再制造中常用的表面工程技术

1刘世参产品再制造中常用表面技术再制造技术重点实验室提纲1.再制造工程重要概念回顾2.表面工程在产品再制造中的地位作用3.表面工程技术体系4.常用表面工程技术5.结束语21.再制造工程重要概念回顾(1)再制造是相对制造而言。制造是将原材料加工成具有一定功能的产品，再制造是在这种产品到达寿命后使其性能和保质期恢复到新品水平的加工过程。(2)再制造的性能和保质期能等同甚至超过原型机新品的基本原因是新技术在老产品上的使用，既包括磨损表面的尺寸恢复与耐磨性能提升，也包括老产品上局部部件的技术改造及软件升级。3(3)和制造新品相比，再制造产品的成本低于50%，节能60%,节材70%，对环境的不利影响低于80%。在拉动经济增长、安排就业以及企业增效等方面发挥着重要作用。(4)中国再制造的特色在于积极开发表面技术、攻克零件寿命评估难题，着力提高旧件利用率，使之对循环经济的贡献更大。(5)发展再制造产业，不仅写入了《中华人民共和国循环经济促进法》，而且列入了“十二五”规划纲要，还被国家选定为战略性新兴产业。42.表面工程在产品再制造中的地位作用——整机寿命的“短板”是部分损伤的零件；——损伤零件的“短板”是个别失效的表面；——表面常见失效形式：磨损、腐蚀；——对零件表面失效的治理，在整机再制造中工作量最大、而且对整机性能以及寿命的影响最为关键；——表面工程的功能是：恢复尺寸、恢复表面性能或改善表面性能。木桶效应53.表面工程技术体系改变基质材料成分，达到改善性能的目的，不附加膜层。表面工程技术体系表面改性表面处理表面涂覆复合表面技术纳米表面工程技术不改变表面材质成分，只改变基质材料的组织结构及应力，达到改善性能的目的，不附加膜层。如：离子注入、化学热处理等。如：表面淬火、表面变形处理、表面纳米化加工等。在基质材料表面上制备涂覆层，涂覆层的材料成分、组织、应力按照需要制备。如：电镀、电刷镀、化学镀、气相沉积、热喷涂、堆焊、熔覆、粘涂、涂装等。综合运用多类、多种表面工程技术。如：熔覆+喷涂；纳米化加工+渗扩；粘涂+电刷镀等。以传统表面工程技术为基础，通过引入纳米材料、纳米技术改善表层性能。如：纳米电刷镀、纳米热喷涂、纳米熔覆、纳米粘涂等。64.常用表面工程技术4.1堆焊与熔覆7母材fB熔覆材料（丝材、粉材）热源——电弧；等离子弧；激光束；电阻丝等熔覆层截面熔覆金属的面积f；母材熔化区面积B稀释率原理：在某种热源作用下，使熔覆材料和母材熔化，构成合金化熔池，经冷却结晶形成覆层。B大于零，称为堆焊，B趋于零，称为熔覆。稀释率反映熔覆材料的合金成分被母材的冲淡情况。1.电弧堆焊，包括手工焊条堆焊/药芯焊丝自动堆焊/丝材或带材埋弧堆焊等。擅长堆焊大面积、大厚度，设备购置费约3万元。2.等离子弧喷焊。擅长在规则形面上制备耐热合金层，设备购置费约70万元。3.激光熔覆。擅长在复杂形面上制备合金层，设备购置费约100万元。分类：8适用条件：1.零件磨损量大。2.零件服役工况恶劣。3.零件可焊性要好（无裂纹、不易变形、应力小）。4.涂层与基体冶金结合，结合强度大于500MPa级。5.能用于承受交变负荷的表面。施工要领：1.熔覆层合金化设计（影响表面性能、可焊性及后续加工性能）2.复合表面技术的运用9堆焊技术再制造辊类零件堆焊是表面工程技术的一个重要分支。堆焊是一种历史悠久，而又非常实用的技术。堆焊的显著特点是堆焊层与母体材料冶金结合，高温、重载服役条件下剥落倾向小，而且可根据服役性能和生产条件在很宽的范围内选择堆焊方法和堆焊材料。堆焊已广泛用于钢铁工业的轧辗、能源领域的加氢反应器、热壁交换炉以及矿山机械和各类阀门中。堆焊不仅是一种零件的修复、再制造手段，而且已成为诸多新品制造中不可缺少的环节。堆焊在提高零件的使用寿命以及节能、节材方面发挥着重要作用。堆焊后的立磨磨辊立磨磨辊辊面堆焊现场10药芯焊丝埋弧堆焊用于冶金连铸辊制造与再制造表面工程的最大优势是能够以多种方法制备出优于基体材料性能的表面功能薄层。表面功能薄层的厚度仅是工件整体厚度的百分之一到几十分之一，但却使工件表面获得比基体材料更高的耐磨性或抗腐蚀性、耐热性等。表面工程技术用于热成型部件的制造与旧品再制造，其节能、节材效果非常突出。药芯焊丝通过改变芯部药粉的种类、比例，可以很容易改变堆焊层的性能，药芯焊丝作为一种连续填充的材料，使堆焊生产效率大大提高。下图是以0Cr13Ni4MoN系列药芯焊丝堆焊的连铸辊。堆焊后的连铸辊装配后的连铸辊11等离子喷焊技术应用于新阀门制造和旧阀门再制造粉末等离子喷焊是利用压缩等离子弧产生的高温熔化金属粉末，在工件表面形成一层与基体冶金结合的、具有特定性能熔覆层的表面堆焊技术。和手工电弧堆焊、埋弧堆焊、钨极氩弧堆焊相比，粉末等离子喷焊具有电弧能量集中、堆焊层稀释率低、焊层硬度均匀、适用材料范围广、堆焊材料消耗少、喷焊设备机械化及自动化程度高、堆焊速度快、质量稳定等优点，适合用于大批量制备高合金、有色金属合金焊层。等离子喷焊技术已在大型气阀、高中压阀门密封面、钻杆耐磨带、玻璃模具制造及再制造等领域得到广泛应用。大型阀门密封面等离子喷焊机锥面喷焊大型柴油机气阀密封面喷焊电站高压闸阀密封面喷焊13以高能量密度的激光为热源，将零件表面预置的或与激光束移动同步输送的合金材料熔化，在零件表面形成熔覆层。激光熔覆层与零件基体为冶金结合且稀释率低，基体热影响区小，熔覆层与基体均无粗大的铸造组织，晶粒细小，组织致密，激光熔覆过程中基体温度不超过80℃，零件不易变形。激光熔覆技术已成功应用于电力、石化、冶金等行业高端技术设备的再制造中。用激光仿形熔覆技术恢复转子的尺寸及表面性能石化设备中的螺杆压缩机阴阳转子发生大面积擦伤再制造后的螺杆压缩机转子副激光熔覆技术再制造螺杆压缩机阴阳转子矿山机械工况条件恶劣，零件表面磨损、腐蚀、划伤严重。采用大功率激光表面强化技术和特种耐磨自熔性合金粉末，对采煤机及掘进机截齿、综采液压支架不锈钢立柱、刮板机、齿轮传动箱中的失效零件进行再制造，特别是在截齿端部锥面及刮板机易磨损部位，制备了冶金结合、硬质点和高韧性金属材料复合的激光强化覆层，使其使用寿命提高2～4倍。激光熔覆再制造截齿激光熔覆不锈钢立柱激光强化刮板机中部槽14激光熔覆在矿山机械上的应用15炼油厂烟气轮机叶片工况条件恶劣，承受腐蚀气体和多种硬质颗粒的冲蚀，损伤严重。采用复合表面工程技术先通过激光熔覆恢复叶片几何尺寸和力学性能，再用等离子喷涂提高叶片的表面性能，可使再制造后的叶片使用寿命超过原型新品。激光熔覆加等离子喷涂对烟气轮机叶片再制造二级动叶片典型的损伤状态二级动叶片激光熔覆过程熔覆层加工后的二级动叶片喷涂耐磨涂层后的二级动叶片4.2热喷涂气体热喷涂技术原理示意原理：以某种热源和焰流，在一定的喷涂距离内，将材料加热、加速成熔融状态的高速熔滴，当撞击到工件表面时发生粒子扁平化和快速冷却凝固而构成沉积层。16分类：以喷涂热源为命名基础，再冠以材质形态、焰流速度的特性。高速电弧丝材喷涂。温度5000～6000℃，粒速100～300m·s-1，擅长制备常用合金涂层，设备购置费约3.5万元。等离子弧粉末喷涂。温度10000～15000℃，粒速100～400m·s-1，擅长制备陶瓷涂层，设备购置费约89万元。超音速燃气粉末喷涂。温度≈3100℃，粒速300～500m·s-1，擅长制备金属陶瓷，如WC/Co涂层，设备购置费约100万元。适用条件：1.补偿尺寸一般为1~2mm，最大可达10mm。2.外圆和平面的喷涂面积可大可小，内圆孔径需大于150mm，沉积效率1~10kg/n。3.基体温度低于300℃，工件不易变形。4.可加入硬质粉末或纳米粉末用于改善表面性能。5.涂层与基体结合机理以机械咬合为主，辅助扩散结合、物理结合，结合强度30~90MPa级。6.常用于零件上与滚动轴承内、外圈配合的表面，密封件配合表面，滑动摩擦面，不宜用于受交变负荷的表面。施工要领：1.表面预处理（净化、粗化）2.喷涂材料选择及喷涂工艺参数优化18高速电弧喷涂箱体手工操作1920采用自动化高速电弧喷涂技术再制造发动机曲轴箱轴承座，涂层厚度0.6mm。单件喷涂时间由手工操作1.5h缩短为20min。耗材小于箱体重量的0.5%，费用小于箱体价格的1/10。高速电弧喷涂箱体自动化操作电弧喷涂的油污水监测处理船新建造油污水监测处理船对远望1号航天测量船进行电弧喷涂长效防腐电弧喷涂666猎潜艇长效防腐用高速电弧喷涂制备舰船防腐涂层21用高速电弧喷涂制备水陆坦克防腐涂层22用高速电弧喷涂制备舰船甲板防滑涂层23对活塞顶部和排气管用等离子喷涂制备隔热涂层25超音速火焰喷涂用于冷轧张力辊的复合制造与再制造超音速火焰喷涂（简称HVOF）是利用可燃气体在氧气助燃下释放的化学能为热源，燃气在特殊结构的喷涂枪中形成超音速焰流使喷涂粉末以熔融状态高速撞击到工件表面制备出喷涂层。超音速火焰喷涂的特点：具有高的喷涂粒子速度和相对较低的温度，特别适合于喷涂WC等金属陶瓷材料；喷涂层的压应力结构有利于制备较厚的涂层；喷涂效率高，燃气价格较低，经济性好。超音速火焰喷涂已用于冷轧张力辊新品的复合制造和旧品的再制造。下图中张力辊的母材是Q345B，过去辊表面镀铬，现在用超音速火焰喷涂制备WC涂层后，使用寿命提高3～4倍，环保效果显著。分类：以镀积金属的特性为命名基础，辅以复合镀时添加的颗粒名称。如快速Ni/n-SiO2电刷镀，快速铜电刷镀等。设备购置费约3.9万元。电刷镀原理4.3电刷镀原理：电刷镀是一种无槽液相电沉积技术。镀液中的金属离子在工件（阴极）上沉积，镀笔的运动可提高电流密度并有利于氢气排出。26适用条件：1.补偿尺寸：理想为0.2mm一下，最大3mm（需多层夹心镀）。2.外圆和平面镀积面积可大可小。内孔以镀笔能伸入、镀液易流动为原则。3.镀积尺寸便于控制，如快速镍沉积率0.5~10μm/min，设备上有安培小时计。4.基体温度常温态，零件不变形。5.通过选择镀积金属或添加纳米颗粒来调节表面性能。6.镀层与基体属外延式联生结晶，结合强度300MPa级。7.常用于零件上与滚动轴承内外圈的配合面、密封件配合面、花键侧面等，不宜用于受交变负荷的表面。8.便于现场施镀，便于对设备局部解体施镀。施工要领：1.表面预处理要求高（净化、活化）。2.正确选择镀液及规范。3.镀后一般磨削加工或打磨27空军某部利用纳米电刷镀技术再制造苏-XX飞机发动机压气机叶片，并已通过空军装备部组织的300小时台架考核和专家组鉴定。该技术已被空军批准用于飞机发动机零部件的批量再制造，已创造经济效益7500万元以上。纳米电刷镀用于飞机再制造28用电刷镀恢复连杆内孔（手工操作）29用电刷镀恢复连杆内孔（六件叠加自动操作）在自动化专机上应用电刷镀技术再制造发动机连杆，镀层厚度0.15mm，一次刷镀4～6件。耗材是零件本体重量的2%，费用是该零件新品价格的1/10。30用电刷镀恢复缸体缸套配合面（自动操作）31用电刷镀恢复缸体曲轴轴瓦配合面32用电刷镀治理坦克轮盘内孔密封环配合面33用电刷镀治理坦克被动轴自压油档配合面34用电刷镀修理电机转子内孔35用电刷镀修复大电机轴滑动摩擦面36用电刷镀修复造纸机烘干筒37用电刷镀制备导电排银层38用电刷镀现场治理飞机起落架划伤39用电刷镀现场治理冲压机活塞杆划伤40外圆刷镀层与基体结合良好旁证41镀层过度区(磨痕)基体(铸铁)镀层过度区(磨痕)基体(铸铁)缸孔偏磨磨痕放大图内孔电刷镀层与基体结合良好旁证42（1）产品再制造诸多优越性的本质是：在不改变设备（零部件）物理形态和本体材料的情况下，充分吸纳先进技术，使整机（或零部件）性能恢复与提升。（2）表面技术在再制造产品上的广泛应用，提高了旧件利用率，对节能、节材、保护环境作出了贡献，也构成了中国再制造区别与国外再制造的一大特色。5.结束语43（3）产品再制造用最常用的表面技术是：堆焊与熔覆、热喷涂、电刷镀。这些技术都很成熟且实效显著，应用时关键在于工艺得当。表面技术选用的基本原则是：表面性能能满足