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学术论文

自动化电弧喷涂1Crl8Ni9Ti-A1复合涂层在废旧发动机缸体再制造中的应用

时间: 2014/4/29 16:04:43

文   白金元,徐滨士,梁秀兵,陈永雄,刘燕(装备再制造技术国防科技重点实验室)

 

摘要:研究了自动化高速电弧喷涂的系统组成。采用了双丝电弧喷涂方法,即喷涂时电源一端电极接1Cr18Ni9Ti不锈钢丝,另一极接Al丝,制备了1Cr18NigTi-A1复合涂层;对形成的复合涂层进行了性能分析,与手工喷涂层进行对比分析表明,自动化电弧喷涂层比手工喷涂层均匀、致密、残余应力小。采用该技术再制造的斯太尔发动机缸体性能优异,满足了使用要求。

 

关键词:自动化电弧喷涂;发动机缸体;再制造;复合涂层.

 

0 引言

 

高速电弧喷涂技术是利用气体动力学原理,将高压气体通过特殊设计的喷管加速后作为高速气流来雾化和加速熔融金属,将雾化粒子高速喷射到工件表面形成致密涂层[1],它被广泛应用于工业领域。高速电弧喷涂技术具有沉积效率高、涂层组织致密、电弧稳定性好、通用性强、经济性好等特点,其作为再制造工程的关键技术之一,可以赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能。电弧喷涂手工操作制备出的涂层性能不一致而且喷涂效率低,其喷涂过程中的灰尘、烟雾以及高温,对喷涂人员极其有害。因此。迫切需要开发自动化电弧喷涂系统。

 

汽车发动机缸体主轴承孔及连杆轴承座孔等部位因承受交变应力及瞬间冲击而发生变形,并且因润滑油中硫化物等的腐蚀和摩擦磨损而造成座孔尺寸超差和严重划伤,采用高速电弧喷涂技术主要对发动机缸体主轴承孔进行喷涂,喷涂的材料是1Cr18Ni9Ti和Al,喷涂后在基体上形成1Cr18Ni9Ti一Al复合涂层。一般它需要喷涂的涂层厚度为200µm左右,喷涂完成后进行再加工,使之达到标准尺寸。

 

文中利用自动化高速电弧喷涂技术对废旧斯太尔汽车发动机缸体进行再制造[2]。在此系统中,操作机的操作臂夹持喷枪在控制单元控制下运行。利用信息反馈与实时参数调整,喷枪能按照设定的路径自行完成喷涂任务[3]

 

1 自动化电弧喷涂系统组成

 

自动化高速电弧喷涂系统主要由5部分组成,包括:中央控制单元、操作机、变位机、触摸屏和高速电弧喷涂设备,它的结构如图1所示:

 

图1 自动化电弧喷涂系统组成

 

利用操作机的操作臂夹持喷枪,带动喷枪运动,被喷涂的缸体固定在变位机上。通过控制软件编程实现规划喷枪的运动路径。将编好的程序通过USB接口传到中央控制单元中,控制单元通过控制几个轴的联动[4],来使喷枪按规划的路线进行运动。通过触摸屏来对喷涂进行控制,其中包括控制喷涂的起停、喷涂参数的实时调节以及一些参数的设置。另外,控制单元能够控制喷涂电源的电流和电压,通过控制电流来控制送丝速度。此系统主要组成单元及功能包括:

 

(1)中央控制单元它通过控制驱动器来控制电机的运行以控制操作机和变位机的各个轴的运[5]

 

(2)操作机、变位机操作机和变位机在中央控制单元的控制下分别带动喷枪和工件按规划的路径运动。

 

(3)高速电弧喷涂设备它包括喷涂式逆变电源、送丝装置和HAS-2型高速电弧喷涂枪。逆变电源的电流和电压在控制单元的控制下可以增加或减小,通过控制电流的大小来控制送丝速度。

 

2 自动化电弧喷涂系统再制造缸体的材料与工艺

 

2.1 喷涂材料及工艺

 

前期的研究表明,当采用电弧喷涂1Cr18Ni9Ti不锈钢丝时,涂层祝积过程中受热应力作用极易产生裂纹[6]。因此,文中采用了一种双丝电弧喷涂1Cr18Ni9Ti-A1复合涂层的方法,即喷涂时电源一端电极接1Cr18Ni9Ti不锈钢丝,另一极接Al丝,并利用HAS-2型高速电弧喷涂枪制备涂层,喷涂工艺参数如表1所示。复合涂层用北京工业大学生产的低碳马氏体耢芯丝材作打底层,打底涂层厚度约80µm

 

表1自动化高速电弧喷涂ICrl8NigTi-A1涂层的工艺参数

 

2.2喷涂工序

 

利用此系统喷涂斯太尔发动机缸体,它共有七个轴承座,其座孔的划痕、喷砂后和喷涂后的形貌如图2所示。待修复的缸体七个轴承座孔中不是每个都需要修复,有的轴承座孔保持完好,不需要喷涂修复,根据这一特点,进行了相应的编程,在喷涂之前先选择需要修复的轴承座孔,在喷涂时系统会自动对需要修复的轴承座孔进行喷涂。

 

图2斯太尔发动机缸体及轴承座孔

 

在喷涂时利用x轴、Y轴和R轴三个轴的联动,x轴带动喷枪进行左右平移,R轴带动缸体进行相应转动,同时Y轴带动喷枪进行上下运动。这样不但能使喷枪的运动幅度较小,喷涂稳定性提高,而且能使喷枪始终与待喷表面保持垂直姿势,喷涂焰流匀速移动,提高了喷涂的质量,且使涂层厚度趋于均匀化。喷涂一个缸体轴承座孔时的过程示意如图3所示,喷涂完一个轴承座,操作机将喷枪自动移到下一个需要修复的轴承座上,并重复喷涂上一个轴承座时的动作。完成所有需要修复的轴承座时,喷枪自动回到起始位置。

 

图3喷涂一个缸体轴承座孔的过程

 

3  结果与分析

 

3.1组织形貌分析

 

选用1Cr18Ni9Ti和Al两种丝材分别用手工和自动化在20钢试样上制备了涂层。在CSM-950扫描电镜下观察分g口由这两种方法制备出的涂层横截面,并对涂层的性能进行了分析。图4和图5分别是自动化喷涂和手工喷涂1Cr18NigTi-AI复合涂层”l截面的SEM形貌。对比可以看出自动化系统制备出的涂层均匀、致密,与手工喷涂相比,能显著提高涂层的质量。在手工制备的涂层中,可以看到层状结构。由于层与层之间界面结合处比较脆弱,涂层的结合强度会减小。能谱结果显示黑色部分是Al元素,白色或接近白色的部分是铁,铬,镍等元素。

 

图4 自动化喷涂10r18Ni9Ti-A1复台涂层截面的SEM形貌


图5手工喷涂lCr18N19Ti-A1复台涂层截面的SEM形貌

 

对自动化喷涂1Cr18Ni9Ti-AI复合涂层的相组成进行了分析,图6是x射线衍射图谱。可以看出1Cr18Ni蚶—A1复合涂层由Y(Fe.Ni)、o-Fe、FeO·cr203,CrO、AI相组成[8]。没有Fe与Al的台金相,说明Fe和Al之间没有发生完全冶金反应。

 

3.2残余应力分析

 

使甩lcr18Ni9Ti—Al复合涂层体系,自动化喷涂7个试样,喷涂厚度从1次循环到7次循环依次递增,同时手工喷涂7组试样,喷涂厚度也是依次循环递增。图7为两组试样的残余应力分布曲线。可以看出,自动化喷涂层的残余应力呈现先降低后缓慢增加的趋势,而手工喷涂层的应力分布曲线波动较大,且数值偏高,这说明手工电弧喷涂的喷涂距离,移动路径,移动速度,涂层厚度等因素不确定性太多,温度场变化大,致使应力分布无明显规律。同时,单就分析自动化喷涂层的应力变化情况来看,最开始应力值最高,第3层时应力最小,分析认为,X-350A应力测试仪检测的是涂层表面十几个微米厚度范围内的应力值,最开始,涂层很薄,表面的应力值受与基体结合的界面影响较大(基体喷砂后表面为压应力),残余应力呈现出较高值,随着涂层不断增厚,界面对涂层表面的影响降低,涂层内部的残余应力在不断增加,总体上残余应力呈现出了先降低后增加的趋势。另外,从手工喷涂层的应力分布曲线来看,手工喷涂涂层分布不均匀,应力分布不规则。

 

图6自动化lCr18NigTi—Al复合涂层的x—射线衍射图谱

 

4 结论

 

(1)自动化喷涂层与手工喷涂相比,成分相似,组织更加均匀,涂层的质量显著提高。

 

(2)自动化喷涂层残余应力呈现出先降后升的变化规律,表面的应力值受与基体结合的界面影响较大(基体喷砂后表面为压应力),随着涂层不断增厚,界面对涂层表面的影响降低,但是涂层增厚的同时,涂层内部的残余应力在增加,呈现出了先降低后增加的趋势。

 

(3)采用自动化高速电弧喷涂技术对斯太尔废旧发动机缸体进行再制造,显著提高喷涂效率,喷涂系统操作简单,改善了喷涂人员的工作环境与操作强度。自动化高速电弧喷涂技术在机械零件再制造领域具有广阔应用前景。

 

图7自动和手工不同厚度喷涂层的表面残余应力

 

参考文献

[1]徐滨士,刘世参,张伟.绿色再制造工程及其在我国主要机电装备领域产业化应用的前景[J].中国表面工程,2006 19(5):17-21.

[2]徐滨士,马世宁,刘世参,表面工程的应用和再制造工程[J].材料保护2000,33(1):1-4.

[3]Newberya A E Grantb P S.Oxidation during electric are spray forming of steel[J].Journal of Materials Processing Technology,2006,178:259-269.

[4]李伟,魏洪兴,刘敬猛.交流伺服在数控中的应用[J].Server Control,2006,1:20-22.

[5]许瑞华,何俊华.基于NextMove运动控制卡的步进电机群控系统[J].嵌入式网络技术应用,200622(1):9-11.

[6]陈永雄,徐滨士,许一.等.高速电弧喷涂技术在装备维修与再制造工程领域的研究应用现状[J].中国表面工程,2006,19(5):169—173.

[7]Deshpande S,Sampath S,Zhang H Mechanisms of oxidation and its role in micta=,stractural nvolution of metallic thermal spray coatings-Case study for NI—A1[J].Surface&Coatings Technology,2006,2005:395.5406.

[8]陈永雄,徐滨士,许一,等.热喷涂zn-A1台金涂层技术的研究进展[J].材料导报2006,20(4):70—73.