CN108330430B - 一种提高曲轴轴面等离子喷涂Mo涂层结合强度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高曲轴轴面等离子喷涂Mo涂层结合强度的方法，针对大排量、大扭矩马达曲轴对涂层与基体以及涂层与涂层内部的结合力要求越来越高，采用在Mo粉中加入粒度为‑30+5μm、重量比20‑40%的WC‑10Co‑4Cr的方法，在喷涂过程中，WC‑10Co‑4Cr颗粒借助等离子射流喷出时获得一定的速度，撞击在已沉积涂层上，撞击过程中粒子的动能转变为沉积粒子的形变能和内能，随着WC‑10Co‑4Cr颗粒冲击次数的增多，沉积涂层形变程度越大，涂层粒子之间的间隙被挤压缩小甚至闭合的几率越大，从而达到缩孔和止裂的效果，增强涂层与基体的机械咬合，增加涂层内部层与层之间的内聚力，使涂层的结合强度得到提高，从36MPa提高到58MPa，满足了大直径曲轴及大载荷的应用工况需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高曲轴轴面等离子喷涂Mo涂层结合强度的方法，特别是一种大直径液压马达曲轴用等离子喷涂Mo涂层的方法。
背景技术
低速大扭矩液压马达低速稳定性好、输出扭矩大、启动效率高、结构紧凑，广泛应用于注塑、工程建筑、矿山冶金等行业。曲轴为低速大扭矩液压马达最重要的零件，工况恶劣（大扭矩、高压，磨损严重），既要求曲轴整体具有足够的强度和刚度，又要求曲轴球面具有良好的耐磨减摩性能，其传统表面处理工艺为淬火、电镀处理等，极易在重载下失效。
钼（Mo）是一种金属活性不高的难熔金属，具有较高的熔点（熔点2630℃），对酸、碱和熔融金属有很好的抗蚀能力，同时也具有较好的导热和导电性能。钼还是一种良好的减磨材料，能够降低摩擦系数，在难以采用液体润滑的情况下，采用热喷涂技术制备钼涂层能够起到提高表面硬度，储油，降低摩擦系数，延长工件使用寿命等作用。由于氧乙炔火焰喷涂设备简单、操作容易、生产效率高成本低，所制备的涂层MoO2含量、孔隙率、结合强度等综合指标较好，最早的 Mo 涂层（ 含Mo 基复合涂层）制备都是采用氧乙炔火焰喷涂工艺，美国及欧洲等发达国家率先采用氧乙炔火焰喷涂纯 Mo 涂层对同步环、活塞环及拨叉轴等汽车零件表面进行耐磨减摩性能强化，使得零件使用寿命大大延长，并实现了商业化应用。但是火焰喷涂存在以下明显缺点：一是由于火焰喷涂焰流温度低粒子熔化不好而导致涂层中存在较大的未熔颗粒，二是由于粒子速度低造成结合强度差而导致容易剥落，三是喷涂过程难以控制而导致涂层均匀性较差。而等离子喷涂具有焰流温度高（高达15000～33000℃）、稳定性和可控性好、粒子速度快，喷涂过程可实现自动控制等特点，从20 世纪 70 年代开始，国外便开始系统研究等离子喷涂Mo涂层，等离子 Mo 涂层结构均匀、孔隙率低、结合强度高，并成功应用于航空、汽车零件等领域。
中国专利CN201310010535.2公开的在曲轴轴面热喷涂钼涂层的方法，采用火焰喷涂和等离子喷涂（拉瓦尔枪嘴），采用了严格控制热喷涂工艺参数，进而控制过程氧化程度的方法，使喷涂所得钼（Mo）涂层具有较好的组织结构和性能。通过控制喷涂过程中的工艺参数，能够合理的控制喷涂过程中的过程氧化，使Mo 涂层中的氧化物控制在13%-19%范围内，Mo 涂层硬度在500Hv0.3 以上，Mo 涂层的孔隙率达到7%-10%。80N 浸油条件下的Mo 涂层常温摩擦磨损系数小于0.2。且喷涂过程中，Mo 粉末的利用率高达80% 以上，实现了高效利用。然而，该现有涂层技术，等离子喷涂时是采用拉瓦尔枪嘴，结合强度34-43Mpa左右，摩擦系数0.16左右，不能满足大排量，低载荷大扭矩的马达曲轴对涂层高结合强度和低摩擦系数的要求。
中国专利申请CNCN201710320810.9公开的一种等离子制备Mo-Re涂层的方法，将Mo、Re两种金属粉末通过球磨机机械合金化处理后进行喷涂，微动摩擦磨损摩擦系数0.20-0.25。然而，该方法未提及涂层结合强度、浸油摩擦系数，且粉末是采用Mo粉与稀土元素Re球磨机械合金化。
近年来，意大利、美国等欧美国家率先开展了热喷涂Mo层在曲轴的应用研究，涂层硬度(80-85)HR15N，结合强度22-36MPa，浸油摩擦系数0.094-0.105。但随着曲轴尺寸越来越大，应用工况中载荷越来越大，涂层受到交变应力的作用，现有涂层与基体以及涂层与涂层内部的结合力不能满足大排量，低载荷大扭矩的马达曲轴的要求，因此需要开发具有更高结合强度的涂层。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题的存在，提供一种可有效提高曲轴轴面等离子喷涂Mo涂层结合强度的方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种提高曲轴轴面等离子喷涂Mo涂层结合强度的方法，包括以下步骤：
（1）对工件的非喷涂面进行保护，确保喷涂过程中非喷涂面上不喷上涂层；
（2）对工件需要喷涂的表面进行检验，并用丙酮清洗工件的喷涂面，确保不会有油脂在喷涂表面，以防喷涂时影响涂层结合力；
（3）对需要喷涂的工件表面进行喷砂处理，喷砂选用24#棕刚玉，喷砂压力为0.35-0.45MPa，喷砂时必须使喷涂部位全部均匀无反光；
（4）把工件吊装在卧式转台上夹紧，用配重块对曲轴配重，以便于轻松而平稳地转动工件，工件转速为：线速度400-600mm/s；
（5）选择和设置热喷涂的工艺参数：喷涂枪使用直枪嘴，喷涂距离为100-150mm，工作电流为550-660A，Ar气速度为30-50L/min，氢气速度为6-12L/min，氧气速度为9-13L/min，Mo粉送粉量为40±10g/min，冷却气压力为0.2-0.6MPa，喷涂枪体相对工件喷涂面移动速度为10-100mm/s，工件表面温度＜150℃，Mo涂层厚度≥0.35mm，在Mo粉中加入有粒度为-30+5μm、重量比为20-40%的WC-10Co-4Cr粉末；
（6）喷涂完成后，对工件表面进行磨加工，使Mo涂层厚度为0.15-0.20mm，粗糙度为0.4-0.8微米。
本发明所述的提高曲轴轴面等离子喷涂Mo涂层结合强度的制造方法，由于在Mo粉中加入粒度为-30+5μm、重量比为20-40%的WC-10Co-4Cr粉末，在喷涂过程中，WC-10Co-4Cr颗粒借助等离子射流喷出时获得一定的速度，撞击在已沉积涂层上，撞击过程中粒子的动能转变为沉积粒子的形变能和内能，随着WC-10Co-4Cr颗粒冲击次数的增多，沉积涂层形变程度越大，涂层粒子之间的间隙被挤压缩小甚至闭合的几率越大，从而达到缩孔和止裂的效果，增强涂层与基体的机械咬合，增加涂层内部层与层之间的内聚力，使涂层的结合强度得到提高，从36MPa提高到58MPa，浸油摩擦系数小（0.119），硬度大于82HR15N，满足了大直径曲轴及大载荷的应用工况需求，国内独家批量应用于3.6L/r以上重型液压马达曲轴，经过近5年的使用，在各种负载下运行良好。
附图说明
图1为本发明实施例1所得涂层的浸油摩擦系数曲线图。
图2为本发明实施例2所得涂层的浸油摩擦系数曲线图。
具体实施方式
本发明所述的曲轴轴面等离子喷涂Mo涂层结合强度的方法，包括以下步骤：
（1）对工件的非喷涂面进行保护，确保喷涂过程中非喷涂面上不喷上涂层；
（2）对工件需要喷涂的表面进行检验，并用丙酮清洗工件的喷涂面，确保不会有油脂在喷涂表面，以防喷涂时影响涂层结合力；
（3）对需要喷涂的工件表面进行喷砂处理，喷砂选用24#棕刚玉，喷砂压力为0.35-0.45MPa，喷砂时必须使喷涂部位全部均匀无反光；
（4）把工件吊装在卧式转台上夹紧，用配重块对曲轴配重，以便于轻松而平稳地转动工件，工件转速为：线速度400-600mm/s；
（5）选择和设置热喷涂的工艺参数：喷涂枪使用直枪嘴，喷涂距离为100-150mm，工作电流为550-660A，Ar气速度为30-50L/min，氢气速度为6-12L/min，氧气速度为9-13L/min，Mo粉送粉量为40±10g/min，冷却气压力为0.2-0.6MPa，喷涂枪体相对工件喷涂面移动速度为10-100mm/s，工件表面温度＜150℃，Mo涂层厚度≥0.35mm，在Mo粉中加入有粒度为-30+5μm、重量比为20-40%的WC-10Co-4Cr粉末，以提高涂层结合强度；
（6）喷涂完成后，对工件表面进行磨加工，使Mo涂层厚度为0.15-0.20mm，粗糙度为0.4-0.8微米。
本发明所述的曲轴轴面等离子喷涂Mo涂层结合强度的制造方法，由于在Mo粉中加入粒度为-30+5μm、重量比为20-40%的WC-10Co-4Cr粉末，在喷涂过程中，WC-10Co-4Cr颗粒借助等离子射流喷出时获得一定的速度，撞击在已沉积涂层上，撞击过程中粒子的动能转变为沉积粒子的形变能和内能，随着WC-10Co-4Cr颗粒冲击次数的增多，沉积涂层形变程度越大，涂层粒子之间的间隙被挤压缩小甚至闭合的几率越大，从而达到缩孔和止裂的效果，增强涂层与基体的机械咬合，增加涂层内部层与层之间的内聚力，使涂层的结合强度得到提高，从36MPa提高到58MPa，浸油摩擦系数小（0.119），硬度大于82HR15N，满足了大直径曲轴及大载荷的应用工况需求，国内独家批量应用于3.6L/r以上重型液压马达曲轴，经过近5年的使用，在各种负载下运行良好。
实施例1：
本实施例所述的一种等离子喷涂实施例中的曲轴直径262mm，通过毛坯检验→铣端面打中心→车长短轴→粗磨球面后，经常规除油、喷砂后，采用等离子喷涂设备喷涂Mo涂层，加入重量比20 %的粒径-30+5μm的球形WC-10Co-4Cr颗粒。使用直枪嘴，喷涂距离115mm，工作电流620A，Ar气速度40L/min，氢气速度9L/min，氧气速度11L/min，送粉量40g/min，冷却气压力0.45MPa，喷涂枪体相对曲轴喷涂面移动速度：50mm/s，曲轴表面温度＜150℃，Mo涂层厚度0.35mm。通过氧氮测定仪来测试Mo基涂层中氧含量，氧含量为1.81，采用HSRD-45型电动表面洛氏硬度计测量涂层硬度为82HR15N,采用GP-TS2000M万能试验机，以恒定速率施加载荷，加载速度为1mm/min，测试涂层结合强度为42Mpa；采用美国CETR UMT-3摩擦磨损试验仪，测得浸油摩擦系数为0.1137。其使用寿命提高5倍以上。
实施例2：
本实施例所述的一种等离子喷涂实施例中的曲轴直径350mm，通过毛坯检验→铣端面打中心→车长短轴→粗磨球面后，经常规除油、喷砂后，采用等离子喷涂设备喷涂Mo涂层，加入重量比30 %的粒径-30+5μm的球形WC-10Co-4Cr颗粒。使用直枪嘴，喷涂距离115mm，工作电流620A，Ar气速度40L/min，氢气速度9L/min，氧气速度11L/min，送粉量40g/min，冷却气压力0.45MPa，喷涂枪体相对曲轴喷涂面移动速度：50mm/s，曲轴表面温度＜150℃，Mo涂层厚度0.35mm。通过氧氮测定仪来测试Mo基涂层中氧含量，氧含量为1.67，采用HSRD-45型电动表面洛氏硬度计测量涂层硬度为85HR15N,采用GP-TS2000M万能试验机，以恒定速率施加载荷，加载速度为1mm/min，测试涂层结合强度为58Mpa；采用美国CETR UMT-3摩擦磨损试验仪，测得浸油摩擦系数为0.1194。其使用寿命提高5倍以上。
Claims (1)
1.一种提高曲轴轴面等离子喷涂Mo涂层结合强度的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）对工件的非喷涂面进行保护，确保喷涂过程中非喷涂面上不喷上涂层；
（2）对工件需要喷涂的表面进行检验，并用丙酮清洗工件的喷涂面，确保不会有油脂在喷涂表面，以防喷涂时影响涂层结合力；
（3）对需要喷涂的工件表面进行喷砂处理，喷砂选用24#棕刚玉，喷砂压力为0.35-0.45MPa，喷砂时必须使喷涂部位全部均匀无反光；
（4）把工件吊装在卧式转台上夹紧，用配重块对曲轴配重，以便于轻松而平稳地转动工件，工件转速为：线速度400-600mm/s；
（5）选择和设置热喷涂的工艺参数：喷涂枪使用直枪嘴，喷涂距离为100-150mm，工作电流为550-660A，Ar气速度为30-50L/min，氢气速度为6-12L/min，氧气速度为9-13L/min，Mo粉送粉量为40±10g/min，冷却气压力为0.2-0.6MPa，喷涂枪体相对工件喷涂面移动速度为10-100mm/s，工件表面温度＜150℃，Mo涂层厚度≥0.35mm，在Mo粉中加入有粒度为-30+5μm、重量比为20-40%的WC-10Co-4Cr粉末；
（6）喷涂完成后，对工件表面进行磨加工，使Mo涂层厚度为0.15-0.20mm，粗糙度为0.4-0.8微米。
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