超音速火焰喷涂在液压支架立柱修复的应用研究

摘 要：随着国家环保的要求，传统的液压支架立柱镀铬工艺正在被淘汰，立柱表面处理技术工艺是目前立柱生产厂家和维修企业面临的一个重大难题。超音速火焰喷涂技术用于液压支架立柱的制造与再制造，是替代传统镀铬的最佳技术工艺。本文主要分析了超音速火焰喷涂技术的应用工艺，推动新工艺在煤矿设备检修中的应用。

关键词：火焰喷涂 超音速 立柱修复 喷涂技术

前言

随着近年来涂层技术的不断发展，已经有一些涂层的使用效果证明比电镀硬铬层更清洁、更有效，甚至成本更低。其中超音速火焰喷涂（HVOF）的涂层的成本与电镀硬铬镀层相当，一些粉末材料已经比电镀成本低，并且仍在不断降低，而电镀硬铬镀层成本则在不断上升。国家对于环境保护非常重视，在这种背景下，国家也大力度鼓励热喷涂行业积极开拓市场，用该工艺取代目前有害环境的镀铬工艺，以喷代镀将会越来越深入各行各业。

1 主要研究内容

超音速火焰喷涂是一种新型的HVOF系统，它的基本原理是以高标号煤油为燃料在喷枪中与氧气完全混合，配以粉末状的合金材料，通过喷嘴高速燃烧喷出，使合金材料被完全熔化，撞击在工件表面，形成一个高质量的致密涂层。

电镀硬铬工艺会导致严重的环境问题。导致环境问题的不是铬本身，而是镀铬过程。铬是不活泼的元素，可以安全地用于日常用品乃至人工关节等。主要问题是镀铬工艺使用的铬酸溶液，产生含Cr（VI）酸雾和废水。因此，各国对镀铬工艺的限制将会越来越严。人们一直努力寻找替代电镀硬铬的涂层工艺。技术关键是替代电镀硬铬镀层的HVOF涂层的特性必须达要求，特性主要包括：耐磨性、耐蚀性和耐疲劳性。

通过适当的冷却方法和仔细控制喷枪的运动，可以将工件表面的溫度控制在93℃以下，因此许多对温度敏感的材料也可以喷涂处理。近年来采用热喷涂代替镀硬铬的研究从涂层材料、喷涂工艺、涂层性能、涂层后加工工艺及涂层的应用等方面进行了更为全面和深入的研究。从已经获得的结果来看，热喷涂涂层不但能达到镀铬层的镜面光洁度，而且在硬度及耐磨性能等方面还大大超过镀铬层。

2 工艺特性及试验方法

1） 耐磨性

涂层耐磨性是一项非常重要的指标。通过对各种耐磨性的研究，涂层耐磨粒磨损试验中硬度在HRC55-62之间，是电镀硬铬镀层耐磨性的2.5倍多。涂层的磨损量平均比电镀硬铬少80%～90%，涂层的耐磨性要明显优于电镀硬铬。

2） 耐蚀性

腐蚀试验包括ASTMB117盐雾试验、GM9540P/B循环腐蚀试验以及大气腐蚀试验。前两种试验在盐雾腐蚀箱中进行，而大气腐蚀试验则靠近海边进行，并且每周给试样喷洒盐水。涂层的耐盐雾腐蚀能力强于电镀硬铬，经过240h的盐雾腐蚀试验，涂层表面没有任何腐蚀迹象。

3）耐疲劳性

对于许多电镀硬铬镀层的应用领域来说，所镀的部件对疲劳特性非常敏感，特别是对于航空工业的应用，如飞机起落架和液压传动装置，直接关系到整个系统的安全。因此在用HVOF涂层替代电镀硬铬镀层之前，必须对HVOF涂层对基体的耐疲劳特性的影响研究清楚。众所周知，电镀硬铬镀层中存在拉应力，因此会对基体的耐疲劳特性有非常不利的影响，在设计疲劳敏感部件时是一个必须加以考虑的重要因素。但是，对于HVOF涂层来说，通过精确控制沉积工艺，可以确保沉积的HVOF涂层处于压应力状态。试验结果表明，HVOF涂层对于基体的耐疲劳性影响非常小。

3修复工艺流程

（1）准备工作

首先了解被喷涂工件的实际状况和技术要求并进行分析

1）涂层厚度的确定。一般来讲，喷涂后必须进行机械加工，因此涂层厚度就要预留加工余量，还要考虑喷涂时的热胀冷缩等因素影响。

2）涂层材料的确定。涂层材料应该满足被喷涂工件的材料、配合要求、技术要求及工作条件等，分别选择结合层与工作层材料

3）确定参数：压力，粉末粒度，喷枪与工件的相对运动速度

（2）表面预处理

1）凹切处理，立柱缸筒表面存在疲劳层和局部严重拉伤的沟痕时，可进行车削处理，为热喷涂提供容纳材料的空间。

2）表面清理，清除油污，铁锈，漆层等，使工件表面洁净，油污油漆可以用溶剂清洗剂除去。如果油渍已经渗入基体材料，可以用火焰加热除去，对锈层可以进行酸浸，机械打磨或喷砂除去。

3）表面粗化，目的是为了增强涂层与基体的结合力，消除应力效应，常用的有喷砂、开槽、车螺纹、拉毛。表面粗化后呈现的新鲜表面，应该防止污染，严禁用手触摸，保存在清洁，干燥的环境中，粗化后尽快喷涂，一般喷涂时间不超过2小时。

4）非喷涂部位的保护

立柱喷涂表面附近的非喷涂需要加以保护，可以用耐热的玻璃布或石棉屏蔽起来。必要时按零件开关制作相应的夹具保护，但是要注意夹具材料要有一定的强度，且不能使用低熔点的合金，以免污染涂层。对于基体表面上的键槽、油孔等不允许喷涂的部位，可以用石墨块或粉笔堵平或略高于表面。喷后清除时，注意不要碰伤涂层，棱角要倒钝。

（3）喷涂工艺及参数

1） 粉末特性

目前粉末供应商提供了品种繁多的碳化物粉末，而粉末特性往往因其制粉工艺方法的不同而表现出较大的差异。粉末特性包括：粉末粒度分布、颗粒形状、表面粗糙度等。

2）氧-燃料流量和比例

喷涂的焰流温度及特性取决于氧-燃气流量和混合比例。喷涂时，首先应按照设备的规定要求确定氧气和燃气的流量，以保证喷枪焰流达到设计的功率水平。实际生产过程中有多种因素可导致氧-燃料比例的波动，而氧-燃料比例对确定最终的涂层组织十分重要.

3）喷涂距离

当粉末粒子在距喷枪出口100mm以内即已达到了其最高温度，随着喷距的增加粒子温度逐渐降低，在150-280mm范围内，粒子温度大约降低了60℃，其降低幅度并不大，粒子仍可保持约1775℃的高温;而粒子速度在距喷枪出口大约320mm内是一个逐渐加速的过程，在距喷枪出口320-380左右达到880m/s以上的最高速度，在320-380mm喷距上，粒子速度基本维持在880m/s以上。考虑到高温焰流对基体传热的不利影响，喷距在可能的情况下应尽量增大，故超音速火焰喷涂系统适宜的喷距应为：320-380mm，以得到综合性能最好的涂层。

4）送粉量

对任何热喷涂工艺来说，送粉量都是影响涂层性能的一个重要参数。某种粉末在某一具体的喷涂工艺条件下，都对应有一适宜的送粉量范围。

喷涂涂层时，当送粉量在70-100g/min之间变化时，涂层孔隙率在0.3—1%之间，表面粗糙度在1.6-6.4之间，显微硬度在HV1100-1450，粉末沉积率为45-55%，涂层性能优。

4）喷涂后处理

封孔，机械加工等工序。涂层的孔隙率约占体积的1%左右，而且有的孔隙可由表及里。零件为摩擦副时，可在喷后趁热将零件放在润滑油中，利用孔隙储油有利于润滑。但对于随液压的零件，孔隙而容易产生泄露，对于喷涂后，应该用封孔剂进行封孔处理，封孔后涂层就杜绝了孔隙。当立柱缸筒表面喷涂后的尺寸精度与表面粗糙度不能满足要求时，需要对其进行机械加工，可采用车削或磨削加工。

4 结语

通过以先进的超音速火焰喷涂技术代替电镀工艺，在煤矿液压支架立柱修复中，能准确恢复零件尺寸，以达到原有性能，提高表面硬度及耐磨性能，寿命可提高1-3倍，同时具有显著的节能环保特色，为煤矿液压支架检修提供了可靠的技术工艺保障。

作者简介：

李士魁 （1981.8—）男，2009年毕业于黑龙江科技学院，机械设计及其自动化专业，本科学历，工程师，现工作于龙煤集团双鸭山双煤机电装备有限公司，任技检中心主管。