表面強化技術在單螺桿泵轉子上的應用現狀及展望

表面強化技術在單螺桿泵轉子上的應用現狀及展望

黃吉平¹，楊玲²，馮勝強³

（1. 寧波鎮海減變速機公司，浙江寧波 315200；2. 杭州興龍泵業有限公司，浙江 杭州 310018；3. 中國兵器材料科學研究院寧波分院，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子表面強化技術國內外發展水平。在此基礎上，分別介紹了激光合金化技術、熱噴涂常規涂層技術、稀土增強陶瓷涂層技術，著重介紹了稀土增強陶瓷涂層的耐磨損及防腐蝕性能。對未來發展趨勢與應用前景進行了展望。

關鍵詞： 螺桿泵；轉子；表面強化；涂層

0 引言

    螺桿泵轉子與定子是整機一大關鍵部件，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組的質量。國內現有常用耐磨材料及表面強化技術不能有效提高轉子的使用壽命，與進口轉子尚有較大差距。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施封堵技術，可以充分發揮涂層材料的作用，大幅度降低制件的制造成本，節約貴重金屬資源，該項技術具有良好的社會效益和直接的經濟效益。

1 國內外技術差距

    在螺桿的表面進行強化處理方面，歐美發達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技術是由Battenfeld Extrusiontechnik公司新開發的BexaliOJ螺棱覆層技術，使擠出加工生產安全可靠性和耐磨性都達到最佳狀態。試生產結果表明，采用Bexalit覆層保護技術的螺桿，其耐磨損性能比常規的氮化處理螺桿提高幅度達100％。該公司采用的可重復進行的等離子一粉末—鑲焊覆層技術。基材和鑲焊層之間的金屬結合完全、徹底，因此可避免覆層時預熱和冷卻中應力裂紋。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轉性能進一步提高。

    目前，國內在螺桿表面進行強化處理方面的技術及成果與歐美發達國家相比還存在較大差距。如國產含鎳高鉻白口鑄鐵轉子壽命是進口鎳硬白口鑄鐵壽命的78%；45#鋼基體轉子表面噴焊Ni60+WC預保護轉子壽命是33%；45#鋼基體轉子碳氮共滲處理壽命是44%；45#鋼基體轉子表面堆焊耐磨焊條與保護轉子壽命是40%；45#鋼基體表面電鍍硬鉻轉子壽命＜22%。由此可見，雖然國內已經在轉子基體表面進行了眾多處理，但是結果并不盡如人意。

2 激光合金化技術

    國內提出了一種性價比高、具有抗高溫粘著磨損和優良抗腐蝕性能的激光合金化技術來進行螺桿的表面強化，以滿足成型增強改性塑料原料的需求。采用高科技的納米超細合金粉，在易磨損的螺桿表面構成激光合金化復合涂層。螺桿基體材料選用40Cr鋼，采用紅硬性優、抗腐蝕性能良的超細合金粉(1～5μm)，具有良好抗粘著磨損的A1超細合金粉(1～5μm)和納米碳管混合合金，其質量比為1：1：1，組成的化學元素有C，W，Co，Cr，Ni，Mo等。采用固體激光器表面熔覆技術處理，實現涂層與基體的冶金結合。經激光合金化強化后的螺桿使用壽命至少提高了2倍以上。上世紀末，馬鞍山礦山研究院針對混凝土濕噴射噴整機泵轉子采用高鉻鑄鐵轉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保護轉子技術，該技術采用了噴焊工藝，通過在鎳基上復合添加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化噴焊層基體。

3熱噴涂常規涂層技術

    近年來，噴涂陶瓷涂層在抗磨損方面顯示出了優良的性能，但螺桿轉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合不利造成了涂層過早剝落，這一現象已經達成了廣泛共識。通過觀察分析發現，涂層與基體界面處的腐蝕嚴重的削弱了涂層的結合，使得轉子在使用一段時間后就發生涂層成片的脫落，這種現象在有腐蝕性的濕性介質中更為突出。

    在現有技術條件下，無論涂層是以燒結或是各種噴涂技術途徑形成的，氣孔、疏松都是涂層客觀存在的缺陷。如能阻斷腐蝕介質通過對涂層內部的疏松、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一步提高涂層自身的結構強度，就能有效地提高涂層的結合強度，在該復合技術途徑的綜合作用下，可以實現在現有技術條件下采用熱噴涂陶瓷涂層在螺桿泵轉子上的應用。

4 稀土增強陶瓷涂層技術

    近年來，寧波鎮海減變速機公司通過與杭州興龍泵業有限公司、中國兵器科學研究院寧波分院合作，研究開發了稀土增強陶瓷涂層技術，并達到了抗磨損、抗腐蝕優良性能的效果。該技術主要途徑是：螺桿轉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——涂層真空有機封堵處理等技術。通過摩擦磨損實驗對涂層及基體材料進行了比較測試，測試結果如表1所示。磨損試驗選擇栓盤干磨損方式進行，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驗結果對比圖。由圖中可以看出，稀土陶瓷涂層的腐蝕性能最好。腐蝕介質為HCl水溶液腐蝕，HCl+去離子水（10% HCl），PH值1，顯強酸性。在經過800h、1500h和2000h的鹽霧試驗后，表面未發生任何腐蝕現象。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重很多，尤其是Cr12MoV鋼基體在800h以后，其表面腐蝕已經非常嚴重。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果如圖5和圖6所示。實驗采用布氏硬度壓痕法，鋼球直徑10mm，載荷1800N，測試樣品經1500h腐蝕測試后進行壓痕測試。

          圖5 稀土增強陶瓷涂層壓痕樣品                     圖6 CrC陶瓷涂層樣品

5 展望

    在熱噴涂耐磨涂層，尤其在螺桿泵技術領域的涂層采用真空浸滲技術封堵涂層缺陷的報道還鮮有報道，且未見成果應用。開展這一領域研究，在國內具有一定的技術先進性，在螺桿泵行業也有領先技術的優勢。

    寧波鎮海減變速機公司借助了國防工業設備及技術的先進優勢，在噴涂技術途徑上采用了先進的超音速火焰噴涂技術和等離子噴涂技術，獲得了優良的涂層質量。涂層防腐技術途徑采用了真空封堵技術途徑，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構強度。

    目前，在涂鍍層上應用真空浸滲技術封堵涂鍍層中的缺陷的已有研究，但進展較慢，由于受封堵劑的限制，在納米粒子浸滲劑的領域落后國外。目前兵器行業某研究所從匈牙利引進的真空封堵劑采用了硅酸鹽納米粒子技術，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，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。