高强度钢材料轴类采用超音速火焰喷涂进行尺寸修复研究

房志彬

0 引言

某型产品的半轴为超高强度钢材料，使用过程中因环境腐蚀和机械损伤，造成轴的直径尺寸超差，采用常规的电镀铬无法满足使用要求，经过论证采用超音速火焰喷涂（简称HVOF）的方法，解决了修复难题。

1 产品的损伤情况。

半轴的材料为超高强度钢（热处理强度达到1900MPa），位于最终产品的中下部，轴表面尺寸超差处与轴承配合，轴承与半轴间存在一定的相对运动，产品工作时，半轴承受剧烈的震动，造成半轴与轴承表面机械损伤。同时，半轴长期暴露在室外，外界的水渍等物质进入半轴所在的封闭腔内，长期作用下，造成半轴表面腐蚀损伤。

2 半轴的技术要求

半轴的材质强度较高，其原图样要求的表面处理方法为表面镀硬铬，表面粗糙度为Ra0.4，结合其使用特点，半轴修复的要求是：修复后半轴应有较高的硬度、一定的耐腐性，经精磨后有较高的表面光洁度，达到这些要求的同时还要能喷涂一定的厚度（至少1mm）。

3 常规镀铬修复的问题

我们前期进行产品修复时，使用原图样的电镀硬铬的方法，但电镀硬铬存在一些固有问题，造成产品的修复成功率极低，不得不制造或购买新品，使产品的修复周期和成本增高。电镀铬的主要问题有：

a.电镀铬的厚度限制。为保证铬层的结合力，工艺要求半轴的表面划伤或腐蚀深度不超过0.1mm，而我单位的半轴尺寸超差大部分已达到0.2mm，甚至更大。

b.电镀铬的镀层质量不高。电镀铬的镀层存在微裂纹，不可避免地产生穿透性裂纹，导致腐蚀介质从表面渗透至界面而腐蚀基体，造成镀层表面锈班，甚至剥落，影响产品的气密性能。为了克服铬层易漏气和不耐腐蚀的缺点，通常采用封孔、金刚石滚压等工艺消除铬层本身的微裂纹，工序较长、工艺难度大且不能从根本上消除微裂纹。

c.超高强度钢本身对氢脆的敏感性大，虽每次均要进行除氢处理，如果多次镀铬，还是易造成产品的氢脆，造成产品不可估量的损失。

与此同时，电镀铬工艺沉积速度慢，仅约25μm/h，我厂地处北方，对电镀铬的工艺管理也越来越严格，环境保护的要求极易波及电镀铬这一污染大的工艺，也需要我们及早找出替代工艺。

4 超音速火焰喷涂修复的可行性

HVOF工艺通过氧气、气体或液体燃料燃烧产生动能，同时对热量输入加以控制，粉末状的喷涂材料被注入热气流中，通过热气流对其进行均匀加热至熔化或半熔化状态。火焰焰流和粉末通过喷嘴进行加速，以超音速的焰流将粉末粒子推向喷涂基体，形成涂层。

相对于电镀铬，超音速火焰喷涂有几大明显优势：

a.高致密性。

通常情况下涂层的孔隙率低于2%，有些甚至低到0.5%，优于电镀铬的每平方分米不大于5个气孔的要求。下图为DJ2700设备喷 WC-10Co4Cr粉末获得的涂层金相，由图1可以看出，涂层内部基本无氧化物，孔隙率小于1%；无大于50μm的孔洞；无未熔颗粒，碳化物分布均匀，无带状或团状分布；截面上无裂纹。

b.高结合强度。

采用HVOF工艺制备的WC涂层的结合强度超过70MPa，而电镀铬仅要求采用弯曲或加热法检查无表面起皮、起泡或脱落，质量要求明显低于HVOF。

我们采用拉伸法对涂层结合强度进行了测试，拉伸结合强度测试结果在79.8MPa-86.9MPa之间，均大于70MPa，断裂方式为胶断。

c.极佳的硬度。

如果采用12%的碳化钨/钴涂层，经检测可达到1100HV至1350HV，远优于镀铬的700HV。

d. 优良的耐磨性能。

HVOF涂层具有非常好的耐磨损性能。以下为相关单位做的磨损性试验：

1）对涂层进行磨粒磨损性能评价，并与电镀硬铬进行对比，其中电镀硬铬的磨损量为10.7mg/min，超音速火焰喷WC-CoCr涂层的磨损量为3.8mg/min。

2）干滑动摩擦磨损实验。实验中使用的摩擦副为SiN球，规格为？5mm，法向载荷为20N、50N，磨球运行速度为100rad/min，运行时间30min，15min时测一次失重，30min时测一次失重。不同工艺涂层重量损失见图2，超音速火焰喷涂WC-CoCr在試验30min后的失重分别为0.4mg（20N）和1.31mg（50N），而电镀硬铬在试验30min后的失重分别为13.08mg（20N）和38.29mg（50N），可见超音速火焰喷涂WC涂层的耐磨性能远远优于电镀硬铬。

e.优良的耐腐蚀性能。

HVOF涂层的高致密性，优良的冶金特性有助于提高抗腐蚀性能，包括热腐蚀、氧化、不同媒介腐蚀效应。

图3为相关单位所做的中性盐雾试验，通过对比发现，HVOF涂层远优于电镀硬铬。

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f.涂层厚度优于硬镀铬。

HVOF拥有高于其他热喷涂的喷涂速度，经我们试验，其涂层厚度至少可达到0.5mm。

HVOF涂层拥有比电镀硬铬优良的致密性、结合强度、硬度、耐磨性能，同时其涂层厚度也能满足使用需求，使用HVOF工艺喷涂WC来代替电镀硬铬进行半轴的尺寸修复完全可行。

5 HVOF的技术难点

a.HVOF的技术难点是喷涂过程零件温度的控制及监视。超高强度钢对温度极其敏感，如果基体超过一定的温度，则产品应会因过热而性能下降，对于低温回火的半轴，其对基体的温度控制更应严格。在进行实际喷涂时，应严格控制喷涂的基本参数，防止温度的过度升高。同时，为避免测温误差，采用红外测温仪测试产品喷涂间歇时的温度，以确定喷涂过程中产品的温度升高。

b.喷涂后的检测要求

因HVOF为特殊过程，过程的不可控会造成产品的质量不稳定，所以，需要对过程参数进行极为严格的控制，同时需要对过程的结果进行必要的检测，喷涂后除应进行尺寸、表面粗糙度检测外，还应检测金相、涂层硬度、结合强度、弯曲性能、残余应力，以保证喷涂过程的质量可控。

6 结束语

超音速火焰喷涂碳化钨作为一种日趋成熟的工艺方法，其多项性能数据优于电镀硬铬，可完成替代超高强度钢材料的半轴修复。经过试制，其涂层性能满足半轴的技术要求，目前已应用于超高强度钢材料的半轴修复。

【参考文献】

[1]郭孟秋，等.超音速火焰喷涂相关数据.