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应用高速电弧喷涂工艺修复磨损曲轴

时间:2017-10-09 15:57来源:未知 作者:360论文网 点击:

  应用高速电弧喷涂工艺修复磨损曲轴

  赵云燕

  (广东省机械高级技工学校 广州 1 0450)

  工业技术

  摘要:本文主要介绍了采用高速电弧喷涂工艺修复发动机曲轴的方法,采用高速电孤喷涂工艺修复曲轴,曲轴变形小,修复精度能达到曲轴轴颈的公差配合要求,喷涂工作层与基体零件的结合强度高,表面质量好,且修复费用低。修复过程中根据曲轴的磨损情况和涂层的特点制定了修复工艺,完成了曲轴的修复,为曲轴等轴类零件的修复提供了很好的方法。

  关键词:曲轴 磨损 高速电孤喷涂修复

  曲轴是汽车发动机的重要零件之一,曲轴的作用是将活塞的往复运动转变成圆周运动,曲轴正常工作与否对发动机的工作及寿命有很大影响。曲轴经常由于主轴颈和连杆轴颈部位磨损而导致整根轴报废,曲轴通常采用高强度的球墨铸铁或优质、高强度的中碳合金钢制成,其造价昂贵,整根曲轴的报废会带来较大的经济损失。对于整根曲轴来说,其他部位基本完好,只要能找到一种合适的修复方法,修复后的曲轴可以完全恢复使用性能。

  1,曲轴的传统修复

  曲轴的传统修复方法主要有:修理尺寸法、电刷镀、手工电弧焊、电弧喷涂等,修理尺寸法是将待修曲轴轴颈用曲轴磨床磨到正确形状以获得新的修理尺寸,然后与具有相应尺寸的轴瓦相配,恢复配合性质。此方法只适合修复磨损量不大的曲轴;手工电弧焊修复方法往往由于温度高工件会产生裂纹或导致工件变形,电刷镀修复的镀层厚度一般为0.3mm~0.5mm,镀层厚度大时易造成组织松散或应力过大;电弧压喷涂工艺,以其涂层性能优异,节能,经济性好、生产效率高,安全性好,喷涂材料范围广,是目前应用最为广泛的修复工艺。但是普通电弧喷涂由于喷涂粒子速度低,结合强度不太高,粒子粒度较粗,孔隙率高。

  2采用高速电弧喷涂工艺修复曲轴

  对于磨损量较大的曲轴,采用高速电弧喷涂工艺修复效果好。本文采用高速电弧喷涂工艺修复GD200发动机曲轴。发动机工作过程中曲轴由于磨损使得主轴颈和连杆轴颈出现椭圆和锥度,导致发动机不能正常工作。

  2.1曲轴的磨损原因及修复层要求

  曲轴的破坏主要以磨损为主,造成磨损的原因主要有:发动机在工作时,曲轴轴颈表面要承受很大压力和很高的滑动摩擦速度,而且轴颈散热效果较差,各轴颈表面易遭受磨料磨损。曲轴轴颈一般承受冲击载荷和交变载荷,要求修复层具有良好的耐磨性、较高的结合强度和硬度,并能承受低冲击负荷和有较高的抗疲劳性能。应用高速电弧喷涂的方法可以在磨损的曲轴轴颈表面形成一层合金层以填补凹痕,从而达到修复轴面的目的,且修复层的性能能达到曲轴表面质量的要求。

  2.2高速电弧喷涂的优势

  电弧喷涂是以两根丝状金属喷涂材料在喷枪前端部短路产生的电弧为热源,将熔化的金属丝用压缩空气气流雾化呈微熔滴,高速喷射到工件表面形成喷涂层的一种工艺。如图1所示。
图1 高速电弧喷涂原理图

应用高速电弧喷涂工艺修复磨损曲轴

  高速电弧喷涂是在普通电弧喷涂的基础上采用拉伐尔喷嘴和计算机辅助设计,优化了喷枪的设计,将喷涂粒子的速度提高到了超音速。粒子速度高,粒子沉积时对基体的撞击作用就强,粒子变形就充分,有利于粒子与基体、粒子与粒子之间的结合,从而提高涂层的结合强度和内聚强度;粒子速度高,粒子沉积前在空气中的飞行时间短,飞行中产生的氧化物就少,有利于粒子的结合,从而提高涂层的内聚强度,降低涂层的孔隙率;超音速雾化减小了粒子的粒度,降低了涂层的粗糙度。由此所得的涂层结合强度高、孔隙率低、表面粗糙度低,比普通电弧喷涂的涂层质量和喷涂效率 高,工件不易变形,具备很强的防腐、耐磨性能。 如表l所示。

  表1 高速电弧喷涂技术指标

喷涂粒子速度 涂层硬度 涂层结合强度 涂层孔隙率 工件变形情况    
≥35 0m/s 与喷涂材质有关 ≥60MPa ≤2% 不变形    

  表2 高速电弧喷涂打底层的工艺参数

材料 电压 电流 气流流量 喷涂距离 雾化气压
3mm铝青铜丝材 32V~34V  170A  6m3/min  200mm 0.65MPa~ 0.7MPa

  表3 高速电弧喷涂工作层的工艺参数

           
3mm3Cr13丝材 32V—36V  200A  6rr13/frrin  200mm   0.65MPa~ 0.7MPa

  表4 试样洛氏硬度测试结果

序号 HRC1  HRC2  HRC3  HRC4  HRC5 平均值    .
1  38.2  37.3  38.6  36.8  38.8  37.9
 2  36.9  38.5  37.8  36.6  37.5  37.5

  表5 试样结合强度测试结果

序号 最大载荷(F)N 涂层面积(AO)Ⅱirr12 结合强度(a b)N/mmz 平均结合强度(o b)N/mmz
 l  29421  491     59.9  58.9
 2  28672  491  58.4
 3  28743  491  58.5

  2.3设备选用

  本修复工艺采用高速电弧喷涂设备(喷涂电源、送丝机构,高速电弧喷涂枪、空气压缩机、油水分离器、冷却装置、储气罐等)、多功能数控机床系统、喷砂机、曲轴磨床等设备。

  2.4喷涂材料的选用

  根据发动机曲轴的受力和修复层的功能要求,选择满足功能要求的涂层材料,然后确定涂层结构。涂层结构是指涂层组织及相应的厚度。为了改善涂层的性能,一般要在工作涂层之前喷涂粘结底层。这里选择+3mm铝青铜丝材作为喷涂粘结底层材料,选择由3mm3Cr13丝材作为工作涂层,恢复轴颈的尺寸。3 Cr13材料在喷涂过程中,有较好的淬硬性,涂层结合强度高,涂层硬度高,耐磨性好,不易生锈。适合曲轴的修复工作层要求。

  2.5喷涂工艺过程

  高速电弧喷涂工艺安排如下。

  清洗——去掉疲劳层——喷沙毛化一一喷涂打底过渡层——喷涂工作层至需要尺寸并留加工余量——车削加工——磨削至使用要求。

  适当的表面预处理是任何涂层施工中都有的一项必不可少的准备工序。对涂层的结合强度有影响。

  (1)曲轴轴颈的表面预处理。

  表面预处理包括表面除油、表面预加工和表面粗化。①表面预处理:首先用丙酮、酒精将曲轴轴颈的表面油污清洗干净;②表面预加工:对曲轴轴颈表面进行清理,去除曲轴轴颈表面的疲劳层,根据轴颈的磨损情况,在曲轴磨床上将其磨圆,直径一般减少0.50mm~1.OOmm。使喷涂层厚度能均匀。③表面粗糙化:用喷砂机对曲轴轴颈的表面进行喷砂处理,喷砂处理能除去轴颈表面氧化膜,并使轴颈的表面粗糙化,同时还能使轴颈的表面产生一定的残余压应力,能提高喷涂后的疲劳强度。喷砂料可选用棕刚玉、铜矿渣、钢砂等,砂料的粒度一般选25—40,喷砂压力为0.3MPa~0.6MPa。喷砂处理后用干净的压缩空气吹去轴颈表面尘埃,喷砂后的基材表面活性好,要尽快进行喷涂效果好。一般在2~3小时内进行喷涂。

  (2)喷涂层的厚度设计。根据曲轴轴颈表面预处理后的尺寸和修复后要求的基本尺寸以及加工余量确定喷涂层的厚度。涂层厚度的确定:

  H=(D—d)/2+△C

  式中:H为涂层设计厚度;

  D为工件成品直径;

  d为工件表面预处理后直径,

  △C为喷涂层的单边加工余量I其中打底层的厚度一般选择0. 05mm~O.lmm。这里选取O.lmm。

  (3)喷涂层工艺参数。

  选择喷涂工艺参数的主要原则是提高涂层与基材的结合强度。电弧喷涂的结合强度主要取决于喷涂工艺参数的以下几个因素。

  ①压缩空气的压力和质量。②压缩空气流量。③待喷涂工件表面预处理程度。④喷枪喷嘴距工件表面的距离。⑤喷枪电极电弧上的电压和电流。

  通过实验对比选择了最佳的工艺参数,喷涂打底层的工艺参数见表3,喷涂完毕后进行检验,检验合格后,在打底层上直接喷涂耐磨工作涂层,工作涂层喷涂工艺参数见表4,喷涂后的工作涂层应表面无裂纹、翘起、脱落等现象。如表2,3所示。

  (4)喷涂层的机械加工。用专用外圆车刀对喷涂层进行车削加工,注意留下磨削加工的余量,然后在曲轴磨床上进行磨削加工至标准尺寸。

  (5)涂层质量检验。磨削后的涂层表面致密无气孔和砂眼,无裂纹、起皮和剥落,表面粗糙度要达到使用要求。

  2.6用实验验证高速电弧喷涂涂层的性能

  (1)涂层硬度试验。

  硬度是决定轴颈耐磨性的重要指标,由于轴颈和轴瓦相互摩擦直接作用于涂层表面,因此涂层硬度的高低直接影响轴颈和轴瓦相互配合后的使用寿命。

  为了检验涂层的硬度,硬度试验试样基材选用低碳钢,应用以上的喷涂工艺喷涂试样,厚度为Imm。用洛氏硬度机在试样上分别选择5个部位,测试硬度值,涂层硬度试验结果见表4。

  由表4可以看出:涂层有较高的硬度。完全能满足曲轴的使用要求。

  (2)涂层结合强度试验。

  为了检验涂层与基材的结合强度,根据国标G9 8642-88(热喷涂层结合强度的测定)进行。试验记录结果如表5所示。从以上试验结果看出高速电弧喷涂修复层的结合强度较普通电弧喷涂修复层高。

  2.7实际效果

  经高速电弧喷涂修复的发动机曲轴清洗后,浸入80℃—100℃的润滑油中煮8小时,润滑油充分渗入涂层后装车使用。曲轴修复后已使用两年多,运行正常,与换件修理相比,维修费用非常低,维修费用仅是换新零件的1/10,取得了良好的经济效益。

  3结语

  采用高速电弧喷涂工艺修复曲轴,经实践证明,能修复大磨损量曲轴,修复精度高,喷涂层与基体的结合强度高,生产效率高,能源利用率高,费用低,安全性好。对企一业来说可取得很好的经济效益,同时有利于节约能源,节约材料,降低污染,在保护环境和资源以确保可持续发展方面可发挥重要的作用,值得推广。

  参考文献

  [1]马世宁,现代设备维修技术(第1版)[M]中国计划出版社,2006,6.

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