混凝土泵车活塞杆再制造工艺及性能研究

摘要

混凝土泵车作为当今工程机械的重要组成部分，其活塞杆常常由于服役于高冲击或交变载荷的工况下，造成活塞杆表层脱落失效。通过高速电弧喷涂再制造的活塞杆，由于其喷涂层呈层状结构，与基体为机械结合，且存在孔隙、氧化物夹杂和未熔颗粒，在一定程度上影响了其性能。而采用重熔技术可以有效地改进原有喷涂层的显微组织和机械性能。本文以混凝土泵车活塞杆再制造为对象，采用等离子重熔高速电弧喷涂FeNiCrAl喷涂层，分析了重熔层的显微组织，并测试分析了重熔层的显微硬度、耐磨性能和耐蚀性能。
　　利用等离子重熔工艺对高速电弧喷涂层进行重熔处理，设计正交试验，通过极差分析确定影响因素的主次关系为电弧电流＞移动速度＞离子气流量，并得出等离子重熔的最佳工艺参数为电弧电流80A，离子气流量3L/min，移动速度2mm/s;通过多道重熔搭接试验，对比分析不同搭接率下搭接区域的显微硬度和微观组织，得到最佳的搭接率为30％。
　　采用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计，对各重熔工艺参数以及重熔前后涂层的组织结构和物相成分进行了分析。等离子重熔后消除了喷涂层原有的孔隙、未熔颗粒以及少许氧化物Al2O3和Cr2O3。与此同时，重熔层在重结晶过程中生成了高硬质相碳化物(Fe，Cr)7C3、Cr23C6和固溶体(Fe，Cr)。等离子重熔后涂层组织结构致密、均匀，且与基体实现了冶金结合。重熔层底部为柱状晶，中部为等轴晶，顶部为蜂窝状的胞状晶组织。经测试，重熔层的孔隙率为1.6％，比高速电弧喷涂层提高了69.5％;同时，重熔层的显微硬度约为喷涂层的1.4倍。
　　采用CETR滑动摩擦磨损试验机，对高速电弧喷涂层、镀铬层和重熔层进行耐磨性能测试，分析了三种涂层在不同载荷下的摩擦磨损特性。试验表明，喷涂层磨损形式为疲劳磨损和粘着磨损，镀铬层有轻微的磨粒磨损，重熔层主要以犁削磨损为主，且重熔层伴有碳化物硬质相，充当“骨架”作用，明显提高了抗承载能力和耐磨性能。综上可知，重熔层的耐磨性能优于喷涂层，可以达到新品镀铬活塞杆的性能水平。
　　通过电化学实验测得的Tafel极化曲线拟合分析可知，重熔层的自腐蚀电位比喷涂层和镀铬层分别高了20.2mV和12.5mV。并且，电弧喷涂层的自腐蚀电流密度为8.21E-6，远大于重熔层的3.29E-7和镀铬层的9.53E-8，因此可以得出喷涂层的金属腐蚀速率高于重熔层和镀铬层。故等离子重熔后涂层的耐腐蚀性能得到了明显提高。
　　针对混凝土泵车活塞杆实样，规划高速电弧喷涂路径，通过温度分布验证了路径的合理性，并用优化后的工艺参数进行等离子重熔处理。最后，对活塞杆再制造工艺的经济性进行了评估，表明活塞杆再制造的成本要远远低于新品。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 工程机械再制造的研究现状

1．2．1 工程机械再制造的国外发展状况

1．2．2 工程机械再制造的国内发展状况

1．3 混凝土泵车活塞杆失效分析

1．4 高速电弧喷涂技术研究及应用现状

1．4．1 高速电弧喷涂技术的发展状况

1．4．2 电弧喷涂技术的应用领域

1．5 热喷涂层重熔技术研究

1．5．1 热喷涂层重熔技术的国外研究现状

1．5．2 热喷涂层重熔技术的国内研究现状

1．5．3 各种重熔技术的特点分析

1．6 本文研究目的及主要研究内容

第2章 试验材料、设备及方法

2．1 试验材料的选择

2．1．1 活塞杆的基体材料

2．1．2 高速电弧喷涂材料

2．2 试验材料的制备

2．2．1 粉芯丝材的制备

2．2．2 高速电弧喷涂涂层的制备

2．2．3 等离子重熔层的制备

2．3 试验设备与方法

2．3．1 涂层金相试样的制备

2．3．2 涂层组织结构测试及分析

2．3．3 涂层性能测试及分析

2．3．4 电化学腐蚀试验

2．4 本章小结

第3章 等离子重熔工艺优化研究

3．1 试验设备及方法

3．2 等离子重熔工艺参数正交试验设计

3．3 正交试验结果分析

3．3．1 单道重熔的外观形貌

3．3．2 重熔层显微硬度分析

3．3．3 各因素对重熔层显微硬度的影响

3．3．4 各因素对重熔层孔隙率的影响

3．4 多指标极差分析

3．5 多道重熔试验研究

3．5．1 多道重熔搭接率研究

3．5．2 多道搭接重熔层的外观形貌

3．5．3 不同搭接率下重熔层的组织与硬度分析

3．6 本章小结

第4章 等离子重熔层的组织及性能表征

4．1 高速电弧喷涂层的微观组织分析

4．2 等离子重熔层的微观组织分析

4．2．1 结合界面与过渡层成分分析

4．2．2 等离子重熔层元素分布分析

4．3 等离子重熔层的物相成分及显微硬度分析

4．4 等离子重熔层耐磨性能研究

4．4．1 不同涂层的摩擦特性

4．4．2 不同载荷对磨痕形貌及磨损量影响

4．4．3 不同载荷对摩擦系数的影响

4．4．4 不同涂层的滑动摩擦磨损特性分析

4．5 等离子重熔层耐腐蚀性能研究

4．5．1 电化学腐蚀方法的测试原理

4．5．2 等离子重熔层的耐蚀性能分析

4．6 本章小结

第5章 混凝土泵车活塞杆再制造试验

5．1 自动化高速电弧喷涂系统

5．2 活塞杆高速电弧喷涂工艺规划

5．2．1 活塞杆自动化喷涂程序的编写

5．2．2 活塞杆再制造喷涂路径的规划

5．3 活塞杆再制造喷涂层和重熔层的制备

5．4 活塞杆再制造技术的经济性评估

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文