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常用再制造修復(fù)技術(shù)探討

劉亞軍

(西山煤電集團(tuán)公司 屯蘭礦，山西太原030206)

摘要為實(shí)現(xiàn)設(shè)備循環(huán)利用，延長(zhǎng)設(shè)備循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈，本文介紹了表面工程、堆焊與熔覆、電刷鍍、噴涂等幾種再制造修復(fù)技術(shù)，對(duì)各種修復(fù)技術(shù)的原理進(jìn)行了闡述，并重點(diǎn)對(duì)常用的幾種再制造修復(fù)特點(diǎn)作了比較，對(duì)設(shè)備修復(fù)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞再制造修復(fù)技術(shù)；表面工程；堆焊與熔覆；電刷鍍； 噴涂

收稿日期：2014-12-08

作者簡(jiǎn)介：劉亞軍(1975—)，男，山西興縣人，2009年畢業(yè)于中北大學(xué)，工程師，主要從事機(jī)電技術(shù)管理工作

中圖分類(lèi)號(hào)：TD407

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)01-0051-03

AbstractIn order to realize the cyclic utilization of equipment, prolong the industry chain of circular economy in equipment, introduces several kinds of remanufacturing and repairing techniques such as surface engineering, surfacing and cladding, brushing electroplating and spray coating, elaborates the principles of repairing techniques, and focuses on comparing the characteristics of several common kinds of remanufacturing and repairing techniques, it has a certain guiding significance for equipment repairing.

1國(guó)內(nèi)外再制造修復(fù)技術(shù)的研究發(fā)展?fàn)顩r及意義

再制造修復(fù)技術(shù)在西方發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)形成規(guī)?；l(fā)展，其中，在美國(guó)廣泛應(yīng)用于武器再制造、汽車(chē)生產(chǎn)和工程機(jī)械制造等行業(yè)。美軍對(duì)大批報(bào)廢的武器裝備經(jīng)過(guò)再制造使其重新形成戰(zhàn)斗力，降低了武器裝備的制造維護(hù)成本。而且，歐洲一些國(guó)家制定了有利于再制造工程的相關(guān)法律和法規(guī)，將再制造修復(fù)技術(shù)列為工業(yè)生產(chǎn)的主要研究領(lǐng)域。我國(guó)作為世界上最重要的再制造中心之一，20世紀(jì)90年代末，在中國(guó)西安召開(kāi)的“先進(jìn)制造技術(shù)國(guó)際會(huì)議”上，徐濱士院士作了《表面工程與再制造技術(shù)》的學(xué)術(shù)報(bào)告，提出了“再制造”對(duì)節(jié)能減排的貢獻(xiàn)及在發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)方面的重要作用。2005年，國(guó)家科技部制定的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》中，明確提出了發(fā)展再制造修復(fù)技術(shù)是我國(guó)制造領(lǐng)域優(yōu)先發(fā)展的主題和關(guān)鍵技術(shù)。

2常用再制造修復(fù)技術(shù)

2.1表面工程

表面工程是以表面科學(xué)為理論基礎(chǔ)，以表面和界面行為為研究對(duì)象，把互相依存、相互分工的零件基體與零件表面構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)又綜合了失效分析、表面技術(shù)、涂覆層材料、預(yù)處理和后加工、表面檢測(cè)技術(shù)、表面質(zhì)量控制、使用壽命評(píng)估、表面施工管理、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、三廢處理和重大工程實(shí)踐等多項(xiàng)內(nèi)容。

表面工程在產(chǎn)品再制造中的地位作用：1) 整機(jī)壽命的“短板”是部分損傷的零件。2) 損傷零件的“短板”是個(gè)別失效的表面。3) 表面常見(jiàn)失效形式：磨損、腐蝕。4) 對(duì)零件表面失效的治理，在整機(jī)再制造中工作量最大，而且對(duì)整機(jī)性能以及壽命的影響最為關(guān)鍵。5) 表面工程的功能是：恢復(fù)尺寸、恢復(fù)表面性能或改善表面性能。

2.2堆焊與熔覆修復(fù)技術(shù)

原理：在某種熱源作用下，使熔覆材料和母材熔化，構(gòu)成合金化熔池，經(jīng)冷卻結(jié)晶形成覆層。熔覆層截面圖見(jiàn)圖1：B>零，稱(chēng)為堆焊，B趨于零，稱(chēng)為熔覆。

堆焊與熔覆修復(fù)技術(shù)有以下幾種：電弧堆焊、等離子噴焊、激光熔覆、等離子熔覆、高頻熔覆等。

2.2.1堆焊

堆焊是在工件表面用焊接方法堆一層或多層同材質(zhì)或異材質(zhì)金屬的工藝方法。

特點(diǎn)：不僅能修理舊的金屬構(gòu)件,而且在金屬表面形成復(fù)合層,使其具有特殊的性質(zhì),從而達(dá)到提高耐磨性、延長(zhǎng)使用壽命、節(jié)約能源、減少合金消耗、縮短加工周期、降低成本和改進(jìn)設(shè)計(jì)等效果。該工藝廣泛應(yīng)用于發(fā)電站、核能、石油化工、煤炭生產(chǎn)、礦業(yè)工程、橋梁施工、制造船舶、航天工程等方面的設(shè)備修復(fù)。

圖1　熔覆層截面圖

現(xiàn)代堆焊技術(shù)在焊接技術(shù)中占有重要的地位。

2.2.2電弧堆焊

電弧堆焊包括手工焊條堆焊、藥芯焊絲埋弧自動(dòng)堆焊、絲材或帶材埋弧堆焊等。堆焊主要適用于大面積、大厚度的表面處理。藥芯焊絲通過(guò)改變芯部藥粉的種類(lèi)、比例，可以很容易改變堆焊層的性能。藥芯焊絲作為一種連續(xù)填充的材料，使堆焊生產(chǎn)效率得到提高。所以，藥芯焊絲埋弧自動(dòng)堆焊應(yīng)用非常廣泛。

2.2.3等離子噴焊技術(shù)

原理：利用壓縮等離子弧產(chǎn)生的高溫熔化金屬粉末,在工件表面形成一層與基體冶金結(jié)合的，具有特定性能熔覆層的表面焊接技術(shù)。

特點(diǎn)：和手工電弧堆焊、埋弧堆焊、鎢極氬弧堆焊相比，具有電弧能量集中、堆焊層稀釋率低、焊層硬度均勻、耗材少、噴焊設(shè)備機(jī)械化及自動(dòng)化程度高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)已在大型氣閥、高中壓閥門(mén)密封面、鉆桿耐磨帶、玻璃模具制造及再制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2.2.4激光熔覆

激光熔覆技術(shù)是指以不同的填料方式，在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，并與基體材料成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電器特性等的工藝方法。

其優(yōu)點(diǎn)為激光熔覆層與零件基體為冶金結(jié)合，且稀釋率低，基體熱影響區(qū)小，熔覆層與基體均無(wú)粗大的鑄造組織，晶粒細(xì)小，組織致密，激光熔覆過(guò)程中基體溫度不超過(guò)80 ℃，零件不易變形。該技術(shù)已成功應(yīng)用于電力、石化、冶金等行業(yè)高端技術(shù)設(shè)備的再制造中。

2.2.5等離子熔覆

等離子熔覆合金涂層是在激光熔覆和等離子噴焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其基本原理是：在柔性高溫等離子束電流作用下，將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加熱并一起融化、混合、擴(kuò)散、反應(yīng)、凝固，在金屬表面得到呈冶金結(jié)合的高硬度合金陶瓷層，從而實(shí)現(xiàn)表面的強(qiáng)化與硬化。等離子束表面冶金涂層設(shè)備的工作原理示意圖見(jiàn)圖2.

圖2　等離子束表面冶金涂層設(shè)備的工作原理示意圖

2.2.6高頻感應(yīng)熔覆

感應(yīng)加熱是指將工件置于感應(yīng)圈產(chǎn)生的交感磁場(chǎng)中，利用電磁感應(yīng)原理，使其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，依靠這些渦流的能量達(dá)到加熱目的。

高頻感應(yīng)熔覆采用高頻感應(yīng)加熱的方法在材料的表面熔覆一層涂層，特點(diǎn)是成形性好，生產(chǎn)效率高。

2.3電刷鍍修復(fù)技術(shù)

電刷鍍又稱(chēng)刷鍍，是利用電解方法使電解液中的金屬離子在零件表面上，還原成金屬原子并沉積在零件表面上，形成具有一定結(jié)合力和厚度鍍層的一種方法。電刷鍍過(guò)程中，采用專(zhuān)用的直流電源設(shè)備，使用較高的電流密度，電源的正極接鍍筆，負(fù)極接工件；鍍筆通常采用高純石墨塊作陽(yáng)極材料，外包棉花或滌棉套，以一定的壓力與工件保持接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，沉積過(guò)程間歇進(jìn)行?；咀兓^(guò)程是金屬離子在液相中傳質(zhì)，到達(dá)陰極表面邊界層；金屬離子穿過(guò)陰極表面邊界層完成表面轉(zhuǎn)化；通過(guò)與陰極的電子交換，金屬原子被還原成吸附態(tài)金屬原子；后續(xù)表面轉(zhuǎn)化，金屬原子結(jié)晶。

特點(diǎn)：鍍層性能好、結(jié)合強(qiáng)度高、沉積速度快、工件無(wú)熱變形、施工方便、對(duì)環(huán)境污染小、經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)效果好，適用性強(qiáng)。

2.4噴涂修復(fù)技術(shù)

1) 熱噴涂的原理：以某種熱源和焰流，在一定的噴涂距離內(nèi)，將材料加熱、加速成熔融狀態(tài)的高速熔滴，當(dāng)撞擊到工件表面時(shí)發(fā)生粒子扁平化和快速冷卻凝固而構(gòu)成沉積層。2) 熱噴涂的適用條件：a) 補(bǔ)償尺寸一般為1～2 mm，最大可達(dá)10 mm.b) 外圓和平面的噴涂面積可大可小，內(nèi)圓孔徑需大于150 mm.c) 基體溫度低于300 ℃，工件不易變形。d) 可加入硬質(zhì)粉末或納米粉末用于改善表面性能。e) 涂層與基體結(jié)合機(jī)理以機(jī)械咬合為主，輔助擴(kuò)散結(jié)合、物理結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度30～90 MPa級(jí)。f) 常用于零件上與滾動(dòng)軸承內(nèi)、外圈配合的表面， 密封件配合表面，滑動(dòng)摩擦面，不宜用于受交變負(fù)荷的表面。3) 以熱源不同進(jìn)行分類(lèi)：a) 高速電弧噴涂。b) 塑料火焰噴涂。c) 等離子噴涂。d) 特種噴涂。

2.4.1高速電弧噴涂

高速電弧噴涂是以產(chǎn)生的電弧為熱源，將金屬絲溶化，用壓縮空氣進(jìn)行霧化及冷卻，將需噴涂用金屬絲吹成微細(xì)顆粒，高速?lài)娤蚪?jīng)過(guò)預(yù)處理工件表面，獲得理想涂層。

高速電弧噴涂的特點(diǎn)：1) 工件不變形、不影響組織結(jié)構(gòu)。一般工件的噴涂溫升不超過(guò)100℃，所以工件不變形，對(duì)工件的組織結(jié)構(gòu)也不會(huì)有影響。2) 噴涂效率高、應(yīng)用領(lǐng)域廣。每小時(shí)可噴金屬絲材35 kg以上，可噴涂各種金屬材料和金屬陶瓷材料。目前，電弧噴涂技術(shù)已廣泛應(yīng)用在鐵塔、橋梁、水閘門(mén)、船舶等鋼結(jié)構(gòu)噴鋅噴鋁，電容、電瓷行業(yè)的電極噴涂等領(lǐng)域。

2.4.2塑料火焰噴涂

塑料火焰噴涂是將粉末通過(guò)噴槍火焰加熱至熔融狀態(tài)后噴射到工件表面而形成涂層的一種噴涂技術(shù)。

塑料火焰噴涂的特點(diǎn)：1) 工藝簡(jiǎn)便、設(shè)備簡(jiǎn)單；加工時(shí)設(shè)置的參數(shù)少，操作工人經(jīng)過(guò)短時(shí)間培訓(xùn)就能上崗操作。2) 噴涂材料來(lái)源廣泛，成本底，且生產(chǎn)效率高；塑料火焰噴涂主要使用材料粉，幾乎不需要輔助材料，有些生產(chǎn)工藝中可以用塑料材料代替貴重金屬，如銅、鉻、鎳等。生產(chǎn)效率是電鍍的十幾倍到幾十倍。3) 加工時(shí)對(duì)工件整體的熱影響小，應(yīng)用范圍廣；塑料噴涂對(duì)工件的加熱溫度一般為125～260℃，在此溫度范圍內(nèi)，對(duì)工件熱處理特性幾乎沒(méi)有影響。塑料噴涂技術(shù)可在金屬工件表面噴涂厚度為0.1～0.5 mm的覆蓋層，可以調(diào)整動(dòng)配合、靜配合或密封工件，而且還有防腐、防漏的作用。4) 噴涂層還具有良好的吸音、絕熱和電氣絕緣等性能，可以用在各種有特殊要求的工件表面。

2.4.3等離子噴涂

等離子噴涂是采用剛性非轉(zhuǎn)移型等離子弧為熱源, 將要噴涂的粉末材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，再經(jīng)過(guò)高速焰流將其霧化加速?lài)娚涞浇?jīng)預(yù)處理的工件表面，形成噴涂涂層的一種熱噴涂表面加工方法。

等離子噴涂技術(shù)的特點(diǎn)：1) 超高溫特性，便于進(jìn)行高熔點(diǎn)材料的噴涂。2) 噴射粒子的速度高，涂層致密，黏結(jié)強(qiáng)度高。3) 由于使用惰性氣體作為工作氣體，所以噴涂材料不易氧化。該技術(shù)多用于解決航空、航天領(lǐng)域等高溫部件的修復(fù)再制造。等離子噴涂亦用于醫(yī)療，在人造骨骼表面噴涂1層數(shù)十微米的涂層，作為強(qiáng)化人造骨骼及加強(qiáng)其親和力的方法。

3結(jié)束語(yǔ)

再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有利于降低就業(yè)帶來(lái)的負(fù)擔(dān)和壓力，同時(shí)還能增加經(jīng)濟(jì)效益，提高經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)資料的統(tǒng)計(jì)可以看出，在我國(guó)有萬(wàn)億元的設(shè)備由于疲勞、磨損等原因等造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)千億元，約為3%~5%的國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值。為能夠充分地變廢為寶，滿(mǎn)足可持續(xù)發(fā)展的需要，形成了一個(gè)新興的高端產(chǎn)業(yè)，再制造產(chǎn)業(yè)就在此背景下產(chǎn)生了。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，新材料新技術(shù)的不斷投入使用，必將推動(dòng)再制造修復(fù)技術(shù)的飛速發(fā)展，確保設(shè)備循環(huán)利用，延長(zhǎng)設(shè)備循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈，使設(shè)備變廢為寶，經(jīng)濟(jì)效益不可估量。

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Discussion on Common Remanufacturing and Repairing Techniques

LIU Yajun

Key wordsRemanufacturing and repairing techniques; Surface engineering; Surfacing and cladding; Brushing electroplating; Spray coating

·專(zhuān)題綜述·