金屬噴射成形技術(shù)在再生領(lǐng)域的應(yīng)用研究

【摘 要】廢舊鋼鐵失去使用價(jià)值后，只能進(jìn)入回收領(lǐng)域，而通過再生利用的方式實(shí)現(xiàn)再利用對(duì)國民經(jīng)濟(jì)是非常重要的。廢舊的鐵路車輪從鐵路系統(tǒng)退出后，可以作為噴射成形原材料，再次使用在車輪主題中。山西汾西重工使用金屬噴射成形技術(shù)，將報(bào)廢的鐵路車輪進(jìn)行沉積修復(fù)，通過逐層碾壓技術(shù)來消除或降低沉積層的孔隙率，提高目標(biāo)體與沉積層的結(jié)合力，及化學(xué)結(jié)合。噴射時(shí)對(duì)于噴射速度、噴射流量、噴射距離來實(shí)現(xiàn)成型，噴射過程中使用多掃描法對(duì)噴射層成型性能、形狀等進(jìn)行控制，對(duì)制成坯件的樣品進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，纖維汾西，達(dá)到優(yōu)于鐵路車輪的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

【關(guān)鍵詞】噴射沉積技術(shù)；孔隙率；霧化液滴；粉末冶金；化學(xué)結(jié)合；質(zhì)點(diǎn)

廢鋼鐵是指失去或部分失去原有使用價(jià)值，進(jìn)入淘汰報(bào)廢期的鋼鐵及其制品。

工信部在2011年10月24日《鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》對(duì)廢鋼產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃明確提出以下要求：加快建立適應(yīng)我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展要求的廢鋼鐵循環(huán)利用體系，依托符合國家環(huán)保要求的國內(nèi)廢鋼加工配送企業(yè)，重點(diǎn)建設(shè)一批廢鋼鐵加工示范基地，完善加工回收配送產(chǎn)業(yè)鏈，提高廢鋼加工技術(shù)裝備水平和廢鋼產(chǎn)品質(zhì)量，積極研究制定進(jìn)口廢鋼的優(yōu)惠政策措施，鼓勵(lì)在海外建立廢鋼回收加工配送基地[1]。

山西汾西重工有限責(zé)任公司和芬蘭VTT合作，開發(fā)了一種新技術(shù)致力于鐵路車輛車輪修復(fù)工程研究，此技術(shù)主要用于對(duì)廢舊的鋼車輪進(jìn)行除污除銹、表面堆積、逐層碾壓、成型等工程研究，將因磨損等致使車輪壽命到期退役的鋼輪，通過噴射成形技術(shù)達(dá)到資源再生。這種方法主要是使用噴射成形技術(shù)結(jié)合逐層碾壓技術(shù)，對(duì)噴射沉積層進(jìn)行致密化成型，將結(jié)合層變成高性能的化學(xué)結(jié)合。

噴射成形主要原理是是在高壓惰性氣體的作用下將熔融金屬霧化噴射成形是在高壓惰性氣體的作用下將熔融金屬霧化成微細(xì)液滴并沉積在旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)基底上的一種材料制備工藝，制取具有快速凝固組織特征、整體較實(shí)密、接近零件實(shí)際形狀的金屬材料和增強(qiáng)相分布均勻、界面良好的金屬基復(fù)合材料。

噴射成形技術(shù)存在的致命不足是：噴射結(jié)合時(shí)，在噴射沉積制造過程中，由于凝固顆?；虺练e間空隙、氣體卷入、溶解氣體的參與以及凝固收縮，坯件中不可避免地存在一些疏松和孔隙中，破壞基體連續(xù)性，降低材料有效載荷，易引起應(yīng)力集中，惡化材料使用性能。

孔隙率可高達(dá)15%～20%，孔隙會(huì)降低坯件的力學(xué)性能如強(qiáng)度、塑性、彈性模量、韌性，還會(huì)降低熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，在進(jìn)行拉力試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生典型的脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形過程。

因此，有必要對(duì)噴射沉積坯件進(jìn)行致密化處理，消除孔隙，破碎顆粒表面的氧化膜，接近或者達(dá)到理論密度，進(jìn)一步提高材料性能?？紫堵士赏ㄟ^熱等靜壓、楔形壓制、連續(xù)擠壓等致密化工藝來消除或減少、減小孔隙，并輔以熱處理或鍛壓來優(yōu)化組織。

汾西重工通過噴射時(shí)結(jié)合同步逐層碾壓的方式實(shí)現(xiàn)消除孔隙的方法，逐層碾壓的主要工作方式是在材料噴射時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)精密的碾壓裝置，主要結(jié)構(gòu)是通過液壓方式來控制壓力，碾壓時(shí)來實(shí)現(xiàn)過壓回退，保證碾壓過程平穩(wěn)，在新噴射材料從半液態(tài)進(jìn)入固態(tài)后立即進(jìn)行碾壓，碾壓輪如果按照普通方式設(shè)計(jì)，如表面為平面、圓弧面等方式，就會(huì)發(fā)現(xiàn)材料成型后會(huì)出現(xiàn)孔隙率較大、結(jié)合疏松等致命缺陷。逐層碾壓的碾壓輪設(shè)計(jì)為特殊結(jié)構(gòu)，保證在碾壓時(shí)最大限度減小孔隙率，母材和噴射層為化學(xué)結(jié)合，在高倍顯微鏡下，不出現(xiàn)分層現(xiàn)象，保證材料的力學(xué)性能。

噴射成形對(duì)噴射方式要求很高，單掃描法噴射后沉積材料成正態(tài)分布，形成中間高兩端低的現(xiàn)象，這對(duì)逐層碾壓難度極大，可通過雙掃描法或多掃描法噴射方式來實(shí)現(xiàn)。

通過計(jì)算掃描軌跡和沉積分布及相互干涉，調(diào)整噴射高度、速度、流量、角度、掃描速度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)沉積分布均勻化。

噴射高度與霧化狀態(tài)的液滴在沉積時(shí)的固液相比例相關(guān)，噴射后液滴接觸目標(biāo)體后結(jié)合方式對(duì)沉積層的結(jié)合力影響很大，通常采用半液半固相混合方式來提高結(jié)合力，結(jié)合的緊致性可通過噴射速度來調(diào)整。

噴射流量是噴射時(shí)霧化液滴單位時(shí)間內(nèi)沉積層的質(zhì)量變化，直接決定噴射工藝過程的成型速度。

不同噴射工藝對(duì)噴射時(shí)霧化噴嘴的設(shè)計(jì)不同，霧化噴嘴的工作目的是將熔融狀態(tài)的金屬通過高壓方式通過焦點(diǎn)位置形成霧化射流。

噴嘴可設(shè)計(jì)為多層次，逐層加速的方式，提高噴射速度，霧化的金屬液滴在噴射時(shí)逐步由液相向固相轉(zhuǎn)變，通過冷態(tài)的金屬粉末顆粒度來分析霧化效果。在噴射時(shí)沒有到達(dá)目標(biāo)體的液體逃逸后形成粉末，這是一種適合粉末冶金的材料，粉末的顆粒直徑在0.01-10μm。液滴的大小對(duì)噴射成形材料的致密度、結(jié)合力都有關(guān)系，噴射時(shí)沖擊力影響成型材料的密度，是化學(xué)結(jié)合方式的一個(gè)重要因素。設(shè)計(jì)噴嘴時(shí)，要考慮霧化效果，噴射速度和流量、聚焦范圍等因素，同時(shí)計(jì)算流體變化過程，保證噴射過程的順暢，提高噴射效率。

通過研究表明，目標(biāo)體的幾何形狀、表面溫度，液滴的化學(xué)成分，噴射的角度對(duì)同種材料或異種材料的結(jié)合力不同，化學(xué)結(jié)合的目標(biāo)是將兩種材料變成一體的無間隙成型。

成型材料制成的檢測(cè)樣品在低倍顯微鏡下會(huì)發(fā)現(xiàn)兩層材料在色差有不同，中間有分界，為過渡層，但沒有發(fā)現(xiàn)有孔隙，在高倍顯微鏡下分析過渡層，發(fā)現(xiàn)沒有明顯的孔隙，沒有分層現(xiàn)象。

掃描電子顯微鏡下可發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)體的材料與沉積層材料的晶粒度不同，沉積層的晶粒度比目標(biāo)體的材料小兩個(gè)等級(jí)以上，中間的過渡層是由大小不一的晶粒組成，小晶粒為沉積層，大晶粒為目標(biāo)材料，小晶粒填補(bǔ)在大晶粒周圍，很多細(xì)小彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)，尺寸在0.5μm，均勻分布。

能譜分析結(jié)果表明，質(zhì)點(diǎn)中重要元素為Fe，噴射時(shí)使用惰性氣體，噴射室內(nèi)經(jīng)過排氣處理，沒有氧化現(xiàn)象，因此質(zhì)點(diǎn)中沒有元素O。

力學(xué)性能檢測(cè)時(shí)，拉斷的部位為目標(biāo)材料，過渡層和沉積層強(qiáng)度優(yōu)于目標(biāo)材。

實(shí)驗(yàn)過程中遇到的難題是車輪踏面邊緣部分孔隙率稍高，分析后發(fā)現(xiàn)主要原因是，邊緣的霧化液滴收集率低，主碾壓輪在邊緣碾壓力不足，設(shè)計(jì)不合理。

實(shí)驗(yàn)人員后來通過在踏面附近增加輔助裝備提高踏面收集率，并在側(cè)向增加同步碾壓輪，滿足邊緣部位的碾壓力。

實(shí)驗(yàn)室通過多次實(shí)驗(yàn)和研究，發(fā)現(xiàn)這種方式制作的車輪樣品，整體性能已超過鐵道部鑄造車輪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，噴射材料選取廢舊鋼輪，可以實(shí)現(xiàn)再生資源利用。

（1）噴射成形制備的車輪晶粒細(xì)小，組織均勻，無宏觀偏析。

（2）車輪沉積坯內(nèi)部致密度高，平均體密度為8.5g/cm3，達(dá)到理論密度的99.7%。

（3）逐層碾壓可以大幅提高噴射成形車輪的力學(xué)性能。

（4）熱處理后車輪鋼的組織主要為回火索氏體。

（5）噴射沉積逐層碾壓技術(shù)是將噴射沉積和逐層碾壓兩種先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合后形成的一種快速凝固體材料連續(xù)成形新技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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