應用高速電弧噴涂工藝修復磨損曲軸

摘要:本文主要介紹了采用高速電弧噴涂工藝修復發動機曲軸的方法，采用高速電弧噴涂工藝修復曲軸，曲軸變形小、修復精度能達到曲軸軸頸的公差配合要求，噴涂工作層與基體零件的結合強度高，表面質量好，且修復費用低。修復過程中根據曲軸的磨損情況和涂層的特點制定了修復工藝，完成了曲軸的修復，為曲軸等軸類零件的修復提供了很好的方法。

關鍵詞:曲軸磨損高速電弧噴涂修復

中圖分類號:TB47文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2011)02(b)-0098-02

曲軸是汽車發動機的重要零件之一， 曲軸的作用是將活塞的往復運動轉變成圓周運動，曲軸正常工作與否對發動機的工作及壽命有很大影響。曲軸經常由于主軸頸和連桿軸頸部位磨損而導致整根軸報廢，曲軸通常采用高強度的球墨鑄鐵或優質、高強度的中碳合金鋼制成，其造價昂貴，整根曲軸的報廢會帶來較大的經濟損失。對于整根曲軸來說，其他部位基本完好，只要能找到一種合適的修復方法，修復后的曲軸可以完全恢復使用性能。

1曲軸的傳統修復

曲軸的傳統修復方法主要有:修理尺寸法、電刷鍍、手工電弧焊、電弧噴涂等，修理尺寸法是將待修曲軸軸頸用曲軸磨床磨到正確形狀以獲得新的修理尺寸，然后與具有相應尺寸的軸瓦相配，恢復配合性質。此方法只適合修復磨損量不大的曲軸;手工電弧焊修復方法往往由于溫度高工件會產生裂紋或導致工件變形;電刷鍍修復的鍍層厚度一般為0.3mm～0.5mm，鍍層厚度大時易造成組織松散或應力過大;電弧噴涂工藝，以其涂層性能優異，節能，經濟性好、生產效率高，安全性好，噴涂材料范圍廣，是目前應用最為廣泛的修復工藝。但是普通電弧噴涂由于噴涂粒子速度低，結合強度不太高，粒子粒度較粗，孔隙率高。

2采用高速電弧噴涂工藝修復曲軸

對于磨損量較大的曲軸，采用高速電弧噴涂工藝修復效果好。

本文采用高速電弧噴涂工藝修復GD200發動機曲軸。

發動機工作過程中曲軸由于磨損使得主軸頸和連桿軸頸出現橢圓和錐度，導致發動機不能正常工作。

2.1 曲軸的磨損原因及修復層要求

曲軸的破壞主要以磨損為主，造成磨損的原因主要有:發動機在工作時，曲軸軸頸表面要承受很大壓力和很高的滑動摩擦速度，而且軸頸散熱效果較差，各軸頸表面易遭受磨料磨損。曲軸軸頸一般承受沖擊載荷和交變載荷，要求修復層具有良好的耐磨性、較高的結合強度和硬度，并能承受低沖擊負荷和有較高的抗疲勞性能。應用高速電弧噴涂的方法可以在磨損的曲軸軸頸表面形成一層合金層以填補凹痕，從而達到修復軸面的目的，且修復層的性能能達到曲軸表面質量的要求。

2.2 高速電弧噴涂的優勢

電弧噴涂是以兩根絲狀金屬噴涂材料在噴槍前端部短路產生的電弧為熱源，將熔化的金屬絲用壓縮空氣氣流霧化呈微熔滴，高速噴射到工件表面形成噴涂層的一種工藝。

如圖1所示。

高速電弧噴涂是在普通電弧噴涂的基礎上采用拉伐爾噴嘴和計算機輔助設計，優化了噴槍的設計，將噴涂粒子的速度提高到了超音速。粒子速度高，粒子沉積時對基體的撞擊作用就強，粒子變形就充分，有利于粒子與基體、粒子與粒子之間的結合，從而提高涂層的結合強度和內聚強度;粒子速度高，粒子沉積前在空氣中的飛行時間短，飛行中產生的氧化物就少，有利于粒子的結合，從而提高涂層的內聚強度，降低涂層的孔隙率;超音速霧化減小了粒子的粒度，降低了涂層的粗糙度。由此所得的涂層結合強度高、孔隙率低、表面粗糙度低，比普通電弧噴涂的涂層質量和噴涂效率高，工件不易變形，具備很強的防腐、耐磨性能。

如表1所示。

2.3 設備選用

本修復工藝采用高速電弧噴涂設備(噴涂電源、送絲機構、高速電弧噴涂槍、空氣壓縮機、油水分離器、冷卻裝置、儲氣罐等)、多功能數控機床系統、噴砂機、曲軸磨床等設備。

2.4 噴涂材料的選用

根據發動機曲軸的受力和修復層的功能要求，選擇滿足功能要求的涂層材料，然后確定涂層結構。涂層結構是指涂層組織及相應的厚度。為了改善涂層的性能，一般要在工作涂層之前噴涂粘結底層。這里選擇φ3mm鋁青銅絲材作為噴涂粘結底層材料，選擇φ3mm3Cr13絲材作為工作涂層，恢復軸頸的尺寸。3Cr13材料在噴涂過程中，有較好的淬硬性，涂層結合強度高，涂層硬度高，耐磨性好，不易生銹。適合曲軸的修復工作層要求。

2.5 噴涂工藝過程

高速電弧噴涂工藝安排如下。

清洗—— 去掉疲勞層—— 噴沙毛化——噴涂打底過渡層—— 噴涂工作層至需要尺寸并留加工余量—— 車削加工—— 磨削至使用要求。

適當的表面預處理是任何涂層施工中都有的一項必不可少的準備工序。對涂層的結合強度有影響。

(1)曲軸軸頸的表面預處理。表面預處理包括表面除油、表面預加工和表面粗化。

①表面預處理:首先用丙酮、酒精將曲軸軸頸的表面油污清洗干凈;②表面預加工:對曲軸軸頸表面進行清理，去除曲軸軸頸表面的疲勞層，根據軸頸的磨損情況，在曲軸磨床上將其磨圓，直徑一般減少0.50mm～1.00mm。使噴涂層厚度能均勻。③表面粗糙化:用噴砂機對曲軸軸頸的表面進行噴砂處理，噴砂處理能除去軸頸表面氧化膜，并使軸頸的表面粗糙化，同時還能使軸頸的表面產生一定的殘余壓應力，能提高噴涂后的疲勞強度。噴砂料可選用棕剛玉、銅礦渣、鋼砂等，砂料的粒度一般選25～40，噴砂壓力為0.3MPa～0.6MPa。噴砂處理后用干凈的壓縮空氣吹去軸頸表面塵埃，噴砂后的基材表面活性好，要盡快進行噴涂效果好。一般在2～3小時內進行噴涂。

(2)噴涂層的厚度設計。根據曲軸軸頸表面預處理后的尺寸和修復后要求的基本尺寸以及加工余量確定噴涂層的厚度。

涂層厚度的確定:

H=(D-d)/2+ΔC

式中:H為涂層設計厚度；

D為工件成品直徑；

d為工件表面預處理后直徑；

ΔC為噴涂層的單邊加工余量；

其中打底層的厚度一般選擇0.05mm～0.1mm。這里選取0.1mm。

(3)噴涂層工藝參數。

選擇噴涂工藝參數的主要原則是提高涂層與基材的結合強度。

電弧噴涂的結合強度主要取決于噴涂工藝參數的以下幾個因素。

①壓縮空氣的壓力和質量。②壓縮空氣流量。③待噴涂工件表面預處理程度。④噴槍噴嘴距工件表面的距離。⑤噴槍電極電弧上的電壓和電流。

通過實驗對比選擇了最佳的工藝參數，噴涂打底層的工藝參數見表3，噴涂完畢后進行檢驗，檢驗合格后，在打底層上直接噴涂耐磨工作涂層，工作涂層噴涂工藝參數見表4，噴涂后的工作涂層應表面無裂紋、翹起、脫落等現象。

如表2，3所示。

(4)噴涂層的機械加工。用專用外圓車刀對噴涂層進行車削加工，注意留下磨削加工的余量，然后在曲軸磨床上進行磨削加工至標準尺寸。

(5)涂層質量檢驗。磨削后的涂層表面致密無氣孔和砂眼，無裂紋、起皮和剝落，表面粗糙度要達到使用要求。

2.6 用實驗驗證高速電弧噴涂涂層的性能

(1)涂層硬度試驗。

硬度是決定軸頸耐磨性的重要指標，由于軸頸和軸瓦相互摩擦直接作用于涂層表面，因此涂層硬度的高低直接影響軸頸和軸瓦相互配合后的使用壽命。

為了檢驗涂層的硬度，硬度試驗試樣基材選用低碳鋼，應用以上的噴涂工藝噴涂試樣，厚度為1mm。用洛氏硬度機在試樣上分別選擇5個部位，測試硬度值，涂層硬度試驗結果見表4。

由表4可以看出:涂層有較高的硬度。完全能滿足曲軸的使用要求。

(2)涂層結合強度試驗。

為了檢驗涂層與基材的結合強度，根據國標G9 8642-88(熱噴涂層結合強度的測定)進行。試驗記錄結果如表5所示。

從以上試驗結果看出高速電弧噴涂修復層的結合強度較普通電弧噴涂修復層高。

2.7 實際效果

經高速電弧噴涂修復的發動機曲軸清洗后，浸入80℃～100℃的潤滑油中煮8小時，潤滑油充分滲入涂層后裝車使用。曲軸修復后已使用兩年多，運行正常，與換件修理相比，維修費用非常低，維修費用僅是換新零件的1/10，取得了良好的經濟效益。

3結語

采用高速電弧噴涂工藝修復曲軸，經實踐證明，能修復大磨損量曲軸，修復精度高，噴涂層與基體的結合強度高，生產效率高，能源利用率高，費用低，安全性好。對企業來說可取得很好的經濟效益，同時有利于節約能源，節約材料，降低污染，在保護環境和資源以確保可持續發展方面可發揮重要的作用，值得推廣。

參考文獻

[1]馬世寧.現代設備維修技術（第1版）[M].中國計劃出版社，2006，6.