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表面工程技術(shù)在工程機(jī)械中的應(yīng)用

資訊類型：資料庫 加入時(shí)間：2013年3月1日13:35

                        表面工程技術(shù)在工程機(jī)械中的應(yīng)用
                   王春英1，張瑞2，楊季龍3，伊巖3，楊曉東2
    （1.山東源根石油化工有限公司，山東濟(jì)寧272000；2.山東山推機(jī)械有限公司，山東濟(jì)寧272000；3.山推工程機(jī)械股份有限公司，山東濟(jì)寧272000）
    ［摘要］介紹了表面工程技術(shù)的作用、內(nèi)容，討論了表面工程技術(shù)在工程機(jī)械中的4類主要作用，分析了涂裝、磷化、電鍍、拋丸、熱處理等表面工程技術(shù)在工程機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了這些技術(shù)在未來的發(fā)展趨勢。
    ［關(guān)鍵詞］表面工程；涂裝；強(qiáng)化；熱處理；表面處理
    ［中圖分類號］TG174.4［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］B［文章編號］1001-554X（2012）11-0089-05
    近年來，表面工程技術(shù)取得了快速的發(fā)展，表面處理已經(jīng)成為各項(xiàng)工程設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要內(nèi)容。在機(jī)械制造中，通過對材料或產(chǎn)品的表面進(jìn)行一定處理，不僅可以提高性能和質(zhì)量，如耐蝕性、耐磨性、抗氧化性等，確保產(chǎn)品安全可靠、延長壽命，還可以美化外觀，提高產(chǎn)品附加值和市場競爭力。在工程機(jī)械行業(yè)中，表面工程技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，為提高工程機(jī)械產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和改善外觀起到了重要的作用。
    1·表面工程技術(shù)概述
    1.1表面工程的定義
    表面工程是將材料表面與基體作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用表面改性技術(shù)、薄膜技術(shù)和涂鍍層技術(shù)，使材料表面獲得材料本身沒有而又希望具有的性能的系統(tǒng)工程［1］。它包括涂鍍層材料與工藝、施涂與檢測設(shè)備、表面組成與結(jié)構(gòu)分析技術(shù)、表面性能測試技術(shù)、檢測方法、標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)、質(zhì)量保證與工藝過程控制等為制造新型表面和表面層而形成工程化、規(guī)�；某商准夹g(shù)�？傊�，在材料或產(chǎn)品表面所獲得的與基體本身在性能上存在差異的表層的技術(shù)都屬于表面工程。
    1.2表面工程技術(shù)的作用
    表面工程以最經(jīng)濟(jì)和最有效的方法改變材料表面及近表面區(qū)的形態(tài)、化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，或賦予材料一種新的表面，其作用概括起來有以下幾點(diǎn)［2］：
    （1）適應(yīng)生產(chǎn)的發(fā)展，提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益；
    （2）為其它高新技術(shù)提供特殊材料；
    （3）為設(shè)備和裝備的技術(shù)改造和維修提供有效手段；
    （4）有助于節(jié)約能源和資源；
    （5）裝飾和美化作用。
    1.3表面工程技術(shù)的內(nèi)容
    表面工程技術(shù)融合了材料、化學(xué)、物理、冶金等多個(gè)學(xué)科，以“表面”為研究核心，形成一個(gè)復(fù)合了各種表面技術(shù)的體系。根據(jù)定義，可以將表面工程技術(shù)分為三大類：
    （1）表面涂鍍技術(shù)。是將液態(tài)涂料涂敷在材料表面，或者將鍍料原子沉積在材料表面，從而獲得晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和性能有別于基體材料的涂層或鍍層。包括有機(jī)涂裝、熱浸鍍、熱噴涂、電鍍、化學(xué)鍍和氣相沉積等。
    （2）表面擴(kuò)滲技術(shù)。是將原子滲入（或離子注入）基體材料的表面，改變基體表面的化學(xué)成賦予材料一種新的表面，其作用概括起來有以下幾點(diǎn)［2］：
    （1）適應(yīng)生產(chǎn)的發(fā)展，提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益；
    （2）為其它高新技術(shù)提供特殊材料；
    （3）為設(shè)備和裝備的技術(shù)改造和維修提供有效手段；
    （4）有助于節(jié)約能源和資源；
    （5）裝飾和美化作用。
    1.3表面工程技術(shù)的內(nèi)容
    表面工程技術(shù)融合了材料、化學(xué)、物理、冶金等多個(gè)學(xué)科，以“表面”為研究核心，形成一個(gè)復(fù)合了各種表面技術(shù)的體系。根據(jù)定義，可以將表面工程技術(shù)分為三大類：
    （1）表面涂鍍技術(shù)。是將液態(tài)涂料涂敷在材料表面，或者將鍍料原子沉積在材料表面，從而獲得晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和性能有別于基體材料的涂層或鍍層。包括有機(jī)涂裝、熱浸鍍、熱噴涂、電鍍、化學(xué)鍍和氣相沉積等。
    （2）表面擴(kuò)滲技術(shù)。是將原子滲入（或離子注入）基體材料的表面，改變基體表面的化學(xué)成分，從而改變其性能。主要包括化學(xué)熱處理、陽極氧化、表面合金化和離子注入等。
    （3）表面處理技術(shù)。是通過加熱或機(jī)械處理，在不改變材料表層化學(xué)成分的情況下，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變性能。常用的表面處理技術(shù)包括表面淬火、激光重熔和噴丸等。
    2·表面工程技術(shù)在工程機(jī)械中的作用
    2.1防銹保護(hù)
    工程機(jī)械的零部件絕大多數(shù)為金屬材質(zhì)，而設(shè)備基本上都在室外露天作業(yè)，裸露的金屬很容易發(fā)生腐蝕。因此，工程機(jī)械的零部件及整機(jī)制造、使用都需要一定防銹保護(hù)，需要應(yīng)用電鍍、涂裝等表面工程技術(shù)。阻斷金屬與大氣和水分直接接觸是防止金屬發(fā)生腐蝕的前提，而表面工程中的涂鍍技術(shù)正是通過在工程機(jī)械零部件或整機(jī)表面形成一層牢固附著于金屬零部件表面的金屬鍍層或有機(jī)高分子涂層，隔離水分和空氣，從而起到防銹保護(hù)的作用。
    2.2外觀裝飾
    隨著工程機(jī)械的不斷發(fā)展和用戶對產(chǎn)品要求的提高，產(chǎn)品的外觀造型不斷改善，并且成為產(chǎn)品市場競爭的主要因素之一。外觀造型的改善一方面在于產(chǎn)品整體造型的改進(jìn)設(shè)計(jì)，另一方面在于先進(jìn)表面工程技術(shù)的應(yīng)用。電鍍、涂裝不僅對工程機(jī)械設(shè)備起到防護(hù)作用，還有十分明顯和重要的裝飾作用，賦予產(chǎn)品豐富多彩的外觀，使工程機(jī)械產(chǎn)品在色彩、色調(diào)上更宜人。
    2.3表面強(qiáng)化   工程機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件種類繁多，一些零件不僅要求具有足夠的剛度和韌性，還要求表面具有足夠的硬度和耐磨性，如齒輪齒面、傳動軸配合面等，都要求較高的表面硬度和較好的耐磨性。表面熱處理是最常采用的工藝技術(shù)，另外，拋丸用作金屬零件的表面強(qiáng)化。
    2.4零件修復(fù)
    表面工程技術(shù)除了在工程機(jī)械的制造過程起到多方面的作用，還能在工程機(jī)械使用過程中對受損零部件進(jìn)行修復(fù)和報(bào)廢工程機(jī)械的再制造［3-5］，延長工程機(jī)械的使用壽命，提高其利用價(jià)值，降低資源消耗。
    3·工程機(jī)械表面處理技術(shù)現(xiàn)狀
    3.1表面噴涂技術(shù)
    工程機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用的表面噴涂技術(shù)主要是有機(jī)高分子涂料的涂裝技術(shù)，涂裝技術(shù)的應(yīng)用貫穿于工程機(jī)械制造的整個(gè)過程。
    原材料進(jìn)廠后，需要進(jìn)行預(yù)處理、噴涂可焊底漆或車間底漆，在不影響鋼材切割、焊接性能的前提下，避免鋼材在儲存、加工過程中發(fā)生銹蝕。
    在焊接成零件后，需要涂裝防銹底漆，防止后續(xù)加工、儲存、裝配過程的銹蝕，在零部件裝配或整機(jī)裝配后還要進(jìn)行部件涂裝和整機(jī)涂裝，噴涂各色面漆，以獲得良好的產(chǎn)品外觀。目前，許多工程機(jī)械企業(yè)都在推廣零部件面漆化［6］，即在零件涂裝時(shí)不僅噴涂防銹底漆，還按整機(jī)涂裝質(zhì)量要求進(jìn)行面漆涂裝，產(chǎn)品裝配后不再進(jìn)行整機(jī)涂裝，而只進(jìn)行局部的補(bǔ)漆。
    工程機(jī)械零部件涂裝根據(jù)不同板材厚度工藝差別較大，一般分為結(jié)構(gòu)件涂裝和薄板件涂裝。結(jié)構(gòu)件一般采用拋丸進(jìn)行前處理，然后噴涂溶劑型涂料涂層。結(jié)構(gòu)件涂裝設(shè)備主要包括拋丸清理機(jī)、噴漆室、流平室、烘干室、空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)除塵系統(tǒng)、工件輸送系統(tǒng)等［7］，涂裝設(shè)備的具體參數(shù)依據(jù)所生產(chǎn)零部件進(jìn)行定制，不同廠家各不相同。薄板件涂裝采用磷化前處理，然后噴涂溶劑型涂料涂層或進(jìn)行電泳涂裝、粉末涂裝。工程機(jī)械薄板件涂裝一般由酸洗、磷化、噴漆、流平、烘干、空調(diào)送風(fēng)、排風(fēng)等多個(gè)系統(tǒng)組成［7，8］，具體參數(shù)也是依據(jù)所生產(chǎn)零部件進(jìn)行定制。
    由于行業(yè)及產(chǎn)品特點(diǎn)，工程機(jī)械涂裝技術(shù)水平總體不高，以傳統(tǒng)的溶劑型涂料涂裝為主，底漆一般采用高壓無氣噴涂或混氣噴涂，面漆一般采用混氣噴涂和空氣噴涂。近年來，工程機(jī)械行業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，工藝技術(shù)水平得到大幅提高，電泳涂裝、粉末涂裝逐步推廣應(yīng)用。目前，國內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)已有多條專業(yè)的電泳涂裝生產(chǎn)線和粉末涂裝生產(chǎn)線，主要應(yīng)用于駕駛室、機(jī)罩等薄板件［9-11］。電泳多采用陰極電泳工藝，粉末涂裝主要是采用靜電噴涂。通常，電泳涂層作為底漆涂層，粉末涂層與電泳底漆配套使用，作為面漆涂層。表1為工程機(jī)械機(jī)罩典型的涂裝工藝流程。
              
    電泳涂裝、粉末涂裝不僅環(huán)保，而且涂層綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)溶劑型涂料涂層，比如電泳底漆不存在死角，因此在行業(yè)內(nèi)越來越受到重視，已成為工程機(jī)械新建涂裝線的重點(diǎn)選擇。表2是粉末涂裝、電泳涂裝及溶劑型涂料涂裝的比較。影響電泳涂裝、粉末涂裝在工程機(jī)械大范圍推廣的主要原因是：工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件主要為厚板件，且外型尺寸較大，導(dǎo)致涂層烘干能耗成本較高，且設(shè)備投資巨大。如果能在涂層干燥工藝上得到突破，在生產(chǎn)規(guī)模上實(shí)現(xiàn)專業(yè)化涂裝生產(chǎn)，，必將推動涂裝技術(shù)的進(jìn)步和電泳涂裝、粉末涂裝在工程機(jī)械行業(yè)的普遍應(yīng)用。

    3.2化學(xué)處理技術(shù)
    化學(xué)表面處理技術(shù)廣泛用于工程機(jī)械的各類零部件，主要是作為涂裝的前處理、防銹前處理及最終防銹、裝飾處理。
    涂裝前處理主要采用磷化，在鋼鐵零件表面生成的磷化膜能提高涂層與工件表面之間的附著力，因而成為涂裝主要的前處理工序，尤其對電泳涂裝，磷化前處理必不可少［11，12］。另外，拋丸容易導(dǎo)致薄板類零件工件變形，因而也只能采用磷化處理。隨著工程機(jī)械需求量的增加和產(chǎn)能的擴(kuò)大，工程機(jī)械行業(yè)近年來建成了多條水平較高的專業(yè)磷化生產(chǎn)線，有力地推動了工程機(jī)械涂裝質(zhì)量的提高。磷化產(chǎn)生的廢液對環(huán)境有一定的污染，環(huán)保處理成本也較高，因此許多企業(yè)都在積極探索無磷及其它環(huán)保的磷化替代工藝［13，14］。
    在工程機(jī)械中，磷化除了作為涂裝前處理外，還作為防銹前處理工序廣泛應(yīng)用。液壓系統(tǒng)的管路有橡膠軟管和金屬硬管，為了保證液壓系統(tǒng)的清潔度要求硬管中不能有銹蝕和雜物，因此硬管需采用磷化處理。在酸洗去除管內(nèi)銹蝕后進(jìn)行磷化，使硬管內(nèi)壁生成一層多孔的磷化膜，然后涂油進(jìn)行防護(hù)，避免硬管內(nèi)壁再次銹蝕而影響液壓系統(tǒng)。
    除了磷化，用于工程機(jī)械防銹的化學(xué)處理還有電鍍和發(fā)黑處理。發(fā)黑處理在工程機(jī)械中的應(yīng)用相對較少，主要是一些螺栓、螺母等標(biāo)準(zhǔn)件和液壓閥等，而電鍍技術(shù)應(yīng)用較多。螺栓、螺母、墊圈等標(biāo)準(zhǔn)件及液壓軟管接頭、閥座等液壓附件都廣泛采用電鍍技術(shù)，鍍層以鋅為主，以防止這些零件在生產(chǎn)及使用過程中發(fā)生銹蝕。電鍍的另一目的是提高表面耐磨性，如液壓系統(tǒng)的油缸活塞桿、銷軸、套筒等，液壓缸活塞桿表面一般采用鍍鉻處理。金屬鍍層外觀光亮、光滑，在起到防銹保護(hù)的同時(shí)，對產(chǎn)品表面起到了良好的裝飾作用。
    電鍍還廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械的維修和再制造中［15］。一些零部件如銷軸等，由于長時(shí)間工作磨損嚴(yán)重，更換新的銷軸成本較高且加工制造周期較長，而將舊的銷軸采用電刷鍍工藝進(jìn)行修復(fù)，使其外型尺寸恢復(fù)到設(shè)計(jì)要求，不僅生產(chǎn)周期短，而且造價(jià)大大降低。工程機(jī)械再制造的推廣，為電鍍提供了更為寬廣的用武之地。
    電鍍產(chǎn)生的廢水如不進(jìn)行處理，會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。工程機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)一般都沒有電鍍生產(chǎn)車間，電鍍件一般均為外購，或?qū)㈦婂児ば蜻M(jìn)行外部協(xié)作，由專業(yè)的電鍍企業(yè)來承擔(dān)電鍍件的生產(chǎn)或電鍍工序。實(shí)際上電鍍工藝技術(shù)也在不斷發(fā)展，一些環(huán)保、污染較小、鍍層綜合性能好的電鍍工藝也應(yīng)在工程機(jī)械行業(yè)進(jìn)行推廣。
    3.3表面強(qiáng)化技術(shù)
    工程機(jī)械制造中用到的表面強(qiáng)化技術(shù)主要是拋丸強(qiáng)化技術(shù)和表面熱處理技術(shù)，用于齒輪、軸套類傳動件的表面強(qiáng)化，提高硬度和耐磨性。
    3.3.1表面拋丸技術(shù)
    拋丸屬于表面變形強(qiáng)化技術(shù)，能去除表面銹蝕和氧化皮，提高機(jī)械產(chǎn)品和金屬構(gòu)件的抗疲勞性能，消除應(yīng)力集中，延長其使用壽命，優(yōu)化工件的表面工藝狀態(tài)，因此在機(jī)械行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在工程機(jī)械中，拋丸不僅作為齒輪、銷軸類零件的表面強(qiáng)化工藝，還更多地作為結(jié)構(gòu)件的涂裝前處理工藝［16］。錐花鍵齒輪是工程機(jī)械傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵零件之一，尺寸精度高、制造工藝復(fù)雜。制造過程中涵蓋了鍛造、熱處理、機(jī)械加工、拋丸4種加工工藝的十幾道工序，其中在調(diào)質(zhì)處理和齒面熱處理后兩次拋丸，后一道拋丸就是為了強(qiáng)化表面、消除應(yīng)力。
    拋丸強(qiáng)化工藝的設(shè)備一般采用高效的自動拋丸清理機(jī)，實(shí)際生產(chǎn)中拋丸清理機(jī)的選擇要根據(jù)具體的零件尺寸進(jìn)行定制。為達(dá)到拋丸強(qiáng)化的目的，必須選擇合適的彈丸和合理的拋丸時(shí)間。拋丸處理常用的彈丸有鑄鋼丸、鋼絲切丸、合金丸等，鑄鋼丸直徑一般在0.8～1.2mm之間，硬度較低且容易被打碎，壽命較短；鋼絲切丸是采用礦山用廢舊鋼絲繩切斷、除油制成的，帶有尖角，表面清理效果好，但對于以強(qiáng)化表面為目的的拋丸工藝不宜直接采用，應(yīng)先對鋼絲切丸進(jìn)行預(yù)處理，去除尖角；由于鋼絲切丸預(yù)處理成本較高，以強(qiáng)化為目的拋丸一般采用標(biāo)準(zhǔn)的合金彈丸。
    3.3.2表面熱處理技術(shù)
    熱處理通過改變材料的組織而獲得滿足性能的材質(zhì)狀態(tài)，是工程機(jī)械轉(zhuǎn)動件及連接銷軸必不可少的工藝。錐花鍵齒輪的生產(chǎn)過程經(jīng)過3道不同的熱處理，其中最后一道是進(jìn)行表面滲碳和淬火，提高表面的硬度和耐磨性能。針對工程機(jī)械中不同零件應(yīng)用的要求，所用的表面熱處理強(qiáng)化技術(shù)也不同，有滲碳、滲氮、淬火等，常用的淬火工藝有高頻表面淬火、激光表面淬火等。
    工程機(jī)械中需進(jìn)行熱處理的工件數(shù)量和種類較多，但目的和技術(shù)要求不一樣，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)工件的用途、材料、表面硬度要求等選擇合適的熱處理工藝。無論是滲碳、滲氮，還是高頻淬火、激光表面淬火、感應(yīng)淬火技術(shù)，熱處理對于工程機(jī)械而言，是一項(xiàng)核心技術(shù)，設(shè)備和工藝參數(shù)的選擇十分關(guān)鍵，熱處理的結(jié)果將決定工程機(jī)械關(guān)鍵部件及整機(jī)的性能和使用壽命。
    如工程機(jī)械的傳動齒輪，工作條件復(fù)雜、承載大，要求齒輪具有較高的疲勞強(qiáng)度，既要求工件內(nèi)部具有一定的韌性，又要求表面具有一定的硬度和耐磨性。這類齒輪多采用20CrMnTi材料，為了獲得滿足設(shè)計(jì)和使用要求的零件，一般要求先進(jìn)行氣體滲碳、然后快速加熱淬火、回火，使表面硬度達(dá)到HRC60以上，齒根硬化深度在1.5mm以上，齒面硬化深度在2.2～2.8mm之間，而內(nèi)部組織僅需調(diào)質(zhì)處理，硬度在HB269～381之間。
    4·結(jié)語
    表面工程技術(shù)對于工程機(jī)械而言，有著十分重要的意義，從零件表面處理到整機(jī)涂裝裝飾，工程機(jī)械的生產(chǎn)制造離不開表面工程技術(shù)。工程機(jī)械再制造是工程機(jī)械今后發(fā)展的一個(gè)重要方向，將更廣泛地應(yīng)用到表面工程技術(shù)。需要指出的是，表面工程技術(shù)是一門邊緣科學(xué)，無論是涂裝還是電鍍，都與化學(xué)工程有關(guān)，落后的工藝會造成環(huán)境污染。因此，工程機(jī)械在選用表面工程技術(shù)時(shí)，要積極選擇環(huán)保的工藝和設(shè)備，并對已有的設(shè)備工藝加大技改投入，最大限度地降低對環(huán)境的污染。
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