基于激光再制造技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸修復(fù)技術(shù)研究

謝頌京

（浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

基于激光再制造技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸修復(fù)技術(shù)研究

謝頌京

（浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

介紹了激光再制造技術(shù)的原理、方法及其在球墨鑄鐵曲軸修復(fù)中的具體應(yīng)用，通過(guò)對(duì)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的具體方法研究，找出適合球墨鑄鐵曲軸修復(fù)的再制造工藝，并且研究了曲軸修復(fù)后涂層的組織和性能、摩擦磨損性能，結(jié)果表明，通過(guò)適當(dāng)?shù)脑僦圃旆椒▽?duì)曲軸進(jìn)行修復(fù)，可以得到滿意的制造表層組織和性能，有效延長(zhǎng)曲軸的使用壽命。

激光再制造；發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸；顯微硬度；磨損

再制造技術(shù)是把達(dá)到使用壽命的產(chǎn)品通過(guò)修復(fù)或技術(shù)改造使其達(dá)到甚至超過(guò)原型產(chǎn)品性能的加工過(guò)程[1]。再制造技術(shù)符合我國(guó)循環(huán)經(jīng)濟(jì)思想和可持續(xù)發(fā)展的要求，再制造對(duì)節(jié)能、節(jié)材、保護(hù)環(huán)境的意義更加突出，地位和作用不斷提升。激光再制造是一種新興的再制造技術(shù)，與其他修復(fù)技術(shù)相比，激光再制造是一種全新的先進(jìn)修復(fù)技術(shù)，它集成了高能束技術(shù)、先進(jìn)數(shù)控和計(jì)算機(jī)技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、光電檢測(cè)控制等技術(shù)為一體的先進(jìn)制造技術(shù)[2～3]。由于該技術(shù)具有對(duì)基體損傷小、修復(fù)精度高、性能優(yōu)異和修復(fù)尺寸不受限制等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足高精度、高性能零部件的修復(fù)要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的核心部分，為汽車提供動(dòng)力。而曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件，把活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。曲軸也是發(fā)動(dòng)機(jī)零部件價(jià)格較貴的部件，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，曲軸所受的力不斷變化，因此會(huì)使曲軸軸頸發(fā)生不均勻磨損，另外由于潤(rùn)滑系中的雜質(zhì)及潤(rùn)滑故障，軸頸會(huì)產(chǎn)生劃痕、磨粒磨損等失效形式[4～6]。

本研究是為了延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的使用壽命，采用激光再制造技術(shù)對(duì)摩擦磨損等失效的曲軸進(jìn)行修復(fù)，以達(dá)到繼續(xù)使用的目的，有效提高曲軸的硬度和耐磨性等。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)用基體材料為QT700，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)wt%）為：C（3.08-3.3），Si（2.49-3.13），Mn（0.55-0.61），其余為Fe，加工成尺寸為Φ50mm×10mm圓片形，再制造材料選用Ni45自熔性合金粉末，其成分見表1，粉末粒度范圍均為-150～320目。為減小熔覆層的摩擦系數(shù)，在Ni45粉末中添加鉬粉，所用的鉬粉純度為99%。

表1 Ni45合金的成分（w t%）

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)系統(tǒng)由2 kW光纖激光器、四軸數(shù)控系統(tǒng)組成。激光功率為1～1.5 kW，掃描速度為5～8mm/s，采用送粉方式，氬氣保護(hù)。再制造材料為Ni45+1%Mo和Ni45+5%Mo（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）合金粉末。實(shí)驗(yàn)前對(duì)粉末真空烘干，去除水分，將稱量好的混合粉末置于研缽中，研磨至少5分鐘，以使粉末混合均勻。為模擬曲軸的工作情況，將球墨鑄鐵浸在機(jī)油中72小時(shí)，取出后進(jìn)行表面脫脂、去除油污、除銹等過(guò)程，使試樣表面潔凈、呈現(xiàn)出金屬光澤。

激光再制造后，將試樣沿垂直于掃描方向線切割，截取的試樣橫斷面經(jīng)研磨拋光后用王水（30%HNO3和70HCl）腐蝕，用顯微鏡觀察顯微組織，用掃描電鏡附件能譜儀（EDS）對(duì)涂層中的相進(jìn)行成分分析，用DHV-1000數(shù)字顯微硬度計(jì)測(cè)試樣品顯微硬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 再制造合金涂層宏觀形貌

從圖1中可見，激光再制造涂層在結(jié)構(gòu)上分為熔化區(qū)、結(jié)合區(qū)和熱影響區(qū)，激光熔覆層沒有裂紋、氣孔，涂層與基體整體幾何緊密，形成了良好的化學(xué)冶金結(jié)合，靠近表面區(qū)域呈現(xiàn)出典型樹枝狀結(jié)構(gòu)，熔化區(qū)下部為樹枝狀晶體結(jié)構(gòu)。

圖1 QT700激光再制造合金涂層顯微組織（×400）

在激光再制造過(guò)程中，成分相同的情況下，合金熔化區(qū)的結(jié)晶形態(tài)取決于形核條件，即結(jié)晶方向的溫度梯度與晶粒生長(zhǎng)速度的比值（G/V）。在合金涂層的表面，由于與大氣接觸，熔池的冷卻速度較快，所以形成的過(guò)冷度也大，容易形成樹枝晶，而在熔化區(qū)的底部，熔池的液態(tài)金屬與冷基體直接形成傳導(dǎo)方式散熱，金屬導(dǎo)熱系數(shù)比較大，冷卻速度快，故溫度梯度很大，結(jié)晶速度小，在涂層和基體結(jié)合處形成樹枝狀生長(zhǎng)。從圖1（a）可以看到涂層和基體結(jié)合帶是一個(gè)呈現(xiàn)不光滑的結(jié)合界面，這是由于在氣體保護(hù)下，加速速度比較快，熔池容易出現(xiàn)波動(dòng)，形成相互重疊的結(jié)合區(qū)。

圖2為激光再制造多道搭接過(guò)程中，由于激光束在試樣上小面積范圍內(nèi)連續(xù)反復(fù)加熱，使激光輻射時(shí)間對(duì)于單道融入而易造成試樣的熱飽和，從而使基體溫度高于單道再制造。在激光功率相同的條件下，多道搭接的基體將被較多的熔化，更多的基體元素參與到熔池中，使得基體元素對(duì)涂層的稀釋作用加大。多道搭時(shí)，熔池中必然要有一部分已凝固的熔道和待熔涂層一起參與新的熔覆過(guò)程。一方面影響熔池的能量吸收，進(jìn)而影響熔池的能量的對(duì)流；另一方面，由于已凝固的熔道與涂層的合金粉末之間在成分、黏度和密度上的差別，會(huì)影響熔池中的傳熱和傳質(zhì)，從而影響到熔體的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步造成熔覆區(qū)的宏觀成分偏析。

圖2 多道搭接顯微組織結(jié)構(gòu)（×100）

2.2 涂層的顯微硬度

圖3為Ni45+1%Mo合金涂層的顯微硬度分布曲線。從圖中可以看出，從涂層表面到基體兩種涂層的顯微硬度均呈逐漸降低，變化趨勢(shì)是相同的，而且都呈臺(tái)階式分布。這是激光再制造涂層硬度分布的特點(diǎn)。涂層硬度比基體高的原因在于涂層中含有大量的鉬元素合金成分，相比于基體顯微硬度提高了約2倍。

圖3 涂層硬度分布曲線

2.3 磨損性能

在WM-2005摩擦磨損儀上進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，摩擦磨損曲線如圖4（a）、圖4（b）圖所示。從摩擦磨損曲線中可以看出，熔覆層摩擦系數(shù)比基體磨損摩擦系數(shù)大，但是同樣條件下，熔覆層磨損情況為：磨損前6.310 7 g，磨損后 6.310 6 g，基體：磨損前 6.248 9 g，磨損后6.240 3 g，熔覆層的磨損失重比較小，說(shuō)明熔覆層的耐磨性能好，能滿足曲軸的使用性能要求。

圖4 涂層和基體摩擦磨損曲線

3 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸再制造工藝

采用通過(guò)試樣和圓棒實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的工藝參數(shù)，在實(shí)際曲軸上進(jìn)行激光再制造，工藝過(guò)程為：裝夾曲軸→確定曲軸激光再制造部位→清洗曲軸→確定工藝參數(shù)→側(cè)向送粉激光再制造，最后在專用機(jī)床上進(jìn)行磨削加工，使用探傷劑進(jìn)行探傷再造成，試樣表面光潔無(wú)裂紋，能滿足裝機(jī)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸表面經(jīng)過(guò)激光再制造后，表面涂層沒有裂紋、氣孔，涂層與基體結(jié)合緊密，形成了良好的化學(xué)冶金結(jié)合。表面涂層的硬度測(cè)試說(shuō)明了涂層的硬度約為基體硬度的2倍。經(jīng)過(guò)摩擦磨損測(cè)試，表面涂層的耐磨性得到了很大的提高，因此激光再制造技術(shù)是一種先進(jìn)的再制造方法，在被磨損零件的修復(fù)上可以通過(guò)增加涂層然后進(jìn)行磨削加工，使發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的表面性能滿足使用要求，并延長(zhǎng)了曲軸的壽命，有效節(jié)約了資源，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

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Laser Remanufacturing Technology and Its App lication in Restoration of Nodular Cast Iron Crankshaft

XIESong-jing
(Zhejiang Technical Institute of Economics，Hangzhou Zhejiang 310018，China)

This paper introduces the principles and methods of the technology of laser remanufacturing.And specific application in the restoration of nodular cast iron crankshaft.by studying the specificmethod of the restored workpiece for lasermanufacturing,the technology of lasermanufacturing for restored crankshaft ofmodular cast iron have been found.The organization,properties and frictional wear of laser remanufacturing coating for restored crankshaft of nodular cast iron are also studied.The result shows that the restoring crankshaft of nodular cast iron by using the method of laser remanufacturing can get satisfactory and organization,and the performance and the service life of crankshaftare effectively prolonged.

laser remanufacturing；crankshaft；micro hardness；wear

TG174.4

B

1672-545X（2014）04-0146-02

2014-01-07

謝頌京（1977—），男，山東曹縣人，講師，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。