CN101130851A

CN101130851A - 离心雾化等离子喷涂机及其喷涂工艺

Info

Publication number: CN101130851A
Application number: CNA2006101117253A
Authority: CN
Inventors: 朱有利; 李占明; 叶雄林; 杜晓坤; 黄元林
Original assignee: Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Current assignee: Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2008-02-27

Abstract

本发明公开了一种基于离心雾化原理的等离子喷涂机及利用该喷涂机的热喷涂工艺，主要适用于在零部件内孔表面沉积热喷涂涂层。该喷涂机由离心雾化机构、等离子割炬、进给机构、控制系统、冷却系统、机架及防护装置组成，能实现最小孔径为70mm的内孔表面的热喷涂。不同于基于气流或焰流雾化加速的热喷涂技术，本发明利用高速旋转可消耗电极的离心力将熔融的液滴雾化加速并与内孔表面撞击形成涂层。利用本发明可以实现传统热喷涂技术难以实现的孔径较小的零部件内孔表面的热喷涂。

Description

离心雾化等离子喷涂机及其喷涂工艺

一、技术领域

本发明属于金属表面处理和热喷涂技术领域，涉及一种在零部件内孔表面沉积涂层的新型热喷涂技术，特别适合于在小直径内孔表面喷涂涂层。

二、背景技术

磨损与腐蚀是影响零部件使用寿命和可靠性的重要原因，采用热喷涂技术在零部件表面沉积耐磨或防腐涂层是解决零部件磨损或腐蚀的有效技术手段之一。但是，对直径较小的零部件内孔来说，传统的各种热喷涂技术由于受喷涂空间的限制很难在内表面喷涂有效的涂层，这是因为：1)传统的热喷涂技术喷枪尺寸较大，不易置入内孔工作；2)对于靠焰流或雾化气流对熔融液滴进行雾化和加速的热喷涂技术来说，必须有足够的喷涂距离(200mm左右)以保证粒子得到充分雾化和加速。这使得对于直径小于400mm的零部件内孔，采用传统的热喷涂技术很难使粒子得到良好的雾化和加速，因此，涂层孔隙率高、结合强度低，难以满足使用要求。

国外在90年代初开始研究内孔热喷涂技术，主要应用领域之一就是在发动机缸套内壁喷涂耐磨涂层。瑞士Sulzer-Metco公司研制开发了旋转等离子(RotatePlasma)喷涂技术，但该技术仍然以等离子焰流对熔融液滴进行雾化和加速。美国的Martin和Kramer等人在1992年获得了一项在铝基气缸套内壁沉积铝青铜涂层的专利技术，专利号为：(US)5080056，该技术的工作原理为：用氧-丙烯作为加热铝青铜丝材的热源，使铝青铜丝端部连续被加热到熔化状态，借助压缩空气将熔化金属雾化成微粒，喷射到经过预处理的基体表面形成涂层，在喷涂中火焰喷枪需通过特殊的旋转装置绕固定轴线连续转动以完成整个工件的喷涂。美国的Alfred等人在1993年获得一项在气缸套内壁沉积耐磨涂层的专利技术，专利号为：(US)5245153，该技术以电弧为热源，喷涂时作为阳极的丝材通过送丝轮连续地送入喷枪内，作为阴极的钨电极与雾化气体绕轴线旋转，当丝材端部与钨极接近时因高频电压引燃电弧，使丝材端部瞬间熔化并通过压缩空气把熔化的金属雾化加速、喷射到工件表面形成喷涂层。以上几种内孔热喷涂技术仍属于以等离子焰流、火焰或压缩空气作为雾化加速气流的热喷涂技术，仍然受到粒子加速距离短的限制。另外，这些技术由于需要使喷枪在狭小的内孔空间转动，因此机构复杂，设备造价高。

三、发明内容

本发明的目的是针对传统热喷涂技术在进行零部件内孔喷涂时存在的不足，解决如下几个关键技术问题：

1、在保证熔融粒子得到充分的雾化和加速的前提下，尽可能减小粒子的加速距离。

2、避免使用火焰或压缩空气等雾化加速气流。

3、尽可能减小喷枪在粒子喷射方向的尺寸。

针对以上问题和关键技术问题，本发明提供了一种基于离心雾化加速原理的新型热喷涂设备和工艺。采用该设备和工艺可以在直径较小的零部件内孔表面沉积有效的热喷涂涂层，并避免了使用火焰或压缩空气等雾化加速气流。所采用的技术方案如下。

1、热源

以等离子割炬产生的转移弧等离子焰流对高速旋转的圆柱型可消耗电极(喷涂材料棒材)端部进行熔化，避免采用电弧作为热源可能造成固定电极与高速旋转电极的接触，或采用氧-乙炔火焰热源时能量密度低、燃气供给系统复杂等问题。设计了收敛-膨胀型喷嘴，以产生锥形等离子束流，保证棒材端部均匀融化，避免直管型等离子割炬喷嘴产生的束流过于集中，易造成偏心熔化的问题。

2、雾化加速方案

以高速电机驱动可消耗电极高速转动产生熔融液滴雾化和加速所需的离心力。

3、可消耗电极夹持方案

为了对可消耗电极进行可靠夹持，同时减小振动，设计了可夹持大直径棒材的专用双锥式弹簧夹头及压帽，以实现可消耗电极与高速电机的可靠联接。这种连接定心精度高，联接刚性高，体积小，转动惯量低，可有效减小振动。

4、电源阳极接入方案

为产生转移型等离子弧，需将电源阳极接在可消耗电极上，为此，设计了高速轴承导电机构。与电刷连接相比，该机构设计简单、电路工作稳定可靠、无电火花和磨损。

5、进给机构及其自动控制

该系统设计有两种进给机构，一是保证等离子喷嘴与可消耗电极端面之间恰当距离的等离子炬进给机构，二是实现被喷涂工件沿轴线方向往复运动的进给机构。这两种进给机构分别采用步进电机和直流无刷电机以及涡轮丝杠升降器实现。为了实现对步进电机和直流无刷电机的转向、转速和行程控制，设计了单片机控制系统，以实现自动控制。

6、冷却系统

因等离子弧温度很高，为避免等离子炬、高速电机以及导电轴承等部件被损坏，在高速电机底部和等离子炬内部接入了冷却循环水，在消耗电极根部引入了冷却气流。

7、防护系统设计

离心雾化等离子喷涂机工作于高温和高速旋转工况下，为了避免消耗电极的飞出和熔融粒子的飞溅，在机架的立柱上设计了防护板，以保证人员和设备安全。

本发明的主要优点如下：

1、熔融液滴脱离可消耗电极端面的时刻即达到了最高速度，无需后继加速。

2、只要有足够的旋转速度就可以将喷涂机构在粒子飞行方向的尺寸做到足够小，以满足小直径内孔的喷涂要求。

3、依靠离心力使熔融的液滴被雾化加速，不需要气流雾化和加速装置，因此机构简单。

4、因不需要压缩空气，容易实现保护气氛喷涂，减少涂层的氧化物含量和元素烧损。

5、生成的粒子球形度好，尺寸分布均匀，易保证均匀的涂层性能。

6、由于采用了转移型等离子弧，因此，热源温度高，可喷涂材料的种类多。

7、由于等离子炬和工件的进给采用了单片机自动控制，因此，容易保证涂层质量的均匀一致性。

四、附图说明

图1是离心雾化等离子喷涂机的工作原理示意图。

图中，1、高速电机 2、可消耗电极夹具 3、高速轴承 4、可消耗电极 5、工件 6、喷涂粒子 7、锥形等离子弧 8、等离子炬 9、涂层

图2是离心雾化等离子喷涂机的总体结构图。

图中，10、单片机 11、右导向杆 12、冷却气管 13、工作台 14、位置开关 15、防护板 16、夹具 17、步进电机 18、涡轮丝杠升降器(2) 19、固定钢板 20、工件固定套 21、左导向杆 22、立柱 23、涡轮丝杠升降器(1) 24、直流无刷电机 25、机架下座 26、冷却水管

图3是可消耗电极夹具的示意图。

图中，27、联轴器 28、双锥式弹簧夹头 29、压帽

图4是等离子炬喷嘴结构示意图。

图中，30、割炬等离子束流 31、收敛-膨胀型喷嘴

图5是离心雾化等离子喷涂工艺流程图。

五、具体实施方式

图1是本发明的等离子喷涂机的工作原理示意图，将喷涂材料加工成长度100～400mm、直径Φ15～40mm的圆柱状棒材作为可消耗电极4使用，可消耗电极4通过可消耗电极夹具2与转速15000～25000r/min、功率2.2kw的高速电机1相连，在可消耗电极上安装普通高速轴承3，并与电源阳极相连。可消耗电极高速旋转时和等离子炬8之间产生转移型锥形等离子弧7，等离子弧使可消耗电极端部被不断熔化，熔融的材料在高速旋转产生的离心力作用下产生雾化并被加速，形成喷涂粒子6，喷涂粒子溅射到工件5的表面形成涂层9。

图2是离心雾化等离子喷涂机的总体结构图，机架下座25用四根M10螺栓固定在地面上，在机架的四角用焊接或螺栓连接方式固定四根矩形截面立柱22，顶部加厚度15mm的固定钢板19，形成机架的主体结构。用螺栓将三块厚8mm的装甲钢防护板15固定在立柱上，起防护作用。将高速电机用六根螺栓固定在机架下座，并从底座开槽引出冷却水管26。在机架下座固定涡轮丝杠升降器(1)23，通过直流无刷电机24驱动。涡轮丝杠升降器(1)旋转时，驱动工作台13上下运动。工作台上安装有工件固定套20，用于被喷涂工件5的定位和夹持。在两侧分别固定右导向杆11和左导向杆21，对工作台的运动起导向作用。在防护板的适当位置安装位置开关14，实现工件在两个位置开关之间的往复运动。

将等离子炬通过夹具16与涡轮丝杠升降器(2)18连接，并由步进电机17驱动，实现等离子炬的上下运动。喷涂时，确保等离子炬8的喷嘴和可消耗电极端部之间的距离保持在15mm左右，以保证等离子弧连续。在高速轴承的上方接入冷却气管12，通入一定压力的压缩空气冷却可消耗电极。

步进电机17和直流无刷电机24通过单片机10实现自动控制。高速电机1由变频器控制。

图3是可消耗电极夹具的示意图。可消耗电极夹具由可夹持大直径棒材的双锥式弹簧夹头28及其压帽29组成，并通过联轴器27与高速电机相连。

图4是等离子炬喷嘴结构示意图。左图是常规的直管型等离子割炬喷嘴，用这种喷嘴所产生的等离子割炬束流30过窄，为此，设计制作了收敛-膨胀型喷嘴31，将喷嘴断面积扩大，以产生锥形等离子弧7，如图4右所示。

图5是离心雾化等离子喷涂工艺流程图，可分为预处理、喷涂和喷后处理三个主要步骤。

1)喷涂预处理

对于污染严重的待喷涂工件表面在喷砂前应除去油污等附着物，然后对待喷涂表面进行喷砂预处理，达到净化、粗化和活化的目的。

喷砂预处理通常选用粒度为10-20目，干燥、高硬度、多棱角的棕刚玉砂、铜矿砂或钢砂，并使用经油水过滤的洁净压缩空气。喷涂较薄的工件时，压缩空气压力取0.3-0.4MPa，喷涂厚工件时，压力不低于0.6MPa，为避免加工硬化，喷砂时间不易过长。喷砂后立即喷涂，以防止工件表面被污染或腐蚀。

2)喷涂操作

喷涂前先将基体表面的浮尘吹干净。根据需要选择合适的喷涂工艺参数。喷涂时，将工件固定于工件固定套上，调整工作台和等离子炬至适当位置，开启冷却水和冷却气，开启电源。喷涂电流和工件移动速度对工件的温升有直接影响，为防止涂层剥落应特别注意这两个参数的选择，必要时进行适当的外部冷却。喷涂完毕后，关闭电源和冷却系统。

3)工艺参数

喷涂电压：100～120V，喷涂电流：100～130A，高速电机转速：5000～20000r/min，消耗电机直径：Φ15～40mm，等离子气体压力：0.4～0.6MPa。

Claims

1.一种用于在零部件内孔表面沉积热喷涂涂层的离心雾化等离子喷涂机及其喷涂工艺。该喷涂机由离心雾化机构、等离子割炬、进给机构、控制系统、冷却系统和机架及防护板等组成。其特征是：采用离心雾化原理，将熔融的金属液滴雾化成喷涂粒子并高速溅射到工件表面形成涂层，能够满足最小孔径为70mm的内孔表面的热喷涂。

2.根据权利要求1所述离心雾化等离子喷涂机，其特征是：采用离心雾化的原理在零部件内孔表面制备热喷涂涂层。

3.根据权利要求1所述离心雾化等离子喷涂机，其特征是：在高速电机输出轴端部安装双锥式弹簧夹头，用于夹持并驱动大直径可消耗电极(棒材)高速旋转。

4.根据权利要求1所述等离子割炬，其特征是：采用收敛-膨胀型喷嘴产生锥形焰流，保证棒材端部的均匀融化。

5.根据权利要求1所述离心雾化等离子喷涂机，其特征是：采用高速轴承实现在高速旋转的消耗电极上接入电源阳极。

6.一种零部件内孔表面热喷涂涂层的制备工艺，其特征是包括以下步骤：

(1)喷涂前采用喷砂处理粗化和活化工件内表面；

(2)使用权利要求1所述离心雾化等离子喷涂机进行内孔表面热喷涂；

(3)喷涂电压：100～120V、喷涂电流：100～130A、高速电机转速：5000～20000r/min、等离子气体压力：0.4～0.6MPa。