銅軸瓦修復(fù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

黃龍鵬 黃煌 雷肖

摘 要：銅軸瓦廣泛應(yīng)用于低速重載工況，銅軸瓦失效影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，因銅合金價(jià)格昂貴，銅軸瓦失效后通過重新澆鑄、堆焊等手段修復(fù)，有利于降低企業(yè)維修成本。本文闡述了銅軸瓦修復(fù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：銅軸瓦 重新澆鑄 堆焊修復(fù)

課 題：本文系桂工職教集團(tuán)課題（桂工職教集團(tuán)2018JSYF01）研究成果。

在社會生產(chǎn)中，軸瓦廣泛應(yīng)用于低速重載工況。銅合金軸瓦抗疲勞強(qiáng)度高，承載能力大，具有較強(qiáng)的抗壓能力和耐高溫性，因此被廣泛應(yīng)用。但銅軸瓦長期在高濕、高溫、腐蝕環(huán)境下重載荷研磨運(yùn)行，也會因磨損、腐蝕、刮傷等而失效。而由于軸瓦修復(fù)難度大、修復(fù)成本高、修復(fù)效果不理想，所以企業(yè)在該領(lǐng)域的研究投入也較少，少量的修復(fù)研究工藝穩(wěn)定性與可靠性差，沒有得到廣泛推廣應(yīng)用。

一、銅軸瓦失效形式

軸瓦失效形式主要有：腐蝕、熱疲勞、普通疲勞、磨損、燒瓦、刮傷等。

1.腐蝕

軸瓦在腐蝕介質(zhì)（如腐蝕性空氣、腐蝕性潤滑油等）中服役而產(chǎn)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致軸瓦合金表面形成脆性氧化物，合金元素剝落。

2.熱疲勞

由于軸瓦某些區(qū)域過度受熱，鉛和錫將會熔化，與銅分離，材料剝落，引起徑向間隙不足，產(chǎn)生雜質(zhì)，曲軸頸部變形，缸體與曲軸中心線不重合。

3.普通疲勞

由于不正常或循環(huán)壓力引起強(qiáng)度疲勞，導(dǎo)致軸瓦表面區(qū)域性不規(guī)則的抗摩擦材料分離。

4.磨損

軸瓦磨損造成軸瓦與軸之間間隙增大，受力不均勻，導(dǎo)致軸瓦變形。

5.燒瓦

因潤滑油不足或油質(zhì)低劣，軸與軸瓦之間發(fā)生干摩擦，產(chǎn)生高溫高熱，導(dǎo)致“燒瓦”。

6.刮傷

輥軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中與軸瓦發(fā)生研磨，由于軸瓦表面附著灰塵、污垢或金屬顆粒，在研磨過程中軸瓦表面被研出溝槽。

二、軸瓦的修復(fù)方法

銅軸瓦受到磨損后失效，在實(shí)際生產(chǎn)中往往通過更換新配件解決，成本較高。通過對銅軸瓦的修復(fù)，可降低企業(yè)設(shè)備維護(hù)成本，提高企業(yè)效益。目前，許多學(xué)者或研究機(jī)構(gòu)對銅軸瓦修復(fù)工藝有了較深入的研究，其中修復(fù)方法主要有以下幾種。

1.重新澆鑄法

重新澆鑄是將失效的物件通過鑄造方法獲得新的金屬成型物件，即把舊物件冶煉成液態(tài)金屬，注入型腔內(nèi)，待冷卻后進(jìn)行打磨等簡單機(jī)加工，獲得具有一定形狀、尺寸、組織和性能的新物件，是材料成型重要的分支。目前，人們廣泛使用離心澆鑄法進(jìn)行回爐重造。離心澆鑄是將液態(tài)金屬注入高速旋轉(zhuǎn)的鑄型內(nèi)，使液態(tài)金屬作離心運(yùn)動充滿鑄型，經(jīng)冷卻、簡單機(jī)加工形成鑄件的技術(shù)和方法。澆鑄過程中要注意控制澆鑄溫度并加快液態(tài)合金的冷卻速度。澆鑄溫度過高或過低，都會導(dǎo)致合金的晶粒粗大;若離心機(jī)轉(zhuǎn)速太快，會促使產(chǎn)生比重偏析，特別是當(dāng)冷卻速度不夠快時(shí)更為嚴(yán)重。該修復(fù)工藝操作復(fù)雜，技術(shù)難度大，很難保證修復(fù)質(zhì)量，而且維修成本高。

由于重新澆鑄工序繁雜，鑄造過程難以精確控制合金成分，導(dǎo)致鑄件質(zhì)量穩(wěn)定性下降，易造成冷隔、澆不足、氣孔、粘砂、夾砂、砂眼、脹砂等缺陷。因此，重新澆鑄修復(fù)質(zhì)量依賴于金屬液態(tài)成型技術(shù)的更新與技術(shù)水平的提高。

2.電刷鍍修復(fù)方法

電刷鍍是用電解方法在工件表面獲取鍍層的過程。電刷鍍既能實(shí)現(xiàn)物件尺寸的改變，獲得較高公差精度，又能改變工件表面材料組織，達(dá)到優(yōu)化性能的效果，因而在工業(yè)上獲得廣泛應(yīng)用。軸瓦的電刷鍍修復(fù)是采用電刷鍍，修復(fù)軸瓦瓦面缺陷，恢復(fù)或提高瓦面性能。劉惠明等采用電刷鍍巴氏合金液的方法，修復(fù)失效的車軸瓦，刷鍍后的軸瓦表面狀態(tài)良好，鍍層平整、光滑，色澤均勻一致，光亮而美觀。電鍍刷修復(fù)不需要電鍍槽，設(shè)備簡單，不受零件尺寸的限制;電鍍工藝簡化，如：不需要包扎絕緣等;沉積速度快，是有槽電鍍的10～15倍;鍍后一般不要加工，鍍層厚度可控制。但勞動強(qiáng)度大，消耗鍍液較多，消耗陽極包纏材料，鍍液的好壞直接影響鍍層與基體之間的結(jié)合，易出現(xiàn)鍍層脫落等現(xiàn)象，不適用于大厚度修復(fù)層。

3.壓鉚（焊）銅套法

壓鉚（焊）銅套修復(fù)是通過切削加工，去除缺陷，采用鉚釘或者焊接的方法在軸瓦內(nèi)安裝新瓦面，恢復(fù)軸瓦使用功能的方法。采用壓鉚（焊）銅套修復(fù)方法，可以獲得新的瓦面，提高軸瓦使用壽命。南寧鈦銀科技有限公司隆成柱、隆小柱用刨床將受磨損的銅合金瓦面刨開，在刨開后的銅合金瓦面部位的四周開有V型焊接口，在銅合金瓦面的中心開有加固孔，更換一塊與磨損面尺寸相同的新的銅合金瓦面，采用焊接及緊固件連接，達(dá)到修復(fù)效果。壓鉚（焊）銅套修復(fù)在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛，可行性較強(qiáng)，適用于大面積失效的軸瓦修復(fù)，但對小范圍磨損的瓦面修復(fù)不適用，更換新瓦面的費(fèi)用較高。

4.堆焊修復(fù)

堆焊修復(fù)是用焊接方法在工件表面熔覆一層或多層具有耐腐蝕、耐高溫、耐磨或抗氧化等特性的熔敷金屬，經(jīng)機(jī)加工后恢復(fù)工件使用性能的工藝過程。堆焊廣泛應(yīng)用于石化、冶金、礦山、農(nóng)機(jī)等行業(yè)的零件制造和修復(fù)中，是焊接領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。堆焊技術(shù)在工藝上具有很大的靈活性，人們可以根據(jù)工件服役條件選擇具有特定性能的堆焊合金，通過堆焊實(shí)現(xiàn)母材與堆焊合金的冶金結(jié)合，恢復(fù)和提高工件的使用性能。目前，國內(nèi)外學(xué)者嘗試采用多種堆焊修復(fù)工藝，獲得多種合金材料體系的硬質(zhì)堆焊層，并對其微觀組織及力學(xué)性能（如耐磨損、耐腐蝕性能）等方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究。東北電力試驗(yàn)研究院劉傳玉以堆焊新工藝代替澆鑄巴氏合金或修復(fù)大型軸瓦，獲得發(fā)明專利授權(quán)。

堆焊工藝可針對失效的零部件進(jìn)行修復(fù)再制造，是一項(xiàng)重要的再制造工程。零部件再制造的質(zhì)量評估在于再服役壽命周期，選擇合理的堆焊工藝參數(shù)、堆焊材料及堆焊方法對再制造零部件的再服役壽命有著重要影響，評估失效零件“能不能再制造”以及“再制造幾次”對堆焊工藝的選擇具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。目前，針對銅軸瓦的堆焊修復(fù)工藝研究的文獻(xiàn)極少。

三、銅軸瓦修復(fù)工藝發(fā)展趨勢

制糖業(yè)是廣西的特色產(chǎn)業(yè)，甘蔗壓榨機(jī)銅軸瓦是甘蔗壓榨機(jī)壓榨輥的支撐部件，承受高達(dá)100T重壓及摩擦，工作時(shí)發(fā)熱較大，長期高濕、高溫、高壓的工況導(dǎo)致銅軸瓦壽命急劇縮短。調(diào)研結(jié)果表明，甘蔗壓榨機(jī)銅軸瓦服役條件復(fù)雜，主要失效形式有腐蝕、疲勞失效、磨損、燒瓦、刮傷等。目前，廣西制糖產(chǎn)業(yè)甘蔗壓榨機(jī)失效銅軸瓦的修復(fù)方法有離心鑄造修復(fù)法、壓鉚（焊）銅套法及堆焊修復(fù)，其中采用離心澆鑄方法對失效銅軸瓦重新澆鑄被廣泛應(yīng)用。

1.離心鑄造修復(fù)

離心鑄造作為一種傳統(tǒng)的特殊鑄造技術(shù)，鑄造過程金屬液利用率極高、無需砂芯，可獲得致密的組織、具有特定梯度的材料，具有其他鑄造技術(shù)不可代替的優(yōu)點(diǎn)。隨著技術(shù)的更新，當(dāng)人們能夠很好地控制合金液中氣體及雜質(zhì)、進(jìn)一步細(xì)化晶粒及控制成分偏析、提高生產(chǎn)程序的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)時(shí)，離心鑄造技術(shù)將獲得質(zhì)的蛻變，工藝成本大幅度降低，將會廣泛應(yīng)用于銅、鎂、鈦等合金的鑄造。

2.堆焊修復(fù)

堆焊是指借助電弧、氧乙炔等熱源在母體材料的表面熔敷具有特定性能的合金材料，經(jīng)過簡單機(jī)加工，恢復(fù)母材原有尺寸及特殊性能的工程，是表面工程中的重要分支。堆焊過程是堆焊層與母材冶金結(jié)合的過程，因此堆焊層不易剝落，零件再服役壽命長。堆焊修復(fù)在工藝上具有極大的靈活性，人們可以根據(jù)母材對耐腐蝕、耐磨損、耐高溫等特殊性能的要求，合理選擇堆焊材料、焊接方法及工藝參數(shù)。

近幾十年來，高能束堆焊技術(shù)得到了迅速發(fā)展，激光堆焊作為高能束焊的典型代表，可以準(zhǔn)確控制堆焊層成分、稀釋率及熱輸入量，堆焊熱畸變小，可獲性能優(yōu)越的堆焊層，焊層厚度大。但價(jià)格昂貴的電子束設(shè)備和激光設(shè)備，限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。聚光束表面堆焊作為新型表面堆焊技術(shù)，設(shè)備造價(jià)相對低，且具有極高的能源利用率，因此在特殊材料堆焊、精密儀器堆焊、大面積堆焊中具有廣闊的應(yīng)用前景。

我國還不是堆焊技術(shù)發(fā)展強(qiáng)國，堆焊材料不夠系列化，堆焊方法效率低、成本高，堆焊設(shè)備局限性大，堆焊未能廣泛應(yīng)用于銅合金的修復(fù)。為了使堆焊技術(shù)更好地貢獻(xiàn)于“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”和“綠色再制造”的發(fā)展，我國學(xué)者們正在努力通過改善堆焊方法、設(shè)計(jì)新型焊接材料，使堆焊材料優(yōu)質(zhì)化、堆焊方法高效化，努力開發(fā)制造出更智能化、專業(yè)化的堆焊設(shè)備，使我國堆焊技術(shù)走向世界。

四、小結(jié)

銅軸瓦失效影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，停產(chǎn)修復(fù)時(shí)間周期長將給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失，如何縮短修復(fù)時(shí)間周期，降低修復(fù)成本是今后學(xué)者們的研究方向。隨著技術(shù)的不斷更新，離心鑄造修復(fù)將能減少鑄件缺陷，更廣泛應(yīng)用于構(gòu)件的“重造”。隨著堆焊材料的系列化、堆焊方法的高效化、堆焊設(shè)備的智能化及專業(yè)化，堆焊將廣泛應(yīng)用于銅合金構(gòu)件的修復(fù)。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：黃龍鵬，廣西工業(yè)技師學(xué)院、廣西工業(yè)職業(yè)教育集團(tuán);黃煌、雷肖，廣西工業(yè)技師學(xué)院）