確保沉積的HVOF涂層處于壓應(yīng)力狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，HVOF涂層對(duì)于基體的耐疲勞性影響非常小。

3修復(fù)工藝流程

（1）準(zhǔn)備工作

首先了解被噴涂工件的實(shí)際狀況和技術(shù)要求并進(jìn)行分析

1）涂層厚度的確定。一般來(lái)講，噴涂后必須進(jìn)行機(jī)械加工，因此涂層厚度就要預(yù)留加工余量，還要考慮噴涂時(shí)的熱脹冷縮等因素影響。

2）涂層材料的確定。涂層材料應(yīng)該滿足被噴涂工件的材料、配合要求、技術(shù)要求及工作條件等，分別選擇結(jié)合層與工作層材料

3）確定參數(shù)：壓力，粉末粒度，噴槍與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度

（2）表面預(yù)處理

1）凹切處理，立柱缸筒表面存在疲勞層和局部嚴(yán)重拉傷的溝痕時(shí)，可進(jìn)行車削處理，為熱噴涂提供容納材料的空間。

2）表面清理，清除油污，鐵銹，漆層等，使工件表面潔凈，油污油漆可以用溶劑清洗劑除去。如果油漬已經(jīng)滲入基體材料，可以用火焰加熱除去，對(duì)銹層可以進(jìn)行酸浸，機(jī)械打磨或噴砂除去。

3）表面粗化，目的是為了增強(qiáng)涂層與基體的結(jié)合力，消除應(yīng)力效應(yīng)，常用的有噴砂、開(kāi)槽、車螺紋、拉毛。表面粗化后呈現(xiàn)的新鮮表面，應(yīng)該防止污染，嚴(yán)禁用手觸摸，保存在清潔，干燥的環(huán)境中，粗化后盡快噴涂，一般噴涂時(shí)間不超過(guò)2小時(shí)。

4）非噴涂部位的保護(hù)

立柱噴涂表面附近的非噴涂需要加以保護(hù)，可以用耐熱的玻璃布或石棉屏蔽起來(lái)。必要時(shí)按零件開(kāi)關(guān)制作相應(yīng)的夾具保護(hù)，但是要注意夾具材料要有一定的強(qiáng)度，且不能使用低熔點(diǎn)的合金，以免污染涂層。對(duì)于基體表面上的鍵槽、油孔等不允許噴涂的部位，可以用石墨塊或粉筆堵平或略高于表面。噴后清除時(shí)，注意不要碰傷涂層，棱角要倒鈍。

（3）噴涂工藝及參數(shù)

1） 粉末特性

目前粉末供應(yīng)商提供了品種繁多的碳化物粉末，而粉末特性往往因其制粉工藝方法的不同而表現(xiàn)出較大的差異。粉末特性包括：粉末粒度分布、顆粒形狀、表面粗糙度等。

2）氧-燃料流量和比例

噴涂的焰流溫度及特性取決于氧-燃?xì)饬髁亢突旌媳壤?。噴涂時(shí)，首先應(yīng)按照設(shè)備的規(guī)定要求確定氧氣和燃?xì)獾牧髁?，以保證噴槍焰流達(dá)到設(shè)計(jì)的功率水平。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中有多種因素可導(dǎo)致氧-燃料比例的波動(dòng)，而氧-燃料比例對(duì)確定最終的涂層組織十分重要.

3）噴涂距離

當(dāng)粉末粒子在距噴槍出口100mm以內(nèi)即已達(dá)到了其最高溫度，隨著噴距的增加粒子溫度逐漸降低，在150-280mm范圍內(nèi)，粒子溫度大約降低了60℃，其降低幅度并不大，粒子仍可保持約1775℃的高溫;而粒子速度在距噴槍出口大約320mm內(nèi)是一個(gè)逐漸加速的過(guò)程，在距噴槍出口320-380左右達(dá)到880m/s以上的最高速度，在320-380mm噴距上，粒子速度基本維持在880m/s以上?？紤]到高溫焰流對(duì)基體傳熱的不利影響，噴距在可能的情況下應(yīng)盡量增大，故超音速火焰噴涂系統(tǒng)適宜的噴距應(yīng)為：320-380mm，以得到綜合性能最好的涂層。

4）送粉量

對(duì)任何熱噴涂工藝來(lái)說(shuō)，送粉量都是影響涂層性能的一個(gè)重要參數(shù)。某種粉末在某一具體的噴涂工藝條件下，都對(duì)應(yīng)有一適宜的送粉量范圍。

噴涂涂層時(shí)，當(dāng)送粉量在70-100g/min之間變化時(shí)，涂層孔隙率在0.3—1%之間，表面粗糙度在1.6-6.4之間，顯微硬度在HV1100-1450，粉末沉積率為45-55%，涂層性能優(yōu)。

4）噴涂后處理

封孔，機(jī)械加工等工序。涂層的孔隙率約占體積的1%左右，而且有的孔隙可由表及里。零件為摩擦副時(shí)，可在噴后趁熱將零件放在潤(rùn)滑油中，利用孔隙儲(chǔ)油有利于潤(rùn)滑。但對(duì)于隨液壓的零件，孔隙而容易產(chǎn)生泄露，對(duì)于噴涂后，應(yīng)該用封孔劑進(jìn)行封孔處理，封孔后涂層就杜絕了孔隙。當(dāng)立柱缸筒表面噴涂后的尺寸精度與表面粗糙度不能滿足要求時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行機(jī)械加工，可采用車削或磨削加工。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以先進(jìn)的超音速火焰噴涂技術(shù)代替電鍍工藝，在煤礦液壓支架立柱修復(fù)中，能準(zhǔn)確恢復(fù)零件尺寸，以達(dá)到原有性能，提高表面硬度及耐磨性能，壽命可提高1-3倍，同時(shí)具有顯著的節(jié)能環(huán)保特色，為煤礦液壓支架檢修提供了可靠的技術(shù)工藝保障。

作者簡(jiǎn)介：

李士魁 （1981.8—）男，2009年畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院，機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)，本科學(xué)歷，工程師，現(xiàn)工作于龍煤集團(tuán)雙鴨山雙煤機(jī)電裝備有限公司，任技檢中心主管。