表麵強化（huà）技術在單螺杆泵（bèng）轉子上的（de）應用現狀及展望

                                                                                                                                                                                                   黃吉平，楊玲，馮（féng）勝強

                          （1. 寧波鎮（zhèn）海減變速機公司，浙江 寧波 315200；2. 杭州興龍泵業有限公（gōng）司，浙江 杭（háng）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：螺杆泵中螺杆的失效形式主要為磨損失效。主要（yào）介紹了螺杆泵轉子表麵強化技術國內外發展水平（píng）。在此基礎上，分別介紹了激光合金化技術、熱噴塗常（cháng）規（guī）塗層技術、稀土增強陶瓷塗（tú）層技術，著重介紹了稀土增強陶瓷（cí）塗層的耐磨損及防腐蝕性能。對未來發展趨（qū）勢與應用前景進行了展望。

引言

螺杆泵轉子與定子是整機一大關鍵部件，螺杆最 常見的（de）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（nài）磨材料及（jí）表麵強化技術不能有效提高轉子的使用（yòng）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（shí）材料（liào）和提高製件硬度來達到（dào）延長螺杆磨損壽命，然而（ér），這種方法會使得材料中的貴重金屬含（hán）量不斷提高。此外，螺杆泵的磨損和腐蝕均發生在部件（jiàn）表麵，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，采用材料表麵噴塗（tú）耐磨損、耐腐蝕的塗層和針對陶瓷材料噴塗工藝缺陷實施封堵技術，可以充分發揮塗層材（cái）料的作（zuò）用（yòng），大幅度（dù）降低製（zhì）件（jiàn）的製造成本，節約貴重金屬資源，該項（xiàng）技術具有良好的社會效益和直接（jiē）的經濟效益。

1 國內外技術（shù）差距

在螺杆的表麵（miàn）進行強化處理方麵，歐（ōu）美發達國家尤其是德國始終走在前列。比如，德國最 佳螺杆耐（nài）磨損保（bǎo）護（hù）技術是由Battenfeld Extrusiontechnik公司新開發的BexaliOJ螺棱覆層（céng）技（jì）術，使擠出加工生產安（ān）全可靠（kào）性（xìng）和耐磨性都達到最 佳狀態。試生產結（jié）果表明，采用Bexalit覆層保護技術的螺杆，其耐磨損性能比常規的氮化處理螺杆提高幅度達100％。該公司采用的可重複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（jīn）屬結合完全、徹底，因（yīn）此可避免覆層時預熱和冷卻（què）中應力裂（liè）紋。接下來的等離子氮化處理過程使得螺杆螺棱和料（liào）筒壁之間的運轉性能進一步提（tí）高。

目前，國內在螺杆表麵進行強化處理方麵的技術及成果與歐美發達國家（jiā）相比還存在（zài）較大差距。如國產含鎳高鉻白口（kǒu）鑄鐵轉子（zǐ）壽（shòu）命是進口鎳硬白（bái）口鑄鐵壽（shòu）命的78%；45#鋼基體轉子表麵噴焊Ni60+WC預保護轉子（zǐ）壽命（mìng）是（shì）33%；45#鋼基體轉子碳氮（dàn）共（gòng）滲處理壽命是44%；45#鋼基體轉子表（biǎo）麵堆焊耐磨焊（hàn）條與保護轉子壽命是40%；45#鋼基體表麵電鍍硬鉻轉子壽命＜22%。由此可見，雖然國內已經在轉子基體表麵（miàn）進行了眾多處理，但是結果並（bìng）不盡如人意。

2 激光合金化技術

激光合金化技術國內提出了（le）一種性價比高、具有（yǒu）抗高溫粘著磨損和優良抗（kàng）腐蝕（shí）性能的激光合金化技術來進行螺杆的表麵強（qiáng）化（huà），以滿（mǎn）足成（chéng）型增強改性塑料原料的（de）需（xū）求。采用高科技的納米超細合金粉，在易磨損的螺杆表麵構成激光合金化複（fù）合（hé）塗層。螺杆基體材料選用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（nà）米碳管混合合金，其質量比為1：1：1，組（zǔ）成的化學元素（sù）有C，W，Co，Cr，Ni，Mo等。采用固體激光（guāng）器表麵熔（róng）覆技術處理，實現塗層與基體的冶金結合。經激光合金化強化後的螺杆使用壽命至少提高了2倍以上。上世紀末（mò），馬鞍山礦山研究（jiū）院針對混凝土濕噴射噴整（zhěng）機泵轉子采（cǎi）用高（gāo）鉻鑄鐵轉子使用壽命與國外尚有較（jiào）大（dà）差距問題，開展了一（yī）種新型的以45鋼為基體材料的硬麵（miàn）預保護轉子技術，該技術采用了噴焊工藝，通過在鎳基上複合添加Cr、Mo與W，在氧（yǎng）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（fāng）碳化物，促使生成Laves相與第二相（xiàng）的彌散分布強化（huà）噴焊層基體。

3 熱噴塗常規塗層技術

近年來，噴塗陶瓷塗層（céng）在抗磨損方麵顯示出了優良的（de）性能，但螺杆轉子塗層的破壞往往（wǎng）是因塗層的剝落造成的。目前，造成塗層剝落的直接原因（yīn）是（shì）塗層與基體的結合不利造（zào）成了（le）塗（tú）層過早剝落（luò），這（zhè）一（yī）現象已（yǐ）經達成了廣泛（fàn）共識。通過觀察分析發現（xiàn），塗層與基體界麵處的腐蝕嚴重的削弱了塗（tú）層的結合，使得轉子在使用一（yī）段時間後就發生塗層成片的脫落，這種（zhǒng）現象在（zài）有腐蝕性的濕性介質（zhì）中更為突出。

在現有（yǒu）技術條件下，無論塗層是以燒結（jié）或是各種噴塗技術途（tú）徑形成的，氣孔、疏鬆都是塗（tú）層客觀存在的缺陷。如（rú）能阻斷（duàn）腐蝕（shí）介質通過對塗層內部的疏鬆（sōng）、氣孔對塗層（céng）與基體界麵的腐蝕，同時提高界（jiè）麵的抗腐蝕能力和進一步提高塗（tú）層自身的（de）結構強度，就能有效地提高塗層的結合強度，在（zài）該複合技術途徑的綜合作用（yòng）下（xià），可以實（shí）現在現有技術條件下采用熱噴塗陶（táo）瓷塗層在螺杆泵轉子上（shàng）的應用。

4 稀土增強陶瓷塗層（céng）技術

近年來，寧波91麻豆视频減變速機公司通過與杭州興龍（lóng）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（qiáng）陶瓷塗層技術（shù），並達到了抗磨（mó）損、抗（kàng）腐蝕優良性能的效果。該技術主要途徑是：螺（luó）杆轉子表麵防腐塗鍍處（chù）理——稀土增韌陶瓷粉體處理——高能熱噴塗陶瓷塗層（céng）——塗層真空有機封堵處理等技術。通過摩擦（cā）磨損實驗對塗層及基體材料進（jìn）行了比較測試，測試結果如表1所示（shì）。磨損試驗選擇（zé）栓盤幹磨損方式進（jìn）行，對磨體選用￠5mmGCr15鋼球，載荷分別（bié）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  塗層（céng）及基體材料摩擦磨損性能

表2為塗層與基體材（cái）料抗（kàng）腐蝕性能實驗結果對比圖。由圖中可以看出，稀土陶瓷塗層的腐蝕性能最 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（shì）驗後，表麵未發生任何腐蝕現象。相（xiàng）比之下，WC30%+Fe塗層、CrC塗層以及Cr12MoV鋼基體的腐蝕（shí）情況要比稀土陶瓷塗（tú）層的嚴重很多，尤其是（shì）Cr12MoV鋼基體在800h以後，其表麵腐蝕已經非常嚴重。四種材料的表（biǎo）麵腐蝕情況如圖1至圖4所示。

                      表2  塗層及（jí）基體材料抗腐蝕性能（néng）

圖1 稀土增（zēng）強（qiáng）陶瓷塗層2000h腐蝕              圖2 WC30%+Fe陶瓷塗層1500h腐（fǔ）蝕樣品

圖3 CrC陶（táo）瓷塗層（céng）1500h腐蝕樣品                圖4 4Cr13鋼800h腐蝕樣品

塗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（hén）法，鋼球直徑10mm，載荷1800N，測試樣（yàng）品經1500h腐蝕測試後（hòu）進行壓（yā）痕測試。

圖5 稀土增強陶瓷塗層壓痕樣品                  圖6 CrC陶瓷塗層樣品

5 展（zhǎn）望

在熱噴塗（tú）耐磨塗層，尤其在（zài）螺杆泵（bèng）技術領域的塗層采用真空浸滲技術封堵塗層缺陷的報道還鮮有報道，且未見成果應用（yòng）。開展這（zhè）一領域研究，在國（guó）內具有一定的技術先進性，在螺杆泵行業也有領先技術的優勢（shì）。

寧波鎮（zhèn）海減變速（sù）機公司借助了國防（fáng）工業設備及技術（shù）的先進（jìn）優勢，在噴塗技術途徑上（shàng）采用了先（xiān）進的超音速火焰噴塗技術（shù）和等離子噴塗技（jì）術，獲（huò）得了優良的塗層質（zhì）量。塗層防腐技術（shù）途徑采用了真空封堵技術途徑，有效克服了噴塗（tú）塗層的（de）製（zhì）備缺陷，同時（shí）也有效地提（tí）高了塗層的（de）結（jié）構強度（dù）。

目前，在塗鍍層上應用真空浸滲技術（shù）封堵塗鍍層中的缺陷的已有研究，但進展較慢，由於受封堵劑的限製，在納米粒子浸滲劑（jì）的領域落（luò）後國外。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矽酸鹽納（nà）米粒子技術，使得鋁（lǚ）、鎂合金微弧氧化（huà）層、鋁合金陽極化層的封堵獲得良好效果，使得（dé）塗層的耐腐蝕性能成倍獲得提高。同時，在（zài）塗層（céng）與基體界麵的處理（lǐ）上，采用了（le）無裂紋塗鍍層技術，無晶（jīng）化鍍層處（chù）理，有效提高了基體的抗腐蝕性能，使45鋼（gāng）基體（tǐ）達到不鏽（xiù）鋼的耐酸堿腐蝕能力（lì），有效增加了塗（tú）層的抗腐蝕性能。