铜轴瓦修复研究现状及发展趋势
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黄龙鹏 黄煌 雷肖
摘 要：铜轴瓦广泛应用于低速重载工况，铜轴瓦失效影响企业的正常生产，因铜合金价格昂贵，铜轴瓦失效后通过重新浇铸、堆焊等手段修复，有利于降低企业维修成本。本文阐述了铜轴瓦修复的研究现状及发展趋势。
关键词：铜轴瓦 重新浇铸 堆焊修复
课 题：本文系桂工职教集团课题（桂工职教集团2018JSYF01）研究成果。
在社会生产中，轴瓦广泛应用于低速重载工况。铜合金轴瓦抗疲劳强度高，承载能力大，具有较强的抗压能力和耐高温性，因此被广泛应用。但铜轴瓦长期在高湿、高温、腐蚀环境下重载荷研磨运行，也会因磨损、腐蚀、刮伤等而失效。而由于轴瓦修复难度大、修复成本高、修复效果不理想，所以企业在该领域的研究投入也较少，少量的修复研究工艺稳定性与可靠性差，没有得到广泛推广应用。
一、铜轴瓦失效形式
轴瓦失效形式主要有：腐蚀、热疲劳、普通疲劳、磨损、烧瓦、刮伤等。
1.腐蚀
轴瓦在腐蚀介质（如腐蚀性空气、腐蚀性润滑油等）中服役而产生氧化反应，导致轴瓦合金表面形成脆性氧化物，合金元素剥落。
2.热疲劳
由于轴瓦某些区域过度受热，铅和锡将会熔化，与铜分离，材料剥落，引起径向间隙不足，产生杂质，曲轴颈部变形，缸体与曲轴中心线不重合。
3.普通疲劳
由于不正常或循环压力引起强度疲劳，导致轴瓦表面区域性不规则的抗摩擦材料分离。
4.磨损
轴瓦磨损造成轴瓦与轴之间间隙增大，受力不均匀，导致轴瓦变形。
5.烧瓦
因润滑油不足或油质低劣，轴与轴瓦之间发生干摩擦，产生高温高热，导致＂烧瓦＂。
6.刮伤
辊轴在运转过程中与轴瓦发生研磨，由于轴瓦表面附着灰尘、污垢或金属颗粒，在研磨过程中轴瓦表面被研出沟槽。
二、轴瓦的修复方法
铜轴瓦受到磨损后失效，在实际生产中往往通过更换新配件解决，成本较高。通过对铜轴瓦的修复，可降低企业设备维护成本，提高企业效益。目前，许多学者或研究机构对铜轴瓦修复工艺有了较深入的研究，其中修复方法主要有以下几种。
1.重新浇铸法
重新浇铸是将失效的物件通过铸造方法获得新的金属成型物件，即把旧物件冶炼成液态金属，注入型腔内，待冷却后进行打磨等简单机加工，获得具有一定形状、尺寸、组织和性能的新物件，是材料成型重要的分支。目前，人们广泛使用离心浇铸法进行回炉重造。离心浇铸是将液态金属注入高速旋转的铸型内，使液态金属作离心运动充满铸型，经冷却、简单机加工形成铸件的技术和方法。浇铸过程中要注意控制浇铸温度并加快液态合金的冷却速度。浇铸温度过高或过低，都会导致合金的晶粒粗大;若离心机转速太快，会促使产生比重偏析，特别是当冷却速度不够快时更为严重。该修复工艺操作复杂，技术难度大，很難保证修复质量，而且维修成本高。
由于重新浇铸工序繁杂，铸造过程难以精确控制合金成分，导致铸件质量稳定性下降，易造成冷隔、浇不足、气孔、粘砂、夹砂、砂眼、胀砂等缺陷。因此，重新浇铸修复质量依赖于金属液态成型技术的更新与技术水平的提高。
2.电刷镀修复方法
电刷镀是用电解方法在工件表面获取镀层的过程。电刷镀既能实现物件尺寸的改变，获得较高公差精度，又能改变工件表面材料组织，达到优化性能的效果，因而在工业上获得广泛应用。轴瓦的电刷镀修复是采用电刷镀，修复轴瓦瓦面缺陷，恢复或提高瓦面性能。刘惠明等采用电刷镀巴氏合金液的方法，修复失效的车轴瓦，刷镀后的轴瓦表面状态良好，镀层平整、光滑，色泽均匀一致，光亮而美观。电镀刷修复不需要电镀槽，设备简单，不受零件尺寸的限制;电镀工艺简化，如：不需要包扎绝缘等;沉积速度快，是有槽电镀的10～15倍;镀后一般不要加工，镀层厚度可控制。但劳动强度大，消耗镀液较多，消耗阳极包缠材料，镀液的好坏直接影响镀层与基体之间的结合，易出现镀层脱落等现象，不适用于大厚度修复层。
3.压铆（焊）铜套法
压铆（焊）铜套修复是通过切削加工，去除缺陷，采用铆钉或者焊接的方法在轴瓦内安装新瓦面，恢复轴瓦使用功能的方法。采用压铆（焊）铜套修复方法，可以获得新的瓦面，提高轴瓦使用寿命。南宁钛银科技有限公司隆成柱、隆小柱用刨床将受磨损的铜合金瓦面刨开，在刨开后的铜合金瓦面部位的四周开有V型焊接口，在铜合金瓦面的中心开有加固孔，更换一块与磨损面尺寸相同的新的铜合金瓦面，采用焊接及紧固件连接，达到修复效果。压铆（焊）铜套修复在实际生产中应用较为广泛，可行性较强，适用于大面积失效的轴瓦修复，但对小范围磨损的瓦面修复不适用，更换新瓦面的费用较高。
4.堆焊修复
堆焊修复是用焊接方法在工件表面熔覆一层或多层具有耐腐蚀、耐高温、耐磨或抗氧化等特性的熔敷金属，经机加工后恢复工件使用性能的工艺过程。堆焊广泛应用于石化、冶金、矿山、农机等行业的零件制造和修复中，是焊接领域的一个重要分支。堆焊技术在工艺上具有很大的灵活性，人们可以根据工件服役条件选择具有特定性能的堆焊合金，通过堆焊实现母材与堆焊合金的冶金结合，恢复和提高工件的使用性能。目前，国内外学者尝试采用多种堆焊修复工艺，获得多种合金材料体系的硬质堆焊层，并对其微观组织及力学性能（如耐磨损、耐腐蚀性能）等方面进行了广泛而深入的研究。东北电力试验研究院刘传玉以堆焊新工艺代替浇铸巴氏合金或修复大型轴瓦，获得发明专利授权。
堆焊工艺可针对失效的零部件进行修复再制造，是一项重要的再制造工程。零部件再制造的质量评估在于再服役寿命周期，选择合理的堆焊工艺参数、堆焊材料及堆焊方法对再制造零部件的再服役寿命有着重要影响，评估失效零件＂能不能再制造＂以及＂再制造几次＂对堆焊工艺的选择具有现实指导意义。目前，针对铜轴瓦的堆焊修复工艺研究的文献极少。
三、铜轴瓦修复工艺发展趋势
制糖业是广西的特色产业，甘蔗压榨机铜轴瓦是甘蔗压榨机压榨辊的支撑部件，承受高达100T重压及摩擦，工作时发热较大，长期高湿、高温、高压的工况导致铜轴瓦寿命急剧缩短。调研结果表明，甘蔗压榨机铜轴瓦服役条件复杂，主要失效形式有腐蚀、疲劳失效、磨损、烧瓦、刮伤等。目前，广西制糖产业甘蔗压榨机失效铜轴瓦的修复方法有离心铸造修复法、压铆（焊）铜套法及堆焊修復，其中采用离心浇铸方法对失效铜轴瓦重新浇铸被广泛应用。
1.离心铸造修复
离心铸造作为一种传统的特殊铸造技术，铸造过程金属液利用率极高、无需砂芯，可获得致密的组织、具有特定梯度的材料，具有其他铸造技术不可代替的优点。随着技术的更新，当人们能够很好地控制合金液中气体及杂质、进一步细化晶粒及控制成分偏析、提高生产程序的计算机控制技术时，离心铸造技术将获得质的蜕变，工艺成本大幅度降低，将会广泛应用于铜、镁、钛等合金的铸造。
2.堆焊修复
堆焊是指借助电弧、氧乙炔等热源在母体材料的表面熔敷具有特定性能的合金材料，经过简单机加工，恢复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。堆焊过程是堆焊层与母材冶金结合的过程，因此堆焊层不易剥落，零件再服役寿命长。堆焊修复在工艺上具有极大的灵活性，人们可以根据母材对耐腐蚀、耐磨损、耐高温等特殊性能的要求，合理选择堆焊材料、焊接方法及工艺参数。
近几十年来，高能束堆焊技术得到了迅速发展，激光堆焊作为高能束焊的典型代表，可以准确控制堆焊层成分、稀释率及热输入量，堆焊热畸变小，可获性能优越的堆焊层，焊层厚度大。但价格昂贵的电子束设备和激光设备，限制了其在工业生产中的广泛应用。聚光束表面堆焊作为新型表面堆焊技术，设备造价相对低，且具有极高的能源利用率，因此在特殊材料堆焊、精密仪器堆焊、大面积堆焊中具有广阔的应用前景。
我国还不是堆焊技术发展强国，堆焊材料不够系列化，堆焊方法效率低、成本高，堆焊设备局限性大，堆焊未能广泛应用于铜合金的修复。为了使堆焊技术更好地贡献于＂循环经济＂和＂绿色再制造＂的发展，我国学者们正在努力通过改善堆焊方法、设计新型焊接材料，使堆焊材料优质化、堆焊方法高效化，努力开发制造出更智能化、专业化的堆焊设备，使我国堆焊技术走向世界。
四、小结
铜轴瓦失效影响企业的正常生产，停产修复时间周期长将给企业带来经济损失，如何缩短修复时间周期，降低修复成本是今后学者们的研究方向。随着技术的不断更新，离心铸造修复将能减少铸件缺陷，更广泛应用于构件的＂重造＂。随着堆焊材料的系列化、堆焊方法的高效化、堆焊设备的智能化及专业化，堆焊将广泛应用于铜合金构件的修复。
参考文献：
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[2]姚建华，张群莉，叶良武.激光表面堆焊技术及其发展趋势[J].激光与光电子学进展，2004（02）.
[3]任艳艳，张国赏，魏世忠，徐流杰.我国堆焊技术的发展及展望[J].焊接技术，2012（06）.