表面強(qiáng)化技術(shù)在單螺桿泵轉(zhuǎn)子上的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

黃吉平¹，楊玲²，馮勝強(qiáng)³

（1. 寧波鎮(zhèn)海減變速機(jī)公司，浙江寧波 315200；2. 杭州興龍泵業(yè)有限公司，浙江 杭州 310018；3. 中國兵器材料科學(xué)研究院寧波分院，浙江 寧波 315103）

摘要：螺桿泵中螺桿的失效形式主要為磨損失效。主要介紹了螺桿泵轉(zhuǎn)子表面強(qiáng)化技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展水平。在此基礎(chǔ)上，分別介紹了激光合金化技術(shù)、熱噴涂常規(guī)涂層技術(shù)、稀土增強(qiáng)陶瓷涂層技術(shù)，著重介紹了稀土增強(qiáng)陶瓷涂層的耐磨損及防腐蝕性能。對未來發(fā)展趨勢與應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞： 螺桿泵；轉(zhuǎn)子；表面強(qiáng)化；涂層

0 引言

    螺桿泵轉(zhuǎn)子與定子是整機(jī)一大關(guān)鍵部件，螺桿最常見的失效形式是磨損和腐蝕，它的壽命直接影響了該機(jī)組的質(zhì)量。國內(nèi)現(xiàn)有常用耐磨材料及表面強(qiáng)化技術(shù)不能有效提高轉(zhuǎn)子的使用壽命，與進(jìn)口轉(zhuǎn)子尚有較大差距。為此，研究人員不斷探索，試圖通過采用高合金耐磨耐腐蝕材料和提高制件硬度來達(dá)到延長螺桿磨損壽命，然而，這種方法會使得材料中的貴重金屬含量不斷提高。此外，螺桿泵的磨損和腐蝕均發(fā)生在部件表面，中心部位的高合金材料同樣是一個極大浪費(fèi)造。針對這種情況，采用材料表面噴涂耐磨損、耐腐蝕的涂層和針對陶瓷材料噴涂工藝缺陷實(shí)施封堵技術(shù)，可以充分發(fā)揮涂層材料的作用，大幅度降低制件的制造成本，節(jié)約貴重金屬資源，該項(xiàng)技術(shù)具有良好的社會效益和直接的經(jīng)濟(jì)效益。

1 國內(nèi)外技術(shù)差距

    在螺桿的表面進(jìn)行強(qiáng)化處理方面，歐美發(fā)達(dá)國家尤其是德國始終走在前列。比如，德國最佳螺桿耐磨損保護(hù)技術(shù)是由Battenfeld Extrusiontechnik公司新開發(fā)的BexaliOJ螺棱覆層技術(shù)，使擠出加工生產(chǎn)安全可靠性和耐磨性都達(dá)到最佳狀態(tài)。試生產(chǎn)結(jié)果表明，采用Bexalit覆層保護(hù)技術(shù)的螺桿，其耐磨損性能比常規(guī)的氮化處理螺桿提高幅度達(dá)100％。該公司采用的可重復(fù)進(jìn)行的等離子一粉末—鑲焊覆層技術(shù)�；�材和鑲焊層之間的金屬結(jié)合完全、徹底，因此可避免覆層時預(yù)熱和冷卻中應(yīng)力裂紋。接下來的等離子氮化處理過程使得螺桿螺棱和料筒壁之間的運(yùn)轉(zhuǎn)性能進(jìn)一步提高。

    目前，國內(nèi)在螺桿表面進(jìn)行強(qiáng)化處理方面的技術(shù)及成果與歐美發(fā)達(dá)國家相比還存在較大差距。如國產(chǎn)含鎳高鉻白口鑄鐵轉(zhuǎn)子壽命是進(jìn)口鎳硬白口鑄鐵壽命的78%；45#鋼基體轉(zhuǎn)子表面噴焊Ni60+WC預(yù)保護(hù)轉(zhuǎn)子壽命是33%；45#鋼基體轉(zhuǎn)子碳氮共滲處理壽命是44%；45#鋼基體轉(zhuǎn)子表面堆焊耐磨焊條與保護(hù)轉(zhuǎn)子壽命是40%；45#鋼基體表面電鍍硬鉻轉(zhuǎn)子壽命＜22%。由此可見，雖然國內(nèi)已經(jīng)在轉(zhuǎn)子基體表面進(jìn)行了眾多處理，但是結(jié)果并不盡如人意。

2 激光合金化技術(shù)

    國內(nèi)提出了一種性價比高、具有抗高溫粘著磨損和優(yōu)良抗腐蝕性能的激光合金化技術(shù)來進(jìn)行螺桿的表面強(qiáng)化，以滿足成型增強(qiáng)改性塑料原料的需求。采用高科技的納米超細(xì)合金粉，在易磨損的螺桿表面構(gòu)成激光合金化復(fù)合涂層。螺桿基體材料選用40Cr鋼，采用紅硬性優(yōu)、抗腐蝕性能良的超細(xì)合金粉(1～5μm)，具有良好抗粘著磨損的A1超細(xì)合金粉(1～5μm)和納米碳管混合合金，其質(zhì)量比為1：1：1，組成的化學(xué)元素有C，W，Co，Cr，Ni，Mo等。采用固體激光器表面熔覆技術(shù)處理，實(shí)現(xiàn)涂層與基體的冶金結(jié)合。經(jīng)激光合金化強(qiáng)化后的螺桿使用壽命至少提高了2倍以上。上世紀(jì)末，馬鞍山礦山研究院針對混凝土濕噴射噴整機(jī)泵轉(zhuǎn)子采用高鉻鑄鐵轉(zhuǎn)子使用壽命與國外尚有較大差距問題，開展了一種新型的以45鋼為基體材料的硬面預(yù)保護(hù)轉(zhuǎn)子技術(shù)，該技術(shù)采用了噴焊工藝，通過在鎳基上復(fù)合添加Cr、Mo與W，在氧乙炔高溫條件下促使形成高硬度高耐磨的第二相六方、立方碳化物，促使生成Laves相與第二相的彌散分布強(qiáng)化噴焊層基體。

3熱噴涂常規(guī)涂層技術(shù)

    近年來，噴涂陶瓷涂層在抗磨損方面顯示出了優(yōu)良的性能，但螺桿轉(zhuǎn)子涂層的破壞往往是因涂層的剝落造成的。目前，造成涂層剝落的直接原因是涂層與基體的結(jié)合不利造成了涂層過早剝落，這一現(xiàn)象已經(jīng)達(dá)成了廣泛共識。通過觀察分析發(fā)現(xiàn)，涂層與基體界面處的腐蝕嚴(yán)重的削弱了涂層的結(jié)合，使得轉(zhuǎn)子在使用一段時間后就發(fā)生涂層成片的脫落，這種現(xiàn)象在有腐蝕性的濕性介質(zhì)中更為突出。

    在現(xiàn)有技術(shù)條件下，無論涂層是以燒結(jié)或是各種噴涂技術(shù)途徑形成的，氣孔、疏松都是涂層客觀存在的缺陷。如能阻斷腐蝕介質(zhì)通過對涂層內(nèi)部的疏松、氣孔對涂層與基體界面的腐蝕，同時提高界面的抗腐蝕能力和進(jìn)一步提高涂層自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，就能有效地提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度，在該復(fù)合技術(shù)途徑的綜合作用下，可以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有技術(shù)條件下采用熱噴涂陶瓷涂層在螺桿泵轉(zhuǎn)子上的應(yīng)用。

4 稀土增強(qiáng)陶瓷涂層技術(shù)

    近年來，寧波鎮(zhèn)海減變速機(jī)公司通過與杭州興龍泵業(yè)有限公司、中國兵器科學(xué)研究院寧波分院合作，研究開發(fā)了稀土增強(qiáng)陶瓷涂層技術(shù)，并達(dá)到了抗磨損、抗腐蝕優(yōu)良性能的效果。該技術(shù)主要途徑是：螺桿轉(zhuǎn)子表面防腐涂鍍處理——稀土增韌陶瓷粉體處理——高能熱噴涂陶瓷涂層——涂層真空有機(jī)封堵處理等技術(shù)。通過摩擦磨損實(shí)驗(yàn)對涂層及基體材料進(jìn)行了比較測試，測試結(jié)果如表1所示。磨損試驗(yàn)選擇栓盤干磨損方式進(jìn)行，對磨體選用￠5mmGCr15鋼球，載荷分別為30N、90N。速度為500r/min，磨損時間為30min。Cr12MoV鋼經(jīng)淬火+回火熱處理，硬度為HRC58～62。

表1  涂層及基體材料摩擦磨損性能

    表2為涂層與基體材料抗腐蝕性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比圖。由圖中可以看出，稀土陶瓷涂層的腐蝕性能最好。腐蝕介質(zhì)為HCl水溶液腐蝕，HCl+去離子水（10% HCl），PH值1，顯強(qiáng)酸性。在經(jīng)過800h、1500h和2000h的鹽霧試驗(yàn)后，表面未發(fā)生任何腐蝕現(xiàn)象。相比之下，WC30%+Fe涂層、CrC涂層以及Cr12MoV鋼基體的腐蝕情況要比稀土陶瓷涂層的嚴(yán)重很多，尤其是Cr12MoV鋼基體在800h以后，其表面腐蝕已經(jīng)非常嚴(yán)重。四種材料的表面腐蝕情況如圖1至圖4所示。

表2  涂層及基體材料抗腐蝕性能

          圖1 稀土增強(qiáng)陶瓷涂層2000h腐蝕       圖2 WC30%+Fe陶瓷涂層1500h腐蝕樣品

        圖3  CrC陶瓷涂層1500h腐蝕樣品         圖4 4Cr13鋼800h腐蝕樣品

    涂層抗變形能力測試結(jié)果如圖5和圖6所示。實(shí)驗(yàn)采用布氏硬度壓痕法，鋼球直徑10mm，載荷1800N，測試樣品經(jīng)1500h腐蝕測試后進(jìn)行壓痕測試。

          圖5 稀土增強(qiáng)陶瓷涂層壓痕樣品                     圖6 CrC陶瓷涂層樣品

5 展望

    在熱噴涂耐磨涂層，尤其在螺桿泵技術(shù)領(lǐng)域的涂層采用真空浸滲技術(shù)封堵涂層缺陷的報道還鮮有報道，且未見成果應(yīng)用。開展這一領(lǐng)域研究，在國內(nèi)具有一定的技術(shù)先進(jìn)性，在螺桿泵行業(yè)也有領(lǐng)先技術(shù)的優(yōu)勢。

    寧波鎮(zhèn)海減變速機(jī)公司借助了國防工業(yè)設(shè)備及技術(shù)的先進(jìn)優(yōu)勢，在噴涂技術(shù)途徑上采用了先進(jìn)的超音速火焰噴涂技術(shù)和等離子噴涂技術(shù)，獲得了優(yōu)良的涂層質(zhì)量。涂層防腐技術(shù)途徑采用了真空封堵技術(shù)途徑，有效克服了噴涂涂層的制備缺陷，同時也有效地提高了涂層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

    目前，在涂鍍層上應(yīng)用真空浸滲技術(shù)封堵涂鍍層中的缺陷的已有研究，但進(jìn)展較慢，由于受封堵劑的限制，在納米粒子浸滲劑的領(lǐng)域落后國外。目前兵器行業(yè)某研究所從匈牙利引進(jìn)的真空封堵劑采用了硅酸鹽納米粒子技術(shù)，使得鋁、鎂合金微弧氧化層、鋁合金陽極化層的封堵獲得良好效果，使得涂層的耐腐蝕性能成倍獲得提高。同時，在涂層與基體界面的處理上，采用了無裂紋涂鍍層技術(shù)，無晶化鍍層處理，有效提高了基體的抗腐蝕性能，使45鋼基體達(dá)到不銹鋼的耐酸堿腐蝕能力，有效增加了涂層的抗腐蝕性能。