再制造中常用的表面工程技術

劉世參產(chǎn)品再制造中常用表面技術再制造技術重點實驗室1本文檔共45頁；當前第1頁；編輯于星期三\2點18分提綱1.再制造工程重要概念回顧

2.表面工程在產(chǎn)品再制造中的地位作用

3.表面工程技術體系

4.常用表面工程技術

5.結束語2本文檔共45頁；當前第2頁；編輯于星期三\2點18分1.再制造工程重要概念回顧(1)再制造是相對制造而言。制造是將原材料加工成具有一定功能的產(chǎn)品，再制造是在這種產(chǎn)品到達壽命后使其性能和保質期恢復到新品水平的加工過程。(2)再制造的性能和保質期能等同甚至超過原型機新品的基本原因是新技術在老產(chǎn)品上的使用，既包括磨損表面的尺寸恢復與耐磨性能提升，也包括老產(chǎn)品上局部部件的技術改造及軟件升級。3本文檔共45頁；當前第3頁；編輯于星期三\2點18分(3)和制造新品相比，再制造產(chǎn)品的成本低于50%，節(jié)能60%,節(jié)材70%，對環(huán)境的不利影響低于80%。在拉動經(jīng)濟增長、安排就業(yè)以及企業(yè)增效等方面發(fā)揮著重要作用。(4)中國再制造的特色在于積極開發(fā)表面技術、攻克零件壽命評估難題，著力提高舊件利用率，使之對循環(huán)經(jīng)濟的貢獻更大。(5)發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)，不僅寫入了《中華人民共和國循環(huán)經(jīng)濟促進法》，而且列入了“十二五”規(guī)劃綱要，還被國家選定為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。4本文檔共45頁；當前第4頁；編輯于星期三\2點18分.表面工程在產(chǎn)品再制造中的地位作用——整機壽命的“短板”是部分損傷的零件；——損傷零件的“短板”是個別失效的表面；——表面常見失效形式：磨損、腐蝕；——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鍵；——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。木桶效應5本文檔共45頁；當前第5頁；編輯于星期三\2點18分3.表面工程技術體系改變基質材料成分，達到改善性能的目的，不附加膜層。表面工程技術體系表面改性表面處理表面涂覆復合表面技術納米表面工程技術不改變表面材質成分，只改變基質材料的組織結構及應力，達到改善性能的目的，不附加膜層。如：離子注入、化學熱處理等。如：表面淬火、表面變形處理、表面納米化加工等。在基質材料表面上制備涂覆層，涂覆層的材料成分、組織、應力按照需要制備。如：電鍍、電刷鍍、化學鍍、氣相沉積、熱噴涂、堆焊、熔覆、粘涂、涂裝等。綜合運用多類、多種表面工程技術。如：熔覆+噴涂；納米化加工+滲擴；粘涂+電刷鍍等。以傳統(tǒng)表面工程技術為基礎，通過引入納米材料、納米技術改善表層性能。如：納米電刷鍍、納米熱噴涂、納米熔覆、納米粘涂等。6本文檔共45頁；當前第6頁；編輯于星期三\2點18分常用表面工程技術4.1堆焊與熔覆

7母材fB熔覆材料（絲材、粉材）熱源——電??；等離子??；激光束；電阻絲等熔覆層截面熔覆金屬的面積f；母材熔化區(qū)面積B稀釋率原理：

在某種熱源作用下，使熔覆材料和母材熔化，構成合金化熔池，經(jīng)冷卻結晶形成覆層。

B大于零，稱為堆焊，B趨于零，稱為熔覆。稀釋率反映熔覆材料的合金成分被母材的沖淡情況。本文檔共45頁；當前第7頁；編輯于星期三\2點18分電弧堆焊，包括手工焊條堆焊/藥芯焊絲自動堆焊/絲材或帶材埋弧堆焊等。擅長堆焊大面積、大厚度，設備購置費約3萬元。等離子弧噴焊。擅長在規(guī)則形面上制備耐熱合金層，設備購置費約70萬元。激光熔覆。擅長在復雜形面上制備合金層，設備購置費約100萬元。分類：8本文檔共45頁；當前第8頁；編輯于星期三\2點18分適用條件：1.零件磨損量大。2.零件服役工況惡劣。3.零件可焊性要好（無裂紋、不易變形、應力?。?.涂層與基體冶金結合，結合強度大于500MPa級。5.能用于承受交變負荷的表面。施工要領：

1.熔覆層合金化設計（影響表面性能、可焊性及后續(xù)加工性能）2.復合表面技術的運用9本文檔共45頁；當前第9頁；編輯于星期三\2點18分堆焊技術再制造輥類零件

堆焊是表面工程技術的一個重要分支。堆焊是一種歷史悠久，而又非常實用的技術。堆焊的顯著特點是堆焊層與母體材料冶金結合，高溫、重載服役條件下剝落傾向小，而且可根據(jù)服役性能和生產(chǎn)條件在很寬的范圍內選擇堆焊方法和堆焊材料。堆焊已廣泛用于鋼鐵工業(yè)的軋輾、能源領域的加氫反應器、熱壁交換爐以及礦山機械和各類閥門中。堆焊不僅是一種零件的修復、再制造手段，而且已成為諸多新品制造中不可缺少的環(huán)節(jié)。堆焊在提高零件的使用壽命以及節(jié)能、節(jié)材方面發(fā)揮著重要作用。堆焊后的立磨磨輥立磨磨輥輥面堆焊現(xiàn)場10本文檔共45頁；當前第10頁；編輯于星期三\2點18分藥芯焊絲埋弧堆焊用于冶金連鑄輥制造與再制造表面工程的最大優(yōu)勢是能夠以多種方法制備出優(yōu)于基體材料性能的表面功能薄層。表面功能薄層的厚度僅是工件整體厚度的百分之一到幾十分之一，但卻使工件表面獲得比基體材料更高的耐磨性或抗腐蝕性、耐熱性等。表面工程技術用于熱成型部件的制造與舊品再制造，其節(jié)能、節(jié)材效果非常突出。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)效率大大提高。下圖是以0Cr13Ni4MoN系列藥芯焊絲堆焊的連鑄輥。堆焊后的連鑄輥裝配后的連鑄輥11本文檔共45頁；當前第11頁；編輯于星期三\2點18分等離子噴焊技術應用于新閥門制造和舊閥門再制造粉末等離子噴焊是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合的、具有特定性能熔覆層的表面堆焊技術。和手工電弧堆焊、埋弧堆焊、鎢極氬弧堆焊相比，粉末等離子噴焊具有電弧能量集中、堆焊層稀釋率低、焊層硬度均勻、適用材料范圍廣、堆焊材料消耗少、噴焊設備機械化及自動化程度高、堆焊速度快、質量穩(wěn)定等優(yōu)點，適合用于大批量制備高合金、有色金屬合金焊層。等離子噴焊技術已在大型氣閥、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域得到廣泛應用。大型閥門密封面等離子噴焊機錐面噴焊大型柴油機氣閥密封面噴焊電站高壓閘閥密封面噴焊本文檔共45頁；當前第12頁；編輯于星期三\2點18分13以高能量密度的激光為熱源，將零件表面預置的或與激光束移動同步輸送的合金材料熔化，在零件表面形成熔覆層。激光熔覆層與零件基體為冶金結合且稀釋率低，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。激光熔覆技術已成功應用于電力、石化、冶金等行業(yè)高端技術設備的再制造中。用激光仿形熔覆技術恢復轉子的尺寸及表面性能

石化設備中的螺桿壓縮機陰陽轉子發(fā)生大面積擦傷再制造后的螺桿壓縮機轉子副

激光熔覆技術再制造螺桿壓縮機陰陽轉子

本文檔共45頁；當前第13頁；編輯于星期三\2點18分礦山機械工況條件惡劣，零件表面磨損、腐蝕、劃傷嚴重。采用大功率激光表面強化技術和特種耐磨自熔性合金粉末，對采煤機及掘進機截齒、綜采液壓支架不銹鋼立柱、刮板機、齒輪傳動箱中的失效零件進行再制造，特別是在截齒端部錐面及刮板機易磨損部位，制備了冶金結合、硬質點和高韌性金屬材料復合的激光強化覆層，使其使用壽命提高2～4倍。激光熔覆再制造截齒激光熔覆不銹鋼立柱激光強化刮板機中部槽14激光熔覆在礦山機械上的應用

本文檔共45頁；當前第14頁；編輯于星期三\2點18分15煉油廠煙氣輪機葉片工況條件惡劣，承受腐蝕氣體和多種硬質顆粒的沖蝕，損傷嚴重。采用復合表面工程技術先通過激光熔覆恢復葉片幾何尺寸和力學性能，再用等離子噴涂提高葉片的表面性能，可使再制造后的葉片使用壽命超過原型新品。激光熔覆加等離子噴涂對煙氣輪機葉片再制造

二級動葉片典型的損傷狀態(tài)

二級動葉片激光熔覆過程

熔覆層加工后的二級動葉片

噴涂耐磨涂層后的二級動葉片

本文檔共45頁；當前第15頁；編輯于星期三\2點18分4.2熱噴涂氣體熱噴涂技術原理示意

原理：以某種熱源和焰流，在一定的噴涂距離內，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成沉積層。

16本文檔共45頁；當前第16頁；編輯于星期三\2點18分分類：以噴涂熱源為命名基礎，再冠以材質形態(tài)、焰流速度的特性。高速電弧絲材噴涂。溫度5000～6000℃，粒速100～300m·s-1，擅長制備常用合金涂層，設備購置費約3.5萬元。等離子弧粉末噴涂。溫度10000～15000℃，粒速100～400m·s-1，擅長制備陶瓷涂層，設備購置費約89萬元。超音速燃氣粉末噴涂。溫度≈3100℃，粒速300～500m·s-1，擅長制備金屬陶瓷，如WC/Co涂層，設備購置費約100萬元。本文檔共45頁；當前第17頁；編輯于星期三\2點18分適用條件：1.補償尺寸一般為1~2mm，最大可達10mm。2.外圓和平面的噴涂面積可大可小，內圓孔徑需大于150mm，沉積效率1~10kg/n。3.基體溫度低于300℃，工件不易變形?？杉尤胗操|粉末或納米粉末用于改善表面性能。涂層與基體結合機理以機械咬合為主，輔助擴散結合、物理結合，結合強度30~90MPa級。6.常用于零件上與滾動軸承內、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。施工要領：

1.表面預處理（凈化、粗化）

2.噴涂材料選擇及噴涂工藝參數(shù)優(yōu)化18本文檔共45頁；當前第18頁；編輯于星期三\2點18分高速電弧噴涂箱體手工操作19本文檔共45頁；當前第19頁；編輯于星期三\2點18分20

采用自動化高速電弧噴涂技術再制造發(fā)動機曲軸箱軸承座，涂層厚度0.6mm。單件噴涂時間由手工操作1.5h縮短為20min。耗材小于箱體重量的0.5%，費用小于箱體價格的1/10。高速電弧噴涂箱體自動化操作本文檔共45頁；當前第20頁；編輯于星期三\2點18分電弧噴涂的油污水監(jiān)測處理船新建造油污水監(jiān)測處理船對遠望1號航天測量船進行電弧噴涂長效防腐電弧噴涂666獵潛艇長效防腐用高速電弧噴涂制備艦船防腐涂層21本文檔共45頁；當前第21頁；編輯于星期三\2點18分用高速電弧噴涂制備水陸坦克防腐涂層22本文檔共45頁；當前第22頁；編輯于星期三\2點18分用高速電弧噴涂制備艦船甲板防滑涂層23本文檔共45頁；當前第23頁；編輯于星期三\2點18分對活塞頂部和排氣管用等離子噴涂制備隔熱涂層本文檔共45頁；當前第24頁；編輯于星期三\2點18分25超音速火焰噴涂用于冷軋張力輥的復合制造與再制造

超音速火焰噴涂（簡稱HVOF）是利用可燃氣體在氧氣助燃下釋放的化學能為熱源，燃氣在特殊結構的噴涂槍中形成超音速焰流使噴涂粉末以熔融狀態(tài)高速撞擊到工件表面制備出噴涂層。超音速火焰噴涂的特點：具有高的噴涂粒子速度和相對較低的溫度，特別適合于噴涂WC等金屬陶瓷材料；噴涂層的壓應力結構有利于制備較厚的涂層；噴涂效率高，燃氣價格較低，經(jīng)濟性好。超音速火焰噴涂已用于冷軋張力輥新品的復合制造和舊品的再制造。下圖中張力輥的母材是Q345B，過去輥表面鍍鉻，現(xiàn)在用超音速火焰噴涂制備WC涂層后，使用壽命提高3～4倍，環(huán)保效果顯著。本文檔共45頁；當前第25頁；編輯于星期三\2點18分分類：以鍍積金屬的特性為命名基礎，輔以復合鍍時添加的顆粒名稱。如快速Ni/n-SiO2電刷鍍，快速銅電刷鍍等。設備購置費約3.9萬元。電刷鍍原理4.3電刷鍍原理：電刷鍍是一種無槽液相電沉積技術。鍍液中的金屬離子在工件（陰極）上沉積，鍍筆的運動可提高電流密度并有利于氫氣排出。26本文檔共45頁；當前第26頁；編輯于星期三\2點18分適用條件：補償尺寸：理想為0.2mm一下，最大3mm（需多層夾心鍍）。2.外圓和平面鍍積面積可大可小。內孔以鍍筆能伸入、鍍液易流動為原則。鍍積尺寸便于控制，如快速鎳沉積率0.5~10μm/min，設備上有安培小時計。基體溫度常溫態(tài)，零件不變形。通過選擇鍍積金屬或添加納米顆粒來調節(jié)表面性能。鍍層與基體屬外延式聯(lián)生結晶，結合強度300MPa級。常用于零件上與滾動軸承內外圈的配合面、密封件配合面、花鍵側面等，不宜用于受交變負荷的表面。8.便于現(xiàn)場施鍍，便于對設備局部解體施鍍。施工要領：

1.表面預處理要求高（凈化、活化）。

2.正確選擇鍍液及規(guī)范。

3.鍍后一般磨削加工或打磨27本文檔共45頁；當前第27頁；編輯于星期三\2點18分空軍某部利用納米電刷鍍技術再制造蘇-XX飛機發(fā)動機壓氣機葉片，并已通過空軍裝備部組織的300小時臺架考核和專家組鑒定。該技術已被空軍批準用于飛機發(fā)動機零部件的批量再制造，已創(chuàng)造經(jīng)濟效益7500萬元以上。納米電刷鍍用于飛機再制造28本文檔共45頁；當前第28頁；編輯于星期三\2點18分用電刷鍍恢復連桿內孔（手工操作）29本文檔共45頁；當前第29頁；編輯于星期三\2點18分用電刷鍍恢復連桿內孔（六件疊加自動操作）

在自動化專機上應用電刷鍍技術再制造發(fā)動機連桿，鍍層厚度0.15mm，一次刷鍍4～6件。耗材是零件本體重量的2%，費用是該零件新品價格的1/10。30本文檔共45頁；當前第30頁；編輯于星期三\2點18分用電刷鍍恢復缸體缸套配合面（自動操作）31本文檔共45頁；當前第31頁；編輯于星期三\2點18分用電刷鍍恢復缸體曲軸軸瓦配合面32本文檔共45頁；當前第32頁；編輯于星期三\2點18分用電刷鍍治理坦克輪盤內孔密封環(huán)配合面33本文檔共45頁；當前第33頁；編輯于星期三\2點18分用電刷鍍治理坦克被動軸自壓油檔配合面34本文檔共45頁；當前第34頁；編輯于星期三\2點18分用電刷鍍修理電機轉子內孔35本文檔共45頁；當前第35頁；編輯于星期三\2點18分用電刷鍍修復大電機軸滑動摩擦面36本文檔共45頁；當前第36頁；編輯于星期三\2點18分用電刷鍍修復造紙機烘干筒37本文檔共45頁；當前第37頁；編輯于星期三\2點18分用電刷鍍制備導電排銀層38本文檔共45頁；當前第38頁；編輯于星期三\2點18分用電刷鍍現(xiàn)場治理飛機起落架劃傷39本文檔共45頁