熱噴涂在軸類表面磨損修復中的應用

呂劍

摘要：熱噴涂技術是工業技術領域廣泛使用的再制造關鍵技術。一些工業設備和材料的使用性和壽命僅和材料的表面性能有關，若使用貴金屬進行替 換將增大生產成本，造成浪費和損失，熱噴涂技術可以強化金屬表面性能，可以對設備關鍵零件進行修補或強化，提高企業的生產效益。文章基于熱噴 涂技術基本原理和分類，并重點概述了火焰噴涂的分類及基本原理，通過合金粉末火焰噴涂技術在挖掘機油泵、回轉馬達、行走減速器的傳動軸磨損修 復中的應用。

關鍵詞：熱噴涂技術；表面再制造；磨損修復；應用

中圖分類號：G174.442 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2017）09-273-02

Abstract：thermalsprayingtechnologyisthekeytechnologyofremanufacturingwidelyusedinindustrialtechnology.Theusabilityandlifeofsomeindustriale- quipmentandmaterialsareonlyrelatedtothesurfacepropertiesofmaterials.Ifthepreciousmetalisusedtoreplaceit，theproductioncostwillbeincreased.Be- cause of waste and loss， thermal spraying technology can enhance metal surface performance， repair or strengthen the key parts of equipment， and improve the productionefficiencyofenterprises.Thispaperisbasedonthebasicprincipleandclassificationofthermalsprayingtechnology.Theclassificationandbasicprinci- ple of flame spraying are summarized emphatically. The wear repair of propeller shaft of excavator oil pump， rotary motor and walking reducer by alloy powder flame spraying technology is introduced. Application.

Key words： thermal spraying technology； surface remanufacture； wear repair； application

引言

熱噴涂技術是廣泛應用于工業設備制造領域、冶金、化工、電子、航空航天領域的工業技術。是軸類零件表面再制造關鍵技術。通過軸類零件表 面覆蓋具有強度、耐磨、耐蝕的膜狀涂層達到修復磨損，強化金屬表面的 目的。

1 熱噴涂技術基本原理和工藝階段

熱噴涂技術是借助噴涂設備，在一定氣壓下，將被加熱的合金粉末， 以一定的速度覆蓋在基體表面，達到錨固的目的，合金粉末在機體表面形成一定強化涂層，對零件形成保護和加強的作用。如圖 1 所示，為熱噴涂技術的基本原理[1]：

圖 1 熱噴涂技術基本原理

使用熱噴涂技術進行零件加工再制造需經過四個階段。首先，熔化階段，在金屬粉末到達高溫區域時熱噴涂材料被加熱熔化，形成金屬熔滴； 其次，熔滴霧化，絲材端部形成的熔滴在氣流或者熱源的作用下霧化成細微熔滴向前噴射；接著，噴涂材料做加速和減速飛行。最后，金屬離子與基體表面形成沖擊，并凝固，由于基體表面相對粗糙容易使可以停留表面并發生形變，最后冷凝收縮，形成零件表面的金屬涂層。

使用熱噴涂技術進行零件修復強化時，粉末金屬與基體金屬的結合方式屬于機械結合，也就是金屬材料的熔滴和零件粗糙的基體表面形成機械鍵相互嚙合。

2 熱噴涂技術主要分類和工藝特性

一般的分類方法是根據熱源燃燒法和電加熱法，然后再根據涂層材料進行細分。燃燒法又可以分為火焰噴涂和爆炸噴涂，而火焰噴涂具體細 分為三種：粉末火焰噴涂、絲材或棒材火焰噴涂、超音速火焰噴涂。電加熱 法也可以分為電弧噴涂和等離子噴涂，而等離子噴涂又具體細分為大氣等離子噴涂、低壓等離子噴涂、感應等離子噴涂和水穩等離子噴涂[2]。

火焰噴涂由于噴涂成本低，設備操作簡單，技術使用普及率較高。火焰 噴涂通常使用氧氣和乙炔，由于氣體產生的火焰具有較高流速，燃燒時產生的溫度較高。火焰噴涂技術應用中可以根據氧氣和乙炔的流量比例進行 調節，分為中性焰、碳化焰和氧化焰，比例不同的火焰產生燃燒產生的溫度 不同，中性焰乙炔過剩，具有較強的還原性，最高溫度能夠達到 3000 攝氏度，氧化焰具有較強的作用燃燒時最高溫度可達 3500 攝氏度。高溫燃燒后經噴射設備將金屬噴涂在待加工的零件表面，能夠提高零件性能和使用壽 命幾倍甚至幾十倍，為零件提供防磁、導電、控隙、防腐等功能涂層。

2.1 粉末火焰噴涂技術。粉末是火焰噴涂使用的主要設備是噴槍，

氧——乙炔混合氣體通過閥門控制由噴槍端部小孔噴出。噴槍設置進粉口，在經高溫燃燒加熱至熔化，被高溫氣體向前推進。該噴涂工藝的主要特點是色比操作簡單，經簡單培訓即可操作，再造成本低，耗時較少，并且 取得較高效益。可以應用在機械零件做耐腐耐磨損處理。我公司對某型號

斗桿體噴涂碳化鎢，使圓筒端面獲得耐磨層，并進行噴鎢順序調整來控制溫差，控制噴后收縮變形，加固防止收縮變形或橢園，即加防變形圈（取噴

W 孔上偏差大 0.004～0.008 間不等具體由孔大小而定） 并對防變形圈加上一層機油來減少收縮變形出模磨擦力，從而根本解決問題，工作效率和 產品質量都得到很大的提升。

2.2 絲材及棒材火焰噴涂技術。該技術主要使用的涂層材料為絲材或棒材，經過高溫火焰熔化或者霧化后噴涂到零件表面。與粉末火焰噴涂相比，主要區別在于絲材或棒材熔化 - 霧化的過程，噴涂絲材的端部經高溫后形成熔滴，在高速氣流作用下破碎霧化，與粉末噴涂相比，該方法噴涂顆粒熔化較好，速度更高，涂層的相對強度和致密性較好。主要應用在戶外情況下的施工需要。該方法經過噴涂工藝的調整，可以實用多用原料， 可應用在機械零件制備防護涂層。

2.3 超音速火焰噴涂技術。該技術是在粉末火焰噴涂技術上發展而來 的，使用氧氣和燃氣作為燃料，在高壓的作用下，火焰的射速很高，是聲速的 7 倍，噴涂顆粒的速度最高可達到 2000m/s，超音速火焰噴涂的主要優點是金屬粉末的氧化率較低，在超高速作用下，原始材料的性質變化較小。目前該技術多應用于航空航天零部件的加工和冶金工業。

3 熱噴涂技術應用優勢

3.1 材料受限小。加工部件的材料和噴涂材料受限較小，基體材料可以是金屬、陶瓷、塑料，甚至是非金屬材料木材、水泥和石膏等。熱噴涂技術使用中可對氣氛進行調節，任何加熱過程中不升華、不降解的材料都可作為噴涂材料。并且涂層材料具有多樣性，可以混合使用，對噴涂工藝進行再設計便可以獲得各種性能的涂層和制品，噴涂功能多樣，如耐磨、耐 蝕、抗沖擊、防磁、密封、控隙等，尤其在軸類鑄件的再制造應用中發揮重 要作用。

3.2 工件受限小，涂層厚度范圍寬。熱噴涂技術工具操作方便，對工件 的大小沒有限制，工件、結構件等都可以進行噴涂。并且熱噴涂的涂層可達 0.1～2.5mm，焊層可達 0.1～8mm。技術使用范圍比較難廣。

3.3 工藝效益高。使用熱噴涂技術可以對噴涂材料和工藝進行特殊設 計，提高構件的性能和壽命高達幾十倍，在工業制造領域可以提高產品質量和產量，開發具有特殊工藝的新構件可以提高是市場競爭力。機械的使 用者可以減少備用件庫存，削減成本，帶來經濟效益和社會效益。

4 熱噴涂技術的實例應用

廣西玉柴重工有限公司為了改進工藝方法，提高公司產品的質量和產量，研究熱噴涂技術多年，在長期為企業服務的實踐過程中取得了許多有益經驗，為了提高產品性能，對我公司挖掘機油封漏油、失壓進行改進。作為挖掘機的動力、動作輸出主要元件：油泵、回轉馬達、行走減速器，由于轉速高，工作環境差，油封位置容易滲進砂塵，造成轉動軸磨損，使油泵、回轉馬達、行走減速器漏油、失壓。

圖 2 為轉動軸磨損示意圖

4.1 方法選擇。修復傳動軸目前有兩種方法：1）普通電焊熔覆軸磨損位置，優點是設備簡單，操作方便，適應各種環境，缺點焊接變形大，校直 困難，熔覆量大，后續加工量大；2）激光熔覆軸磨損位置，優點是熔覆層可 控，熔覆只在表面進行，變形極小，缺點是設備昂貴，只能在室內進行。為 了解決油泵、回轉馬達、行走減速器的傳動軸磨損問題，公司采用合金粉 未火焰噴涂方式進行修復，目前已經裝機使用，取得很大成效。應用合金 粉火焰噴涂技術，操作設備采用金屬粉未噴焊炬，設備簡單，操作方便，適應各種環境。合金粉未火焰噴涂熔覆只在表面進行，工件受熱程度均不超過350℃，不改變工件的金相組織，工件原有硬度不改變。合金粉未火焰噴涂熔覆生產效率高，且熔覆層表面均勻，厚度可控，熔覆后加工余量少。該 技術受熱溫度小，再輔以工件旋轉機構，使軸旋轉，受熱均勻，軸整體變形 極小。傳動軸熔覆后重新磨合尺寸。圖 3 為修復圖。

4.2.2. 選擇合適的合金粉未，由于加熱溫度不能過高，需要確定合適的合金粉末熔點。

4.3 技術改進的經濟效益。按以往磨損軸類再制造是直接換新軸，而合金粉未火焰噴涂修復的制造成本是新軸的20%，成本下降80%；換新軸的采購周期是 20 天，合金粉未火焰噴涂修復的生產周期是 4 天，生產效率提高 5 倍。

4.4 技術推廣價值。適用于所有的軸類磨損修復。并可推廣應用于孔 類磨損修復。

4.5 驗收結論。 傳動軸修復后，質量處于受控狀態。油泵、回轉馬達、行走減速器再制造成本降低 80%。油泵、回轉馬達、行走減速器再制造效率提高 5 倍。

5 結束語

熱噴涂技術自軸類零件的磨損修復中效果顯著，雖然已在一些企業應用，但遠未遍及，我們希望與對此項技術感興趣的制造企業，在更廣泛 的領域進行擴大應用。

圖 3 轉軸磨損修復

參考文獻：

[1]劉勇，賴嘯，郭晟.軸類零件再制造火焰噴涂高頻感應熔覆復合工藝 方法研究[J].西部皮革，2017，39（12）：14.

[2]李紅峰.基于軸類零件再制造火焰噴涂高頻感應熔覆復合工藝及裝