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常用再制造修復技術(shù)探討

劉亞軍

(西山煤電集團公司 屯蘭礦，山西太原030206)

摘要為實現(xiàn)設備循環(huán)利用，延長設備循環(huán)經(jīng)濟產(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技術(shù)，對各種修復技術(shù)的原理進行了闡述，并重點對常用的幾種再制造修復特點作了比較，對設備修復具有一定的指導意義。

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

收稿日期：2014-12-08

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

中圖分類號：TD407

文獻標識碼：B

文章編號：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國內(nèi)外再制造修復技術(shù)的研究發(fā)展狀況及意義

再制造修復技術(shù)在西方發(fā)達國家已經(jīng)形成規(guī)?；l(fā)展，其中，在美國廣泛應用于武器再制造、汽車生產(chǎn)和工程機械制造等行業(yè)。美軍對大批報廢的武器裝備經(jīng)過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成本。而且，歐洲一些國家制定了有利于再制造工程的相關(guān)法律和法規(guī)，將再制造修復技術(shù)列為工業(yè)生產(chǎn)的主要研究領(lǐng)域。我國作為世界上最重要的再制造中心之一，20世紀90年代末，在中國西安召開的“先進制造技術(shù)國際會議”上，徐濱士院士作了《表面工程與再制造技術(shù)》的學術(shù)報告，提出了“再制造”對節(jié)能減排的貢獻及在發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟方面的重要作用。2005年，國家科技部制定的《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》中，明確提出了發(fā)展再制造修復技術(shù)是我國制造領(lǐng)域優(yōu)先發(fā)展的主題和關(guān)鍵技術(shù)。

2常用再制造修復技術(shù)

2.1表面工程

表面工程是以表面科學為理論基礎，以表面和界面行為為研究對象，把互相依存、相互分工的零件基體與零件表面構(gòu)成一個系統(tǒng)，同時又綜合了失效分析、表面技術(shù)、涂覆層材料、預處理和后加工、表面檢測技術(shù)、表面質(zhì)量控制、使用壽命評估、表面施工管理、技術(shù)經(jīng)濟分析、三廢處理和重大工程實踐等多項內(nèi)容。

表面工程在產(chǎn)品再制造中的地位作用：1) 整機壽命的“短板”是部分損傷的零件。2) 損傷零件的“短板”是個別失效的表面。3) 表面常見失效形式：磨損、腐蝕。4) 對零件表面失效的治理，在整機再制造中工作量最大，而且對整機性能以及壽命的影響最為關(guān)鍵。5) 表面工程的功能是：恢復尺寸、恢復表面性能或改善表面性能。

2.2堆焊與熔覆修復技術(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。熔覆層截面圖見圖1：B>零，稱為堆焊，B趨于零，稱為熔覆。

堆焊與熔覆修復技術(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：不僅能修理舊的金屬構(gòu)件,而且在金屬表面形成復合層,使其具有特殊的性質(zhì),從而達到提高耐磨性、延長使用壽命、節(jié)約能源、減少合金消耗、縮短加工周期、降低成本和改進設計等效果。該工藝廣泛應用于發(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備修復。

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。藥芯焊絲通過改變芯部藥粉的種類、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，藥芯焊絲埋弧自動堆焊應用非常廣泛。

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：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、噴焊設備機械化及自動化程度高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點。該技術(shù)已在大型氣閥、高中壓閥門密封面、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，熔覆層與基體均無粗大的鑄造組織，晶粒細小，組織致密，激光熔覆過程中基體溫度不超過80 ℃，零件不易變形。該技術(shù)已成功應用于電力、石化、冶金等行業(yè)高端技術(shù)設備的再制造中。

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上發(fā)展起來的，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、擴散、反應、凝固，在金屬表面得到呈冶金結(jié)合的高硬度合金陶瓷層，從而實現(xiàn)表面的強化與硬化。等離子束表面冶金涂層設備的工作原理示意圖見圖2.

圖2　等離子束表面冶金涂層設備的工作原理示意圖

2.2.6高頻感應熔覆

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

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

2.3電刷鍍修復技術(shù)

電刷鍍又稱刷鍍，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。電刷鍍過程中，采用專用的直流電源設備，使用較高的電流密度，電源的正極接鍍筆，負極接工件；鍍筆通常采用高純石墨塊作陽極材料，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運動，沉積過程間歇進行?；咀兓^程是金屬離子在液相中傳質(zhì)，到達陰極表面邊界層；金屬離子穿過陰極表面邊界層完成表面轉(zhuǎn)化；通過與陰極的電子交換，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：鍍層性能好、結(jié)合強度高、沉積速度快、工件無熱變形、施工方便、對環(huán)境污染小、經(jīng)濟效益和技術(shù)效果好，適用性強。

2.4噴涂修復技術(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，當撞擊到工件表面時發(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) 補償尺寸一般為1～2 mm，最大可達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)合機理以機械咬合為主，輔助擴散結(jié)合、物理結(jié)合，結(jié)合強度30～90 MPa級。f) 常用于零件上與滾動軸承內(nèi)、外圈配合的表面， 密封件配合表面，滑動摩擦面，不宜用于受交變負荷的表面。3) 以熱源不同進行分類：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，用壓縮空氣進行霧化及冷卻，將需噴涂用金屬絲吹成微細顆粒，高速噴向經(jīng)過預處理工件表面，獲得理想涂層。

高速電弧噴涂的特點：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100℃，所以工件不變形，對工件的組織結(jié)構(gòu)也不會有影響。2) 噴涂效率高、應用領(lǐng)域廣。每小時可噴金屬絲材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)已廣泛應用在鐵塔、橋梁、水閘門、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：1) 工藝簡便、設備簡單；加工時設置的參數(shù)少，操作工人經(jīng)過短時間培訓就能上崗操作。2) 噴涂材料來源廣泛，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) 加工時對工件整體的熱影響小，應用范圍廣；塑料噴涂對工件的加熱溫度一般為125～260℃，在此溫度范圍內(nèi)，對工件熱處理特性幾乎沒有影響。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)過高速焰流將其霧化加速噴射到經(jīng)預處理的工件表面，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：1) 超高溫特性，便于進行高熔點材料的噴涂。2) 噴射粒子的速度高，涂層致密，黏結(jié)強度高。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，作為強化人造骨骼及加強其親和力的方法。

3結(jié)束語

再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有利于降低就業(yè)帶來的負擔和壓力，同時還能增加經(jīng)濟效益，提高經(jīng)濟增長點。根據(jù)相關(guān)資料的統(tǒng)計可以看出，在我國有萬億元的設備由于疲勞、磨損等原因等造成的經(jīng)濟損失達千億元，約為3%~5%的國民經(jīng)濟總產(chǎn)值。為能夠充分地變廢為寶，滿足可持續(xù)發(fā)展的需要，形成了一個新興的高端產(chǎn)業(yè)，再制造產(chǎn)業(yè)就在此背景下產(chǎn)生了。隨著科學技術(shù)的不斷進步，新材料新技術(shù)的不斷投入使用，必將推動再制造修復技術(shù)的飛速發(fā)展，確保設備循環(huán)利用，延長設備循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈，使設備變廢為寶，經(jīng)濟效益不可估量。

參考文獻

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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

·專題綜述·