工程零部件材料再生利用技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

孫德儉

隨著現(xiàn)代工程要求的不斷提升，用戶對機械設(shè)備、車輛等零部件的使用性能與壽命的要求也越來越高。設(shè)備在運行過程中，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，影響了機械設(shè)備或裝備的運行可靠性。通過廢舊零部件修復(fù)或再制造技術(shù)，對零部件恢復(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，機械設(shè)備零部件的修復(fù)與再利用問題越來越得到國家和相關(guān)科研工作者的關(guān)注。對失效的零部件進行修復(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)費用，而且通過新技術(shù)的應(yīng)用還可使零部件的某些性能大大提升，延長了使用壽命。

1.機械加工修復(fù)技術(shù)

常用的機械加工修復(fù)技術(shù)，是對已磨損的零件進行機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。即對貴重零部件的表面損傷和形狀誤差處通過機械加工進行修正，然后針對該零件的尺寸與結(jié)構(gòu)為之配制相應(yīng)的輔助零件。該法簡單、經(jīng)濟，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行機械加工，再按配合間隙值重新配合成對。該法工藝簡單、方便實施，但必須有足夠數(shù)量才可以實施。

③附加零件法。在零件過度磨損后，將磨損工作面進行機械加工，利用附加具有工作表面基本尺寸的襯套來彌補加工去掉的尺寸。該法可用來補償零件工作表面的磨損。

④局部更換法。對于具有多個工作表面損傷程度不一致的零部件，可采用僅對磨損或損壞嚴重的工作表面進行局部更換修補，如齒輪類零件的修補。

⑤塑性變形法。對零部件施加外力產(chǎn)生塑性變形來恢復(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，達到補償磨損、恢復(fù)零件工作尺寸和形狀的目的。該法主要用于修復(fù)對內(nèi)外部尺寸無嚴格要求的零件。

另外，還有換位修理法、鉗工加工修復(fù)、金屬扣合工藝等。

采用機械加工方法修復(fù)零部件，應(yīng)選擇設(shè)計基準作為定位基準，遵循基準統(tǒng)一和加工均勻性原則；修復(fù)對平衡有要求的零件，需按規(guī)定的條件進行平衡試驗；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)裂紋與斷裂的補焊工藝以及通過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)勢在于覆層與基體呈現(xiàn)冶金結(jié)合，具有良好的結(jié)合強度，可修復(fù)磨損失效零件、焊補裂紋與斷裂、局部損傷等，但由于焊接時的不均勻加熱會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，甚至造成變形或裂紋，因此不適合細長、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，但涂層材料利用率低、涂層孔隙率高、氧化現(xiàn)象嚴重、表面粗糙等，而且涂層與基體間以機械結(jié)合為主，結(jié)合強度較低。

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

（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，工藝過程中只發(fā)生物理反應(yīng)，沒有化學(xué)過程。目前真空蒸發(fā)鍍、離子鍍、離子束增強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，目前金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）、等離子體增強化學(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)

電鍍是指通過電解作用，使鍍液中的金屬陽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。工作時工件作為陰極，鍍筆為陽極，二者間浸滿電鍍液；鍍液中的金屬離子在電場作用下得到電子形成金屬原子，結(jié)晶并沉積在工件表面；工件與鍍筆做相對運動，這樣可以連續(xù)形成沉積層[7]。電刷鍍工藝簡單，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)。目前我國輪船維修行業(yè)已普遍使用電刷鍍修復(fù)船機零件。

合金鍍即在陰極上同時沉積出2種或2種以上金屬，可以制取高熔點和低熔點金屬組成的合金，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量的細顆粒，并使之與金屬一起均勻沉積，形成顆粒增強的復(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)合強度高，為冶金結(jié)合；熔覆層組織致密；涂層厚度可以準確控制。高能束熔覆工藝適應(yīng)性強，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而起到修復(fù)作用的工藝方法[9]，可部分代替焊接、鉚接、過盈配合和螺栓聯(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，可以將其收集起來進行重熔再生，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)問題是整體報廢設(shè)備的系統(tǒng)拆解與分類、重熔過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)。拆解與分選的目標是有效分離各種不同類型材料以及可分離的危險有害物質(zhì)等，首先采用破壞性拆解后進行壓扁和剪切，得到不同材料仍混合在一起的大塊分解體；再經(jīng)過整體破碎或切割等處理方法，得到碎小的材料；對碎小材料塊體進行重力、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實現(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)生成高熔點固體顆?；蛉w等，再通過電磁吸附、過濾等凈化處理措施，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改善組織形態(tài)：①材料的純凈化，防止過多夾雜元素的存在影響強化相的析出形態(tài)與分布，或者形成夾雜物；②工藝方面主要加強凈化處理、控制冷卻以及結(jié)晶行為控制等方法使組織細化、第二相析出均勻等；③合金化處理，通過控制析出相類型與形態(tài)、相變過程等，達到獲取預(yù)期組織形態(tài)的目的。此外，對于要求較高的零部件，還需通過變形消除鑄造缺陷、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)等達到提高材料使用性能的目的。

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

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

①對于再制造零件，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標的重要因素。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表面形貌與組織形態(tài)。

③表面殘余應(yīng)力檢測。對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。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，采用摩擦磨損試驗來測試材料的摩擦系數(shù)與耐磨性。

⑤表面耐腐蝕性能的檢測。對于表面有耐腐蝕要求零件，需要根據(jù)零件的腐蝕環(huán)境進行腐蝕性能的檢測，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、減少廢棄物排放，符合國家倡導(dǎo)的循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展要求。

目前各國均投入了大量的人財物力來研究與開發(fā)新型零部件再生利用技術(shù)，以實現(xiàn)經(jīng)濟利益與社會效益的雙豐收。如德國弗朗霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究所（FICT）開發(fā)了利用廢舊樹脂材料生產(chǎn)用于大型車輛的熱塑性纖維增強復(fù)合材料的工藝方法，該材料的沖擊韌性遠遠高出現(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)實驗室嘗試利用“冷噴涂”技術(shù)[14]，作為石油天然氣鉆井、渦輪機械的零部件修復(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技術(shù)得到了顯著的提高，無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)了良好的社會與經(jīng)濟價值。目前世界各國都非常重視再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。美國再制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大，超過750億美元，其中汽車和工程機械領(lǐng)域占2/3以上[15]；大眾汽車公司自1947年開始再制造發(fā)動機，目前已累計750萬臺以上，節(jié)約了30余萬t的優(yōu)質(zhì)鋼材和5萬t的鋁合金材料；柏科（常熟）電機有限公司是我國第一家汽車零部件再生利用的企業(yè)，目前汽車發(fā)電機的再制造生產(chǎn)能力為30萬臺；上海大眾聯(lián)合發(fā)展有限公司已再制造13 000余臺發(fā)動機，再制造發(fā)動機的價格僅為新發(fā)動機的55%。

五、結(jié)語

零部件的再生利用是實現(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，是我國制造業(yè)加快資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的需要。零部件再生利用以及質(zhì)量檢測等技術(shù)的不斷進步為再制造行業(yè)的快速發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)。

以汽車為例，目前中國國內(nèi)汽車保有量突破1億輛，預(yù)計到2020年每年報廢的汽車將達到1 400萬輛，汽車備件需求值達到2 000億元以上，但目前我國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前景。

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