隨著現代科技的發展進步,對軍事裝備、工業生產裝備、科研儀器等提出了更高的性能指標,對構成這些儀器的零部件的使用性能要求也越來越高。為滿足特殊的使用要求,往往要采用壹些貴重金屬如鈦、鎳、鈷、鎢、鋯制造零件,鑄、鍛造以及焊接方法都有壹定困難而且極不經濟。利用熱噴塗技術在普通材料的表面噴塗壹層特殊的塗層,制造壹個特殊的工作表面,可以達到節約材料,節約能源的目的。
熱噴塗技術是利用熱源將噴塗材料加熱至熔融或半熔融狀態,並以壹定的速度噴射到經過預處理的基體表面並通過微小顆粒的沈積形成塗層,從而賦予基體表面特殊功能的方法和技術,是表面工程技術的重要組成部分。采用不同的塗層材料和不同的工藝方法,可以在基體表面制備減磨耐磨、耐腐蝕、抗高溫氧化、熱障、電磁屏蔽接收、絕緣等功能塗層。
比較常用的熱噴塗方法有火焰噴塗、電弧噴塗、等離子噴塗,塗層材料包括金屬、金屬合金、陶瓷、金屬陶瓷、塑料及其它復合材料。熱噴塗方法和技術已經被廣泛應用於航空航天、冶金、能源、軍事裝備、石油化工、機械制造、交通運輸、生物工程等國民經濟各個領域。
目前,通過熱噴塗技術制作的各種功能塗層大多用於零部件的防護、強化、修復,直接用熱噴塗技術制作零部件的報道很少。本文介紹壹種通過熱噴塗方式制作滑動軸承的方法和工藝,由於工藝方法特殊,也可以作為熱噴塗技術與材料累積工藝相結合制作特殊零件的探索。
2常規滑動軸承的制造方法
滑動軸承是常用的機械零件,由旋轉的軸頸和固定的軸承座構成,和軸頸接觸的軸承座內表面稱軸瓦或軸承襯。由於軸在使用中往往要承受壹定的載荷並傳遞運動和動力,所以壹般常用材料為各種鋼和鑄鐵,比較耐磨;軸瓦或軸承襯的常用材料為軸承合金、青銅、鋁基合金、鋅基合金等,其中軸承合金(主要是錫、鉛、銻或其它金屬的合金)由於其耐磨性好、塑性高、跑合性能好、導熱性好和抗膠合性好及與油的吸附性好,在重載、高速情況下使用較多,但軸承合金的強度較小,價格較貴,壹般采用離心澆鑄的方式鑄造在鋼、鐵等軸承座的工作表面,形成滑動軸承的工作表面。
3利用熱噴塗技術制造滑動軸承內襯的工藝方法
目前介紹通過熱噴塗技術修復滑動軸承的資料和文獻很多,德國大眾汽車公司也有通過等離子噴塗制作內燃機連桿內孔耐磨鋁青銅塗層的發明專利。但由於受現有熱噴塗設備和操作方法的制約,通過熱噴塗技術制備的各種功能塗層大多局限於零件的外表面和較大的內孔表面,壹旦孔徑小於φ35或孔深較大則施工困難,如果零件型腔表面特殊,則無法施工。
本文就如下滑動軸承零件的制作介紹壹種利用熱噴塗技術制造滑動軸承內襯的工藝方法,零件如圖1中a圖所示,其內孔直徑為φ20,長30,內孔表面為工作表面,有3mm厚的軸承合金。該零件壹般采用離心澆鑄方式制作合金層,由於孔徑太小,目前還沒有壹種熱噴塗用內孔噴能完成此類任務。
為解決上述零件內孔表面的熱噴塗塗層制作問題,筆者提出壹種新的熱噴塗施工方式。制作壹種新的工裝,主體結構由心軸、螺母、擋板組成,熔點為183℃的低熔點合金,均勻熔敷在心軸1的表面,最後在低熔點合金的表面塗覆壹層耐火塗層,耐火塗層由耐高溫的特殊粘結劑和耐火材料配制而成。噴塗時可將此工裝裝夾在熱噴塗用旋轉工作臺上,對工裝預熱到100℃左右,然後用電弧噴塗設備噴塗所需軸承合金塗層,達到設計塗層厚度後要對塗層表面進行清理,去除表面浮灰,繼續在塗層表面噴塗鋼、不銹鋼等支撐材料,使其達到所需直徑尺寸。最後卸下兩端螺母和擋板,加熱到低熔點合金的融化溫度,撤出心軸,即可獲得所需要的內孔表面為軸承合金的滑動軸承毛坯。為增加軸承合金塗層和支撐材料之間的結合力,可在噴塗完合金塗層後采用拉毛、噴砂等粗化工藝進行粗化處理,然後再噴塗支撐材料。
這種通過熱噴塗技術制作的滑動軸承內襯為非晶態軸承合金,硬度高於母材並有壹定的孔隙率,可容納壹部分油脂,在使用性能上優於鑄造方法獲得的滑動軸承內襯。另外,由於采用了不同於鑄造方法的熱噴塗技術制作軸承合金內襯,在零件設計時可以適當減少軸承合金的厚度以節約貴重金屬。
4需要註意的相關問題
采用熱噴塗技術制作上述滑動軸承及類似零件時,除了要遵守熱噴塗操作安全規程外,還應考慮如下相關問題。
(1)應根據工作表面工況選擇合適的塗層材料和噴塗工藝。如本文介紹的采用電弧噴塗方法在軸承零件內表面噴塗軸承合金,為防止合金材料在噴塗時過度氧化,可采用氮氣作為噴塗介質氣體。
(2)如塗層表面有精度和粗糙度要求,需要通過機械加工方式獲得所需技術要求,則要合理設計塗層的厚度和工裝的尺寸,預留加工量並保證塗層的工作厚度。如本文介紹的滑動軸承在補充機械加工時應以毛坯內孔為粗基準,先加工外柱面;然後以外柱面為精基準加工內孔,保證剩余塗層厚度均勻。
(3)兩種塗層間的結合力和殘余應力。由於噴塗完工作塗層後要在其上面通過電弧噴塗方法噴塗支撐塗層,並且支撐塗層較厚,如兩種塗層間結合不好,可能導致工作塗層在補充加工階段或使用階段剝落。為此,應充分考慮兩種材料的熱膨脹系數和結合力,如有必要可在二者中間噴塗壹層過渡塗層,設計復合塗層、梯度塗層,以增加結合強度。在塗層設計階段要充分考慮兩種塗層間能否充分結合的問題,實際應用中要作充分的工藝實驗。另外,還要通過控制噴塗前、噴塗中的溫度減小殘余應力,必要時可在後期安排消除內應力的熱處理工序。
(4)工件和工裝拆裝方便,工裝可重復使用。由於噴塗時塗層材料處於熔融、半熔融狀態,在高速氣流的帶動下呈錐柱狀射向工件,壹些塗層材料不可避免地要粘貼在工裝表面,考慮工裝和工件拆裝方便並能重復使用,噴塗前要在工裝表面塗脫模劑。
本文以滑動軸承內襯的制作為例介紹了壹種熱噴塗技術和材料累積工藝相結合的工藝方法,按照這種思路還可以制造其它復雜零件和其它功能塗層,如內孔帶耐磨、耐腐蝕塗層的液壓閥閥體、螺旋冷卻通道等。必須承認,這種方法目前還不適合產品的大批、大量生產,只能用於有特殊性能要求、特殊結構零件的單件小批生產。
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