阮興家

（一汽解放汽車有限公司卡車廠，吉林長春130011）

50000kN液壓機(jī)主油缸柱塞熱噴涂修復(fù)法

阮興家

（一汽解放汽車有限公司卡車廠，吉林長春130011）

詳細(xì)論述了熱噴涂的原理和施工方法。利用熱噴涂方法，對50000kN液壓機(jī)損壞嚴(yán)重的主油缸柱塞實(shí)施修復(fù)，獲得非常優(yōu)良的表面質(zhì)量。為快速、高效、低成本設(shè)備維修提供了借鑒案例。

機(jī)械制造；熱噴涂技術(shù)；液壓機(jī)；柱塞；維修

1 引言

50000kN液壓機(jī)是2002年由上海鍛壓機(jī)床廠制造的國產(chǎn)最大液壓機(jī)。從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。其動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)是4個(gè)直徑 800mm的柱塞油缸。該油缸的工作壓力達(dá)到200bar，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)。經(jīng)過多年使用之后，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，已經(jīng)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(huì)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，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(jì)噸位。

由于訂購一根新柱塞將花費(fèi)幾十萬元，極不合算，因而對柱塞的修復(fù)就成了必須面對的問題。對于磨損件的修復(fù)，傳統(tǒng)的修復(fù)方法包括：機(jī)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(bǔ)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(fèi)工、費(fèi)時(shí)、費(fèi)料，甚至無法修復(fù)。綜合考慮，采取熱噴涂修補(bǔ)技術(shù)是非常經(jīng)濟(jì)而且效果顯著的一種修復(fù)方法。

2 熱噴涂工作原理及實(shí)施方法

熱噴涂技術(shù)是一種表面工程強(qiáng)化技術(shù)。該技術(shù)在我國成熟于上世紀(jì)五、六十年代。它通常是指利用熱源將噴涂材料，通過噴槍加熱到溶化或者半溶化狀態(tài)，借助于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(gè)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)其原理分為火焰噴涂、電弧噴涂、超音速噴涂等。目前可應(yīng)用該技術(shù)修復(fù)大型軸類零件并且磨損深度大于2mm的大面積修復(fù)。熱噴涂技術(shù)在設(shè)備維修及新產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中有著廣泛的應(yīng)用。它可以使報(bào)廢的零部件起死回生，也可以在新產(chǎn)品的制造中起強(qiáng)化和預(yù)保護(hù)作用，使其“延年益壽”。

熱噴涂常用實(shí)施方法如下：

2.1 電弧噴涂

電弧噴涂是以電弧為熱源，噴涂過程中兩根絲材用送絲裝置通過送絲輪送進(jìn)電弧噴槍的兩個(gè)導(dǎo)電嘴內(nèi)，導(dǎo)電嘴分別接電源正負(fù)極，未接觸之前要保證兩根絲材之間的可靠絕緣。兩根絲材端部相互接觸時(shí)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呈微熔滴，同時(shí)以很高的速度噴射到工件表面，形成涂層。

主要噴涂材料：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。常用于設(shè)備防腐、耐磨涂層、加工失誤的機(jī)件表面修復(fù)和制備電容封焊涂層等。

由于熱噴涂的加工物可在低溫下控制，所以不會(huì)對加工物產(chǎn)生尺寸變化、變形、裂紋等影響。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。

可噴涂修復(fù)零部件例如：活塞桿、柱塞、導(dǎo)絲輪、不銹鋼套、電機(jī)蓋、拉絲盤、機(jī)床主軸、水泵葉輪等。

2.2 氧—乙炔粉末噴涂

氧—乙炔火焰粉末噴涂設(shè)備是以乙炔為燃燒氣體，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各種磨損零件如齒輪軸、電機(jī)軸、螺桿、電機(jī)蓋、泵軸、導(dǎo)軌等。

2.3 等離子噴涂

等離子噴涂適用于高熔點(diǎn)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。

3 噴涂法適用修復(fù)的范圍

（1）失效工件的修復(fù)：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(jī)轉(zhuǎn)子、軸瓦、機(jī)械密封檔、導(dǎo)軌磨損、活塞桿拉傷、化工容器、水輪機(jī)葉片等。

（2）化纖紡織品陶瓷涂層：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。

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

（4）在冶金工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用：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。

（5）鋼構(gòu)件防腐涂層：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。

（6）電刷鍍涂層：機(jī)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。

（7）工程塑料涂層：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。

4 熱噴涂修復(fù)法的過程

4.1 表面預(yù)處理

為了使涂層與基體材料很好地結(jié)合，基材表面必須清潔及粗糙。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(jì)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。

凈化處理的目的是去除工件表面的所有污垢，如氧化皮、油漬、油漆及其他污物，關(guān)鍵是去除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(qiáng)涂層與基材間的接觸面，增大涂層與基材的機(jī)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(qiáng)度。同時(shí)基材表面粗化還改變涂層中的殘余應(yīng)力分布，對提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度也是有利的。粗化處理的方法有噴砂、機(jī)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。噴砂時(shí)，噴砂介質(zhì)的種類和粒度、噴砂時(shí)氣壓的大小等條件必須根據(jù)工件材質(zhì)的硬度、工件的形狀和尺寸等進(jìn)行合理的選擇。對于金屬基體，采用的砂粒粒度為16～60號砂，粗砂用于堅(jiān)固件和重型件的噴砂，噴砂壓力為0.5～0.7MPa，薄工件易于變形，噴砂壓力為0.3～0.4MPa。特別值得注意的是，用于噴砂的壓縮空氣一定要無水無油，否則會(huì)嚴(yán)重影響涂層的質(zhì)量。噴涂前工件表面的粗化程度，對于大多數(shù)金屬材料來說Ra2.5～13就符合要求。隨著表面粗糙度的增加，涂層與基體的結(jié)合增強(qiáng)，但是當(dāng)表面粗糙度超過Ra10后，隨著涂層結(jié)合強(qiáng)度的提高，涂層強(qiáng)度便會(huì)減低。

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)好的材料噴涂一層過渡層，稱為粘結(jié)底層，常用作粘結(jié)底層的材料有Mo、Ni－A1、NiCr及鋁青銅等。粘結(jié)底層的厚度一般為0.08～0.18μm。

4.2 預(yù)熱

預(yù)熱的目的是為了消除工件表面的水分和濕氣，提高噴涂粒子與工件接觸時(shí)的界面溫度，以提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度；減少因基材與涂層材料的熱膨脹差異產(chǎn)生應(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°C 之間。

4.3 噴涂

采用何種噴涂方法進(jìn)行噴涂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(shí)間內(nèi)進(jìn)行噴涂，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)化的噴涂條件可以提高噴涂效率，并獲得致密度高、結(jié)合強(qiáng)度高的高質(zhì)量涂層。

4.4 涂層后處理

噴涂所得涂層有時(shí)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(qiáng)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），使多孔的且與基體僅以機(jī)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(jī)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(diǎn)，如涂層有微孔，不利于散熱；涂層本身的強(qiáng)度較低，不能承受很大的切削力；涂層中有很多硬的質(zhì)點(diǎn)，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(diǎn)。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(jī)械加工的順利進(jìn)行和保證達(dá)到所要求的尺寸精度。

5 熱噴涂原理和涂層性能

5.1 熱噴涂涂層的形成

熱噴涂時(shí)，涂層材料的粒子被熱源加熱到熔融態(tài)或高塑性狀態(tài)，在外加氣體或焰流本身的推力下，霧化并高速噴射向基體表面，涂層材料的粒子與基體發(fā)生猛烈碰撞而變形、展平沉積于基體表面，同時(shí)急冷而快速凝固，顆粒逐層沉積而堆積成涂層。

5.2 熱噴涂涂層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

熱噴涂涂層形成過程決定了涂層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，噴涂層是由無數(shù)變形粒子相互交錯(cuò)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。涂層剖面典型的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其特點(diǎn)為：①呈層狀；②含有氧化物夾雜；③含有孔隙或氣孔。

圖1 典型涂層剖面圖

5.3 熱噴涂涂層的結(jié)合機(jī)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(jī)理通常認(rèn)為有以下幾種方式。

（1）機(jī)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(jī)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(jī)械結(jié)合為主。

（2）冶金—化學(xué)結(jié)合。這是當(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(shí)的一種結(jié)合類型。當(dāng)噴涂后進(jìn)行重熔即噴焊時(shí)，噴焊層與基體的結(jié)合主要是冶金結(jié)合。

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

5.4 涂層的殘余應(yīng)力

當(dāng)熔融顆粒碰撞基體表面時(shí)，在產(chǎn)生變形的同時(shí)受到激冷而凝固，從而產(chǎn)生收縮應(yīng)力。涂層的外層受拉應(yīng)力，基體有時(shí)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)的差異所造成的。它影響涂層的質(zhì)量、限制涂層的厚度。工藝上要采取措施以消除和減少涂層的殘余應(yīng)力。

6 適合柱塞修復(fù)的涂層功能和應(yīng)用

（1）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)生磨損的工作條件微振、滑動(dòng)、沖擊、擦傷、侵蝕等?？鼓p涂層應(yīng)該是堅(jiān)硬的，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)活塞噴涂Mo涂層。

（2）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?yàn)楣ぷ髂p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(shí)的變形問題，也沒有特殊電鍍工藝的昂貴。同時(shí)新表面可以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。

根據(jù)以上論述，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其典型應(yīng)用。

7 對柱塞實(shí)施熱噴涂表面修復(fù)

基于對熱噴涂工作原理和實(shí)施方法等的了解，結(jié)合我廠50000kN油壓機(jī)柱塞表面實(shí)際損壞狀況，我廠委托專業(yè)單位對50000kN液壓機(jī)的兩根柱塞實(shí)施了噴涂處理，最終取得了預(yù)期效果。為我廠節(jié)約了柱塞購置費(fèi)用，縮短了設(shè)備停歇時(shí)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)后的照片如圖2、3所示。

8 結(jié)束語

主油缸柱塞的成功修復(fù)，開拓了設(shè)備維修技術(shù)視野，為其他油缸的表面快速維修提供了參考依據(jù)。未來，企業(yè)會(huì)將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于其他油缸和滑動(dòng)軸承、軸類零件的維修中，為設(shè)備修舊利廢、節(jié)約挖潛做出新的貢獻(xiàn)。

[1] 程正勇，程正翠，等.熱噴涂技術(shù)及陶瓷涂層.熱處理，2003，1.

[2] 徐濱士，張 偉，等.熱噴涂材料的應(yīng)用與發(fā)展.材料工程，2001，12.

[3] 吳 濤，朱 流，酈 劍，王幼文.熱噴涂技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展.國外金屬熱處理，2005，4.

[4] 趙力東，Erich L，李 新.熱噴涂技術(shù)的新發(fā)展.中國表面工程，2002，3.

[5] 李明亮，陽 林，孫友松，楊國華.液壓成形裝備的改造設(shè)計(jì).鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，1.

[6] 馮秀玲，王永軍，杜紅英.鍛壓設(shè)備構(gòu)件生產(chǎn)中的工藝優(yōu)化措施.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007，4.

[7] 孫厚創(chuàng)，甄志強(qiáng)，趙四海.高壓油缸的應(yīng)力分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì).鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，3.

Thermal spraying repair method of plunger piston for main oil cylinder in 5000 kN hydraulic press

RUAN Xingjia
（Truck Plant,Faw Liberation Co.,Ltd.,Changchun 130011,Jilin China)

The principle and construction method of thermal spraying process have been expounded in detail.Thermal spraying method has been applied to repair the badly damaged plunger piston of main oil cylinder in 5000 kN hydraulic press,which realizes perfect surface quality.It provides reference for high speed&efficiency and lower cost maintenance.

Thermal spraying technique;Hydraulic press;Plunger piston;Repair

TG315.4

B

1672－0121（2012）02－0039－04

2011-12-05

阮興家（1965-），男，高級工程師，從事機(jī)械工程技術(shù)研發(fā)設(shè)計(jì)