超級(jí)不銹鋼涂層在風(fēng)機(jī)主軸修復(fù)上的應(yīng)用研究

雷國(guó)財(cái)

（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(fēng)機(jī)作為一種應(yīng)用廣泛的通用機(jī)械設(shè)備，主要應(yīng)用于冶金、石化、電力、城市軌道交通、紡織、船舶等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域以及各種場(chǎng)所的通風(fēng)換氣，因此，保證風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)的穩(wěn)定可靠，在工業(yè)生產(chǎn)中有著重大作用。在長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，因?yàn)榻饘倨?、振?dòng)等因素的影響，風(fēng)機(jī)主軸經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)磨損的問(wèn)題。如果不及時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)主軸磨損的部位進(jìn)行修復(fù)，會(huì)對(duì)主軸造成連續(xù)性的磨損傷害，直接導(dǎo)致風(fēng)機(jī)故障停機(jī)而無(wú)法使用。

傳統(tǒng)的修復(fù)方案就是更換主軸，但是，成本過(guò)高，如果采用堆焊修復(fù)，由于焊接的溫度很高，會(huì)因熱應(yīng)力的影響造成軸的熱變形問(wèn)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(fù)的抗沖擊、抗剝離性能較差，黏接強(qiáng)度較低，因此，也無(wú)法用于風(fēng)機(jī)主軸修復(fù)。超級(jí)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(yōu)異的性能，成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)，超音速火焰噴涂技術(shù)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(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，本文探討通過(guò)表面制備超級(jí)不銹鋼涂層對(duì)磨損的風(fēng)機(jī)主軸進(jìn)行尺寸恢復(fù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

噴涂材料為Hoganas公司惰性氣霧化法制備的超級(jí)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(dòng)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(tài)。ICP測(cè)試粉末的化學(xué)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(jí)不銹鋼粉末的化學(xué)成分

2.2 涂層制備

采用普萊克斯的JP8000超音速設(shè)備制備涂層，以航空煤油為燃料，氧氣為助燃?xì)怏w，送粉氣為氮?dú)?，通過(guò)控制噴涂遍數(shù)來(lái)控制涂層的總厚度，噴涂過(guò)程中，使用紅外線測(cè)溫儀對(duì)基體溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，避免基體過(guò)度受熱造成溫度超過(guò)200℃，噴涂工藝參數(shù)如表2所示。基體材料為1Cr13不銹鋼，金相測(cè)試試樣尺寸為30×50×5mm，結(jié)合強(qiáng)度測(cè)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(jí)不銹鋼粉末的工藝參數(shù)

2.3 性能測(cè)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(cè)量，分析過(guò)程中使用Image-Pro軟件。采用HVS-1000顯微維氏硬度計(jì)檢測(cè)涂層的硬度，載荷300g，保壓時(shí)間15s，通過(guò)計(jì)算不同部位5個(gè)點(diǎn)的平均值來(lái)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(duì)偶件粘接，經(jīng)180℃固化2h后，在WDW-E200D型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試涂層結(jié)合強(qiáng)度，每組試樣由3個(gè)平行試樣組成。

3 試驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)，涂層與基體之間為機(jī)械咬合，界面狀態(tài)較好，涂層內(nèi)部?jī)H存在點(diǎn)狀的細(xì)小微孔，孔隙率較低，僅為1.26%。這是因?yàn)榉勰╊w粒在高速焰流中充分熔融并獲得極高的動(dòng)能，撞擊到基體表面時(shí)，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(guò)多遍噴涂來(lái)增加涂層厚度的，從圖中可以看出，表層的涂層相對(duì)疏松，內(nèi)層的相對(duì)致密，這是因?yàn)楹罄m(xù)的撞擊的粉末粒子可對(duì)前面已附著涂層起到一定的夯實(shí)作用。

圖2 涂層的截面形貌

3.2 涂層的力學(xué)性能

表3給出了超級(jí)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(jié)合強(qiáng)度，可以看出，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高。這主要是因?yàn)镴P8000型超音速火焰噴涂系統(tǒng)的燃燒室壓力高，高的燃燒室壓力產(chǎn)生的超音速火焰焰流速度達(dá)8馬赫，使得粒子飛行速度可達(dá)1200m/s，最終得到壓應(yīng)力涂層。

表3 超級(jí)不銹鋼涂層的顯微硬度（HV0.3）

表4 超級(jí)不銹鋼涂層的結(jié)合強(qiáng)度

3.3 涂層的耐磨性能

根據(jù)主軸的磨損特性，采用NUS-ISO3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試涂層的耐磨性，超級(jí)不銹鋼涂層磨損試樣尺寸為35mm×45mm×3.5mm，對(duì)涂層表面進(jìn)行拋磨處理，表面粗糙度達(dá)到Ra0.8μm，對(duì)磨材料為220#金相砂紙，每輪磨200來(lái)回，磨耗實(shí)驗(yàn)總次數(shù)為1000個(gè)來(lái)回。每次磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jì)算出磨損失重，磨耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，可知超級(jí)不銹鋼涂層的失重量小于1Cr13，耐磨性高于基體1Cr13。

圖3 超級(jí)不銹鋼涂層與基體1Cr13的磨耗實(shí)驗(yàn)曲線

3.4 實(shí)際修復(fù)應(yīng)用

某企業(yè)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)出異音，停機(jī)后拆解主軸、葉輪等組件，檢查發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)主軸的軸承位磨損嚴(yán)重，該檔的軸徑為180mm，寬度為100mm，呈環(huán)形凹槽狀磨損，單邊磨損深度0.25mm，采用HVOF噴涂超級(jí)不銹鋼技術(shù)對(duì)磨損的風(fēng)機(jī)主軸進(jìn)行修復(fù)，制定的修復(fù)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(zhǔn)進(jìn)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(yè)丙酮，對(duì)車削后的風(fēng)機(jī)主軸表面進(jìn)行清洗，徹底去除油污；（3）采用壓力式噴砂機(jī)，46#白剛玉砂，對(duì)清洗后的風(fēng)機(jī)表面進(jìn)行毛化，以獲得凹凸不平的粗糙表面，便于后續(xù)噴涂粉末的沉積；（4）采用超音速火焰噴涂技術(shù)在風(fēng)機(jī)主軸表面制備超級(jí)不銹鋼耐磨涂層，噴涂厚度0.50mm，噴涂過(guò)程中，控制工件溫度在200℃以內(nèi)；（5）上數(shù)控磨床，根據(jù)尺寸精度及粗糙度要求，采用金剛石砂輪與砂帶對(duì)風(fēng)機(jī)主軸表面的超級(jí)不銹鋼涂層進(jìn)行磨削及拋光處理，同時(shí)，對(duì)修復(fù)后的涂層表面進(jìn)行著色探傷，要求表面無(wú)肉眼可見的氣孔、裂紋等缺陷。

圖4 修復(fù)工藝路線

采用上述工藝修復(fù)后的風(fēng)機(jī)主軸投入運(yùn)行一年，運(yùn)行狀況良好，拆卸下檢查發(fā)現(xiàn)，原修復(fù)部位涂層完好，表面僅有輕微的劃痕，采用外徑千分尺對(duì)該處尺寸進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示，尺寸僅比上機(jī)前減少了0.02mm。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）超音速火焰噴涂技術(shù)制備的超級(jí)不銹鋼涂層致密，分布較為均勻，涂層內(nèi)部?jī)H存在點(diǎn)狀的細(xì)小微孔，孔隙率為1.26%。（2）超級(jí)不銹鋼涂層硬度為HV0.3589，涂層與基體結(jié)合良好，涂層內(nèi)部的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到73.33MPa，有著良好的力學(xué)性能，涂層的耐磨性能較基體1Cr13有很大提高。（3）針對(duì)主軸表面的磨損情況，采用制定的修復(fù)工藝路線，通過(guò)在磨損部位表面制備超級(jí)不銹鋼涂層，能較好地解決風(fēng)機(jī)主軸因磨損等帶來(lái)的尺寸超差問(wèn)題。