超級不銹鋼涂層在風機主軸修復上的應用研究

雷國財

（寶武裝備智能科技有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524000）

1 前言

風機作為一種應用廣泛的通用機械設備，主要應用于冶金、石化、電力、城市軌道交通、紡織、船舶等國民經濟各領域以及各種場所的通風換氣，因此，保證風機工作狀態的穩定可靠，在工業生產中有著重大作用。在長期連續運轉過程中，因為金屬疲勞、振動等因素的影響，風機主軸經常會出現磨損的問題。如果不及時對風機主軸磨損的部位進行修復，會對主軸造成連續性的磨損傷害，直接導致風機故障停機而無法使用。

傳統的修復方案就是更換主軸，但是，成本過高，如果采用堆焊修復，由于焊接的溫度很高，會因熱應力的影響造成軸的熱變形問題。而電刷鍍受涂層厚度限制，容易剝落，采用金屬膠黏劑修復的抗沖擊、抗剝離性能較差，黏接強度較低，因此，也無法用于風機主軸修復。超級不銹鋼是一種含高鎳、高鉻、高鉬的高合金不銹鋼，與普通不銹鋼相比，具有更加優異的性能，成為當下研究的熱點，超音速火焰噴涂技術能噴涂純金屬、合金材料、金屬陶瓷等材料，且施工方便，因此，在各行各業中得到了廣泛的應用，本文探討通過表面制備超級不銹鋼涂層對磨損的風機主軸進行尺寸恢復。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

噴涂材料為Hoganas公司惰性氣霧化法制備的超級不銹鋼粉末，粒度為15～45μm，粒度分布：D10為22.7μm，D50為33.3μm，D90為48.1μm，粉末形貌如圖1所示，可見粉末球形度好，保證了噴涂粉末具有非常好的流動性，容易均勻送入火焰中，粉末表面受熱均勻，使噴涂粒子具有較好的熔化狀態。ICP測試粉末的化學成分如表1所示，顯示該材料含有較高的鉻、鎳、鉬等合金元素，能夠有效改善不銹鋼的性能。

表1 超級不銹鋼粉末的化學成分

2.2 涂層制備

采用普萊克斯的JP8000超音速設備制備涂層，以航空煤油為燃料，氧氣為助燃氣體，送粉氣為氮氣，通過控制噴涂遍數來控制涂層的總厚度，噴涂過程中，使用紅外線測溫儀對基體溫度進行監測，避免基體過度受熱造成溫度超過200℃，噴涂工藝參數如表2所示。基體材料為1Cr13不銹鋼，金相測試試樣尺寸為30×50×5mm，結合強度測試試樣尺寸為φ25mm×38mm，噴涂前用60#白剛玉噴砂粗化基體表面，使基體表面有一定的粗糙度，有利于噴涂的粒子與基體間的接觸咬合。

表2 HVOF噴涂超級不銹鋼粉末的工藝參數

2.3 性能測試

切割噴涂樣塊，鑲樣拋光后，采用金相顯微鏡觀察涂層的截面形貌，涂層的孔隙率采用圖像法測量，分析過程中使用Image-Pro軟件。采用HVS-1000顯微維氏硬度計檢測涂層的硬度，載荷300g，保壓時間15s，通過計算不同部位5個點的平均值來得到最終的硬度值。采用FM1000膠將有涂層的試樣與噴砂后的對偶件粘接，經180℃固化2h后，在WDW-E200D型萬能拉伸試驗機上測試涂層結合強度，每組試樣由3個平行試樣組成。

3 試驗結果與分析

3.1 涂層微觀形貌分析

涂層的截面形貌如圖2所示，可以看出，涂層的截面形貌呈典型的層片狀結構，涂層與基體之間為機械咬合，界面狀態較好，涂層內部僅存在點狀的細小微孔，孔隙率較低，僅為1.26%。這是因為粉末顆粒在高速焰流中充分熔融并獲得極高的動能，撞擊到基體表面時，具有良好的變形和填充縫隙能力，從而形成致密涂層。由于是通過多遍噴涂來增加涂層厚度的，從圖中可以看出，表層的涂層相對疏松，內層的相對致密，這是因為后續的撞擊的粉末粒子可對前面已附著涂層起到一定的夯實作用。

圖2 涂層的截面形貌

3.2 涂層的力學性能

表3給出了超級不銹鋼涂層的維氏硬度，涂層硬度HV0.3539，高于基體1Cr13不銹鋼的硬度為HV0.3210，表4給出了涂層和基體的結合強度，可以看出，涂層與基體結合強度高。這主要是因為JP8000型超音速火焰噴涂系統的燃燒室壓力高，高的燃燒室壓力產生的超音速火焰焰流速度達8馬赫，使得粒子飛行速度可達1200m/s，最終得到壓應力涂層。

表3 超級不銹鋼涂層的顯微硬度（HV0.3）

表4 超級不銹鋼涂層的結合強度

3.3 涂層的耐磨性能

根據主軸的磨損特性，采用NUS-ISO3摩擦磨損試驗機測試涂層的耐磨性，超級不銹鋼涂層磨損試樣尺寸為35mm×45mm×3.5mm，對涂層表面進行拋磨處理，表面粗糙度達到Ra0.8μm，對磨材料為220#金相砂紙，每輪磨200來回，磨耗實驗總次數為1000個來回。每次磨損實驗結束后將試樣洗凈、烘干，用精度為0.1mg的Fa-1104型電子分析天平稱量，以計算出磨損失重，磨耗實驗結果如圖3所示，可知超級不銹鋼涂層的失重量小于1Cr13，耐磨性高于基體1Cr13。

圖3 超級不銹鋼涂層與基體1Cr13的磨耗實驗曲線

3.4 實際修復應用

某企業的風機運行時發出異音，停機后拆解主軸、葉輪等組件，檢查發現，風機主軸的軸承位磨損嚴重，該檔的軸徑為180mm，寬度為100mm，呈環形凹槽狀磨損，單邊磨損深度0.25mm，采用HVOF噴涂超級不銹鋼技術對磨損的風機主軸進行修復，制定的修復工藝路線如圖4所示，具體工藝如下：（1）上車床，采用一夾一頂方式裝夾主軸，以完好部位的軸承檔為基準進行加工，車削掉主軸磨損部位的表面疲勞層單邊0.10mm；（2）選用工業丙酮，對車削后的風機主軸表面進行清洗，徹底去除油污；（3）采用壓力式噴砂機，46#白剛玉砂，對清洗后的風機表面進行毛化，以獲得凹凸不平的粗糙表面，便于后續噴涂粉末的沉積；（4）采用超音速火焰噴涂技術在風機主軸表面制備超級不銹鋼耐磨涂層，噴涂厚度0.50mm，噴涂過程中，控制工件溫度在200℃以內；（5）上數控磨床，根據尺寸精度及粗糙度要求，采用金剛石砂輪與砂帶對風機主軸表面的超級不銹鋼涂層進行磨削及拋光處理，同時，對修復后的涂層表面進行著色探傷，要求表面無肉眼可見的氣孔、裂紋等缺陷。

圖4 修復工藝路線

采用上述工藝修復后的風機主軸投入運行一年，運行狀況良好，拆卸下檢查發現，原修復部位涂層完好，表面僅有輕微的劃痕，采用外徑千分尺對該處尺寸進行測量，結果顯示，尺寸僅比上機前減少了0.02mm。

4 結語

（1）超音速火焰噴涂技術制備的超級不銹鋼涂層致密，分布較為均勻，涂層內部僅存在點狀的細小微孔，孔隙率為1.26%。（2）超級不銹鋼涂層硬度為HV0.3589，涂層與基體結合良好，涂層內部的結合強度達到73.33MPa，有著良好的力學性能，涂層的耐磨性能較基體1Cr13有很大提高。（3）針對主軸表面的磨損情況，采用制定的修復工藝路線，通過在磨損部位表面制備超級不銹鋼涂層，能較好地解決風機主軸因磨損等帶來的尺寸超差問題。