表面工程技术在工程机械中的应用

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表面工程技术在工程机械中的应用

资讯类型：资料库 加入时间：2013年3月1日13:35

                        表面工程技术在工程机械中的应用
                   王春英1，张瑞2，杨季龙3，伊岩3，杨晓东2
    （1.山东源根石油化工有限公司，山东济宁272000；2.山东山推机械有限公司，山东济宁272000；3.山推工程机械股份有限公司，山东济宁272000）
    ［摘要］介绍了表面工程技术的作用、内容，讨论了表面工程技术在工程机械中的4类主要作用，分析了涂装、磷化、电镀、抛丸、热处理等表面工程技术在工程机械行业中的应用现状，指出了这些技术在未来的发展趋势。
    ［关键词］表面工程；涂装；强化；热处理；表面处理
    ［中图分类号］TG174.4［文献标识码］B［文章编号］1001-554X（2012）11-0089-05
    近年来，表面工程技术取得了快速的发展，表面处理已经成为各项工程设计的一项主要内容。在机械制造中，通过对材料或产品的表面进行一定处理，不仅可以提高性能和质量，如耐蚀性、耐磨性、抗氧化性等，确保产品安全可靠、延长寿命，还可以美化外观，提高产品附加值和市场竞争力。在工程机械行业中，表面工程技术得到了广泛的应用，为提高工程机械产品的性能、质量和改善外观起到了重要的作用。
    1·表面工程技术概述
    1.1表面工程的定义
    表面工程是将材料表面与基体作为一个系统进行设计，利用表面改性技术、薄膜技术和涂镀层技术，使材料表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程［1］。它包括涂镀层材料与工艺、施涂与检测设备、表面组成与结构分析技术、表面性能测试技术、检测方法、标准评价、质量保证与工艺过程控制等为制造新型表面和表面层而形成工程化、规模化的成套技术。总之，在材料或产品表面所获得的与基体本身在性能上存在差异的表层的技术都属于表面工程。
    1.2表面工程技术的作用
    表面工程以最经济和最有效的方法改变材料表面及近表面区的形态、化学成分和组织结构，或赋予材料一种新的表面，其作用概括起来有以下几点［2］：
    （1）适应生产的发展，提高产品质量和经济效益；
    （2）为其它高新技术提供特殊材料；
    （3）为设备和装备的技术改造和维修提供有效手段；
    （4）有助于节约能源和资源；
    （5）装饰和美化作用。
    1.3表面工程技术的内容
    表面工程技术融合了材料、化学、物理、冶金等多个学科，以“表面”为研究核心，形成一个复合了各种表面技术的体系。根据定义，可以将表面工程技术分为三大类：
    （1）表面涂镀技术。是将液态涂料涂敷在材料表面，或者将镀料原子沉积在材料表面，从而获得晶体结构、化学成分和性能有别于基体材料的涂层或镀层。包括有机涂装、热浸镀、热喷涂、电镀、化学镀和气相沉积等。
    （2）表面扩渗技术。是将原子渗入（或离子注入）基体材料的表面，改变基体表面的化学成赋予材料一种新的表面，其作用概括起来有以下几点［2］：
    （1）适应生产的发展，提高产品质量和经济效益；
    （2）为其它高新技术提供特殊材料；
    （3）为设备和装备的技术改造和维修提供有效手段；
    （4）有助于节约能源和资源；
    （5）装饰和美化作用。
    1.3表面工程技术的内容
    表面工程技术融合了材料、化学、物理、冶金等多个学科，以“表面”为研究核心，形成一个复合了各种表面技术的体系。根据定义，可以将表面工程技术分为三大类：
    （1）表面涂镀技术。是将液态涂料涂敷在材料表面，或者将镀料原子沉积在材料表面，从而获得晶体结构、化学成分和性能有别于基体材料的涂层或镀层。包括有机涂装、热浸镀、热喷涂、电镀、化学镀和气相沉积等。
    （2）表面扩渗技术。是将原子渗入（或离子注入）基体材料的表面，改变基体表面的化学成分，从而改变其性能。主要包括化学热处理、阳极氧化、表面合金化和离子注入等。
    （3）表面处理技术。是通过加热或机械处理，在不改变材料表层化学成分的情况下，使其结构发生变化，从而改变性能。常用的表面处理技术包括表面淬火、激光重熔和喷丸等。
    2·表面工程技术在工程机械中的作用
    2.1防锈保护
    工程机械的零部件绝大多数为金属材质，而设备基本上都在室外露天作业，裸露的金属很容易发生腐蚀。因此，工程机械的零部件及整机制造、使用都需要一定防锈保护，需要应用电镀、涂装等表面工程技术。阻断金属与大气和水分直接接触是防止金属发生腐蚀的前提，而表面工程中的涂镀技术正是通过在工程机械零部件或整机表面形成一层牢固附着于金属零部件表面的金属镀层或有机高分子涂层，隔离水分和空气，从而起到防锈保护的作用。
    2.2外观装饰
    随着工程机械的不断发展和用户对产品要求的提高，产品的外观造型不断改善，并且成为产品市场竞争的主要因素之一。外观造型的改善一方面在于产品整体造型的改进设计，另一方面在于先进表面工程技术的应用。电镀、涂装不仅对工程机械设备起到防护作用，还有十分明显和重要的装饰作用，赋予产品丰富多彩的外观，使工程机械产品在色彩、色调上更宜人。
    2.3表面强化   工程机械结构复杂、零件种类繁多，一些零件不仅要求具有足够的刚度和韧性，还要求表面具有足够的硬度和耐磨性，如齿轮齿面、传动轴配合面等，都要求较高的表面硬度和较好的耐磨性。表面热处理是最常采用的工艺技术，另外，抛丸用作金属零件的表面强化。
    2.4零件修复
    表面工程技术除了在工程机械的制造过程起到多方面的作用，还能在工程机械使用过程中对受损零部件进行修复和报废工程机械的再制造［3-5］，延长工程机械的使用寿命，提高其利用价值，降低资源消耗。
    3·工程机械表面处理技术现状
    3.1表面喷涂技术
    工程机械行业中应用的表面喷涂技术主要是有机高分子涂料的涂装技术，涂装技术的应用贯穿于工程机械制造的整个过程。
    原材料进厂后，需要进行预处理、喷涂可焊底漆或车间底漆，在不影响钢材切割、焊接性能的前提下，避免钢材在储存、加工过程中发生锈蚀。
    在焊接成零件后，需要涂装防锈底漆，防止后续加工、储存、装配过程的锈蚀，在零部件装配或整机装配后还要进行部件涂装和整机涂装，喷涂各色面漆，以获得良好的产品外观。目前，许多工程机械企业都在推广零部件面漆化［6］，即在零件涂装时不仅喷涂防锈底漆，还按整机涂装质量要求进行面漆涂装，产品装配后不再进行整机涂装，而只进行局部的补漆。
    工程机械零部件涂装根据不同板材厚度工艺差别较大，一般分为结构件涂装和薄板件涂装。结构件一般采用抛丸进行前处理，然后喷涂溶剂型涂料涂层。结构件涂装设备主要包括抛丸清理机、喷漆室、流平室、烘干室、空调送风系统、通风除尘系统、工件输送系统等［7］，涂装设备的具体参数依据所生产零部件进行定制，不同厂家各不相同。薄板件涂装采用磷化前处理，然后喷涂溶剂型涂料涂层或进行电泳涂装、粉末涂装。工程机械薄板件涂装一般由酸洗、磷化、喷漆、流平、烘干、空调送风、排风等多个系统组成［7，8］，具体参数也是依据所生产零部件进行定制。
    由于行业及产品特点，工程机械涂装技术水平总体不高，以传统的溶剂型涂料涂装为主，底漆一般采用高压无气喷涂或混气喷涂，面漆一般采用混气喷涂和空气喷涂。近年来，工程机械行业持续快速发展，生产规模不断扩大，工艺技术水平得到大幅提高，电泳涂装、粉末涂装逐步推广应用。目前，国内工程机械行业已有多条专业的电泳涂装生产线和粉末涂装生产线，主要应用于驾驶室、机罩等薄板件［9-11］。电泳多采用阴极电泳工艺，粉末涂装主要是采用静电喷涂。通常，电泳涂层作为底漆涂层，粉末涂层与电泳底漆配套使用，作为面漆涂层。表1为工程机械机罩典型的涂装工艺流程。
              
    电泳涂装、粉末涂装不仅环保，而且涂层综合性能优于传统溶剂型涂料涂层，比如电泳底漆不存在死角，因此在行业内越来越受到重视，已成为工程机械新建涂装线的重点选择。表2是粉末涂装、电泳涂装及溶剂型涂料涂装的比较。影响电泳涂装、粉末涂装在工程机械大范围推广的主要原因是：工程机械结构件主要为厚板件，且外型尺寸较大，导致涂层烘干能耗成本较高，且设备投资巨大。如果能在涂层干燥工艺上得到突破，在生产规模上实现专业化涂装生产，，必将推动涂装技术的进步和电泳涂装、粉末涂装在工程机械行业的普遍应用。

    3.2化学处理技术
    化学表面处理技术广泛用于工程机械的各类零部件，主要是作为涂装的前处理、防锈前处理及最终防锈、装饰处理。
    涂装前处理主要采用磷化，在钢铁零件表面生成的磷化膜能提高涂层与工件表面之间的附着力，因而成为涂装主要的前处理工序，尤其对电泳涂装，磷化前处理必不可少［11，12］。另外，抛丸容易导致薄板类零件工件变形，因而也只能采用磷化处理。随着工程机械需求量的增加和产能的扩大，工程机械行业近年来建成了多条水平较高的专业磷化生产线，有力地推动了工程机械涂装质量的提高。磷化产生的废液对环境有一定的污染，环保处理成本也较高，因此许多企业都在积极探索无磷及其它环保的磷化替代工艺［13，14］。
    在工程机械中，磷化除了作为涂装前处理外，还作为防锈前处理工序广泛应用。液压系统的管路有橡胶软管和金属硬管，为了保证液压系统的清洁度要求硬管中不能有锈蚀和杂物，因此硬管需采用磷化处理。在酸洗去除管内锈蚀后进行磷化，使硬管内壁生成一层多孔的磷化膜，然后涂油进行防护，避免硬管内壁再次锈蚀而影响液压系统。
    除了磷化，用于工程机械防锈的化学处理还有电镀和发黑处理。发黑处理在工程机械中的应用相对较少，主要是一些螺栓、螺母等标准件和液压阀等，而电镀技术应用较多。螺栓、螺母、垫圈等标准件及液压软管接头、阀座等液压附件都广泛采用电镀技术，镀层以锌为主，以防止这些零件在生产及使用过程中发生锈蚀。电镀的另一目的是提高表面耐磨性，如液压系统的油缸活塞杆、销轴、套筒等，液压缸活塞杆表面一般采用镀铬处理。金属镀层外观光亮、光滑，在起到防锈保护的同时，对产品表面起到了良好的装饰作用。
    电镀还广泛应用于工程机械的维修和再制造中［15］。一些零部件如销轴等，由于长时间工作磨损严重，更换新的销轴成本较高且加工制造周期较长，而将旧的销轴采用电刷镀工艺进行修复，使其外型尺寸恢复到设计要求，不仅生产周期短，而且造价大大降低。工程机械再制造的推广，为电镀提供了更为宽广的用武之地。
    电镀产生的废水如不进行处理，会对环境造成严重污染。工程机械生产企业一般都没有电镀生产车间，电镀件一般均为外购，或将电镀工序进行外部协作，由专业的电镀企业来承担电镀件的生产或电镀工序。实际上电镀工艺技术也在不断发展，一些环保、污染较小、镀层综合性能好的电镀工艺也应在工程机械行业进行推广。
    3.3表面强化技术
    工程机械制造中用到的表面强化技术主要是抛丸强化技术和表面热处理技术，用于齿轮、轴套类传动件的表面强化，提高硬度和耐磨性。
    3.3.1表面抛丸技术
    抛丸属于表面变形强化技术，能去除表面锈蚀和氧化皮，提高机械产品和金属构件的抗疲劳性能，消除应力集中，延长其使用寿命，优化工件的表面工艺状态，因此在机械行业中得到广泛应用。在工程机械中，抛丸不仅作为齿轮、销轴类零件的表面强化工艺，还更多地作为结构件的涂装前处理工艺［16］。锥花键齿轮是工程机械传动系统的关键零件之一，尺寸精度高、制造工艺复杂。制造过程中涵盖了锻造、热处理、机械加工、抛丸4种加工工艺的十几道工序，其中在调质处理和齿面热处理后两次抛丸，后一道抛丸就是为了强化表面、消除应力。
    抛丸强化工艺的设备一般采用高效的自动抛丸清理机，实际生产中抛丸清理机的选择要根据具体的零件尺寸进行定制。为达到抛丸强化的目的，必须选择合适的弹丸和合理的抛丸时间。抛丸处理常用的弹丸有铸钢丸、钢丝切丸、合金丸等，铸钢丸直径一般在0.8～1.2mm之间，硬度较低且容易被打碎，寿命较短；钢丝切丸是采用矿山用废旧钢丝绳切断、除油制成的，带有尖角，表面清理效果好，但对于以强化表面为目的的抛丸工艺不宜直接采用，应先对钢丝切丸进行预处理，去除尖角；由于钢丝切丸预处理成本较高，以强化为目的抛丸一般采用标准的合金弹丸。
    3.3.2表面热处理技术
    热处理通过改变材料的组织而获得满足性能的材质状态，是工程机械转动件及连接销轴必不可少的工艺。锥花键齿轮的生产过程经过3道不同的热处理，其中最后一道是进行表面渗碳和淬火，提高表面的硬度和耐磨性能。针对工程机械中不同零件应用的要求，所用的表面热处理强化技术也不同，有渗碳、渗氮、淬火等，常用的淬火工艺有高频表面淬火、激光表面淬火等。
    工程机械中需进行热处理的工件数量和种类较多，但目的和技术要求不一样，在实际生产中，应根据工件的用途、材料、表面硬度要求等选择合适的热处理工艺。无论是渗碳、渗氮，还是高频淬火、激光表面淬火、感应淬火技术，热处理对于工程机械而言，是一项核心技术，设备和工艺参数的选择十分关键，热处理的结果将决定工程机械关键部件及整机的性能和使用寿命。
    如工程机械的传动齿轮，工作条件复杂、承载大，要求齿轮具有较高的疲劳强度，既要求工件内部具有一定的韧性，又要求表面具有一定的硬度和耐磨性。这类齿轮多采用20CrMnTi材料，为了获得满足设计和使用要求的零件，一般要求先进行气体渗碳、然后快速加热淬火、回火，使表面硬度达到HRC60以上，齿根硬化深度在1.5mm以上，齿面硬化深度在2.2～2.8mm之间，而内部组织仅需调质处理，硬度在HB269～381之间。
    4·结语
    表面工程技术对于工程机械而言，有着十分重要的意义，从零件表面处理到整机涂装装饰，工程机械的生产制造离不开表面工程技术。工程机械再制造是工程机械今后发展的一个重要方向，将更广泛地应用到表面工程技术。需要指出的是，表面工程技术是一门边缘科学，无论是涂装还是电镀，都与化学工程有关，落后的工艺会造成环境污染。因此，工程机械在选用表面工程技术时，要积极选择环保的工艺和设备，并对已有的设备工艺加大技改投入，最大限度地降低对环境的污染。
［参考文献］
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