一种用电弧喷涂方法制备曲轴再制造涂层用的粉芯丝材及其应用

摘要

本发明公开了一种属于发动机再制造领域的用电弧喷涂方法制备曲轴再制造涂层的粉芯丝材及涂层的制备方法。该粉芯丝材各成分质量百分比为：Cr：15-30%；B：0.5-4%；C：1.5-4.5%；Ni：6-10%；Al：0.5-3.5%；V：0.05-0.2%；余量为Fe；粉芯丝材填充率为32-34%；粉芯丝材外皮所用带材为不锈钢带。采用本发明粉芯丝材用电弧喷涂制备曲轴再制造涂层，可以实现对工程机械发动机中附加值很高的曲轴进行再制造，将废旧磨损严重的发动机曲轴恢复到新轴尺寸；该涂层具有和新轴接近的硬度，能够很好的与轴瓦配合使用；该涂层与基体有较高的结合强度，避免在使用中涂层脱落，延长了曲轴的服役寿命。

说明书

技术领域

本发明属于工程机械发动机再制造技术领域，特别涉及一种用电弧喷涂方法制备曲轴再制造涂层用粉芯丝材及其应用。

背景技术

再制造是一种对废旧产品实施高技术修复和改造的产业，它针对的是损坏或将报废的零部件，在性能失效分析、寿命评估等分析的基础上，进行再制造工程设计，采用一系列相关的先进制造技术，使再制造产品质量达到或超过新品。

据统计，我国工程机械资产已达几万亿，每年报废的工程机械设备数量惊人，若其中10%报废的设备能利用再制造技术形成产品，将创造巨大的经济效益和社会效益。再制造工程是废旧产品高科技维修的产业化,主要特征是再制造产品的质量和性能不低于新品，成本约为原新品的50%，节能60%，节材70%，对环境的负面影响显著降低，符合以“两低一高”为基本特征的循环经济的发展模式。

工程机械发动机中的典型零部件-曲轴，蕴含的附加值较高，是工程机械中附加值高的典型件。但是，传统的曲轴修复主要是将废旧曲轴用磨床加工去疲劳层变细后，再配合上加厚的轴瓦，这样的方法即为减尺寸法，虽然可以延长曲轴的服役寿命，但是加工后的曲轴直径变细，强度和抗应力应变性能均会下降，降低了其使用寿命。

发明内容

本发明旨在获得一种用电弧喷涂制备曲轴再制造涂层用粉芯丝材及涂层制备方法。实现对工程机械发动机中附加值很高的曲轴进行再制造，将废旧磨损严重的发动机曲轴恢复到新轴尺寸。同时该涂层具有和新轴接近的硬度，能够很好的与轴瓦配合使用；另外该涂层与基体有较高的结合强度，避免在使用中涂层脱落，延长了曲轴的服役寿命。

一种用电弧喷涂方法制备曲轴再制造涂层的粉芯丝材，粉芯丝材各成分质量百分比为：Cr：15-30%；B：0.5-4%；C：1.5-4.5%；Ni：6-10%；Al：0.5-3.5%；V：0.05-0.2%；余量为Fe；粉芯丝材填充率为32-34%。

上述粉芯丝材外皮所用带材为不锈钢带。

优选的粉芯丝材药粉成分质量百分比为：Cr：20-30%；B：0.5-2.5%；C：1.5-3.5%；Ni：7-10%；Al：1.5-3.5%；V：0.1-0.2%；余量为Fe。

进一步优选的粉芯丝材药粉成分质量百分比为：Cr：20-25%；B：1.5-2.5%；C：2.5-3.5%；Ni：7-9%；Al：1.5-3%；V：0.1-0.15%；余量为Fe。

一种采用上述粉芯丝材用电弧喷涂工艺制备曲轴再制造涂层的方法，包括如下步骤：

（1）对曲轴基体表面进行预处理，曲轴基体表面经预磨后进行粗化。

（2）配制药芯，通过混粉、成型、拉拔，得到粉芯丝材；

（3）采用电弧喷涂工艺将粉芯丝材喷涂在预处理过的曲轴基体上制备曲轴再制造涂层，喷涂工艺参数为：电压26-34V；电流160-240A；喷涂距离为150-200mm；压缩空气压力为0.4-0.6MPa。

其中，步骤（1）中所述曲轴基体的表面预磨使用粒度180目的砂纸，然后利用粒度为60目棕刚玉进行基体表面喷砂粗化，喷砂粗化的气压为0.4-0.6MPa，喷砂枪摆速度为5mm/s。

步骤（2）中的粉芯丝材的直径为2.0mm。

一种优选的采用上述粉芯丝材用电弧喷涂工艺制备曲轴再制造涂层的方法，将步骤（3）中的喷涂工艺参数设定为：电压28-32V；电流180-220A；喷涂距离为180mm；压缩空气压力为0.4-0.6MPa。

步骤（3）中曲轴再制造涂层的厚度为0.25-0.5mm。

一种采用上述方法所制备的曲轴再制造涂层，这种涂层是一种满足孔隙率、硬度和结合强度要求的曲轴再制造修复涂层，可以用于废旧工程机械发动机曲轴的再制造修复中。

上述粉芯丝材在曲轴的再制造修复中的应用。

本发明所述方法制备的一种曲轴再制造修复涂层所具有的高结合强度、高硬度是其自身组分共同协同作用所决定的。其各个组分的作用分别为：

Fe元素：在地壳中占有较高的质量分数，Fe基非晶或纳米晶合金在保持较高的性价比的同时，又具有优异的耐磨性能，非常适合于制备恶劣服役环境中使用的材料表面强化涂层；

Cr元素：涂层中的Cr形成具有良好耐蚀性的连续致密的Cr₂O₃氧化膜，能显著改善钢铁材料的抗氧化性能，增加抗蚀性，是广泛应用于特殊钢中的添加元素；

B元素：在铁基合金中加入适量的B可以降低晶界化学能，增强晶粒间结合力、细化晶粒，提高涂层硬度增加耐磨性；

C元素：C是原子半径较小的类金属元素，C的加入使得合金体系中元素原子半径分布更加不规律，增大了整个系统的混乱度。C元素与Cr、Fe元素具有较强的亲和力，使得体系中类金属元素的扩散迁移受到抑制，从而有效阻碍或延迟了晶化过程中Fe₂₃(C,B)₆等晶体相的析出，提高了非晶/纳米晶体系中非晶相的形成能力。改善了涂层耐磨骨架，提高涂层硬度，增强涂层耐磨性；

V元素：钒是钢的优良脱氧剂。钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。

Ni、Al元素：在喷涂过程中，Ni与Al混合发生放热反应形成AlNi之间的合金相，对基体材料表面或已形成的涂层表面进行充分加热，甚至实现微观上的冶金结合，有利于提高涂层的结合强度。

虽然涂层中的各个元素都是常规的元素，但是涂层优良的硬度和结合强度是通过各个元素之间的协同作用决定的，并不是单一元素所决定的，也不是仅仅通过有限次试验就可以得到的。根据打底层丝材中Ni和Al的含量优化进而确定了Ni和Al的含量，然后通过调整粉芯丝材中的B元素含量，优化涂层的表面硬度，再通过从众多的元素中挑选Fe、Cr、C、V并进行含量的协同及优化，制备出了曲轴再制造用的热喷涂粉芯丝材，获得同时满足孔隙率、硬度和结合强度要求的涂层，从而达到曲轴再制造的目的。

本发明用电弧喷涂方法进行工程机械发动机曲轴再制造有区别于一般的维修修复，传统的曲轴修复主要是将废旧曲轴用磨床加工去疲劳层变细后，再配合上加厚的轴瓦，这样的方法即为减尺寸法，虽然可以延长曲轴的服役寿命，但是加工后的曲轴直径变细，强度和抗应力应变性能均会下降，降低了其使用寿命；本发明中采用电弧喷涂方法对磨床加工后的曲轴进行增尺寸法再制造，既恢复了曲轴的尺寸，又不降低曲轴的性能，而且还可以和标准轴瓦配合使用，获得低孔隙率、高硬度、高结合强度的涂层，延长了再制造曲轴的服役寿命，降低了产品全寿命周期的成本。

并且，利用该方法进行工程机械发动机曲轴再制造最大程度降低了曲轴再制造加工过程中新材料的使用，因此减少了制造链条中产生的能源消耗和污染排放；再制造过程避免了传统回炉冶炼的回收模式所产生的能源消耗与污染物排放；再制造产品的可靠性和环保指标得到提升，同样降低排放和能耗。适应了环境可持续发展的环保理念。

附图说明

图1：实施例1-14制备的曲轴再制造涂层的硬度变化规律；

图2：实施例1-14制备的曲轴再制造涂层的结合强度变化规律；

图3：实施例1-14制备的曲轴再制造涂层的孔隙率强化规律；

图4：实施例14制备的曲轴再制造涂层的截面显微照片；

图5：实施例14制备的曲轴再制造涂层的正面显微照片；

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的实施例。

各实施例中相同部分如下所述：

1.实施例中粉芯丝材外皮选用规格为0.4×12mm（宽度为12mm，厚度为0.4mm）的SPCC不锈钢带，粉芯丝材药粉成分在实施例中具体说明，所选粉末分别过60目筛子，将所选各种粉末放入混粉机内混合2小时，然后将得到的混合药粉加入U形的钢带槽中，将U形槽合口，使药粉包裹其中，填充率为32-34%。然后分别经过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.0mm，得到曲轴再制造用电弧喷涂粉芯丝材。

2.基体选用一种曲轴钢基体，即42CrMo钢基体（20×20×5mm、Φ25×60mm）经粒度为180目砂纸预磨后，采用粒度为60目棕刚玉，在气体压力0.4-0.6MPa、喷砂枪摆速度5mm/s的条件下进行喷砂粗化；

3.喷涂工艺参数在实施例中具体说明，硬度实验用涂层每次喷涂厚度不超过50μm，分多次分别喷涂到500μm；结合强度试验所用涂层在同一实施例中的制备工艺参数与洛氏硬度实验涂层制备工艺参数相同，每次喷涂厚度不超过50μm，分多次喷涂到250μm。

实施例1

按照粉芯丝材药芯成分质量百分比为：Cr：15wt.%；B：4wt.%；C：4.5wt.%；Ni：6wt.%；Al：0.5wt.%；V：0.05wt.%；Fe：余量。填充率：33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压26-28V；电流160-180A；喷涂距离150mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa。

实施例2

按照粉芯丝材药芯成分质量百分比为：Cr：15wt.%；B：4wt.%；C：4.5wt.%；Ni：6wt.%；Al：0.5wt.%；V：0.05wt.%；Fe：余量。填充率：33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28-32V；电流180-220A；喷涂距离180mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa。

实施例3

按照粉芯丝材药芯成分质量百分比为：Cr：15wt.%；B：4wt.%；C：4.5wt.%；Ni：6wt.%；Al：0.5wt.%；V：0.05wt.%；Fe：余量。填充率：33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压32-34V；电流220-240A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa。

实施例4

按照粉芯丝材药芯成分质量百分比为：Cr：20wt.%；B：2.5wt.%；C：3.5wt.%；Ni：7wt.%；Al：1.5wt.%；V：0.1wt.%；Fe：余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压26-28V；电流160-180A；喷涂距离150mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa。

实施例5

按照粉芯丝材药芯成分质量百分比为：Cr：20wt.%；B：2.5wt.%；C：3.5wt.%；Ni：7wt.%；Al：1.5wt.%；V：0.1wt.%；Fe：余量。填充率：33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28-32V；电流180-220A；喷涂距离180mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa。

实施例6

按照粉芯丝材药芯成分质量百分比为：Cr：20wt.%；B：2.5wt.%；C：3.5wt.%；Ni：7wt.%；Al：1.5wt.%；V：0.1wt.%；Fe：余量。填充率：33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压32-34V；电流220-240A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa。

实施例7

按照粉芯丝材药芯成分质量百分比为：Cr：25wt.%；B：1.5wt.%；C：2.5wt.%；Ni：9wt.%；Al：3wt.%；V：0.15wt.%；Fe：余量。填充率：33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压26-28V；电流160-180A；喷涂距离150mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa。

实施例8

按照粉芯丝材药芯成分质量百分比为：Cr：25wt.%；B：1.5wt.%；C：2.5wt.%；Ni：9wt.%；Al：3wt.%；V：0.15wt.%；Fe：余量。填充率：33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28-32V；电流180-220A；喷涂距离180mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa。

实施例9

按照粉芯丝材药芯成分质量百分比为：Cr：25wt.%；B：1.5wt.%；C：2.5wt.%；Ni：9wt.%；Al：3wt.%；V：0.15wt.%；Fe：余量。填充率：33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压32-34V；电流220-240A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa。

实施例10

按照粉芯丝材药芯成分质量百分比为：Cr：30wt.%；B：0.5wt.%；C：1.5wt.%；Ni：10wt.%；Al：3.5wt.%；V：0.2wt.%；Fe：余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压26-28V；电流160-180A；喷涂距离150mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa。

实施例11

按照粉芯丝材药芯成分质量百分比为：Cr：30wt.%；B：0.5wt.%C：1.5wt.%；Ni：10wt.%；Al：3.5wt.%；V：0.2wt.%；Fe：余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28-32V；电流180-220A；喷涂距离180mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa。

实施例12

按照粉芯丝材药芯成分质量百分比为：Cr：30wt.%；B：0.5wt.%；C：1.5wt.%；Ni：10wt.%；Al：3.5wt.%；V：0.2wt.%；Fe：余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压32-34V；电流220-240A；喷涂距离200mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa。

实施例13

按照粉芯丝材药芯成分质量百分比为：Cr：23wt.%；B：2wt.%；C：3.2wt.%；Ni：8wt.%；Al：2wt.%；V：0.1wt.%；Fe：余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28-32V；电流180-220A；喷涂距离180mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa。

实施例14

按照粉芯丝材药芯成分质量百分比为：Cr：21wt.%；B：1.6wt.%；C：3wt.%；Ni：8wt.%；Al：2wt.%；V：0.1wt.%；Fe：余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数：电压28-32V；电流180-220A；喷涂距离180mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa。

各实施例所制备涂层性能检测如下所述：

1.实施例所制备涂层进行洛氏硬度测试试验中，按照GB/T230.1-2009国家标准，采用HR-150A手动洛氏硬度计，载荷150kgf，选取为120°金刚石压头，取5点洛氏硬度平均值，见表1。

2.对实施例所制备涂层进行结合强度测试，依照ASTM C633-79(1993年重新核准)标准所述进行，粘接剂选用进口FM-1000高温粘结胶，胶体配比依照说明书提供，并经190℃/2.5h固化后进行结合强度测试，取5个试样的平均值，见表1。

3.对实施例所制备涂层进行孔隙率分析，采用Image Pro Plus6.0图像分析软件，利用图像法分析涂层孔隙率，以评价涂层致密度。分别对每个实施例所制涂层的五张截面金相照片进行计算，并取其平均值，见表1。

实施例1-14涂层显微硬度变化规律见图1，实施例1-14涂层结合强度变化规律见图2，实施例1-14涂层孔隙率变化规律见图3，实施例14涂层的截面显微照片见图4、图5；通过综合考虑实施例1-14涂层的孔隙率、结合强度、洛氏硬度，对粉芯丝材药粉成分进行逐步优化，最终获得低孔隙率、高硬度、高结合强度的涂层，应用于工程机械发动机曲轴的再制造，以延长曲轴的服役寿命。

表1实施例1-14涂层的硬度、孔隙率及结合强度