[发明专利]一种磨损轴类零件搅拌摩擦加工再制造方法

说明书

技术领域

本发明属于废旧工程机械零件再制造加工领域，具体是针对表面磨损轴类零件的一种搅拌摩擦加工再制造方法。

背景技术

废旧工程机械零部件再制造是再制造工程的重要组成部分，是提高资源利用率、发展循环经济的重要途径之一。轴类零件是工程机械传动机构中广泛使用的零部件之一，由于传递载荷大及反复加载经常会发生各种磨损失效，直接废弃局部磨损的轴类零件将造成材料及能源的严重浪费，如何对磨损轴类零件进行再制造后继续使用是再制造工程迫切需要解决的课题。研究和开发先进的再制造方法对磨损轴类零件进行再制造加工，对工程机械再制造工程的发展有巨大促进作用。

目前，已应用的轴类零件表面再制造加工方法有表面堆焊、热喷涂、电刷镀、激光熔覆及耗材摩擦焊等，它们在具有各自优点的同时，也具有工艺上的一些局限性。

(1)表面堆焊是在金属材料或零件表面熔焊上耐磨耐蚀等特殊性能金属层的一种工艺方法，通过堆焊可以修复外形不合格的金属零部件及产品或制造双金属零部件。用表面堆焊方法加工轴类零件时，加工面积较大，轴母材和金属层之间为冶金结合，结合强度高；但采用熔焊方法难免会产生各种熔化冶金缺陷及结晶缺陷等，焊后焊缝组织粗大，尤其热影响区韧性明显降低，存在严重的焊接残余应力和变形，并可能产生各种裂纹等缺陷，导致该工艺在使用中具有明显局限性。

(2)热喷涂技术是一种将涂层材料(粉末或丝材)送入某种热源(电弧、燃烧火焰、等离子体等)中熔化,并利用高速气流将其喷射到基体材料表面形成涂层的工艺。热喷涂涂层具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温和隔热等优良性能,并能对磨损、腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行局部修复加工,在航空航天、机械制造、石油化工等领域中有广泛应用。用热喷涂技术修复轴类零件时修复速度快，适合复杂形状及大面积加工；但涂层总存在一定空隙率、致密性低，涂层与母材之间存在残余应力，涂层结合一般为机械结合，其结合强度较低，在轴类零件表面长期磨损挤压大载荷作用下很容易再次磨损剥落，虽后续发展了超音速喷涂工艺，其涂层致密性与结合强度有明显改善，但涂层仍很难适合承受挤压磨损冲击载荷的作用。

(3)电刷镀的基本原理与电镀相同，都属于电化学结晶过程，刷镀是在通电状态下蘸镀液的阳极与被镀工件表面做相对接触运动下进行化学反应而施镀的。电刷镀技术修复轴类零件时为现场修复，易于操作，工期较短，修复宽面效率较高，镀层与母体之间是金属键结合，结合力高，热输入量低，不产生热应力；但镀层大于0.5mm易脱落，刷镀面积受镀笔大小的限制，并且镀液对现场环境有一定污染。

(4)激光熔敷表面再制造加工技术是利用高能量、高密度的激光束,在缺陷的金属材料表面处快速熔凝一层具有高机械性能及综合性能的合金材料,提高工件的表面强度、耐磨性以及抗腐蚀性,融合零件表层裂纹及存在的微孔缺陷,再经过一定机械加工使得熔敷层表面质量符合要求。采用该工艺加工轴类零件时，熔敷材料与母材接近、耐磨损性能较好、冶金结合强度高、不易脱落，但激光熔敷仍是一种熔化焊接方法，类似于表面堆焊将存在熔化焊中不可避免的冶金组织及熔化缺陷特征，如热影响区韧性降低及焊接残余应力，有设备操作比较复杂、成本高等局限性。

(5)耗材摩擦焊工艺是常规摩擦焊热效应与普通电弧焊焊条作用及运动方式的有机结合,基本原理是消耗材料“焊条”旋转并与被焊工件接触,依靠接触面摩擦所产生的热,使结合面两侧的材料达到热塑性状态,并施加顶锻压力实现连接,与此同时耗材与工件沿所需焊接方向相对运动,在这个过程中,“焊条”不断消耗,从而形成焊缝或焊敷层。用耗材摩擦焊加工时不熔化母材和耗材，为固相连接、温度低、焊缝组织细小均匀，结合强度高；但由于目前设备及工艺局限性，耗材长度有限、很难实现连续加工，该工艺目前主要处在实验室研究阶段，国内尚未见到实际工程应用。

搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所发明的一种新型固相连接技术，其基本原理是一个由轴肩和搅拌针组成的非消耗的焊接工具高速旋转并插入被连接工件之间，通过工具的摩擦生热使被焊金属升温并发生塑化，从而实现固相连接。搅拌摩擦加工是在搅拌摩擦焊技术基础上开发的一种用于材料改性和制备表面复合材料的加工工艺。该方法通过搅拌摩擦机械作用产生的热塑性变形来细化被加工材料表面晶粒与微观组织，从而改善材料表面综合力学性能。但加工宽度受到搅拌工具的限制，加工效率不高，也未使用填充金属，目前尚未见到搅拌摩擦加工应用于废旧工程机械轴类零件的再制造工程中。

发明内容