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隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展進(jìn)步,對軍事裝備、工業(yè)生產(chǎn)裝備、科研儀器等提出了更高的性能指標(biāo),對構(gòu)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,往往要采用一些貴重金屬如鈦、鎳、鈷、鎢、鋯制造零件,鑄、鍛造以及焊接方法都有一定困難而且極不經(jīng)濟(jì)。利用熱噴涂技術(shù)在普通材料的表面噴涂一層特殊的涂層,制造一個特殊的工作表面,可以達(dá)到節(jié)約材料,節(jié)約能源的目的。
熱噴涂技術(shù)是利用熱源將噴涂材料加熱至熔融或半熔融狀態(tài),并以一定的速度噴射到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面并通過微小顆粒的沉積形成涂層,從而賦予基體表面特殊功能的方法和技術(shù),是表面工程技術(shù)的重要組成部分。采用不同的涂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、絕緣等功能涂層。
比較常用的熱噴涂方法有火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂,涂層材料包括金屬、金屬合金、陶瓷、金屬陶瓷、塑料及其它復(fù)合材料。熱噴涂方法和技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、冶金、能源、軍事裝備、石油化工、機(jī)械制造、交通運輸、生物工程等國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域。
目前,通過熱噴涂技術(shù)制作的各種功能涂層大多用于零部件的防護(hù)、強(qiáng)化、修復(fù),直接用熱噴涂技術(shù)制作零部件的報道很少。本文介紹一種通過熱噴涂方式制作滑動軸承的方法和工藝,由于工藝方法特殊,也可以作為熱噴涂技術(shù)與材料累積工藝相結(jié)合制作特殊零件的探索。
1、常規(guī)滑動軸承的制造方法
滑動軸承是常用的機(jī)械零件,由旋轉(zhuǎn)的軸頸和固定的軸承座構(gòu)成,和軸頸接觸的軸承座內(nèi)表面稱軸瓦或軸承襯。由于軸在使用中往往要承受一定的載荷并傳遞運動和動力,所以一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)由于其耐磨性好、塑性高、跑合性能好、導(dǎo)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(qiáng)度較小,價格較貴,一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。
2、利用熱噴涂技術(shù)制造滑動軸承內(nèi)襯的工藝方法
目前介紹通過熱噴涂技術(shù)修復(fù)滑動軸承的資料和文獻(xiàn)很多,德國大眾汽車公司也有通過等離子噴涂制作內(nèi)燃機(jī)連桿內(nèi)孔耐磨鋁青銅涂層的發(fā)明專利。但由于受現(xiàn)有熱噴涂設(shè)備和操作方法的制約,通過熱噴涂技術(shù)制備的各種功能涂層大多局限于零件的外表面和較大的內(nèi)孔表面,一旦孔徑小于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一種利用熱噴涂技術(shù)制造滑動軸承內(nèi)襯的工藝方法,零件其內(nèi)孔直徑為φ20,長30,內(nèi)孔表面為工作表面,有3mm厚的軸承合金。該零件一般采用離心澆鑄方式制作合金層,由于孔徑太小,目前還沒有一種熱噴涂用內(nèi)孔噴槍能完成此類任務(wù)。
為解決上述零件內(nèi)孔表面的熱噴涂涂層制作問題,筆者提出一種新的熱噴涂施工方式。制作一種新的工裝,主體結(jié)構(gòu)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,最后在低熔點合金的表面涂覆一層耐火涂層,耐火涂層由耐高溫的特殊粘結(jié)劑和耐火材料配制而成。
噴涂時可將此工裝裝夾在熱噴涂用旋轉(zhuǎn)工作臺上,對工裝預(yù)熱到100℃左右,然后用電弧噴涂設(shè)備噴涂所需軸承合金涂層,達(dá)到設(shè)計涂層厚度后要對涂層表面進(jìn)行清理,去除表面浮灰,繼續(xù)在涂層表面噴涂鋼、不銹鋼等支撐材料,使其達(dá)到所需直徑尺寸。最后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(nèi)孔表面為軸承合金的滑動軸承毛坯。為增加軸承合金涂層和支撐材料之間的結(jié)合力,可在噴涂完合金涂層后采用拉毛、噴砂等粗化工藝進(jìn)行粗化處理,然后再噴涂支撐材料。
這種通過熱噴涂技術(shù)制作的滑動軸承內(nèi)襯為非晶態(tài)軸承合金,硬度高于母材并有一定的孔隙率,可容納一部分油脂,在使用性能上優(yōu)于鑄造方法獲得的滑動軸承內(nèi)襯。另外,由于采用了不同于鑄造方法的熱噴涂技術(shù)制作軸承合金內(nèi)襯,在零件設(shè)計時可以適當(dāng)減少軸承合金的厚度以節(jié)約貴重金屬。
3、需要注意的相關(guān)問題
采用熱噴涂技術(shù)制作上述滑動軸承及類似零件時,除了要遵守?zé)釃娡坎僮靼踩?guī)程外,還應(yīng)考慮如下相關(guān)問題。
(1)應(yīng)根據(jù)工作表面工況選擇合適的涂層材料和噴涂工藝。如本文介紹的采用電弧噴涂方法在軸承零件內(nèi)表面噴涂軸承合金,為防止合金材料在噴涂時過度氧化,可采用氮氣作為噴涂介質(zhì)氣體。
(2)如涂層表面有精度和粗糙度要求,需要通過機(jī)械加工方式獲得所需技術(shù)要求,則要合理設(shè)計涂層的厚度和工裝的尺寸,預(yù)留加工量并保證涂層的工作厚度。如本文介紹的滑動軸承在補充機(jī)械加工時應(yīng)以毛坯內(nèi)孔為粗基準(zhǔn),先加工外柱面;然后以外柱面為精基準(zhǔn)加工內(nèi)孔,保證剩余涂層厚度均勻。
(3)兩種涂層間的結(jié)合力和殘余應(yīng)力。由于噴涂完工作涂層后要在其上面通過電弧噴涂方法噴涂支撐涂層,并且支撐涂層較厚,如兩種涂層間結(jié)合不好,可能導(dǎo)致工作涂層在補充加工階段或使用階段剝落。為此,應(yīng)充分考慮兩種材料的熱膨脹系數(shù)和結(jié)合力,如有必要可在二者中間噴涂一層過渡涂層,設(shè)計復(fù)合涂層、梯度涂層,以增加結(jié)合強(qiáng)度。在涂層設(shè)計階段要充分考慮兩種涂層間能否充分結(jié)合的問題,實際應(yīng)用中要作充分的工藝實驗。另外,還要通過控制噴涂前、噴涂中的溫度減小殘余應(yīng)力,必要時可在后期安排消除內(nèi)應(yīng)力的熱處理工序。
(4)工件和工裝拆裝方便,工裝可重復(fù)使用。由于噴涂時涂層材料處于熔融、半熔融狀態(tài),在高速氣流的帶動下呈錐柱狀射向工件,一些涂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并能重復(fù)使用,噴涂前要在工裝表面涂脫模劑。
本文以滑動軸承內(nèi)襯的制作為例介紹了一種熱噴涂技術(shù)和材料累積工藝相結(jié)合的工藝方法,按照這種思路還可以制造其它復(fù)雜零件和其它功能涂層,如內(nèi)孔帶耐磨、耐腐蝕涂層的液壓閥閥體、螺旋冷卻通道等。必須承認(rèn),這種方法目前還不適合產(chǎn)品的大批、大量生產(chǎn),只能用于有特殊性能要求、特殊結(jié)構(gòu)零件的單件小批生產(chǎn)。
