再制造技術(shù)在煤炭機械行業(yè)的應(yīng)用

暢庚榕

(西安文理學院 a.機械與材料工程學院； b.陜西省再制造與表面工程技術(shù)實驗室，西安 710065)

20世紀以來，自然資源的加速利用帶來了全球生態(tài)失衡、環(huán)境嚴重污染、資源嚴重短缺浪費等諸多問題.隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會越來越成為人們的共識，人們逐漸意識到可持續(xù)發(fā)展的必要性.對于制造業(yè)而言，這一問題尤為嚴重.據(jù)報道，全球每年要排放7億噸制造業(yè)廢棄物，面對這些困境，全球的科技工作者都在尋求一些有效的方法來減少環(huán)境污染、降低資源浪費.再制造技術(shù)正是在這種背景下應(yīng)運而生.再制造的雛形是在20世紀30年代美國的汽車維修行業(yè)中出現(xiàn)的，至20世紀80年代，美國正式提出再制造的概念[1]，它是將已經(jīng)廢棄的汽車、工程機械、機床、家電等工業(yè)廢品中有價值的關(guān)鍵零部件進行更高技術(shù)水平的專業(yè)化修復(fù)，從而使產(chǎn)品再次得到利用.再制造是解決資源浪費、環(huán)境污染和廢舊裝備翻新的最佳方法和途徑，充分體現(xiàn)了“綠色制造”的理念，是符合全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一項綠色系統(tǒng)工程.相對于歐美發(fā)達國家，我國的再制造技術(shù)水平起步較晚，但發(fā)展迅速.再制造技術(shù)面臨的迫切任務(wù)是如何進一步深入研究與提高再制造基礎(chǔ)理論及與再制造生產(chǎn)實際密切相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，其中，納米表面工程是一項非常重要的關(guān)鍵技術(shù).機械零部件的失效大多是源于表面.腐蝕從表面開始，磨損在表面發(fā)生，疲勞裂紋由表面向心部延伸.因此，針對材料表面失效機制不斷推陳出新的、技術(shù)含量高、創(chuàng)新性強、應(yīng)用面廣的現(xiàn)代表面工程技術(shù)將著力解決許多過去不能解決的裝備關(guān)鍵零部件的維修難題.表面工程技術(shù)融合了材料科學、先進制造、激光應(yīng)用等多學科技術(shù)，而多學科之間的交叉研究是科學研究的一個熱點和難點.1987年，中國機械工程學會成立了以徐濱士院士為所長的“表面工程研究所”和以徐濱士院士為主編的《中國表面工程》學術(shù)刊物.20世紀90年代從產(chǎn)業(yè)角度建立了3R體系[2](再利用Reuse、再循環(huán)Recycle、再制造Remanufacture).20世紀末，徐濱士院士首次在國內(nèi)提出“再制造”概念.目前，基于3R體系的再制造技術(shù)已成為我國發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的重要支撐要素[3].

再制造領(lǐng)域涉及廣泛，包括機械行業(yè)、電子產(chǎn)品、汽車行業(yè)等.其中，煤炭機械行業(yè)設(shè)備種類繁雜、失效零件的噸位大、設(shè)備的工況十分惡劣，往往是在強腐蝕、大沖擊、高磨損的環(huán)境下長期服役，其再制造的技術(shù)難度很高，往往需要多重再制造技術(shù)的綜合應(yīng)用，才能達到理想的再制造效果.因此,保證設(shè)備良好工作狀態(tài)和及時的設(shè)備再制造是保證煤炭采掘的重中之重.

1 煤炭機械再制造行業(yè)特點

1.1 煤炭機械失效的形式

煤炭采掘的機械主要包括“三機一架”，即采煤機、刮板機、轉(zhuǎn)載機、液壓支架，它們是井下煤炭采掘的主要設(shè)備，這些設(shè)備工作環(huán)境具有以下特點：(1)工作環(huán)境惡劣，需要在礦石沖擊、粉塵污染及較強的硫酸根離子、氯離子的腐蝕環(huán)境下工作；(2)工作時間長，需要設(shè)備長時間地不停機運行；(3)對設(shè)備的維護缺失造成了煤炭機械的失效情況大大增加.鑒于煤炭機械特殊的工作環(huán)境，采掘和運輸機構(gòu)長時間的金屬間、金屬與礦石間的大載荷磨損、液壓機構(gòu)在井下長時間的腐蝕失效和長期受力下的液壓機構(gòu)變形是其主要的失效方式.

1.2 煤炭機械再制造的發(fā)展現(xiàn)狀

煤炭機械噸位大、價格昂貴，在煤炭生產(chǎn)成本中占有很大比重，再制造技術(shù)因能大幅降低其生產(chǎn)成本而成為越來越迫切的需求.目前中國主要產(chǎn)煤區(qū)陜西、山西、內(nèi)蒙古的大部分煤炭行業(yè)企業(yè)都開始建立自有的煤炭機械大修基地，可以看出煤炭行業(yè)對其設(shè)備再制造的重視，但是需要說明的是目前煤炭機械的再制造主要還停留在簡單的機械拆解、報廢零件購買新配件、裝配的循環(huán)模式下，技術(shù)可復(fù)制性強、成本高.目前為止，煤機再制造比較成熟的應(yīng)用集中在刮板機的中部槽的耐磨堆焊、鏈輪組件的鏈窩堆焊修復(fù)以及液壓支架的活塞桿，如圖1所示.

圖1 刮板機的中部槽的耐磨堆焊后(a)、鏈輪組件的鏈窩堆焊前后(b)對比

1.3 煤炭機械再制造的發(fā)展需求

國內(nèi)煤炭機械再制造還處于初級階段，行業(yè)發(fā)展空間巨大，同時也提出了一些新的要求[4]：其一，從再制造零件技術(shù)分析來看，需要通過一系列的新技術(shù)進行整合，提供一站式的“三機一架”整體再制造維修平臺，提高煤炭行業(yè)再制造產(chǎn)品的覆蓋范圍，而不是簡單零件的再制造，進一步減少煤炭采掘成本；其二，隨著國家的環(huán)保要求的提高，再制造所采用的技術(shù)應(yīng)該符合綠色產(chǎn)業(yè)的標準，不對環(huán)境產(chǎn)生額外的污染；其三，再制造產(chǎn)品不僅僅局限于修復(fù)至新品的要求，同時需要結(jié)合各種先進的表面技術(shù)，實現(xiàn)升級性再制造(即高于新品技術(shù)指標的再制造)；其四，煤炭機械再制造的標準缺失，對行業(yè)難以起到積極的規(guī)范及促進作用，需要集合優(yōu)勢企業(yè)和高校進行行業(yè)規(guī)范化建設(shè).

2 煤炭機械先進再制造技術(shù)的應(yīng)用

2.1 電刷鍍技術(shù)的應(yīng)用

電刷鍍[5]是用電解方法在工件表面獲取鍍層的過程，是近年來迅速發(fā)展起來的一項表面處理高新技術(shù).其目的在于強化、提高工件表面性能，取得工件的耐腐蝕、抗磨損性能；也可以改變工件尺寸，改善機械配合，修復(fù)因超差或因磨損而報廢的工件等，主要應(yīng)用于煤礦液壓支架油缸的中缸及活塞柱外表面局部腐蝕失效的合理再制造.

電刷鍍技術(shù)的主要特點有：

(1)表面工作層采用鍍鎳，不存在明顯的環(huán)境污染；

(2)沉積速度快，可修復(fù)厚度深，最深厚度可達1 mm；

(3)刷鍍工藝簡單，在線操作性強，特別適合在線修復(fù)小部分的表面失效；

(4)與原零件表現(xiàn)的鍍鉻層結(jié)合緊密，沒有物理接縫，因此修復(fù)區(qū)域可保證良好的防腐蝕性能；

(5)表面硬度可達到HV600以上，同時拋光后表面光潔度小于Ra 0.2 μm.

由于液壓支架油缸的中缸及活塞柱外表面在使用中一部分零件只是很小面積的局部缺陷，在傳統(tǒng)修復(fù)工藝中只能采用整體修復(fù)技術(shù)，修復(fù)成本很高，而采用局部的電刷鍍可以在不采用大型機加設(shè)備的情況下，實現(xiàn)零件的局部快速維修.圖2為電刷鍍局部修復(fù)效果.

圖2 電刷鍍局部修復(fù)效果

2.2 熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用

電弧噴涂是利用電弧熱源將具有特定性能的合金熔化或半熔化，用高速氣流將熔融或半熔化的金屬材料霧化成粒狀，加速噴射到預(yù)處理的基材表面形成涂層的技術(shù)[6].電弧噴涂的最大涂層厚度可達1.5 mm，涂層硬度HRC45～55，表面粗糙度Ra 0.6 μm左右，其具有顯著的技術(shù)特點[7]：

圖3 修復(fù)前(a)及修復(fù)后(b)(c)柱塞桿效果

(1)相對傳統(tǒng)電鍍技術(shù)基本相同的工藝成本；

(2)在保證質(zhì)量的條件下，涂層的厚度加厚，因此同時具有修復(fù)外表面尺寸及直線度的作用.

(3)修復(fù)速度快，沒有嚴重的污染.

(4)兼容性好，熱噴涂表面如產(chǎn)生局部缺陷可采用電刷鍍的方式修復(fù).

傳統(tǒng)的電弧熱噴涂由于主要采用馬氏體不銹鋼焊絲進行噴涂，材料的可選范圍小，目前較新的電弧噴涂技術(shù)通過送料裝置和材料的改進，可以在材料上有更大的選擇余地，針對各個礦井下工作環(huán)境的不同，可以靈活地選擇高硬度或高防腐材料.同時通過噴涂噴槍的結(jié)構(gòu)改進，可以將傳統(tǒng)電弧熱噴涂5%左右的孔隙率降低到1%左右，大大提高了噴涂表面的光潔度及防腐蝕性能.圖3為修復(fù)前及修復(fù)后柱塞桿效果，表1為傳統(tǒng)電鍍、電刷鍍及電弧噴涂技術(shù)的技術(shù)對比.

表1 傳統(tǒng)電鍍、電刷鍍及電弧噴涂技術(shù)的技術(shù)對比

2.3 激光修復(fù)技術(shù)

激光表面強化包含激光相變硬化(激光淬火)、激光表面合金化及激光熔覆三項技術(shù)[8]，激光相變硬化指在鋼材表面通過激光加熱使之奧氏體化，在自冷卻時形成硬的馬氏體的過程；激光表面合金化是利用高能量密度的激光束加熱熔化特性，使基材表層和添加的合金元素熔化混合，從而形成以原材料為基的新的表面合金層.激光表面強化工藝簡單易行，強化后零件表面光滑，變形小，硬化層具有高的硬度和耐磨性，不需要回火即可使用.處理后的表面層應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，表面層開裂傾向小，提高零部件抗疲勞性能.激光表面合金化工藝特別適合于形狀復(fù)雜、需要局部強化及體積大精加工后不易采用其他方法強化的零件.

圖4 激光再制造技術(shù)構(gòu)成[10]

以激光熔覆為修復(fù)技術(shù)平臺，加上現(xiàn)代先進制造、快速原形等技術(shù)理念，則發(fā)展成為激光再制造技術(shù).它是以金屬粉末為材料，在具有零件原型的CAD/CAM軟件支持下，CNC(計算機數(shù)控)控制激光頭、送粉嘴和機床按指定空間軌跡運動，光束與粉末同步輸送，形成1支金屬筆，在修復(fù)部位逐層熔覆，最后生成與原型零件近形的三維實體.如圖4所示[9].

圖5是激光再制造技術(shù)與傳統(tǒng)再制造技術(shù)材料基體界面和熔覆層金相組織對比.可以看出，火焰噴涂內(nèi)存在氣孔缺陷，界面屬于機械結(jié)合.激光熔覆層存在一條白亮界面，屬于冶金結(jié)合.等離子噴焊層組織粗大，高硬度的大塊碳化物易使涂層產(chǎn)生脆性.激光熔覆層組織細小，高硬度的大塊碳化物已被激光熔凝成細小的碳化物，均勻分布在涂層基底上，從而使激光熔覆層不僅具有高硬度高耐磨性，而且具有很高的韌性[9].圖6為激光再制造技術(shù)修復(fù)曲面齒部及泵站曲軸的表面示意圖.

圖5 激光再制造技術(shù)與傳統(tǒng)再制造技術(shù)形成材料基體界面和熔覆層金相組織對比(a)火焰噴涂界面；(b)激光熔覆界面；(c)等離子焊接組織；(d)激光熔覆組織

圖6 再制造修復(fù)曲面齒部(a)修復(fù)前;(b)修復(fù)后

2.4 物理氣相沉積技術(shù)

物理氣相沉積(PVD)技術(shù)作為再制造技術(shù)的一種，可提升再制造零件的性能，大大延長其使用壽命，實現(xiàn)零件的升級性再制造[10].相對于發(fā)展較早化學氣相沉積技術(shù)，物理氣相沉積可在完全綠色無污染、成膜溫度不影響基材性能的前提下，提供高效、高性能、高使用壽命的煤炭機械的再制造.

物理氣相沉積硬質(zhì)涂層通過不同的工藝和材料的沉積膜層，表面硬度可選在HV1 800～4 500的范圍內(nèi)，抗氧化溫度在400～1 100 ℃范圍內(nèi)，性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的滲碳、滲氮等工藝，同時可以獲得高耐磨、高抗腐蝕、自潤滑等不同的膜層物性，在煤炭機械再制造中具有極好的經(jīng)濟及技術(shù)應(yīng)用前景.

煤炭機械液壓支架泵閥類零件由于長期接觸高濃度的氯離子，極容易出現(xiàn)由于點蝕失效造成的零件報廢，采用PVD技術(shù)制備的CrN涂層可極大地延緩這種腐蝕在電液閥、閥頭、活塞中的產(chǎn)生.同時液壓支架中對位移精度要求相對高的推移缸已經(jīng)開始采用具有很好自潤滑性能的類金剛石涂層，如美國JOY的產(chǎn)品，通過用戶的跟蹤反饋，使用效果及零件壽命明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的電鍍硬鉻，具有非常廣闊的應(yīng)用前景.

3 結(jié)論

目前，在我國煤炭機械行業(yè)，再制造技術(shù)仍處于發(fā)展初期，零部件修復(fù)仍以替換和簡單維修為主，核心再制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用較少.但再制造技術(shù)已帶來了良好的市場和社會效應(yīng)，發(fā)展?jié)摿薮?今后，如何盡快實現(xiàn)核心技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，提高再制造技術(shù)的覆蓋范圍，將再制造技術(shù)由單一零件的再制造向煤炭機械行業(yè)整體再制造方向發(fā)展，是擺在我們面前的首要任務(wù).同時，建立業(yè)內(nèi)認可的再制造行業(yè)標準，規(guī)范再制造行業(yè)體系，加大對再制造技術(shù)平臺的政策扶持也是亟待解決的一個重要問題.顯然，進一步提高我國高校在再制造領(lǐng)域的研發(fā)實力，加強校企之間產(chǎn)學研平臺建設(shè)，將有利于加速再制造技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的速度，從而提升我國再制造水平的整體實力.

[1] 徐濱士.再制造工程的現(xiàn)狀與前沿[J].材料熱處理學報，2010，1(31)：10-14.

[2] 徐濱士.再制造工程基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2005：10.

[3] 徐濱士.中國再制造工程及其新發(fā)展[J].今日工程機械，2012(20)：8.

[4] 李明.煤礦設(shè)備再制造產(chǎn)業(yè)存在問題和解決措施初探[J].中國煤炭，2014，40(4)：28-31.

[5] 王宗雄，鮑新華，任吉華.電刷鍍的設(shè)備、鍍液配方及應(yīng)用[J].電鍍與涂飾，2017，36(12)：632-642.

[6] 徐濱士，朱紹華.表面工程的理論與技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999.

[7] 柳建，孟凡軍，殷鳳良，等.熱噴涂涂層與基體結(jié)合界面研究進展[J].材料工程，2017，45(1)：101-110.

[8] 徐文，謝劍剛，吳賀利.激光表面強化材料在再制造修復(fù)研究中的應(yīng)用[J].表面工程與再制造，2015(3)：38-42.

[9] 邵珠強，李娜，王曉成，等.綠色激光再制造技術(shù)及其應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2017(6)：75-77.

[10] 張傳鑫，宋廣平，孫躍，等.電子束物理氣相沉積技術(shù)研究進展[J].材料導(dǎo)報，2012，26(z1)：124-1280.