CNG壓縮機軸承外圈氧乙炔火焰噴涂修復

李慧林，藺虹賓

（四川工程職業技術學院，四川德陽618000）

0 前言

四川省德陽市某CNG加氣站天然氣壓縮機由于常年連續運轉，在使用過程中振動和噪音很大，檢修時發現因軸承常年連續高速運轉，軸承與軸承臺之間的磨損嚴重，公差嚴重超標。市場上買來的新軸承安裝后公差始終無法滿足要求。經測量：軸承臺內徑171.28mm，軸承外徑169.38mm。因軸承臺設備太大（長度近1m、質量近2 t），且為鑄鐵件，不易加工修復，加之軸承與軸承臺只是公差太大，所以僅需在軸承外圈表面噴涂一層薄薄的涂層滿足公差要求，即可保證設備正常使用。

1 噴涂方法和設備

根據該軸承外圈為單件、尺寸較小的特點，選擇氧乙炔噴涂方法進行手工噴涂。噴嘴為1#噴嘴，如圖1所示。根據該軸承外圈的工作要求（耐磨損、耐高溫）以及材料45鋼的特性，選擇Ni25為噴涂材料。Ni25 粉末為 w（Ni）25%+w（Al）75%的 Ni基合金，顆粒度50目，如圖2所示。

圖1 噴嘴Fig.1 Nozzle

圖2 合金粉末圖片Fig.2 Alloy powder

2 噴涂原理及涂層形成過程

采用氧乙炔噴涂方法修復工件時，最大特點是熱輸入量低，不會引起工件變形和殘余應力，尤其是在修復圓環狀工件時，效果特別明顯，因此特別適合圓形磨損零件的修復和加工過量零件的修補。熱噴涂原理如圖3所示。在噴涂過程中，顆粒狀的噴涂材料被加熱成熔融狀或高塑性狀顆粒，在高速氧氣流的帶動下，快速噴射撞擊到工件表面，凝固成薄層，有些顆粒的原子與工件表面形成原子間結合，噴涂顆粒反復疊加，形成層狀結構。在噴涂過程中，鋁包鎳粉末中的鋁與鎳產生的鋁熱反應為放熱反應，使鎳與基材形成微冶金結合，鎳由工件表面向深處擴散，形成原子擴散結合，提高了涂層與基材的結合性（其成分為FeNi3，擴散層的厚度約為lμm），顆粒不斷疊加從而形成涂層[1]。

3 工件清理及表面粗化

工件尺寸φ180mm×10mm，寬度80mm。由于該工件長期工作在潤滑油、機油等高油脂環境中，所以首先要清理干凈工件表面的油脂。利用汽油將工件表面的油污清洗干凈，然后用金屬清洗劑溶液將工件浸泡2 h，將余油清洗干凈后再用流水沖洗。待工件干燥后，對工件進行粗化加工。零件如圖4所示。

圖3 熱噴涂原理Fig.3 Schematic diagram of hermal sprayingmethod

圖4 零件Fig.4 Mechanical parts

工件表面越光滑，涂層的結合強度越低；相反工件表面越粗糙，涂層的結合強度越高，所以要預先對噴涂工件進行粗化處理。考慮到工件只是公差太大，使用打磨機打磨雖然效率高，粗化效果好，但不易掌握打磨厚度，可能會進一步加大尺寸公差，所以考慮利用砂紙手工打磨，以更好地控制打磨深度，且砂紙打磨粗化兼有一定的殘余應力，有利于提高涂層的疲勞強度。為使工件表面粗化明顯，用2#砂紙將工件的表面打磨粗糙，露出縱橫交錯的溝槽痕跡即可。在打磨過程中全程需戴干凈的棉質手套，防止沾染油脂等雜質，打磨后的工件用干凈棉布擦拭干凈，不能用手直接觸摸打磨面，防止汗液和其他雜質污染打磨面，影響涂層的結合強度。零件表面粗化如圖5所示。

4 噴涂工藝

4.1 噴涂工藝

火焰噴涂是將熔融狀的金屬顆粒以較高射速流噴射到工件表面，形成薄片狀的扁平粒子，扁平粒子的不斷疊加形成涂層。由于在粒子不斷疊加的過程中，涂層不均勻收縮產生殘余應力，隨著涂層厚度的增加，殘余應力也相應疊加，使應力越來越大，如果噴涂材料選擇不當，涂層塑性不夠，就會使涂層“龜裂”“起皮”，強度降低。合理的預熱溫度和噴涂溫度可以使扁平粒子更好地與基層結合，形成更多的原子間結合，這種金屬鍵能夠顯著提高工件涂層的強度，延長工件的使用壽命[2]。噴涂參數如表1所示。

圖5 零件表面粗化Fig.5 Surface ofmechanical parts roughing

表1 噴涂參數Table1 Parameters of Thermal spraying

4.2 材料

選擇市場上常見的Ni25作為噴涂材料，其噴涂時形成的涂層結合強度高、涂層韌性好，在噴涂過程中產生的煙霧少，粉末的沉積效率較高。粉末過細，容易使涂層燒損、破裂，熔融狀態的顆粒到達工件表面前就已經被嚴重燒損、氧化；粉末過粗，可能造成對粉末顆粒的加熱不夠，使鋁與鎳產生的鋁熱反應不充分，還會造成涂層致密度不足，內部孔隙率高，涂層機械強度不夠。綜合考慮，選擇顆粒度為200～250目。

4.3 壓力

由于軸承的工作環境較為苛刻，需要長期運轉、磨損，材料一般為較硬的鋼種，該工件為45#鋼。在噴涂過程中需要較高的噴射氣流使熔融狀態的顆粒在高速射速流作用下濺射至工件表面，形成較多的原子間結合和較深的過渡層。如果壓力過小，形成的原子鍵就少，涂層的結合強度差，使用性能差。所以在選擇氧氣壓力時應盡量選擇壓力區間的上限。在實際噴涂時選擇氧氣壓力為0.8MPa，乙炔壓力為0.06MPa。

4.4 溫度

噴涂又名冷噴焊，在噴涂過程中需選擇較低的噴涂溫度，不能使工件發生相變等組織的轉變。低熱輸入量加上合理的加熱方式，可以使工件噴涂加工后不發生變形，不產生殘余應力，非常適合軸承外圈類耐磨損的圓形零部件的修復。因此預熱溫度和噴涂溫度的選擇直接決定了涂層的結合強度。

當預熱溫度在80℃以下時，基層與涂層間的原子結合少，涂層的結合強度低。預熱溫度超過150℃時，涂層間的原子間結合較多，但工件受熱后的膨脹大，當噴涂結束，涂層在冷卻過程中基層與涂層的不均勻冷卻造成基層與涂層結合處應力較大，使涂層產生剝落，結合強度反而降低。由于工件為軸承鋼，硬度較大，較低溫度不易在工件與涂層間形成較多的金屬鍵，所以選擇較高的溫度噴涂，噴涂完成后可采取適當的保溫措施使工件緩慢冷卻，以減少涂層結合處的應力釋放，綜合考慮后選擇預熱溫度為110～130℃。

只有選擇合適的噴涂溫度，才能在噴涂過程中形成熔融狀的金屬顆粒，其噴射到工件表面形成薄片裝的涂層，薄片相互疊加，形成致密的合格涂層。當噴涂溫度小于100℃時，由于火焰對粉末顆粒的加熱不夠，鋁熱反應不明顯，不能形成熔融狀的顆粒，顆粒在噴射到工件表面時，形成顆粒狀的疏松涂層，孔隙率較高，強度低[3]；當溫度超過150℃時，火焰對粉末顆粒的過度加熱加重了粉末顆粒燒損和氧化，雖然形成了薄片狀涂層，但由于涂層中氧化物雜質較多，涂層的強度相應降低。綜合考慮，選擇110～120℃。

4.5 噴槍高度

涂層的結合力和噴槍與噴涂面的高度成反比，高度越大，工件表面的噴涂溫度越低，噴槍嘴距工件太遠，使鋁的放熱反應未在工件表面進行，熔融粒子從噴嘴快速噴出后，速度的衰減越大，所以涂層與工件表面的結合力越小。但是高度越小，高溫火焰對涂層的燒損越大，涂層在高溫下快速膨脹，而當火焰離開后則快速收縮，破壞涂層與工件表面的結合力，出現涂層鼓包、卷曲、燒損，結合力下降。查閱相關標準、資料可知，噴槍與工件表面的距離控制在150～200mm為宜。噴槍高度如圖6所示。

圖6 噴槍高度Fig.6 Height of airbrush

4.6 火焰類型和噴涂角度

合適的火焰類型能夠提高噴涂的效率，并且涂層的結合強度高。采用碳化焰時，會提高涂層中碳含量，而且碳化焰的火焰較低不便于操作者控制噴涂溫度；當采用氧化焰時，熔融粒子從噴嘴處噴出后火焰中富含的氧會使該粒子迅速氧化，尤其是其中的Al會氧化為堅硬耐高溫的Al2O3，從而降低熔融粒子與噴涂面的結合力；選擇中性焰時，既不會產生過量的碳粒子，也不會使噴涂粉末在高溫中氧化，綜合考慮選擇該火焰類型。噴涂時，角度應盡量與噴涂面垂直，使熔融粒子所攜帶的動能能全部被噴涂面吸收，形成均勻的薄片狀，達到最好的結合力。如果角度偏小，涂層間的結合力會偏小且部分粉末會噴射到空氣中，不僅造成粉末浪費，還會提高噴涂環境中重金屬粉末的含量，污染空氣。

圖7 火焰類型和噴涂角度Fig.7 Fire spells and spray angle

4.7 噴涂過程

將打磨干凈的工件放置在操作平臺上，調整好高度。將氧氣壓力調節為0.8MPa，乙炔壓力調節為0.06MPa，點燃噴槍，調節火焰為中性焰，用火焰對工件進行均勻加熱，并隨時用測溫儀測溫。當工件預熱溫度為80～150℃時，調整好噴嘴角度，使噴嘴與噴涂面成 70°～90°，高度為 150～200 mm，迅速打開粉閥閥門，并采用來回擺動掃射的操作手法，不僅可以使粉末均勻地噴涂于軸瓦表面，而且可以很好地控制溫度，防止噴涂點溫度過高，從而導致涂層脫落[4]。由于軸瓦是圓形，所以噴涂過程中要不斷調整工件方向，使噴嘴與噴涂面的角度始終保持在70°～90°，并隨時測溫，使預熱溫度和噴涂溫度始終保持在合理范圍內。噴涂完成后迅速目測涂層表面，觀察是否有龜裂、起皮等缺陷，若成形良好，則迅速將工件放置于保溫箱中（保溫箱內部溫度100℃，隨爐冷卻），緩慢冷卻，防止涂層與基層因溫度的快速下降產生不均勻收縮，從而產生較大的應力，降低涂層的結合強度，并且緩慢冷卻還會使鎳由工件表面向深處擴散，提高涂層結合力。噴涂前后的零件如圖8所示。

圖8 噴涂前后零件Fig.8 M echanical partswas sprayed before and after

4.8 樹脂強化

在噴涂過程中，由于噴涂火焰呈喇叭狀噴射且來回擺動，導致熔融粒子在火焰中的飛行路徑、飛行速度和溫度不同，這使得變形粒子在交錯堆疊的過程中并非完全是規則的均勻疊加，涂層呈現出明顯的不規則狀，涂層內部堆疊粒子之間存在縫隙或孔洞，從而降低整個涂層的強度，使用壽命下降。為了使涂層內部更加致密，提高軸瓦的使用壽命，還需對涂層做強化處理。市場上的強化處理方法很多，利用酚醛樹脂強化是目前使用最多且最經濟的方法，材料價格低、方便易得，強化后的涂層結合強度大。具體的操作方法為：用干凈的毛刷蘸取酚醛樹脂輕輕地刷涂在涂層表面上，采用在空氣中自然固化的方法，使酚醛樹脂慢慢地滲透至涂層的縫隙和孔洞中，最后自然干燥、固化，形成結合強度良好的涂層。

4.9 檢查及安裝

噴涂前的工件直徑為170.28mm，軸承臺的內徑為171.82mm，用游標卡尺測量噴涂后的工件外徑為171.26mm。用放大鏡觀察涂層是否有龜裂、起皮等缺陷。該噴涂過程為手工操作，涂層厚度不易控制，且為手工安裝，因此在安裝過程中發現軸承外圈安裝不進去時用砂紙和銼刀沿涂層表面輕輕打磨軸承外圈，并用火焰均勻緩慢加熱軸承臺，使其內徑在加熱時膨脹加大，用銅塊或木塊作墊塊，用榔頭將軸承外圈輕輕敲打進軸承臺，當軸承臺冷卻、內徑收縮后，軸承外圈與軸承臺將緊密結合，防止出現打滑，避免出現震動和噪音過大的問題[5]。

5 結論

運用氧乙炔火焰噴涂方法修復CNG天然氣壓縮機，通過噴涂該設備中的小部件（軸承外圈），解決了主機設備因尺寸、噸位較大而不便施工的難題，不僅滿足使用要求，而且方便實用。軸承外圈噴涂前直徑170.28mm，噴涂后直徑171.26mm，噴涂后涂層厚度為0.49mm，在安裝過程中經修磨加工，完全符合公差配合的要求。該CNG天然氣壓縮機安裝此軸承外圈后已使用一年多，未出現任何異常，可見涂層完全滿足強度要求，通過噴涂前后的數據比對，該修復方法具有在設備維修中大量推廣使用的價值。

[1]杜國華.實用工程材料焊接手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.9

[2]王運炎.機械工程材料[M].北京：機械工業出版社，2000:141-146.

[3]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊[M].北京：機械工業出版社，2008:911-912.

[4]李穩，馬國.等離子弧噴涂鐵基合金組織與力學性能[J].電焊機，2015，12（10）：45-49.

[5]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.