孫德儉

隨著現(xiàn)代工程要求的不斷提升，用戶對(duì)機(jī)械設(shè)備、車輛等零部件的使用性能與壽命的要求也越來(lái)越高。設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，許多零部件要承受高溫、高壓、腐蝕、磨損、重載等惡劣的工作環(huán)境，因而零部件材料容易產(chǎn)生因腐蝕、磨損、疲勞損傷、斷裂等情形，并造成設(shè)備性能下降、不符合使用要求的情況，影響了機(jī)械設(shè)備或裝備的運(yùn)行可靠性。通過(guò)廢舊零部件修復(fù)或再制造技術(shù)，對(duì)零部件恢復(fù)其原有的尺寸、形狀以及性能非常重要，尤其對(duì)貴重、大型、精度高及需要特殊材料或特種加工的零件更為重要。

一、零部件的修復(fù)

近年來(lái)，機(jī)械設(shè)備零部件的修復(fù)與再利用問(wèn)題越來(lái)越得到國(guó)家和相關(guān)科研工作者的關(guān)注。對(duì)失效的零部件進(jìn)行修復(fù)再利用，可降低原材料消耗、節(jié)約貴重合金添加劑以及減少新零件的生產(chǎn)費(fèi)用，而且通過(guò)新技術(shù)的應(yīng)用還可使零部件的某些性能大大提升，延長(zhǎng)了使用壽命。

1.機(jī)械加工修復(fù)技術(shù)

常用的機(jī)械加工修復(fù)技術(shù)，是對(duì)已磨損的零件進(jìn)行機(jī)械加工使其重新具有可用的幾何形狀[1]。具體的工藝措施包括：

①修理尺寸法。即對(duì)貴重零部件的表面損傷和形狀誤差處通過(guò)機(jī)械加工進(jìn)行修正，然后針對(duì)該零件的尺寸與結(jié)構(gòu)為之配制相應(yīng)的輔助零件。該法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但使零件失去原有的互換性。

②尺寸選配法。將一批相同規(guī)格的已失效配合件集中進(jìn)行機(jī)械加工，再按配合間隙值重新配合成對(duì)。該法工藝簡(jiǎn)單、方便實(shí)施，但必須有足夠數(shù)量才可以實(shí)施。

③附加零件法。在零件過(guò)度磨損后，將磨損工作面進(jìn)行機(jī)械加工，利用附加具有工作表面基本尺寸的襯套來(lái)彌補(bǔ)加工去掉的尺寸。該法可用來(lái)補(bǔ)償零件工作表面的磨損。

④局部更換法。對(duì)于具有多個(gè)工作表面損傷程度不一致的零部件，可采用僅對(duì)磨損或損壞嚴(yán)重的工作表面進(jìn)行局部更換修補(bǔ)，如齒輪類零件的修補(bǔ)。

⑤塑性變形法。對(duì)零部件施加外力產(chǎn)生塑性變形來(lái)恢復(fù)零件的幾何形狀，或造成非工作區(qū)域的金屬向主要工作面流動(dòng)，達(dá)到補(bǔ)償磨損、恢復(fù)零件工作尺寸和形狀的目的。該法主要用于修復(fù)對(duì)內(nèi)外部尺寸無(wú)嚴(yán)格要求的零件。

另外，還有換位修理法、鉗工加工修復(fù)、金屬扣合工藝等。

采用機(jī)械加工方法修復(fù)零部件，應(yīng)選擇設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為定位基準(zhǔn)，遵循基準(zhǔn)統(tǒng)一和加工均勻性原則；修復(fù)對(duì)平衡有要求的零件，需按規(guī)定的條件進(jìn)行平衡試驗(yàn)；注意消除應(yīng)力集中。

2.焊接修復(fù)法

焊接修復(fù)法主要包括用于恢復(fù)尺寸與形狀、修復(fù)裂紋與斷裂的補(bǔ)焊工藝以及通過(guò)熔敷金屬賦予零件表面某些特殊性能的堆焊工藝[2]。焊接是鑄件修復(fù)的主要方法之一。其優(yōu)勢(shì)在于覆層與基體呈現(xiàn)冶金結(jié)合，具有良好的結(jié)合強(qiáng)度，可修復(fù)磨損失效零件、焊補(bǔ)裂紋與斷裂、局部損傷等，但由于焊接時(shí)的不均勻加熱會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，甚至造成變形或裂紋，因此不適合細(xì)長(zhǎng)、薄殼類以及精度要求高等零部件的修復(fù)。

3.涂層法

材料表面涂層技術(shù)是零部件再制造領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)，不僅可以修復(fù)尺寸與形狀，而且可以提高材料表面的耐蝕性、耐磨性、耐疲勞性、抗高溫氧化性等[3]。

（1）熱噴涂與噴焊技術(shù)[4]

熱噴涂是指涂層材料加熱到熔融狀態(tài)，然后施加壓力，使涂層材料高速撞擊到工件表面形成涂層的工藝過(guò)程，其工藝原理如圖1。它可以制備如耐磨、耐蝕、耐熱涂層等多種功能涂層。熱噴涂技術(shù)適用范圍廣，具有基體預(yù)熱溫度低、操作靈活、涂層厚度范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，但涂層材料利用率低、涂層孔隙率高、氧化現(xiàn)象嚴(yán)重、表面粗糙等，而且涂層與基體間以機(jī)械結(jié)合為主，結(jié)合強(qiáng)度較低。

噴焊與噴涂的工藝原理相近，但噴焊工藝的加熱溫度高，要達(dá)到噴涂層顆粒熔化（約1 000～1 300℃），顆粒與基體表面潤(rùn)濕良好，形成冶金結(jié)合，因此噴焊層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，但殘余應(yīng)力較大，需進(jìn)行后處理。

（2）氣相沉積技術(shù)

氣相沉積技術(shù)是指利用氣相中發(fā)生的化學(xué)、物理反應(yīng)，在基體材料表面形成金屬、非金屬等功能涂覆層[5]，包括物理氣相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）2類。PVD技術(shù)是直接將氣相物質(zhì)沉積在基體材料表面，形成固體物質(zhì)膜層，工藝過(guò)程中只發(fā)生物理反應(yīng)，沒(méi)有化學(xué)過(guò)程。目前真空蒸發(fā)鍍、離子鍍、離子束增強(qiáng)沉積和濺射鍍等工藝方法已獲得應(yīng)用。CVD則是使用經(jīng)化學(xué)反應(yīng)的氣相物質(zhì)沉積在基材表面形成膜層，目前金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PACVD）、激光輔助化學(xué)氣相沉積（LCVD）等新技術(shù)取得了較快的發(fā)展。利用氣相沉積技術(shù)可以制備各種耐磨、耐蝕膜層，以及特殊性能的光、電、磁學(xué)功能膜層等，在機(jī)械、航天航空、電子電器、化工、建筑等諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用。

（3）電鍍技術(shù)

電鍍是指通過(guò)電解作用，使鍍液中的金屬陽(yáng)離子在基體金屬表面沉積，形成功能性表面鍍層的工藝方法[6]，該鍍層可以達(dá)到幾十微米的厚度，可以修復(fù)零部件的表面磨損或侵蝕。用于修復(fù)功能的電鍍方法包括電刷鍍、合金鍍、復(fù)合鍍等。

電刷鍍的工藝原理如圖2。工作時(shí)工件作為陰極，鍍筆為陽(yáng)極，二者間浸滿電鍍液；鍍液中的金屬離子在電場(chǎng)作用下得到電子形成金屬原子，結(jié)晶并沉積在工件表面；工件與鍍筆做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這樣可以連續(xù)形成沉積層[7]。電刷鍍工藝簡(jiǎn)單，沉積速度快，鍍液不含有毒物質(zhì)，安全環(huán)保；其局限性是不適于大批量生產(chǎn)。目前我國(guó)輪船維修行業(yè)已普遍使用電刷鍍修復(fù)船機(jī)零件。

合金鍍即在陰極上同時(shí)沉積出2種或2種以上金屬，可以制取高熔點(diǎn)和低熔點(diǎn)金屬組成的合金，以及獲得許多單金屬鍍層所不具備的優(yōu)異性能。復(fù)合鍍的工藝特征是在電鍍?nèi)芤褐屑尤脒m量的細(xì)顆粒，并使之與金屬一起均勻沉積，形成顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料鍍層。合金鍍和復(fù)合鍍等技術(shù)的應(yīng)用，大大改善了鍍層質(zhì)量，提高了鍍層性能。

（4）高能束表面熔覆技術(shù)

該技術(shù)即利用激光束、離子束等高能熱源，將預(yù)涂在基體表面的涂層材料熔化，同時(shí)將基體表面層熔化，使涂層材料與基體相互熔合而形成冶金結(jié)合[8]。高能束熔覆涂層的冷卻速度快，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，為冶金結(jié)合；熔覆層組織致密；涂層厚度可以準(zhǔn)確控制。高能束熔覆工藝適應(yīng)性強(qiáng)，涂覆材料可以是金屬或合金，也可以是陶瓷或者各種化合物陶瓷，材料的形式可以是粉末、絲材、板材?，F(xiàn)今，高能束表面熔覆技術(shù)在航空航天、機(jī)械制造、交通、模具制造等領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用。

4.粘接與表面粘涂修復(fù)技術(shù)

粘接修復(fù)技術(shù)即利用粘結(jié)劑把各種金屬或非金屬零件材料緊密而牢固粘合起來(lái)而起到修復(fù)作用的工藝方法[9]，可部分代替焊接、鉚接、過(guò)盈配合和螺栓聯(lián)接，但耐熱性不高、耐老化性能差等限制了其應(yīng)用范圍。

表面粘涂修復(fù)技術(shù)是指將由高分子聚合物與特殊填料（如石墨、二硫化鉬、金屬粉末、陶瓷粉末等）組成的復(fù)合材料膠粘劑涂敷于零件表面，賦予零件某種特殊功能的一種表面強(qiáng)化和修復(fù)的技術(shù)[10]。表面粘涂修復(fù)技術(shù)主要適用于：①難于或無(wú)法焊接的零件，如鑄鐵、鑄鋁、塑料等；②薄壁零件，可減少殘余應(yīng)力以及變形、裂紋等質(zhì)量缺陷；③內(nèi)孔、溝槽等處的修復(fù)；④需現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)的拆卸困難的大型零件，如油、氣泄漏的管道等。

二、零部件材料的回收與再生技術(shù)

對(duì)于因損壞、腐蝕、磨損等失效程度比較大而修復(fù)較困難的零部件，可以將其收集起來(lái)進(jìn)行重熔再生，利用廢舊零部件材料生產(chǎn)新的零部件。其中關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是整體報(bào)廢設(shè)備的系統(tǒng)拆解與分類、重熔過(guò)程中夾雜物的有效排除與鑄錠組織控制等。

①組合零部件的拆解與不同材料類型的分選技術(shù)。拆解與分選的目標(biāo)是有效分離各種不同類型材料以及可分離的危險(xiǎn)有害物質(zhì)等，首先采用破壞性拆解后進(jìn)行壓扁和剪切，得到不同材料仍混合在一起的大塊分解體；再經(jīng)過(guò)整體破碎或切割等處理方法，得到碎小的材料；對(duì)碎小材料塊體進(jìn)行重力、磁性分選等，根據(jù)被分選物的物理性質(zhì)，如顆粒大小、比重、電磁性等方面的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)材料種類的分離[11]。

②成分與組織控制技術(shù)。車輛零部件需要高強(qiáng)度與良好韌性性相結(jié)合的綜合性能，有效控制化學(xué)成分是實(shí)現(xiàn)廢舊零部件再生利用的前提條件。但由于目前廢舊零部件材料的分選能力有限，重熔原料中會(huì)帶入大量的夾雜元素或夾雜物，如何取得合理的化學(xué)成分成為關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)之一。目前的廢舊原料成分控制主要包括：前期預(yù)處理，包括表面涂覆物的干法與濕法去除，防止其中的夾雜物混入；通過(guò)元素提純技術(shù)，如偏析法、區(qū)域熔煉、真空蒸餾等，利用夾雜元素的揮發(fā)性等物理特性以及結(jié)晶時(shí)的偏析行為將夾雜元素排除于熔體之外；向熔體內(nèi)添加反應(yīng)性熔劑，利用熔劑與夾雜元素反應(yīng)生成高熔點(diǎn)固體顆?；蛉w等，再通過(guò)電磁吸附、過(guò)濾等凈化處理措施，將夾雜元素帶出熔體[12]。

材料的組織形態(tài)是決定材料使用性能的關(guān)鍵性因素。目前主要采取以下措施來(lái)改善組織形態(tài)：①材料的純凈化，防止過(guò)多夾雜元素的存在影響強(qiáng)化相的析出形態(tài)與分布，或者形成夾雜物；②工藝方面主要加強(qiáng)凈化處理、控制冷卻以及結(jié)晶行為控制等方法使組織細(xì)化、第二相析出均勻等；③合金化處理，通過(guò)控制析出相類型與形態(tài)、相變過(guò)程等，達(dá)到獲取預(yù)期組織形態(tài)的目的。此外，對(duì)于要求較高的零部件，還需通過(guò)變形消除鑄造缺陷、熱處理改善組織形態(tài)以及表面處理改善局部組織形態(tài)等達(dá)到提高材料使用性能的目的。

三、再生零部件質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

再生零部件的質(zhì)量檢測(cè)是保證其使用性能的重要手段，檢測(cè)的內(nèi)容與方法主要包括：

①對(duì)于再制造零件，其修復(fù)層材料的成分與結(jié)構(gòu)是決定零部件性能是否達(dá)標(biāo)的重要因素。常用的表面成分與結(jié)構(gòu)的分析方法有X射線能譜分析（EDS）與波譜分析（WDS）、俄歇電子譜分析（AES）及X射線衍射相分析（XRD）等。

②零部件修復(fù)涂層的形貌與組織是使用性能的關(guān)鍵性因素。主要采用光學(xué)顯微分析、掃描電鏡分析、透射電鏡分析等方法檢測(cè)表面形貌與組織形態(tài)。

③表面殘余應(yīng)力檢測(cè)。對(duì)于承受疲勞載荷和沖蝕磨損的零件，表面殘余應(yīng)力將明顯影響零件的性能。檢測(cè)方法主要X射線應(yīng)力分析法和翹曲殘余應(yīng)力分析法等。

④表面力學(xué)性能的檢測(cè)。包括表面硬度、摩擦系數(shù)、耐磨性等。修復(fù)涂層的表面硬度通常采用維氏硬度法、顯微硬度法等，采用摩擦磨損試驗(yàn)來(lái)測(cè)試材料的摩擦系數(shù)與耐磨性。

⑤表面耐腐蝕性能的檢測(cè)。對(duì)于表面有耐腐蝕要求零件，需要根據(jù)零件的腐蝕環(huán)境進(jìn)行腐蝕性能的檢測(cè)，主要有浸泡法、鹽霧法、電化學(xué)腐蝕電流法、交流阻抗法等。

四、零部件材料再生利用的技術(shù)發(fā)展

對(duì)廢舊零部件的再生利用，可有效提高資源利用率、降低能源消耗、減少?gòu)U棄物排放，符合國(guó)家倡導(dǎo)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求。

目前各國(guó)均投入了大量的人財(cái)物力來(lái)研究與開(kāi)發(fā)新型零部件再生利用技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益與社會(huì)效益的雙豐收。如德國(guó)弗朗霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究所（FICT）開(kāi)發(fā)了利用廢舊樹(shù)脂材料生產(chǎn)用于大型車輛的熱塑性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工藝方法，該材料的沖擊韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出現(xiàn)用熱固性復(fù)合材料[13]。

通用電氣（GE）全球研發(fā)中心涂層及表面技術(shù)實(shí)驗(yàn)室嘗試?yán)谩袄鋰娡俊奔夹g(shù)[14]，作為石油天然氣鉆井、渦輪機(jī)械的零部件修復(fù)和涂層的方式。它不像焊接那樣需要高溫，能使零件在維修后保持部件原有狀態(tài)。

另外，激光、等離子等高能設(shè)備的應(yīng)用也使廢舊零部件的表面涂層修補(bǔ)技術(shù)得到了顯著的提高，無(wú)論在涂層的材料組分、厚度控制、微觀組織確定性、結(jié)合力等，還是對(duì)基體熱影響區(qū)、殘余應(yīng)力等方面都有很大的改善。

零部件再生利用技術(shù)的應(yīng)用，體現(xiàn)了良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前世界各國(guó)都非常重視再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。美國(guó)再制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大，超過(guò)750億美元，其中汽車和工程機(jī)械領(lǐng)域占2/3以上[15]；大眾汽車公司自1947年開(kāi)始再制造發(fā)動(dòng)機(jī)，目前已累計(jì)750萬(wàn)臺(tái)以上，節(jié)約了30余萬(wàn)t的優(yōu)質(zhì)鋼材和5萬(wàn)t的鋁合金材料；柏科（常熟）電機(jī)有限公司是我國(guó)第一家汽車零部件再生利用的企業(yè)，目前汽車發(fā)電機(jī)的再制造生產(chǎn)能力為30萬(wàn)臺(tái)；上海大眾聯(lián)合發(fā)展有限公司已再制造13 000余臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，再制造發(fā)動(dòng)機(jī)的價(jià)格僅為新發(fā)動(dòng)機(jī)的55%。

五、結(jié)語(yǔ)

零部件的再生利用是實(shí)現(xiàn)減少原生礦產(chǎn)資源消耗、降低制造成本、降低廢棄物排放的有效途徑，是我國(guó)制造業(yè)加快資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的需要。零部件再生利用以及質(zhì)量檢測(cè)等技術(shù)的不斷進(jìn)步為再制造行業(yè)的快速發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

以汽車為例，目前中國(guó)國(guó)內(nèi)汽車保有量突破1億輛，預(yù)計(jì)到2020年每年報(bào)廢的汽車將達(dá)到1 400萬(wàn)輛，汽車備件需求值達(dá)到2 000億元以上，但目前我國(guó)汽車零部件再制造產(chǎn)品每年不足10億元。顯然零部件的修復(fù)與再制造工程有著非常廣闊的市場(chǎng)前景。

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