高強度鋼材料軸類采用超音速火焰噴涂進行尺寸修復研究

房志彬

0 引言

某型產品的半軸為超高強度鋼材料，使用過程中因環境腐蝕和機械損傷，造成軸的直徑尺寸超差，采用常規的電鍍鉻無法滿足使用要求，經過論證采用超音速火焰噴涂（簡稱HVOF）的方法，解決了修復難題。

1 產品的損傷情況。

半軸的材料為超高強度鋼（熱處理強度達到1900MPa），位于最終產品的中下部，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運動，產品工作時，半軸承受劇烈的震動，造成半軸與軸承表面機械損傷。同時，半軸長期暴露在室外，外界的水漬等物質進入半軸所在的封閉腔內，長期作用下，造成半軸表面腐蝕損傷。

2 半軸的技術要求

半軸的材質強度較高，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，結合其使用特點，半軸修復的要求是：修復后半軸應有較高的硬度、一定的耐腐性，經精磨后有較高的表面光潔度，達到這些要求的同時還要能噴涂一定的厚度（至少1mm）。

3 常規鍍鉻修復的問題

我們前期進行產品修復時，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，造成產品的修復成功率極低，不得不制造或購買新品，使產品的修復周期和成本增高。電鍍鉻的主要問題有：

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

b.電鍍鉻的鍍層質量不高。電鍍鉻的鍍層存在微裂紋，不可避免地產生穿透性裂紋，導致腐蝕介質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，影響產品的氣密性能。為了克服鉻層易漏氣和不耐腐蝕的缺點，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、工藝難度大且不能從根本上消除微裂紋。

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

與此同時，電鍍鉻工藝沉積速度慢，僅約25μm/h，我廠地處北方，對電鍍鉻的工藝管理也越來越嚴格，環境保護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的可行性

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

相對于電鍍鉻，超音速火焰噴涂有幾大明顯優勢：

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%，優于電鍍鉻的每平方分米不大于5個氣孔的要求。下圖為DJ2700設備噴 WC-10Co4Cr粉末獲得的涂層金相，由圖1可以看出，涂層內部基本無氧化物，孔隙率小于1%；無大于50μm的孔洞；無未熔顆粒，碳化物分布均勻，無帶狀或團狀分布；截面上無裂紋。

b.高結合強度。

采用HVOF工藝制備的WC涂層的結合強度超過70MPa，而電鍍鉻僅要求采用彎曲或加熱法檢查無表面起皮、起泡或脫落，質量要求明顯低于HVOF。

我們采用拉伸法對涂層結合強度進行了測試，拉伸結合強度測試結果在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，經檢測可達到1100HV至1350HV，遠優于鍍鉻的700HV。

d. 優良的耐磨性能。

HVOF涂層具有非常好的耐磨損性能。以下為相關單位做的磨損性試驗：

1）對涂層進行磨粒磨損性能評價，并與電鍍硬鉻進行對比，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）干滑動摩擦磨損實驗。實驗中使用的摩擦副為SiN球，規格為？5mm，法向載荷為20N、50N，磨球運行速度為100rad/min，運行時間30min，15min時測一次失重，30min時測一次失重。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30min后的失重分別為0.4mg（20N）和1.31mg（50N），而電鍍硬鉻在試驗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涂層的耐磨性能遠遠優于電鍍硬鉻。

e.優良的耐腐蝕性能。

HVOF涂層的高致密性，優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。

圖3為相關單位所做的中性鹽霧試驗，通過對比發現，HVOF涂層遠優于電鍍硬鉻。

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f.涂層厚度優于硬鍍鉻。

HVOF擁有高于其他熱噴涂的噴涂速度，經我們試驗，其涂層厚度至少可達到0.5mm。

HVOF涂層擁有比電鍍硬鉻優良的致密性、結合強度、硬度、耐磨性能，同時其涂層厚度也能滿足使用需求，使用HVOF工藝噴涂WC來代替電鍍硬鉻進行半軸的尺寸修復完全可行。

5 HVOF的技術難點

a.HVOF的技術難點是噴涂過程零件溫度的控制及監視。超高強度鋼對溫度極其敏感，如果基體超過一定的溫度，則產品應會因過熱而性能下降，對于低溫回火的半軸，其對基體的溫度控制更應嚴格。在進行實際噴涂時，應嚴格控制噴涂的基本參數，防止溫度的過度升高。同時，為避免測溫誤差，采用紅外測溫儀測試產品噴涂間歇時的溫度，以確定噴涂過程中產品的溫度升高。

b.噴涂后的檢測要求

因HVOF為特殊過程，過程的不可控會造成產品的質量不穩定，所以，需要對過程參數進行極為嚴格的控制，同時需要對過程的結果進行必要的檢測，噴涂后除應進行尺寸、表面粗糙度檢測外，還應檢測金相、涂層硬度、結合強度、彎曲性能、殘余應力，以保證噴涂過程的質量可控。

6 結束語

超音速火焰噴涂碳化鎢作為一種日趨成熟的工藝方法，其多項性能數據優于電鍍硬鉻，可完成替代超高強度鋼材料的半軸修復。經過試制，其涂層性能滿足半軸的技術要求，目前已應用于超高強度鋼材料的半軸修復。

【參考文獻】

[1]郭孟秋，等.超音速火焰噴涂相關數據.