第三节 再制造表面处理技术

经过长期服役的零部件，其表面和近表面会发生改变，这些改变主要表现为表面磨损、变形、凹坑、锈蚀、裂纹等缺陷，通过尺寸恢复法和尺寸加工法两种再制造成形技术，使已经处于失效进程或者已经失效的零件表面几何形状和性能得以恢复，满足进入新一轮使用周期的需要。

对于表面力学性能发生较大改变的零件表面，先通过去除表面失效层，再恢复尺寸的方法，实现原零件精加工的要求。对于几何精度和形状变化不大，力学性能发生改变的零件表面，需通过一定的手段恢复性能，以上两种情况都需要采用表面工程技术方法，也就是通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需表面几何尺寸和性能。再制造与表面工程的结合，是再制造的创新发展。表面工程在再制造中的应用，不但实现了对再制造部件或产品尺寸的完全恢复，提高了旧品利用率、降低了再制造成本，使节能、节材、保护环境的效果更加凸显，而且提升了再制造产品的性能，这已成为我国零部件再制造比国外再制造更为先进的创新特色，受到国际同行的高度评价。目前，在我国再制造行业普遍采用的表面工程技术可分为表面改性、表面处理、表面涂层技术、表面覆层技术、复合表面技术等。

一、表面镀层再制造技术

1. 电镀技术

电镀技术是一种用电化学方法在基体（金属或非金属）表面沉积金属或金属化处理的技术，它能使均匀溶解在溶液中的金属离子，有序地在溶液（镀液）和基体接触表面获得电子，还原成金属原子并沉积在基体表面，形成宏观金属层——镀层。

电镀的基本原理如图2-3所示，在分别接入直流电源正负极的两洁净片间，充入硫酸铜溶液作为介质，就构成了一个简单的电镀铜装置。

电镀时，在外电场的驱使下，阳极（接正极铜片）表面铜原子失去电子，氧化成溶入溶液的铜离子，而运动到阴极（接负极铜片）表面的铜离子，沉积在阴极表面形成铜镀层。可见，阴极的沉积过程对电镀层的质量起决定性的作用。

废旧零部件电镀工艺是指电镀施工过程，可概括为废旧零部件→机械处理→化学处理→（电）化学精处理→预镀→电镀→镀后处理。电镀技术的主要工艺参数或指标范围见表2-2。

2. 化学镀技术

化学镀是一种无电镀覆镀的新方法，其本质是靠溶液中的还原剂使金属离子还原并沉积在零件表面的过程。化学镀区别于电镀的主要特点是，形状复杂的工件可获得十分均匀的镀层；镀层致密，孔隙少，硬度高；可适用于金属、非金属、半导体等基体的镀覆。化学镀常用溶液包括化学镀银、镀镍、镀铜、镀钴、镀镍磷液、镀镍磷硼液等。

化学镀是指没有外电流通过，利用还原剂将溶液中金属离子化学还原在呈催化活性的机件表面，使之形成金属镀层的工艺过程。化学镀最大特点是镀液的分散力强，凡接触镀液部位均有厚度基本相等的金属镀层，而且镀层外观好、致密、耐腐蚀。化学镀工作原理如图2-4所示。

化学镀液一般由主盐、还原剂、络合剂、缓冲剂组成。对某些特殊材料的镀件施镀时镀液中还需要添加稳定剂、表面活性剂等功能添加剂。主盐与还原剂是获得镀层的直接来源，主盐提供镀层金属离子，还原剂提供还原主盐离子所需要的电子。

（1）主盐

主盐即含镀层金属离子的盐。一般情况下，主盐含量低时沉积速度慢、生产效率较低；主盐含量高时沉积速度快，但含量过大时反应速度过快，易导致表面沉积的金属层粗糙，且镀液易发生自分解现象。

（2）还原剂

还原剂是提供电子以还原主盐离子的试剂。在酸性镀镍液中采用的还原剂主要为次磷酸盐，此时得到磷合金；用硼氢化钠、氨基硼烷等硼化物做还原剂时可得硼合金；用硼做还原剂时，可获得纯度较高的金属镀层。

（3）络合剂

络合剂的作用是通过与金属离子的络合反应来降低游离金属离子的浓度，从而防止镀液因金属离子的水解而产生自然分解，提高镀液的稳定性。但需要注意的是，络合剂含量增加将使金属沉积速率变慢，因此需要调整较适宜的络合剂浓度。化学镀常用的络合剂有柠檬酸、乳酸、苹果酸、丙酸、甘氨酸、琥珀酸、焦磷酸盐、柠檬酸盐、氨基己酸等。

（4）缓冲剂

缓冲剂的作用是维持镀液的pH值，防止化学镀过程中由于大量析氢所引起的pH值下降。

（5）稳定剂

稳定剂的作用是提高镀液的稳定性，防止镀液在受到污染、存在有催化活性的固体颗粒、装载量过大或过小、pH值过高等异常情况下发生自发分解反应而失效。稳定剂加入量不能过大，否则镀液将产生中毒现象失去活性，导致反应无法进行，因此需要控制镀液中稳定剂的含量在最佳添加量范围。常用的稳定剂有重金属离子、含氧酸盐和有机酸衍生物。

（6）表面活性剂

粉末、颗粒、纤维状的镀件材料单体质量差异较大，加入到镀液中后，轻质的漂浮于镀液表面，较重的沉降于底层，即使充分搅拌也难以充分分散于镀液中，影响施镀效果；需要在镀液中添加适量的阴离子或非离子表面活性剂。加入表面活性剂可提高镀液对基体的浸润效果，使粉末、颗粒、纤维状镀件很好地分散于镀液中，形成比较稳定的悬浮液。表面活性剂的浓度在一定程度上直接影响粉末、颗粒、纤维状镀件表面上金属镀层的性能。表面活性剂含量过高时生产成本较高，且会产生较大的泡沫，较大的泡沫会吸附粉末、颗粒、纤维状的镀件材料，导致化学镀难以进行，尚需再适当加入消泡剂。如果表面活性剂含量过低，则达不到充分浸润的效果，导致镀件表面活化程度降低，使金属难以沉积在镀件表面；一般情况下，表面活性剂添加量为镀液总质量的0.1%～0.15%为宜。

3. 电刷镀技术

电刷镀技术采用专用的直流电源设备，电源的正极接刷镀笔作为刷镀时的阳极，电源的负极接工件，作为刷镀时的阴极，刷镀笔通常采用高纯细石墨块作为阳极材料，石墨块外面包裹棉花和耐磨的涤棉套。刷镀时，使浸镀液的刷镀笔以一定的相对速度在工件表面移动，并保持适当的压力。这样在刷镀笔与工件接触的那些部位，镀液中的金属离子在电场力的作用下扩散到工件表面，并在工件表面获得电子被还原成金属原子，这些金属原子沉积结晶形成镀层。电刷镀工作原理如图2-5所示。

电刷镀的一般工艺过程见表2-3。

4. 电刷镀与其他表面技术的复合

热喷涂技术与电刷镀技术的复合，就是用热喷涂层迅速恢复尺寸，然后在喷涂层上刷镀，以提高表面光洁度和获得所需要的涂层性能。

电刷镀与钎焊技术的复合，即在一些难以钎焊的材料上镀铜、锡、银、金等镀层，然后再钎焊，解决难钎焊金属表面或两种性能差异很大的金属表面钎焊问题。

电刷镀与激光重熔技术复合，即某些情况下为提高刷镀的结合强度，或为提高工件材料的表面性能，采用先刷镀金属镀层或合金镀层，再进行激光重熔。

电刷镀与激光微细处理技术复合，即在一些重要摩擦副表面镀工作层，然后再用激光器在镀层表面打出有规则的微凸体和微凹体，这些凸凹体不仅自身得到强化，而且还有良好的储油能力，从而提高了摩擦副的耐磨性。

电刷镀与粘涂技术复合，即对于一些大型零部件上的深度划伤、沟槽、压坑，在不便于堆焊、钎焊、喷涂的部位，可先用粘涂耐磨胶填补沟槽，待胶固化后，在胶上刷镀金属镀层，填补时可使用导电胶。

电刷镀与离子注入技术复合，即可进一步提高刷镀层的耐磨性，如在镍镀层、镍钨镀层、铜镀层上注入氮离子。

二、表面涂层再制造技术

热喷涂是采用一定形式的热源，将粉状、丝状或棒状喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，同时用高速气流使其雾化，喷射在经过预处理的零件表面，形成喷涂层的一种金属表面加工方法。

根据热源划分，热喷涂有四种基本方法：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和其他喷涂。火焰喷涂是以气体火焰为热源的热喷涂；电弧喷涂是以电弧为热源的热喷涂；等离子喷涂是以等离子弧为热源的热喷涂。根据喷射速度不同，热喷涂方法分为火焰喷涂、气体爆燃式喷涂（爆炸喷涂）及超声速火焰喷涂三种。

热喷涂技术既可用于修复，又可用于制造。性能优异的热涂层材料用其修复零部件，寿命不仅达到了新产品的要求，而且还能对产品质量起到改善作用，如耐磨、抗氧化、隔热、导电、绝缘、减摩、润滑、防腐蚀等功能。

热喷涂方法及其技术特点见表2-4。

热喷涂的基本工艺流程如图2-6所示。

1. 氧乙炔火焰喷涂

火焰喷涂法是以氧-燃料气体加热火焰作为热源，将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态，并高速喷射到经过预处理的基体表面上，从而形成具有一定性能的涂层工艺。

燃料气体包括乙炔（燃烧温度3260℃）、氢气（燃烧温度2871℃）、液化石油气（燃烧温度约2500℃）和丙烷（燃烧温度3100℃）等。另外，还可以用重油和氧作为热源，将粉末与燃料油混合，悬浮于燃料油中间，该方法在火焰中有较高的浓度并分布均匀，热传导性更好，很多氧化物（氧化铝、氧化硅、富铝红柱石）可采用此方法。

氧乙炔火焰喷涂材料包括丝材、棒材和粉末材料，各种方法的性能比较见表2-5。

2. 高速电弧喷涂技术

高速电弧喷涂是以电弧为热源，将熔融金属丝颗粒雾化，并以高速喷射到工件表面形成涂层的一种工艺。喷涂时，两根丝状喷涂材料经送丝机构均匀、连续地送进喷枪的两个导电嘴内，导电嘴分别接喷涂电源的正、负极，并保证两根丝材端部接触前的绝缘性。当两根丝材端部接触时，由于短路产生电弧。高压空气将电弧熔化的金属雾化成微熔滴，并将微熔滴加速喷射到工件表面，经冷却、沉积过程形成涂层，自动化高速电弧喷涂原理如图2-7所示，此项技术可赋予磨损的零部件表面优异的耐磨、防腐、防滑、耐高温等性能，在机电产品再制造中获得广泛的应用。

主要喷涂材料有锌和锌合金（Zn-Al合金），运用于铝合金变速器修复的铝和铝合金（Fe₃Al合金），运用于活塞和轴瓦表面的铜及铜合金，以及修复活塞环、制动片和铝合金气缸的钼合金等，其他还有碳钢和低合金钢。

3. 超声速等离子喷涂技术

等离子喷涂是以等离子弧为热源的热喷涂。等离子弧是一种高能密束热源，电弧在等离子喷涂枪中受到压缩，能量集中，其横截面的能量密度可提高到1×10⁵～1×10⁶W/cm²，弧柱中心温度可升高到15000～33000K。

超声速等离子喷涂原理如图2-8所示，工艺参数见表2-6。

三、表面覆层再制造技术

1. 焊接技术

焊接技术是通过加热或加压，或两者并用，用或不用填充材料，使焊件达到原子结合的方法。废旧产品及其零部件再制造过程中常用的焊接方法分为熔焊（弧焊技术、气焊技术）、压焊（电阻点焊）和钎焊。

（1）弧焊技术

弧焊技术是将焊件接头加热至熔化状态，不加压完成焊接的方法。弧焊技术采用局部加热方法，使工件的焊接接头部位出现局部熔化，通常还须填充金属，共同构成熔池，经冷却结晶后，形成牢固的原子间结合，使分离的工件成为一体。弧焊适用于薄壁铸件，结构复杂、刚性较大、易产生裂纹的部件，以及对补焊区硬度、颜色、密封性、承受动载荷要求高的零部件的补焊。灰铸铁热焊能获得质量最佳的焊接接头，缺点是劳动条件恶劣、生产成本高、生产效率较低。

（2）气焊技术

气焊是一项利用点焊焊头对焊件表面进行局部加热使其熔化，之后再将熔化后的液体通过焊接零件与焊接区域进行连接，整个过程中加入二氧化碳等保护气体，防止出现空气对焊接区域氧化腐蚀现象，这样直到液体冷却，完成整个焊接过程。气焊技术不需要在焊接区域与焊件之间施加压力，只需要在焊件熔化后添加保护气体对整个液体和焊接区域进行保护，防止其出现氧化作用。气焊生产效率高，容易实现对焊接区域的塑形处理，且性价比较高（其售价相对电阻焊接技术下降幅度较大），但是由于保护气体的存在，很多焊接区域存在不稳定现象，难以实现精确焊接。气焊技术主要用于结构比较复杂、焊后要求使用性能高、一些重要薄壁铸铁件的焊补，如汽车、拖拉机的发动机缸体、缸盖的焊补。其缺点是劳动条件恶劣、生产成本高、生产效率较低。

（3）电阻点焊技术

电阻点焊是目前我国汽车制造过程中经常使用的焊接技术，这种焊接技术主要是将焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，在很短的时间内通过大电流（直流或交流电），利用电阻热熔化母材金属以形成焊点。电阻点焊技术能够极大地缓解阻焊技术中存在的能耗大问题，焊接效果受时间、电流以及压力等因素的影响较大。

（4）钎焊技术

钎焊采用比母材熔点低的金属材料作为钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。钎焊分为软钎焊和硬钎焊。

2. 微脉冲冷焊技术

微脉冲冷焊技术是一种新型金属零件表面修复技术，利用充电电容，在几秒的周期内以几十毫秒的时间放电。钨极与零件基体接触区域会被瞬间加热，等离子化状态的修复材料将以冶金的方式熔覆到零件的损伤部位。由于钨极放电时间与下一次放电间隔时间相比十分短，修复区域的局部热量会通过零件基体传导到外界，由于瞬间熔融，钨极顶端处的温度仍可以达到很高。修复材料瞬间生成金属熔滴，与基体金属结合在一起，同时由于等离子电弧的高温作用，基体表层内部就会产生顽固的元素扩散层，零件修复后只需经过很少的后期处理，便可达到实用要求。该技术具有精密、经济、便捷等优点，可用于修复废旧发动机零件表面的磨损、划伤、磕碰等缺陷。

3. 氧乙炔火焰粉末喷熔技术

喷熔是以气体火焰为热源，将喷涂材料（自熔性合金粉末）通过特殊工艺重熔喷涂涂层的方法。氧乙炔火焰金属粉末喷涂的原理是以氧乙炔火焰为热源，把自熔剂合金粉末喷涂在经过制备的工件表面上，在工件不熔化的情况下，加热涂层，使其熔融并润湿工件，通过液态合金与固态工件表面的相互融解与扩散，形成一层冶金并具有特殊性能的表面熔覆层。重熔过程的目的是得到无气孔、无氧化物、与工件表面结合强度高的涂层。

4. 激光再制造技术

激光再制造技术是指应用激光束对废旧零部件进行再制造处理的各种激光技术的统称。按激光束对零件材料作用结果的不同，激光再制造技术主要可分为两大类，即激光表面改性技术和激光加工成形技术，其技术分类如图2-9所示。

激光熔覆技术是激光表面改性技术的一般分支，在激光表面改性技术中其功率密度分布区间为10⁴～10⁶W/cm²，介于激光淬火和激光合金化之间。它是利用高能激光束在金属基体上熔化被覆材料而形成一层厚度很小的金属层，该熔覆层具有低的稀释率、较少的气孔、裂纹缺陷以及与基体形成优异的冶金结合，其原理如图2-10所示，激光器技术参数及特点见表2-7。

激光熔覆材料主要包括自熔性合金粉末、碳化物复合粉末、氧化物陶瓷粉末等。自熔性材料主要有铁基合金、镍基合金、钴基合金等，其性能参数见表2-8。

四、表面改性再制造技术

表面改性再制造技术是指采用机械、物理或者化学工艺方法，改变材料表面、亚表面层的成分、结构和性能，达到改善表面性能的目的，不附加膜层，也不改变零件宏观尺寸的技术，是产品表面工程技术和再制造工程的重要组成部分。表面改性再制造处理后，既能发挥零部件基体材料的力学性能，又能提升基体材料表面性能，是零部件表面获得各种特殊性能（如耐磨损、耐腐蚀、耐高温以及合适的射线吸收、辐射和反射能力）的重要手段。

表面改性技术主要包括表面强化、表面化学热处理、气相沉淀技术和高能束表面处理等技术。

1. 表面强化技术

（1）传统零部件表面强化技术

1）渗碳。渗碳的目的是在渗碳零部件的表面形成高碳马氏体或高碳马氏体+细粒状碳化物组织，从而使零部件表层的硬度、强度，尤其是耐磨和抗疲劳性能明显提高，并且心部保持一定的强度和韧性，具有很好的综合力学性能。渗碳表面强化技术已经在交变载荷、冲击载荷、较大接触应力和严重磨损条件下工作的汽车齿轮、活塞环、链条和凸轮轴等零部件表面上得到广泛应用。

2）渗氮。渗氮是在零部件表面渗入氮元素的一种化学热处理工艺。零部件经过渗氮处理后表面硬度、疲劳强度、腐蚀性能及耐磨性能显著提高。常用的渗氮处理技术有气体渗氮和离子渗氮，而离子渗氮技术已经在零部件上得到广泛应用。

3）表面淬火。表面淬火是将零部件的表层快速加热，使大部分热量尚未传到零部件内部，表层温度就已达到淬火温度并进行淬火，以使零部件获得预定淬火组织的工艺。其主要目的是使零部件表面获得良好的耐磨性和高硬度，能够使心部具有足够的韧性与强度，并提高零部件的疲劳强度，其中双频感应加热淬火工艺已经在汽车齿轮上成熟应用。

（2）新型零部件表面强化技术

1）表面形变强化。表面形变强化是采用喷丸、挤压或滚压零部件的表面，使其产生塑性变形和加工硬化，从而引起表层显微组织的变化，并改善零部件的疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性，进一步提高零部件使用的可靠性和耐久性，其中喷丸强化工艺应用最为普遍。

2）高能束流表面强化。高能束流表面强化是采用激光束、电子束、离子束三类高能束流对金属零部件表面进行强化，使其具有耐磨、耐腐蚀及耐高温的性能，其中激光相变硬化技术对汽车变速器、气缸、气门导管、气门座圈、发动机轴承、活塞环、凸轮轴、曲轴气门杆锁夹等零部件表面强化处理应用较多。

3）电子束表面淬火。电子束表面淬火就是利用高能电子流轰击工件表面，使其组织变为细晶粒奥氏体，进而达到强化零部件的目的。电子束能量高，加热工件表层薄，从而进行自激励冷却来进行表面淬火，进一步改善零部件的表面性能。

（3）传统和新型结合的零部件表面复合强化技术

1）传统与传统的零部件表面复合强化技术。传统的表面复合强化技术有渗氮（氮碳共渗）+淬火、渗氮+感应淬火等，已经成熟应用到低碳钢和低合金钢制成的汽车齿轮、轴承等零部件上。强化时先对其表面进行渗碳处理，提高零部件表面的硬度，随之进行低温碳氮共渗处理，使零部件心部具有较好的韧性，表层形成氮化层，零部件可以获得很好的抗腐蚀性，并且表面硬度基本不变。

2）新型与传统的零部件表面复合强化技术。优化的渗氮工艺与各种快速渗氮工艺相结合的复合强化技术与优化的渗氮工艺与表面纳米预处理等新技术的结合应用，如表面超声喷丸纳米化处理、电泳—电沉积Ni—金刚石复合镀层。新型与传统的零部件表面复合强化技术在零部件领域具有广阔的应用前景。

3）新型与新型的零部件表面复合强化技术。热喷涂技术与喷丸技术相互结合的复合涂层技术可以改善摩擦副接触面的储油效果，增强零部件表面的油膜涂布能力，进而提高零件的减摩润滑性能。

2. 典型的表面改性技术

（1）盐浴渗氮技术

盐浴渗氮技术是一种金属零件表面改性技术，具有高耐腐蚀、高耐磨、微变形的优点，如低温盐浴渗氮+盐浴氧化或低温盐浴氮碳共渗+盐浴氧化，该技术取代内燃机缸套镀硬铬工艺，提高了内燃机缸套的耐磨性。成都工具研究所经长期的试验研究，成功研制出了成分独特的渗氮盐浴配方，该技术已经在国内汽车的曲轴、气门、凸轮轴、活塞环及气簧、活塞杆上得到应用，曲轴的抗疲劳强度可提高40%，凸轮轴的表面硬度可达500HV，气门的耐磨性比镀硬铬高两倍。

（2）离子强化沉积技术

离子强化沉积技术是用离子注入方法进行零部件表面强化处理的技术。当用离子束轰击零部件表面时，离子会穿透界面区，并促使相互混合，其作用机理是碰撞联级和慢速扩散相结合的快碰撞过程，离子强化沉积技术使涂层的结合强度增大，甚至在界面和基体之间形成一些新的产物，使涂层和基体成为一体。

（3）低温离子渗硫技术

低温离子渗硫也叫辉光离子渗硫，是在传统渗硫技术的基础上，结合现代真空技术和等离子技术而形成的一种绿色高效的新型渗硫技术，其原理与离子渗氮相似。低温离子渗硫工艺的整个流程可以概括为工件的去油除锈、清洗、烘干、渗硫、检测以及浸油这六大步骤，其中渗硫是最核心的步骤。由于所选择的硫源不同，渗硫的工艺过程会有略微的差异。

以固体硫作为硫源，渗硫过程如下。将工件接阴极，炉壁接阳极，当真空度下降至10Pa时，向炉内通入氨气（约0.3L/min），在阴阳极之间加600V左右的高压直流电。氨气在高压作用下被电离成离子而向阴极运动，产生灰白色的辉光，而后又在阴极压降的作用下被加速，以一定的能量轰击钢铁工件表面，使其表面形成大量的晶体缺陷，待温度升高至190～200 ℃时停止轰击，此时固体硫源被大量气化，弥漫于整个渗硫炉内并产生辉光放电，硫原子（离子）沿碳钢工件表面的晶界缺陷扩散，并与铁原子或离子结合生成FeS，通过保温一定时间，最终形成一定厚度的渗硫层。