文/阮興家·一汽解放汽車有限公司卡車廠

5000t液壓機主油缸柱塞的熱噴涂修復(fù)

文/阮興家·一汽解放汽車有限公司卡車廠

設(shè)備現(xiàn)狀

5000t液壓機是本廠2002年從上海鍛壓機床廠購買的國產(chǎn)最大液壓機，自2003年投產(chǎn)以來一直擔(dān)負(fù)著中重型卡車的縱梁成形和落料工藝。該壓機動力執(zhí)行機構(gòu)是四個直徑φ800mm的柱塞油缸，油缸的工作壓力達(dá)到20MPa，柱塞表面采用鍍鉻工藝，光潔度達(dá)到了7級以上標(biāo)準(zhǔn)。多年使用后，由于防塵密封等密封件的老化破損，對其內(nèi)部的導(dǎo)向造成損害，以至于柱塞表面逐漸有了磨損現(xiàn)象，出現(xiàn)了深度約2mm、寬度約5mm、長度約1000mm的大面積損壞痕跡。繼續(xù)發(fā)展下去就會徹底損壞導(dǎo)向套和密封元件，直至液壓油沿?fù)p壞的溝痕大量泄漏，導(dǎo)致壓力無法建立，最后整臺設(shè)備將無法正常使用和達(dá)到設(shè)計噸位。

如果訂購一根新柱塞將花費幾十萬元，成本太高。那么唯有對磨損件進(jìn)行修復(fù)，傳統(tǒng)的修復(fù)方法包括機械加工修理法（如修理尺寸法、附加零件法、局部更換法等）、焊接修理法（堆焊、補焊、釬焊等）和電鍍修理法（低溫鍍鐵、鍍鉻）等。對于重要零部件的局部破壞，采用上述維修方法常常是費工、費時、費3料，甚至無法修復(fù)。綜合經(jīng)濟(jì)和效果兩方面因素后，決定采取熱噴涂修補技術(shù)進(jìn)行修復(fù)。

熱噴涂工作原理及實施方法

熱噴涂技術(shù)是一種表面工程強化技術(shù)，該技術(shù)在我國成熟于20世紀(jì)五六十年代，通常是指利用熱源將噴涂材料通過噴槍加熱到熔化或者半熔化狀態(tài)，借助高速氣體霧化成高溫顆粒，以很高的速度噴射到經(jīng)過預(yù)處理的工件表面上，形成功能性涂層的一種表面加工工藝。這個過程屬于物理結(jié)合，噴涂的材料一般有絲和粉兩種，根據(jù)原理分為火焰噴涂、電弧噴涂、超音速噴涂等。目前，一般應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行大型軸類零件且磨損深度大于2mm的大面積的修復(fù)。熱噴涂技術(shù)在設(shè)備維修及新產(chǎn)品設(shè)計制造中有著廣泛的應(yīng)用，可使報廢的零部件重新應(yīng)用，也可在新產(chǎn)品的制造中起強化和預(yù)保護(hù)作用，增加產(chǎn)品使用壽命。

熱噴涂常用實施方法有以下三種：

⑴電弧焊噴涂。以電弧為熱源，噴涂過程中兩根絲材通過送絲裝置進(jìn)入電弧噴槍的兩個導(dǎo)電嘴內(nèi)，導(dǎo)電嘴分別接電源的正負(fù)極，未接觸之前要保證兩根絲材間要可靠絕緣。在兩根絲材端部相互接觸時發(fā)生短路并產(chǎn)生電弧，絲材瞬間熔化并被壓縮空氣霧化成微熔滴，同時以很高的速度噴射到工件表面形成涂層。

主要噴涂材料有鋅、鋁、鉛錫合金、銅、碳鋼、不銹鋼、蒙乃爾合金、巴氏合金的金屬線材。用于制備防腐，耐磨涂層，或加工失誤的機件表面修復(fù)和制備電容封焊涂層。由于熱噴涂的加工物可在低溫下控制，所以不會對加工物產(chǎn)生尺寸變化、變形、裂紋等。此外，噴涂涂層的厚度選擇范圍大（0.1～8mm），涂層質(zhì)量良好，所以特別適合如鐵塔、燈桿、橋梁、水閘門等防腐蝕工程?？蓢娡啃迯?fù)零部件，如活塞桿、柱塞、導(dǎo)絲輪、不銹鋼套、電機蓋、拉絲盤、機床主軸、水泵葉輪等。

⑵氧—乙炔粉末噴涂。以乙炔為燃燒氣體，以氧氣為助燃?xì)怏w，噴涂粉末在噴嘴出口處受到氧—乙炔火焰迅速加熱到熔化或高塑性狀態(tài)后，噴射并沉積到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面，形成牢固結(jié)合的涂層的一種工藝。涂層具有高度的耐磨、耐腐蝕性能。適用于一般工況條件下的各種磨損零件，如齒輪軸、電機軸、螺桿、電機蓋、泵軸、導(dǎo)軌等。

⑶等離子噴涂。適用于高熔點的陶瓷粉末，主要用于制備性能優(yōu)良的涂層，如耐磨涂層、減磨涂層等。噴涂的材料主要有陶瓷粉末、合金粉末、金屬陶瓷粉末、碳化鎢等復(fù)合材料，粉末變形充分、涂層致密、孔隙率低、硬度高、韌性好，具有優(yōu)異的綜合性能。

噴涂法適用的修復(fù)范圍

⑴失效工件的修復(fù)，如軸承檔磨損噴涂修復(fù)、軸承內(nèi)檔修復(fù)、擠塑螺桿、曲軸、電機轉(zhuǎn)子、軸瓦、機械密封檔、導(dǎo)軌磨損、活塞桿拉傷、化工容器、水輪機葉片等。

⑵化纖紡織品陶瓷涂層，如牽引輥、熱輥熱板、牽引輥、喂入輪、羅拉、槽輥、分絲輥、上油棒、導(dǎo)絲盤等。

⑶印刷行業(yè)陶瓷涂層，如印刷輥、網(wǎng)紋輥、油墨輥、造紙輥、柱塞等。

⑷在冶金工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，如鋼鐵工藝輥、薄膜輥、酸洗線輥、注塑螺桿、導(dǎo)向輥、張力輥、球閥、柱塞等。

⑸鋼構(gòu)件防腐涂層，如燈塔、橋梁、燈桿、水閘門、高壓輸電鐵塔、煤礦井架等各種大型鋼結(jié)構(gòu)件。

⑹電刷鍍涂層，如機械加工過程中造成的尺寸超差修復(fù)，以及特殊表面裝飾處理。

⑺工程塑料涂層，如聚乙烯、尼龍、環(huán)氧樹脂氟龍涂層以及高分子復(fù)合技術(shù)提供堵漏、密封等。

熱噴涂修復(fù)法的處理過程

⑴表面預(yù)處理。為了使涂層與基體材料很好地結(jié)合，基材表面必須進(jìn)行清潔及粗糙處理。凈化和粗化表面的方法很多，方法的選擇要根據(jù)涂層的設(shè)計要求及基材的材質(zhì)、形狀、厚薄、表面原始狀況以及施工條件等因素而定。

凈化處理的目的是除去工件表面的所有污垢，如氧化皮、油漬、油漆及其他污物，關(guān)鍵是除去工件表面和滲入其中的油脂。凈化處理的方法有溶劑清洗法、蒸汽清洗法、堿洗法及加熱脫脂法等。

粗化處理的目的是增強涂層與基材間的接觸面，增大涂層與基材的機械咬合力，使凈化處理過的表面更加活化，以提高涂層與基材的結(jié)合強度。同時，基材表面粗化還可以改變涂層中的殘余應(yīng)力分布，對提高涂層的結(jié)合強度也是有利的。粗化處理的方法有噴砂、機械加工法（如車螺紋、滾花）、電拉毛等。其中噴砂處理是最常用的粗化處理方法，常用的噴砂介質(zhì)有氧化鋁、碳化硅和冷硬鑄鐵等。對于一些與基材粘結(jié)不好的涂層材料，還應(yīng)選擇一種與基體材料粘結(jié)好的材料噴涂一層作為過渡層，稱為粘結(jié)底層。常用作粘結(jié)底層的材料，有Mo、NiAl、NiCr及鋁青銅等，厚度一般為0.08～0.18μm。

⑵預(yù)熱。目的是消除工件表面的水分和濕氣，提高噴涂粒子與工件接觸時的界面溫度，以提高涂層與基體的結(jié)合強度，減少因基材與涂層材料的熱膨脹差異造成的應(yīng)力而導(dǎo)致的涂層開裂。預(yù)熱溫度取決于工件的大小、形狀和材質(zhì)，以及基材和涂層材料的熱膨脹系數(shù)等因素，一般情況下預(yù)熱溫度控制在60～120℃之間。

⑶噴涂。噴涂方法主要取決于選用的噴涂材料、工件的工況及對涂層質(zhì)量的要求。預(yù)處理好的工件要在盡可能短的時間內(nèi)噴涂，參數(shù)要根據(jù)涂層材料、噴槍性能和工件的具體情況而定，優(yōu)化的噴涂條件可提高噴涂效率并獲得致密度高、結(jié)合強度高的高質(zhì)量涂層。

⑷涂層后處理。噴涂所得涂層有時不能直接使用，必須進(jìn)行一系列的后處理。對于承受高應(yīng)力載荷或沖擊磨損的工件，為了提高涂層的結(jié)合強度，要對噴涂層進(jìn)行重熔處理（如火焰重熔、感應(yīng)重熔、激光重熔以及熱等靜壓等），使多孔并與基體僅以機械結(jié)合的涂層，變?yōu)榕c基體呈冶金結(jié)合的致密涂層。

有尺寸精度要求的，要對涂層進(jìn)行機械加工。由于噴涂涂層具有與一般的金屬及陶瓷材料不同的特點，如涂層有微孔，不利于散熱；涂層本身的強度較低，不能承受很大的切削力；涂層中有很多硬的質(zhì)點，對刀具的磨損很快等，因而形成了噴涂涂層不同于一般材料的難于加工的特點。所以，必須選用合理的加工方法和相應(yīng)的工藝參數(shù)才能保證噴涂層機械加工的順利進(jìn)行和保證達(dá)到所要求的尺寸精度。

熱噴涂的涂層性能

結(jié)構(gòu)特點

熱噴涂涂層形成過程決定了涂層的結(jié)構(gòu)特點，由無數(shù)變形粒子相互交錯呈波浪式堆疊在一起的層狀組織結(jié)構(gòu)，涂層中顆粒與顆粒之間不可避免地存在一些孔隙和空洞，并伴有氧化物夾雜。典型的涂層剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示，其特點是呈層狀、含有氧化物夾雜和含有孔隙或氣孔。

圖1 典型的涂層剖面結(jié)構(gòu)

結(jié)合機理

涂層的結(jié)合包括涂層與基體的結(jié)合和涂層內(nèi)部的結(jié)合。涂層與基體表面的粘結(jié)力稱為結(jié)合力，涂層內(nèi)部的粘結(jié)力稱為內(nèi)聚力。涂層中顆粒與基體之間的結(jié)合機理通常認(rèn)為有以下幾種方式：

⑴機械結(jié)合。碰撞成扁平狀并隨基體表面起伏的顆粒和凹凸不平的表面相互嵌合，被以顆粒的機械聯(lián)鎖而形成的結(jié)合（拋錨效應(yīng)），一般來說，涂層與基體的結(jié)合以機械結(jié)合為主。

⑵冶金—化學(xué)結(jié)合。當(dāng)涂層和基體表面產(chǎn)生主要冶金反應(yīng)，如出現(xiàn)擴(kuò)散和合金化時的一種結(jié)合類型。當(dāng)噴涂后進(jìn)行重熔即噴焊時，噴焊層與基體的結(jié)合主要是冶金結(jié)合。

⑶物理結(jié)合。顆粒與基體表面間由范德華力或次價鍵形成的結(jié)合。

殘余應(yīng)力

當(dāng)熔融顆粒碰撞基體表面時，在產(chǎn)生變形的同時受到激冷而凝固，從而產(chǎn)生收縮應(yīng)力。涂層外層受拉應(yīng)力，基體有時也包括涂層的內(nèi)層，則產(chǎn)生壓應(yīng)力。涂層中的這種殘余應(yīng)力是由熱噴涂條件及噴涂材料與基體材料的物理性質(zhì)差異造成。這種差異影響涂層的質(zhì)量、限制涂層的厚度，工藝上需要采取措施以消除和減少涂層的殘余應(yīng)力。

圖2 5000t液壓機主缸柱塞修復(fù)前

圖35000t液壓機主缸柱塞修復(fù)中

適合柱塞修復(fù)的涂層功能和應(yīng)用

形成抗磨損涂層。磨損是造成工業(yè)部門設(shè)備損壞的重要原因之一，可能產(chǎn)生磨損的工作條件有微振、滑動、沖擊、擦傷、侵蝕等。抗磨損涂層非常堅硬，而且具有耐熱和耐化學(xué)腐蝕的性能。Fe、Ni、Co基自熔合金以及WC-Co和Cr3C2—NiCr等金屬陶瓷以及Al2O3、Cr2O3等陶瓷材料具有上述這些性能。采用涂層技術(shù)提高工件表面耐磨性的應(yīng)用非常廣泛，如在修復(fù)活塞時噴涂Mo涂層。

圖4 5000t液壓機主缸柱塞修復(fù)后

形成尺寸恢復(fù)涂層。熱噴涂是恢復(fù)零部件尺寸的一種經(jīng)濟(jì)而有效的方法。無論是因為工作磨損還是因加工超差造成工件尺寸不合要求，均能利用熱噴涂技術(shù)予以恢復(fù)。這種方法既沒有焊接時的變形問題，也不像特殊的電鍍工藝那樣昂貴。同時，新表面可由耐磨或抗蝕材料構(gòu)成，也可以與工件的構(gòu)成材料相同。

采用熱噴涂修復(fù)工藝修復(fù)鍍鉻液壓桿局部損傷，可以克服其他修復(fù)方法存在的種種問題，修復(fù)后工件的使用壽命與新件相當(dāng)，是一種修復(fù)成本低、操作簡便、生產(chǎn)效率高的新型維修方法，該技術(shù)特別適合修復(fù)鍍鉻零部件的局部缺陷，修復(fù)各種軸類和柱塞件是典型的應(yīng)用。

柱塞表面熱噴涂的應(yīng)用案例

基于對熱噴涂工作原理和實施方法的了解，結(jié)合本廠5000t油壓機柱塞表面實際損壞情況存在，專業(yè)單位對5000t液壓機的兩根柱塞實施了噴涂處理，最終取得了預(yù)期效果，節(jié)約了柱塞購置費用，縮短了設(shè)備停歇時間，滿足了我廠高產(chǎn)期間對設(shè)備的需求。柱塞修復(fù)前、修復(fù)中、修復(fù)后的情況，見圖2、3、4。

結(jié)束語

通過修復(fù)主油缸柱塞，開拓了技術(shù)人員的技術(shù)視野。同時，這個柱塞缸的成功修復(fù)為其他油缸的表面快速修理提供了參考依據(jù)，未來我們會將此項技術(shù)應(yīng)用于其他油缸和滑動軸承、軸類零件的修理工作中，為本廠設(shè)備修舊利廢、節(jié)約挖潛做出新的貢獻(xiàn)。

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