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1 热喷涂技术及其应用
随着现代科技的发展进步,对军事装备、工业生产装备、科研仪器等提出了更高的性能指标,对构成这些仪器的零部件的使用性能要求也越来越高。为满足特殊的使用要求,往往要采用一些贵重金属如钛、镍、钴、钨、锆制造零件,铸、锻造以及焊接方法都有一定困难而且极不经济。利用热喷涂技术在普通材料的表面喷涂一层特殊的涂层,制造一个特殊的工作表面,可以达到节约材料,节约能源的目的。
热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔融或半熔融状态,并以一定的速度喷射到经过预处理的基体表面并通过微小颗粒的沉积形成涂层,从而赋予基体表面特殊功能的方法和技术,是表面工程技术的重要组成部分。采用不同的涂层材料和不同的工艺方法,可以在基体表面制备减磨耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化、热障、电磁屏蔽接收、绝缘等功能涂层。
比较常用的热喷涂方法有火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂,涂层材料包括金属、金属合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料及其它复合材料。热喷涂方法和技术已经被广泛应用于航空航天、冶金、能源、军事装备、石油化工、机械制造、交通运输、生物工程等国民经济各个领域。
目前,通过热喷涂技术制作的各种功能涂层大多用于零部件的防护、强化、修复,直接用热喷涂技术制作零部件的报道很少。本文介绍一种通过热喷涂方式制作滑动轴承的方法和工艺,由于工艺方法特殊,也可以作为热喷涂技术与材料累积工艺相结合制作特殊零件的探索。
2 常规滑动轴承的制造方法
滑动轴承是常用的机械零件,由旋转的轴颈和固定的轴承座构成,和轴颈接触的轴承座内表面称轴瓦或轴承衬。由于轴在使用中往往要承受一定的载荷并传递运动和动力,所以一般常用材料为各种钢和铸铁,比较耐磨;轴瓦或轴承衬的常用材料为轴承合金、青铜、铝基合金、锌基合金等,其中轴承合金(主要是锡、铅、锑或其它金属的合金)由于其耐磨性好、塑性高、跑合性能好、导热性好和抗胶合性好及与油的吸附性好,在重载、高速情况下使用较多,但轴承合金的强度较小,价格较贵,一般采用离心浇铸的方式铸造在钢、铁等轴承座的工作表面,形成滑动轴承的工作表面。
3 利用热喷涂技术制造滑动轴承内衬的工艺方法
目前介绍通过热喷涂技术修复滑动轴承的资料和文献很多,德国大众汽车公司也有通过等离子喷涂制作内燃机连杆内孔耐磨铝青铜涂层的发明专利。但由于受现有热喷涂设备和操作方法的制约,通过热喷涂技术制备的各种功能涂层大多局限于零件的外表面和较大的内孔表面,一旦孔径小于φ35或孔深较大则施工困难,如果零件型腔表面特殊,则无法施工。
本文就如下滑动轴承零件的制作介绍一种利用热喷涂技术制造滑动轴承内衬的工艺方法,零件如图1中a图所示,其内孔直径为φ20,长30,内孔表面为工作表面,有3mm厚的轴承合金。该零件一般采用离心浇铸方式制作合金层,由于孔径太小,目前还没有一种热喷涂用内孔喷枪能完成此类任务。
为解决上述零件内孔表面的热喷涂涂层制作问题,笔者提出一种新的热喷涂施工方式。制作一种新的工装,主体结构由心轴、螺母、挡板组成,熔点为183℃的低熔点合金,均匀熔敷在心轴1的表面,最后在低熔点合金的表面涂覆一层耐火涂层,耐火涂层由耐高温的特殊粘结剂和耐火材料配制而成。喷涂时可将此工装装夹在热喷涂用旋转工作台上,对工装预热到100℃左右,然后用电弧喷涂设备喷涂所需轴承合金涂层,达到设计涂层厚度后要对涂层表面进行清理,去除表面浮灰,继续在涂层表面喷涂钢、不锈钢等支撑材料,使其达到所需直径尺寸。最后卸下两端螺母和挡板,加热到低熔点合金的融化温度,撤出心轴,即可获得所需要的内孔表面为轴承合金的滑动轴承毛坯。为增加轴承合金涂层和支撑材料之间的结合力,可在喷涂完合金涂层后采用拉毛、喷砂等粗化工艺进行粗化处理,然后再喷涂支撑材料。
这种通过热喷涂技术制作的滑动轴承内衬为非晶态轴承合金,硬度高于母材并有一定的孔隙率,可容纳一部分油脂,在使用性能上优于铸造方法获得的滑动轴承内衬。另外,由于采用了不同于铸造方法的热喷涂技术制作轴承合金内衬,在零件设计时可以适当减少轴承合金的厚度以节约贵重金属。
4 需要注意的相关问题
采用热喷涂技术制作上述滑动轴承及类似零件时,除了要遵守热喷涂操作安全规程外,还应考虑如下相关问题。
(1)应根据工作表面工况选择合适的涂层材料和喷涂工艺。如本文介绍的采用电弧喷涂方法在轴承零件内表面喷涂轴承合金,为防止合金材料在喷涂时过度氧化,可采用氮气作为喷涂介质气体。
(2)如涂层表面有精度和粗糙度要求,需要通过机械加工方式获得所需技术要求,则要合理设计涂层的厚度和工装的尺寸,预留加工量并保证涂层的工作厚度。如本文介绍的滑动轴承在补充机械加工时应以毛坯内孔为粗基准,先加工外柱面;然后以外柱面为精基准加工内孔,保证剩余涂层厚度均匀。
(3)两种涂层间的结合力和残余应力。由于喷涂完工作涂层后要在其上面通过电弧喷涂方法喷涂支撑涂层,并且支撑涂层较厚,如两种涂层间结合不好,可能导致工作涂层在补充加工阶段或使用阶段剥落。为此,应充分考虑两种材料的热膨胀系数和结合力,如有必要可在二者中间喷涂一层过渡涂层,设计复合涂层、梯度涂层,以增加结合强度。在涂层设计阶段要充分考虑两种涂层间能否充分结合的问题,实际应用中要作充分的工艺实验。另外,还要通过控制喷涂前、喷涂中的温度减小残余应力,必要时可在后期安排消除内应力的热处理工序。
(4)工件和工装拆装方便,工装可重复使用。由于喷涂时涂层材料处于熔融、半熔融状态,在高速气流的带动下呈锥柱状射向工件,一些涂层材料不可避免地要粘贴在工装表面,考虑工装和工件拆装方便并能重复使用,喷涂前要在工装表面涂脱模剂。
本文以滑动轴承内衬的制作为例介绍了一种热喷涂技术和材料累积工艺相结合的工艺方法,按照这种思路还可以制造其它复杂零件和其它功能涂层,如内孔带耐磨、耐腐蚀涂层的液压阀阀体、螺旋冷却通道等。必须承认,这种方法目前还不适合产品的大批、大量生产,只能用于有特殊性能要求、特殊结构零件的单件小批生产。