50000kN液壓機主油缸柱塞熱噴涂修復法

阮興家

（一汽解放汽車有限公司卡車廠，吉林長春130011）

50000kN液壓機主油缸柱塞熱噴涂修復法

阮興家

（一汽解放汽車有限公司卡車廠，吉林長春130011）

詳細論述了熱噴涂的原理和施工方法。利用熱噴涂方法，對50000kN液壓機損壞嚴重的主油缸柱塞實施修復，獲得非常優良的表面質量。為快速、高效、低成本設備維修提供了借鑒案例。

機械制造；熱噴涂技術；液壓機；柱塞；維修

1 引言

50000kN液壓機是2002年由上海鍛壓機床廠制造的國產最大液壓機。從2003年投產以來一直擔負著中重型卡車的縱梁成形和落料工藝。其動力執行機構是4個直徑 800mm的柱塞油缸。該油缸的工作壓力達到200bar，柱塞表面采用鍍鉻工藝，光潔度達到了7級以上標準。經過多年使用之后，由于防塵密封等密封件的老化破損，對其內部的導向造成損害，以至于柱塞表面逐漸有了磨損現象，已經出現了深度約2mm、寬度約5mm、長度約1000mm的大面積損壞痕跡。繼續發展下去，就會徹底損壞導向套和密封元件，直至液壓油沿損壞的溝痕大量泄漏，壓力無法建立，最后整臺設備將無法正常使用和達到設計噸位。

由于訂購一根新柱塞將花費幾十萬元，極不合算，因而對柱塞的修復就成了必須面對的問題。對于磨損件的修復，傳統的修復方法包括：機械加工修理法（如修理尺寸法、附加零件法、局部更換法等）、焊接修理法（堆焊、補焊、釬焊等）和電鍍修理法（低溫鍍鐵、鍍鉻）等。對于重要零部件的局部破壞，采用上述維修方法常常是費工、費時、費料，甚至無法修復。綜合考慮，采取熱噴涂修補技術是非常經濟而且效果顯著的一種修復方法。

2 熱噴涂工作原理及實施方法

熱噴涂技術是一種表面工程強化技術。該技術在我國成熟于上世紀五、六十年代。它通常是指利用熱源將噴涂材料，通過噴槍加熱到溶化或者半溶化狀態，借助于高速氣體霧化成高溫顆粒，以很高的速度噴射到經過預處理的工件表面上，形成功能性涂層的一種表面加工工藝。這個過程屬于物理結合，噴涂的材料一般有絲和粉兩種，根據其原理分為火焰噴涂、電弧噴涂、超音速噴涂等。目前可應用該技術修復大型軸類零件并且磨損深度大于2mm的大面積修復。熱噴涂技術在設備維修及新產品設計制造中有著廣泛的應用。它可以使報廢的零部件起死回生，也可以在新產品的制造中起強化和預保護作用，使其“延年益壽”。

熱噴涂常用實施方法如下：

2.1 電弧噴涂

電弧噴涂是以電弧為熱源，噴涂過程中兩根絲材用送絲裝置通過送絲輪送進電弧噴槍的兩個導電嘴內，導電嘴分別接電源正負極，未接觸之前要保證兩根絲材之間的可靠絕緣。兩根絲材端部相互接觸時發生短路并產生電弧，絲材瞬間熔化并被壓縮空氣霧化呈微熔滴，同時以很高的速度噴射到工件表面，形成涂層。

主要噴涂材料：鋅、鋁、鉛錫合金、銅、碳鋼、不銹鋼、蒙乃爾合金、巴氏合金的金屬線材。常用于設備防腐、耐磨涂層、加工失誤的機件表面修復和制備電容封焊涂層等。

由于熱噴涂的加工物可在低溫下控制，所以不會對加工物產生尺寸變化、變形、裂紋等影響。此外，噴涂涂層的厚度選擇范圍大（0.1～8mm），涂層質量良好，所以特別適合如鐵塔、燈桿、橋梁、水閘門等防腐蝕工程。

可噴涂修復零部件例如：活塞桿、柱塞、導絲輪、不銹鋼套、電機蓋、拉絲盤、機床主軸、水泵葉輪等。

2.2 氧—乙炔粉末噴涂

氧—乙炔火焰粉末噴涂設備是以乙炔為燃燒氣體，以氧氣為助燃氣體，噴涂粉末在噴嘴出口處受到氧—乙炔火焰迅速加熱到熔化或高塑性狀態后，噴射并沉積到經過預處理的基體表面，形成牢固結合的涂層的一種工藝。

涂層具有高度的耐磨、耐腐蝕性能。適用于一般工況條件下各種磨損零件如齒輪軸、電機軸、螺桿、電機蓋、泵軸、導軌等。

2.3 等離子噴涂

等離子噴涂適用于高熔點的陶瓷粉末，主要用于制備性能優良的涂層，如耐磨涂層、減磨涂層等。噴涂的材料主要有陶瓷粉末、合金粉末、金屬陶瓷粉末、碳化鎢等復合材料，粉末變形充分、涂層致密、孔隙率低、硬度高、韌性好，具有優異的綜合性能。

3 噴涂法適用修復的范圍

（1）失效工件的修復：軸承檔磨損噴涂修復、軸承內檔修復、擠塑螺桿、曲軸、電機轉子、軸瓦、機械密封檔、導軌磨損、活塞桿拉傷、化工容器、水輪機葉片等。

（2）化纖紡織品陶瓷涂層：牽引輥、熱輥熱板、牽引輥、喂入輪、羅拉、槽輥、分絲輥、上油棒、導絲盤等。

（3）印刷行業陶瓷涂層：印刷輥、網紋輥、油墨輥、造紙輥、柱塞等。

（4）在冶金工業領域應用：鋼鐵工藝輥、薄膜輥、酸洗線輥、注塑螺桿、導向輥、張力輥、球閥、柱塞等。

（5）鋼構件防腐涂層：燈塔、橋梁、燈桿、水閘門、高壓輸電鐵塔、煤礦井架等各種大型鋼結構件。

（6）電刷鍍涂層：機械加工過程中造成的尺寸超差修復，以及特殊表面裝飾處理。

（7）工程塑料涂層：聚乙烯、尼龍、環氧樹脂氟龍涂層以及高分子復合技術提供堵漏、密封等。

4 熱噴涂修復法的過程

4.1 表面預處理

為了使涂層與基體材料很好地結合，基材表面必須清潔及粗糙。凈化和粗化表面的方法很多，方法的選擇要根據涂層的設計要求及基材的材質、形狀、厚薄、表面原始狀況以及施工條件等因素而定。

凈化處理的目的是去除工件表面的所有污垢，如氧化皮、油漬、油漆及其他污物，關鍵是去除工件表面和滲入其中的油脂。凈化處理的方法有溶劑清洗法、蒸汽清洗法、堿洗法及加熱脫脂法等。

粗化處理的目的是增強涂層與基材間的接觸面，增大涂層與基材的機械咬合力，使凈化處理過的表面更加活化，以提高涂層與基材的結合強度。同時基材表面粗化還改變涂層中的殘余應力分布，對提高涂層的結合強度也是有利的。粗化處理的方法有噴砂、機械加工法（如車螺紋、滾花）、電拉毛等。其中噴砂處理是最常用的粗化處理方法，常用的噴砂介質有氧化鋁、碳化硅和冷硬鑄鐵等。噴砂時，噴砂介質的種類和粒度、噴砂時氣壓的大小等條件必須根據工件材質的硬度、工件的形狀和尺寸等進行合理的選擇。對于金屬基體，采用的砂粒粒度為16～60號砂，粗砂用于堅固件和重型件的噴砂，噴砂壓力為0.5～0.7MPa，薄工件易于變形，噴砂壓力為0.3～0.4MPa。特別值得注意的是，用于噴砂的壓縮空氣一定要無水無油，否則會嚴重影響涂層的質量。噴涂前工件表面的粗化程度，對于大多數金屬材料來說Ra2.5～13就符合要求。隨著表面粗糙度的增加，涂層與基體的結合增強，但是當表面粗糙度超過Ra10后，隨著涂層結合強度的提高，涂層強度便會減低。

對于一些與基材粘結不好的涂層材料，還應選擇一種與基體材料粘結好的材料噴涂一層過渡層，稱為粘結底層，常用作粘結底層的材料有Mo、Ni－A1、NiCr及鋁青銅等。粘結底層的厚度一般為0.08～0.18μm。

4.2 預熱

預熱的目的是為了消除工件表面的水分和濕氣，提高噴涂粒子與工件接觸時的界面溫度，以提高涂層與基體的結合強度；減少因基材與涂層材料的熱膨脹差異產生應力而導致的涂層開裂。預熱溫度取決于工件的大小、形狀和材質，以及基材和涂層材料的熱膨脹系數等因素，一般情況下預熱溫度控制在 60～120°C 之間。

4.3 噴涂

采用何種噴涂方法進行噴涂主要取決于選用的噴涂材料、工件的工況及對涂層質量的要求。

預處理好的工件要在盡可能短的時間內進行噴涂，噴涂參數要根據涂層材料、噴槍性能和工件的具體情況而定，優化的噴涂條件可以提高噴涂效率，并獲得致密度高、結合強度高的高質量涂層。

4.4 涂層后處理

噴涂所得涂層有時不能直接使用，必須進行一系列的后處理。

對于承受高應力載荷或沖擊磨損的工件，為了提高涂層的結合強度，要對噴涂層進行重熔處理（如火焰重熔、感應重熔、激光重熔以及熱等靜壓等），使多孔的且與基體僅以機械結合的涂層變為與基體呈冶金結合的致密涂層。

有尺寸精度要求的，要對涂層進行機械加工。由于噴涂涂層具有與一般的金屬及陶瓷材料不同的特點，如涂層有微孔，不利于散熱；涂層本身的強度較低，不能承受很大的切削力；涂層中有很多硬的質點，對刀具的磨損很快等，因而形成了噴涂涂層不同于一般材料的難于加工的特點。所以必須選用合理的加工方法和相應的工藝參數才能保證噴涂層機械加工的順利進行和保證達到所要求的尺寸精度。

5 熱噴涂原理和涂層性能

5.1 熱噴涂涂層的形成

熱噴涂時，涂層材料的粒子被熱源加熱到熔融態或高塑性狀態，在外加氣體或焰流本身的推力下，霧化并高速噴射向基體表面，涂層材料的粒子與基體發生猛烈碰撞而變形、展平沉積于基體表面，同時急冷而快速凝固，顆粒逐層沉積而堆積成涂層。

5.2 熱噴涂涂層的結構特點

熱噴涂涂層形成過程決定了涂層的結構特點，噴涂層是由無數變形粒子相互交錯呈波浪式堆疊在一起的層狀組織結構，涂層中顆粒與顆粒之間不可避免地存在一些孔隙和空洞，并伴有氧化物夾雜。涂層剖面典型的結構如圖1所示，其特點為：①呈層狀；②含有氧化物夾雜；③含有孔隙或氣孔。

圖1 典型涂層剖面圖

5.3 熱噴涂涂層的結合機理

涂層的結合包括涂層與基體的結合和涂層內部的結合。涂層與基體表面的粘結力稱為結合力，涂層內部的粘結力稱為內聚力。涂層中顆粒與基體之間的結合機理通常認為有以下幾種方式。

（1）機械結合。碰撞成扁平狀并隨基體表面起伏的顆粒和凹凸不平的表面相互嵌合，被以顆粒的機械聯鎖而形成的結合（拋錨效應），一般來說，涂層與基體的結合以機械結合為主。

（2）冶金—化學結合。這是當涂層和基體表面產生主要冶金反應，如出現擴散和合金化時的一種結合類型。當噴涂后進行重熔即噴焊時，噴焊層與基體的結合主要是冶金結合。

（3）物理結合。顆粒與基體表面間由范德華力或次價鍵形成的結合。

5.4 涂層的殘余應力

當熔融顆粒碰撞基體表面時，在產生變形的同時受到激冷而凝固，從而產生收縮應力。涂層的外層受拉應力，基體有時也包括涂層的內層，則產生壓應力。涂層中的這種殘余應力是由熱噴涂條件及噴涂材料與基體材料的物理性質的差異所造成的。它影響涂層的質量、限制涂層的厚度。工藝上要采取措施以消除和減少涂層的殘余應力。

6 適合柱塞修復的涂層功能和應用

（1）抗磨損涂層。磨損是造成工業部門設備損壞的重要原因之一，可能產生磨損的工作條件微振、滑動、沖擊、擦傷、侵蝕等。抗磨損涂層應該是堅硬的，而且具有耐熱和耐化學腐蝕的性能。Fe、Ni、Co基自熔合金以及WC-Co和Cr3C2—NiCr等金屬陶瓷以及AL2O3、Cr2O3等陶瓷材料具有上述這些性能。采用涂層技術提高工件表面耐磨性的應用非常廣泛，如在修復活塞噴涂Mo涂層。

（2）尺寸恢復涂層。熱噴涂是恢復零部件尺寸的一種經濟而有效的方法。無論是因為工作磨損還是因加工超差造成工件尺寸不合要求，均能利用熱噴涂技術予以恢復。這種方法既沒有焊接時的變形問題，也沒有特殊電鍍工藝的昂貴。同時新表面可以由耐磨或抗蝕材料構成，也可以與工件的構成材料相同。

根據以上論述，采用熱噴涂修復工藝修復鍍鉻液壓桿局部損傷，可以克服其他修復方法存在的種種問題。修復后工件的使用壽命與新件相當，是一種修復成本低、操作簡便、生產效率高的新型維修方法。該技術特別適合修復鍍鉻零部件的局部缺陷。修復各種軸類和柱塞件是其典型應用。

7 對柱塞實施熱噴涂表面修復

基于對熱噴涂工作原理和實施方法等的了解，結合我廠50000kN油壓機柱塞表面實際損壞狀況，我廠委托專業單位對50000kN液壓機的兩根柱塞實施了噴涂處理，最終取得了預期效果。為我廠節約了柱塞購置費用，縮短了設備停歇時間，滿足了我廠高產期間對設備的需求。柱塞修復前、修復后的照片如圖2、3所示。

8 結束語

主油缸柱塞的成功修復，開拓了設備維修技術視野，為其他油缸的表面快速維修提供了參考依據。未來，企業會將此項技術應用于其他油缸和滑動軸承、軸類零件的維修中，為設備修舊利廢、節約挖潛做出新的貢獻。

[1] 程正勇，程正翠，等.熱噴涂技術及陶瓷涂層.熱處理，2003，1.

[2] 徐濱士，張 偉，等.熱噴涂材料的應用與發展.材料工程，2001，12.

[3] 吳 濤，朱 流，酈 劍，王幼文.熱噴涂技術現狀與發展.國外金屬熱處理，2005，4.

[4] 趙力東，Erich L，李 新.熱噴涂技術的新發展.中國表面工程，2002，3.

[5] 李明亮，陽 林，孫友松，楊國華.液壓成形裝備的改造設計.鍛壓裝備與制造技術，2005，1.

[6] 馮秀玲，王永軍，杜紅英.鍛壓設備構件生產中的工藝優化措施.鍛壓裝備與制造技術，2007，4.

[7] 孫厚創，甄志強，趙四海.高壓油缸的應力分析及其優化設計.鍛壓裝備與制造技術，2009，3.

Thermal spraying repair method of plunger piston for main oil cylinder in 5000 kN hydraulic press

RUAN Xingjia
（Truck Plant,Faw Liberation Co.,Ltd.,Changchun 130011,Jilin China)

The principle and construction method of thermal spraying process have been expounded in detail.Thermal spraying method has been applied to repair the badly damaged plunger piston of main oil cylinder in 5000 kN hydraulic press,which realizes perfect surface quality.It provides reference for high speed&efficiency and lower cost maintenance.

Thermal spraying technique;Hydraulic press;Plunger piston;Repair

TG315.4

B

1672－0121（2012）02－0039－04

2011-12-05

阮興家（1965-），男，高級工程師，從事機械工程技術研發設計