熱噴涂技術(shù)在活塞桿修復(fù)再制造中的應(yīng)用

樂有樹，高海青

（1.廣東開放大學(xué)，廣東廣州 510091；2.廣州市天河區(qū)金棠表面工程技術(shù)有限公司，廣東廣州 510640；3.廣東省新材料研究所，廣東廣州 510651）

0 引言

活塞桿是支持活塞做功的連接部件，大部分應(yīng)用在往復(fù)壓縮機(jī)、油缸、氣缸等運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件中，是一個(gè)運(yùn)動(dòng)頻繁、技術(shù)要求高的運(yùn)動(dòng)部件?；钊麠U的基體材料有38CrMoAlA、20Cr13 等，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理及表面進(jìn)行電鍍硬鉻處理后，基體材料一般有較高的綜合機(jī)械性能和耐磨性能。在耐酸耐熱要求較高的使用場(chǎng)合，為加強(qiáng)活塞桿表面強(qiáng)度，會(huì)在活塞桿基體表面噴涂制備金屬陶瓷涂層替代電鍍硬鉻層?；钊麠U在活塞缸內(nèi)來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，受工況異常、超負(fù)荷運(yùn)行、維護(hù)保養(yǎng)等因素影響，活塞桿表面會(huì)出現(xiàn)拉傷、壓痕、磨損等缺陷，導(dǎo)致活塞桿工作效能下降，引發(fā)安全隱患，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起活塞桿斷裂[1]、造成安全事故，給生產(chǎn)企業(yè)帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。

活塞桿出現(xiàn)故障時(shí)，直接更換活塞桿的費(fèi)用較高，尤其是更換進(jìn)口活塞桿時(shí)費(fèi)用更加昂貴。目前針對(duì)活塞桿表面失效的修復(fù)再制造方法主要有電鍍硬鉻、電刷鍍、堆焊、激光熔覆等工藝，這些工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)：采用電鍍硬鉻工藝進(jìn)行修復(fù)，需要對(duì)活塞桿先進(jìn)行退鍍后再重新電鍍硬鉻，再進(jìn)行磨削、精加工等多道工序進(jìn)行修復(fù)[2]，該方法周期較長(zhǎng)，而且電鍍硬鉻工藝污染環(huán)境，已經(jīng)逐步淘汰；采用電刷鍍技術(shù)修復(fù)活塞桿時(shí)，需要對(duì)活塞桿表面缺陷區(qū)域進(jìn)行鉻面活化、合金鍍銅、快速鍍鎳、超差修復(fù)及鏡面處理等多道工序處理[3]，該工藝對(duì)于磨損較厲害或劃痕較深的表面進(jìn)行修復(fù)再制造時(shí)效果不是很好，電刷鍍層容易脫落；堆焊技術(shù)其本質(zhì)是焊接，在修復(fù)活塞桿磨損區(qū)域時(shí)，通過焊接熱源加熱，將堆焊材料和活塞桿磨損區(qū)域母材熔化形成熔池，熔池冷卻后在活塞桿表面形成堆焊層，然后再進(jìn)行精加工[4]。由于堆焊時(shí)熱輸入量大，對(duì)細(xì)長(zhǎng)活塞桿進(jìn)行修復(fù)時(shí)容易引起變形；采用激光熔覆進(jìn)行修復(fù)，其工藝是在活塞桿基體表面上放置被選擇的涂層材料粉末，經(jīng)激光照射，使涂層材料粉末和活塞桿磨損區(qū)域基體表面材料同時(shí)熔化，并快速凝固后形成與基體冶金結(jié)合的表面涂層[5]，再對(duì)激光熔覆區(qū)域表面進(jìn)行精加工，這種方法不需要對(duì)活塞桿未損傷部位進(jìn)行處理，只需局部修復(fù)損傷區(qū)域，但是對(duì)細(xì)長(zhǎng)的活塞桿進(jìn)行修復(fù)再制造時(shí)，也容易引起變形。

針對(duì)上述情況，本文主要研究高速火焰噴涂技術(shù)在活塞桿修復(fù)再制造上的應(yīng)用。

1 熱噴涂技術(shù)原理及工藝特點(diǎn)

熱噴涂技術(shù)是一種將涂層材料（粉末或絲材）送入某種熱源（電弧、燃燒火焰、等離子體等）中熔化，并利用高速氣流將其霧化噴射到基體材料表面形成覆蓋層的工藝。根據(jù)噴涂材料的不同，可以形成耐磨、導(dǎo)電、絕緣、抗腐蝕、抗高溫、抗氧化等各種功能的表面涂層[6]。熱噴技術(shù)操作簡(jiǎn)便、靈活高效，涂層材料種類繁多[7]。早期的熱噴涂工藝主要有火焰粉末噴涂、火焰絲材噴涂、電弧噴涂等，近20 年來，隨著高能、高速熱噴涂設(shè)備的相繼問世，如高能等離子噴涂、高速火焰噴涂（High-Velocity Oxygen-Fuel，HVOF）設(shè)備的出現(xiàn)，金屬陶瓷粉末（鎳鉻碳化鉻、碳化鎢等）可以用于制備涂層，同時(shí)克服了早期熱噴涂技術(shù)制備的涂層孔隙多、結(jié)合強(qiáng)度不高的弱點(diǎn)，涂層質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍，涂層應(yīng)用范圍更加廣闊[8-9]。

本文采用的熱噴涂工藝是高速火焰噴涂技術(shù)。高速火焰噴涂技術(shù)是20 世紀(jì)90 年代初期發(fā)展起來的，工作原理如圖1所示：燃?xì)猓ū椤⒈┗驓錃猓┖脱鯕夥謩e在高壓狀態(tài)下輸入燃燒室，同時(shí)從噴槍噴管的軸向圓心處由載氣（氮?dú)饣驂嚎s空氣）送入涂層粉末。燃?xì)夂脱鯕庠谌紵一旌先紵纬筛邏簾釟饬?，通過4 個(gè)噴嘴將熱氣流通入噴管，在噴管里形成一束高溫射流，將進(jìn)入射流中的金屬粉末加熱熔化并加速，射流通過噴管時(shí)受到水冷壁的壓縮，在出口處燃燒的高溫射流迅速膨脹，就產(chǎn)生了超音速火焰[10]。其焰流速度可到3 倍音速以上，是普通火焰噴涂焰流速度的4～5 倍，也明顯高于一般的等離子焰流速度[11-12]。在高速氣流推動(dòng)下，涂層材料粒子的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)到500 m/s。由于超音速火焰噴涂的焰流高，所以使用這種方法制備的涂層致密，結(jié)合強(qiáng)度高、孔隙率小，涂層的殘余應(yīng)力小[13]。

圖1 高速火焰噴涂技術(shù)原理

2 活塞桿高速火焰噴涂涂層制備及性能

2.1 涂層材料選擇

活塞桿是往復(fù)壓縮機(jī)的關(guān)鍵零件部之一，在運(yùn)動(dòng)過程中其工作表面與填料不間斷進(jìn)行摩擦，因此需要選用硬度高、耐磨性能較好的金屬陶瓷材料，綜合考慮各種因素，根據(jù)廣州市天河區(qū)金棠表面工程技術(shù)有限公司和廣東省新材料研究所多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選取金屬陶瓷（WC-17Co）粉末。該粉末肉眼觀察為暗鐵灰色，顯微鏡觀察為準(zhǔn)球狀顆粒，少量為不規(guī)則多面體顆粒（圖2）；粉末粒度為15～45 μm，松裝密度4.97 g/cm3；金屬陶瓷粉末中Co（鈷）質(zhì)量占比為16.5%～17.1%，其余為WC（碳化鎢）。

圖2 金屬陶瓷粉末形貌

2.2 試樣制備

（1）試樣材料為38CrMoAlA，尺寸為30 mm×40 mm×3.8 mm。采用美國(guó)進(jìn)口的Jet-II 超音速噴涂系統(tǒng)對(duì)待噴涂活塞桿表面噴涂制備金屬陶瓷（WC-17Co）涂層，高速火焰噴槍的火焰中心線與工件軸線垂直相交（誤差不超過±5°），涂層厚0.2～0.3 mm。

（2）超音速火焰噴涂的主要工藝參數(shù)。氧氣、丙烯和送粉氮?dú)獾牧髁糠謩e為35 m3/h、6.3 m3/h 和0.9 m3/h，噴涂距離為200～220 mm。

2.3 涂層的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能

采用JSM-5910 型掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）分析涂層的微觀結(jié)構(gòu)，通過金相法測(cè)定涂層的孔隙率小于1%，涂層中的孔洞、未熔顆粒、碳化鎢分布等均滿足要求。金屬陶瓷（WC-17Co）涂層微觀結(jié)構(gòu)如圖3 所示，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度見表1。

圖3 金屬陶瓷涂層微觀結(jié)構(gòu)

表1 金屬陶瓷涂層結(jié)合強(qiáng)度

涂層顯微硬度共做過5 次檢測(cè)，數(shù)據(jù)分別為1185 HV0.3、1295 HV0.3、1230 HV0.3、1215 HV0.3和1250 HV0.3，平均值為1235 HV0.3（即采用300 g 的試驗(yàn)力、保持時(shí)間10～15 s 得到的硬度值為1235）。

從上述分析可知，該涂層致密、與基體結(jié)合強(qiáng)度高、顯微硬度高，綜合性能較好。

3 活塞桿修復(fù)再制造過程

3.1 檢驗(yàn)

壓縮機(jī)活塞桿拆卸后，用汽油清洗活塞桿表面的油污和其他雜質(zhì)，肉眼檢驗(yàn)活塞桿表面拉傷情況，再用外徑千分尺檢測(cè)活塞桿工作部位外徑，并與圖紙尺寸進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)其磨損情況（圖4）。如發(fā)現(xiàn)活塞桿表面拉痕或局部磨損較深（≥0.3 mm），則需先采用焊接技術(shù)對(duì)其局部進(jìn)行電焊填平，再手工打磨該區(qū)域與周邊區(qū)域基本齊平。然后上車床，調(diào)?；鶞?zhǔn)跳動(dòng)調(diào)到≤0.02 mm，檢測(cè)活塞桿彎曲情況，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)活塞桿，如發(fā)現(xiàn)活塞桿彎曲較大，則需采用校正技術(shù)把活塞桿校正到0.05 mm 以內(nèi)。

圖4 待修復(fù)的活塞桿

3.2 初加工

把活塞桿裝夾在普通車床上面，調(diào)?；钊麠U基準(zhǔn)調(diào)≤0.02 mm，然后把活塞桿工作部位的外徑比基準(zhǔn)尺寸磨削下去Φ0.45～0.50 mm。

3.3 工件表面凈化

活塞桿初加工后的工作部位先用丙酮擦洗，再用氧—乙炔火焰槍對(duì)活塞桿待制備涂層的表面進(jìn)行火焰烘烤，工件表面溫度控制在100～150 ℃，至無肉眼可見油跡。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)活塞桿要嚴(yán)格控制加熱溫度，以防止活塞桿變形。

3.4 表面預(yù)處理

采用12#棕剛玉砂對(duì)活塞桿待噴涂表面進(jìn)行噴砂凈化處理，壓縮空氣壓力0.05～0.07 MPa，噴砂后的表面粗糙度達(dá)到Sa3 等級(jí)。

3.5 高速火焰噴涂

采用美國(guó)進(jìn)口的Jet-II 超音速噴涂系統(tǒng)和已優(yōu)化的工藝參數(shù)對(duì)活塞桿的待噴涂表面噴涂制備金屬陶瓷（WC-17Co）涂層，高速火焰噴槍的火焰中心線與工件軸線垂直相交，誤差±5°，噴涂涂層厚度為0.2～0.3 mm（圖5）。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)活塞桿，噴涂時(shí)采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量活塞桿基體溫度，如果溫度大于200 ℃則需停止噴涂，用壓縮空氣來回反復(fù)吹活塞桿表面進(jìn)行降溫，待活塞桿冷卻到100 ℃以下后再進(jìn)行噴涂。

圖5 高速火焰噴涂金屬陶瓷涂層

3.6 涂層機(jī)械加工

把高速火焰噴涂后的活塞桿裝夾在萬(wàn)能磨床上，調(diào)校基準(zhǔn)跳動(dòng)≤0.02 mm，采用金剛石砂輪，把活塞桿的熱噴涂涂層磨削至要求尺寸，然后采用金剛石砂紙把活塞桿表面涂層進(jìn)行鏡面拋光，粗糙度可達(dá)到Ra 0.1～0.2 μm，拋光完后則活塞桿的整個(gè)修復(fù)再制造過程完成（圖6）。

圖6 高速火焰噴涂金屬陶瓷涂層鏡面拋光

中國(guó)石油化工股份有限公司廣州分公司進(jìn)口的新輕壓縮機(jī)（型號(hào)為2HHE-VL-2-NL，美國(guó)DRESSER-RAND 公司制造），除了嚴(yán)重彎曲變形、無法修復(fù)的，其余表面銹蝕或磨損的活塞桿均采用上述高速火焰噴涂金屬陶瓷工藝進(jìn)行修復(fù)再制造，然后再投入壓縮機(jī)于不同的工況環(huán)境使用，金屬陶瓷涂層基本上無脫落或起泡現(xiàn)象，在線使用一年后基本上未產(chǎn)生磨損，預(yù)期使用壽命可以達(dá)到進(jìn)口件的3～5 倍，修復(fù)效果很好。

4 結(jié)論

采用本文所述的高速火焰熱噴涂技術(shù)，在活塞桿表面噴涂制備金屬陶瓷涂層進(jìn)行修復(fù)再制造，大大提高了活塞桿的表面耐磨性能。在活塞桿修復(fù)再制造過程中，該工藝具有如下特點(diǎn)：活塞桿基體組織未發(fā)生變化，保持原有的力學(xué)性能；控制好活塞桿溫度，也不會(huì)發(fā)生變形；工藝簡(jiǎn)單，噴涂修復(fù)時(shí)間短。更為重要的是，經(jīng)在線使用，修復(fù)再制造后的活塞桿性能不低于新品且價(jià)格相對(duì)便宜。另外，該工藝不僅可以用于舊活塞桿的修復(fù)再制造，還可以用來強(qiáng)化新活塞桿的表面性能。因此，高速火焰噴涂金屬陶瓷工藝在壓縮機(jī)活塞桿修復(fù)再制造方面的成功應(yīng)用，對(duì)于降低企業(yè)維修費(fèi)用、提高進(jìn)口設(shè)備國(guó)產(chǎn)化制造水平和企業(yè)生產(chǎn)效率具有重要意義。