房志彬

0 引言

某型產(chǎn)品的半軸為超高強(qiáng)度鋼材料，使用過(guò)程中因環(huán)境腐蝕和機(jī)械損傷，造成軸的直徑尺寸超差，采用常規(guī)的電鍍鉻無(wú)法滿足使用要求，經(jīng)過(guò)論證采用超音速火焰噴涂（簡(jiǎn)稱HVOF）的方法，解決了修復(fù)難題。

1 產(chǎn)品的損傷情況。

半軸的材料為超高強(qiáng)度鋼（熱處理強(qiáng)度達(dá)到1900MPa），位于最終產(chǎn)品的中下部，軸表面尺寸超差處與軸承配合，軸承與半軸間存在一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)品工作時(shí)，半軸承受劇烈的震動(dòng)，造成半軸與軸承表面機(jī)械損傷。同時(shí)，半軸長(zhǎng)期暴露在室外，外界的水漬等物質(zhì)進(jìn)入半軸所在的封閉腔內(nèi)，長(zhǎng)期作用下，造成半軸表面腐蝕損傷。

2 半軸的技術(shù)要求

半軸的材質(zhì)強(qiáng)度較高，其原圖樣要求的表面處理方法為表面鍍硬鉻，表面粗糙度為Ra0.4，結(jié)合其使用特點(diǎn)，半軸修復(fù)的要求是：修復(fù)后半軸應(yīng)有較高的硬度、一定的耐腐性，經(jīng)精磨后有較高的表面光潔度，達(dá)到這些要求的同時(shí)還要能噴涂一定的厚度（至少1mm）。

3 常規(guī)鍍鉻修復(fù)的問題

我們前期進(jìn)行產(chǎn)品修復(fù)時(shí)，使用原圖樣的電鍍硬鉻的方法，但電鍍硬鉻存在一些固有問題，造成產(chǎn)品的修復(fù)成功率極低，不得不制造或購(gòu)買新品，使產(chǎn)品的修復(fù)周期和成本增高。電鍍鉻的主要問題有：

a.電鍍鉻的厚度限制。為保證鉻層的結(jié)合力，工藝要求半軸的表面劃傷或腐蝕深度不超過(guò)0.1mm，而我單位的半軸尺寸超差大部分已達(dá)到0.2mm，甚至更大。

b.電鍍鉻的鍍層質(zhì)量不高。電鍍鉻的鍍層存在微裂紋，不可避免地產(chǎn)生穿透性裂紋，導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)從表面滲透至界面而腐蝕基體，造成鍍層表面銹班，甚至剝落，影響產(chǎn)品的氣密性能。為了克服鉻層易漏氣和不耐腐蝕的缺點(diǎn)，通常采用封孔、金剛石滾壓等工藝消除鉻層本身的微裂紋，工序較長(zhǎng)、工藝難度大且不能從根本上消除微裂紋。

c.超高強(qiáng)度鋼本身對(duì)氫脆的敏感性大，雖每次均要進(jìn)行除氫處理，如果多次鍍鉻，還是易造成產(chǎn)品的氫脆，造成產(chǎn)品不可估量的損失。

與此同時(shí)，電鍍鉻工藝沉積速度慢，僅約25μm/h，我廠地處北方，對(duì)電鍍鉻的工藝管理也越來(lái)越嚴(yán)格，環(huán)境保護(hù)的要求極易波及電鍍鉻這一污染大的工藝，也需要我們及早找出替代工藝。

4 超音速火焰噴涂修復(fù)的可行性

HVOF工藝通過(guò)氧氣、氣體或液體燃料燃燒產(chǎn)生動(dòng)能，同時(shí)對(duì)熱量輸入加以控制，粉末狀的噴涂材料被注入熱氣流中，通過(guò)熱氣流對(duì)其進(jìn)行均勻加熱至熔化或半熔化狀態(tài)。火焰焰流和粉末通過(guò)噴嘴進(jìn)行加速，以超音速的焰流將粉末粒子推向噴涂基體，形成涂層。

相對(duì)于電鍍鉻，超音速火焰噴涂有幾大明顯優(yōu)勢(shì)：

a.高致密性。

通常情況下涂層的孔隙率低于2%，有些甚至低到0.5%，優(yōu)于電鍍鉻的每平方分米不大于5個(gè)氣孔的要求。下圖為DJ2700設(shè)備噴 WC-10Co4Cr粉末獲得的涂層金相，由圖1可以看出，涂層內(nèi)部基本無(wú)氧化物，孔隙率小于1%；無(wú)大于50μm的孔洞；無(wú)未熔顆粒，碳化物分布均勻，無(wú)帶狀或團(tuán)狀分布；截面上無(wú)裂紋。

b.高結(jié)合強(qiáng)度。

采用HVOF工藝制備的WC涂層的結(jié)合強(qiáng)度超過(guò)70MPa，而電鍍鉻僅要求采用彎曲或加熱法檢查無(wú)表面起皮、起泡或脫落，質(zhì)量要求明顯低于HVOF。

我們采用拉伸法對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，拉伸結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果在79.8MPa-86.9MPa之間，均大于70MPa，斷裂方式為膠斷。

c.極佳的硬度。

如果采用12%的碳化鎢/鈷涂層，經(jīng)檢測(cè)可達(dá)到1100HV至1350HV，遠(yuǎn)優(yōu)于鍍鉻的700HV。

d. 優(yōu)良的耐磨性能。

HVOF涂層具有非常好的耐磨損性能。以下為相關(guān)單位做的磨損性試驗(yàn)：

1）對(duì)涂層進(jìn)行磨粒磨損性能評(píng)價(jià)，并與電鍍硬鉻進(jìn)行對(duì)比，其中電鍍硬鉻的磨損量為10.7mg/min，超音速火焰噴WC-CoCr涂層的磨損量為3.8mg/min。

2）干滑動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中使用的摩擦副為SiN球，規(guī)格為？5mm，法向載荷為20N、50N，磨球運(yùn)行速度為100rad/min，運(yùn)行時(shí)間30min，15min時(shí)測(cè)一次失重，30min時(shí)測(cè)一次失重。不同工藝涂層重量損失見圖2，超音速火焰噴涂WC-CoCr在試驗(yàn)30min后的失重分別為0.4mg（20N）和1.31mg（50N），而電鍍硬鉻在試驗(yàn)30min后的失重分別為13.08mg（20N）和38.29mg（50N），可見超音速火焰噴涂WC涂層的耐磨性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電鍍硬鉻。

e.優(yōu)良的耐腐蝕性能。

HVOF涂層的高致密性，優(yōu)良的冶金特性有助于提高抗腐蝕性能，包括熱腐蝕、氧化、不同媒介腐蝕效應(yīng)。

圖3為相關(guān)單位所做的中性鹽霧試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，HVOF涂層遠(yuǎn)優(yōu)于電鍍硬鉻。

0H 336H

f.涂層厚度優(yōu)于硬鍍鉻。

HVOF擁有高于其他熱噴涂的噴涂速度，經(jīng)我們?cè)囼?yàn)，其涂層厚度至少可達(dá)到0.5mm。

HVOF涂層擁有比電鍍硬鉻優(yōu)良的致密性、結(jié)合強(qiáng)度、硬度、耐磨性能，同時(shí)其涂層厚度也能滿足使用需求，使用HVOF工藝噴涂WC來(lái)代替電鍍硬鉻進(jìn)行半軸的尺寸修復(fù)完全可行。

5 HVOF的技術(shù)難點(diǎn)

a.HVOF的技術(shù)難點(diǎn)是噴涂過(guò)程零件溫度的控制及監(jiān)視。超高強(qiáng)度鋼對(duì)溫度極其敏感，如果基體超過(guò)一定的溫度，則產(chǎn)品應(yīng)會(huì)因過(guò)熱而性能下降，對(duì)于低溫回火的半軸，其對(duì)基體的溫度控制更應(yīng)嚴(yán)格。在進(jìn)行實(shí)際噴涂時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制噴涂的基本參數(shù)，防止溫度的過(guò)度升高。同時(shí)，為避免測(cè)溫誤差，采用紅外測(cè)溫儀測(cè)試產(chǎn)品噴涂間歇時(shí)的溫度，以確定噴涂過(guò)程中產(chǎn)品的溫度升高。

b.噴涂后的檢測(cè)要求

因HVOF為特殊過(guò)程，過(guò)程的不可控會(huì)造成產(chǎn)品的質(zhì)量不穩(wěn)定，所以，需要對(duì)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行極為嚴(yán)格的控制，同時(shí)需要對(duì)過(guò)程的結(jié)果進(jìn)行必要的檢測(cè)，噴涂后除應(yīng)進(jìn)行尺寸、表面粗糙度檢測(cè)外，還應(yīng)檢測(cè)金相、涂層硬度、結(jié)合強(qiáng)度、彎曲性能、殘余應(yīng)力，以保證噴涂過(guò)程的質(zhì)量可控。

6 結(jié)束語(yǔ)

超音速火焰噴涂碳化鎢作為一種日趨成熟的工藝方法，其多項(xiàng)性能數(shù)據(jù)優(yōu)于電鍍硬鉻，可完成替代超高強(qiáng)度鋼材料的半軸修復(fù)。經(jīng)過(guò)試制，其涂層性能滿足半軸的技術(shù)要求，目前已應(yīng)用于超高強(qiáng)度鋼材料的半軸修復(fù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]郭孟秋，等.超音速火焰噴涂相關(guān)數(shù)據(jù).