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工程机械轴类零件失效分析及其热喷涂再制造工艺研究

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天津大学硕士学位论文工程机械轴类零件失效分析及其热喷涂再制造工艺研究Study on the Failure Analysis and Thermal Spray Remanufacturing for Construction Machinery Shaft Parts学科专业：材料加工工程研究生：陈源指导教师：叶福兴教授天津大学材料科学与工程学院2012年12月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。

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同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。

（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要由于资源的日益短缺，产品利润空间的不断压缩，以及潜在巨大市场的刺激，再制造成为工程机械行业的一个必然趋势。

热喷涂技术作为一种高效便捷的表面修复技术，有望在工程机械再制造过程中得以广泛地应用。

本文以装载机变速箱二轴、三轴及驱动桥十字轴为例，研究了工程机械轴类零件的失效机理。

研究结果表明，工程机械轴类零件的主要失效方式为磨损失效，其磨损过程可以分为摩擦磨损－磨粒磨损－粘着及疲劳磨损三个阶段。

磨粒磨损过程中的硬质磨粒是由摩擦磨损过程中产生的磨屑在工件进一步运行的过程中逐渐形成的，硬质磨粒的形成大大加速了工件的磨损失效过程。

采用含有亚微米级WC颗粒的WC-12Co粉末，对装载机变速箱齿轮二轴、三轴及驱动桥十字轴进行了HVOF再制造。

采用的参数为：C3H8（0.75MPa，25L/min）、O2（0.75MPa，250L/min）、N2（0.6MPa，13L/min，2r/min）、喷管（150mm）、喷涂距离（265mm）。

通过XRD、SEM、显微硬度计等测试手段，对再制造涂层的表面质量进行了综合评定，结果表明涂层主要由WC相与Co相组成，同时含有少量的W2C；涂层的显微硬度为1107HV0.1；孔隙率为2.2%；涂层的平均抗拉强度为68.12MPa，最高达75.82MPa；涂层的主要断裂机制为沿晶断裂。

为了降低热喷涂再制造成本，研发新的耐磨涂层，采用大气等离子喷涂技术（APS），探索了碳纳米管增强铁基非晶合金复合涂层的制备工艺，并通过对扁平粒子和涂层断面形貌的分析，研究了涂层的微观结构。

结果表明碳纳米管的加入，可以通过“桥连”和“拔出”机制，对铁基非晶合金涂层进行强化和韧化。

但由于碳纳米管的润湿性比较差，致使其与铁基非晶合金之间的结合不够充分；同时等离子喷涂过程中，碳纳米管的烧蚀比较严重，降低了碳纳米管的纤维增强作用，因此还有待进一步的研究。

为了解决工程机械轴类零件表面的局部修复难题，对热喷涂的工装系统进行了再制造性设计，发明了一种热喷涂再制造工装及其自动修复控制系统，可以现实工程机械轴类零件局部表面精确、自动的热喷涂再制造过程。

关键词：工程机械；热喷涂；再制造；失效机理；碳纳米管；局部修复ABSTRACTDue to the shortage of resources, reduction of product profit, and the inspiration of big potential market, remanufacturing has become an inevitable tendency in the field of construction machinery. As a kind of high efficient and convenient surface repairing technology, thermal spraying is potential for wide application in the remanufacturing for construction machinery.According to this thesis, failure mechanism research of construction machinery parts has been taken on loader, by taking examples of second and third shaft in the gearbox, as well as cross shaft in the driving axle. The result showed that the main failure form of construction machinery shaft parts is wear, and the wear process can been divided into three periods: friction wear-abrasive wear-adhesive and fatigue wear. The hard abrasive particle in the abrasive wear process is produced in its following operate process, by the wear dust produced in the friction wear period. The formation of hard abrasive particle greatly accelerates the wear failure process.Remanufacturing has been carried out on the second shaft, third shaft and cross shaft via HVOF, by utilizing WC-12Co powder, which contains micron size WC particle. The applied parameters were: C3H8(0.75MPa, 25L/min), O2(0.75MPa, 250L/min), N2(0.6MPa, 13L/min, 2r/min), nozzle length(150mm), spray distance(265mm). Surface quality evaluation of the remanufactured coating has been developed via XRD, SEM and microhardness test, et al. The result showed that the coating mainly consist of WC phase and Co phase, as well as small amount of W2C phase; the microhardness of the coating is 1107HV0.1; and the porosity is 2.2%; the mean tensile strength of the coating is 68.12MPa, and the highest tensile strength can reach 75.82MPa; and the main fracture mechanism of the coating is intergranular fracture.In order to reduce the thermal spray remanufacturing cost and develop a new kind of engineering coating, carbon nanotube reinforced amorphous Fe alloy composite coating has been synthesized via Air Plasma Spraying(APS) and the microstructure of the coating has been investigated through single splat morphology, as well as fracture morphology of the coating. The result showed that by the addition of carbon nanotube, amorphous Fe alloy can be strengthened and toughened by the “bridging”and “pulling out”mechanisms of carbon nanotube. However, the poor wettability ofcarbon nanotube caused insufficient bond with amorphous Fe alloy; also the relative serious erosion of carbon nanotube during plasma spring weakened the fiber reinforcement of carbon nanotube. To solve this problem, more advanced process should been developed in the future.In order to solve the local repairing problem of construction machinery shaft parts, remanufacturing design has been carried out on the thermal spray frock system. A kind of thermal spray remanufacturing frock and its automatic repair control system has been invented, which can make construction machinery shaft parts accomplish local, precise and automatic thermal spray remanufacturing process.KEY WORDS：construction machinery, thermal spraying, remanufacturing, failure mechanism, carbon nanotube, local repairing目录第一章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2再制造工程简介 (2)1.2.1再制造工程的概念 (2)1.2.2再制造工程的发展状况 (2)1.2.3工程机械再制造的发展状况 (4)1.3轴类零件的失效分析 (5)1.4热喷涂技术简介 (6)1.4.1火焰喷涂 (6)1.4.2爆炸喷涂 (6)1.4.3电弧喷涂 (6)1.4.4等离子喷涂 (6)1.4.5超音速等离子喷涂 (7)1.4.6超音速火焰喷涂 (7)1.4.7冷喷 (7)1.4.8激光喷涂 (8)1.5热喷涂耐磨涂层 (8)1.5.1热喷涂耐磨涂层材料及其应用领域 (8)1.5.2 WC-Co热喷涂耐磨涂层 (8)1.5.3 Fe基非晶合金热喷涂耐磨涂层 (9)1.6本课题的选题背景、意义及主要研究内容 (9)第二章工程机械零部件拆卸清洗及其轴类零件失效分析 (11)2.1工程机械零部件的拆卸 (11)2.2工程机械零部件的清洗 (12)2.2.1工程机械零部件清洗液 (12)2.2.2工程机械清洗设备 (13)2.3工程机械轴类零件失效分析 (14)2.3.1变速箱齿轮二轴失效分析 (14)2.3.2变速箱齿轮三轴失效分析 (14)2.3.3驱动桥十字轴失效分析 (15)2.4本章小结 (21)第三章工程机械轴类零件HVOF再制造修复及涂层表面质量评定 (22)3.1工程机械轴类零件HVOF再制造的材料及设备 (22)3.1.1实验材料 (22)3.1.2实验设备 (23)3.2工程机械轴类零件HVOF再制造修复及表面质量评定试样制备 (23)3.2.1装载机变速箱齿轮二轴与三轴HVOF再制造修复 (23)3.2.2装载机驱动桥十字轴HVOF再制造修复 (25)3.2.3涂层表面质量评定试样的制备 (25)3.3涂层表面质量评定的原理及方法 (26)3.3.1涂层微观组织形貌分析 (26)3.3.2涂层物相分析 (26)3.3.3涂层显微硬度测试 (27)3.3.4涂层孔隙率测试 (27)3.3.5涂层结合强度测试 (28)3.3.6涂层断裂形貌及断裂机制分析 (29)3.4涂层表面质量评定结果与分析 (29)3.4.1涂层组织及显微结构分析 (29)3.4.2涂层物相组成分析 (30)3.4.3涂层显微硬度测试结果分析 (31)3.4.4涂层孔隙率测试结果分析 (31)3.4.5涂层结合强度测试结果分析 (32)3.4.6涂层断裂形貌及断裂机制分析 (32)3.5本章小结 (34)第四章碳纳米管增强铁基非晶合金复合涂层的制备与研究 (35)4.1碳纳米增强铁基非晶合金涂层的制备 (35)4.1.1实验材料及其预处理 (35)4.1.2 Fe-1CNTs复合涂层的制备 (37)4.2 Fe-1CNTs涂层微观形貌分析 (38)4.2.1 Fe-1CNTs扁平粒子形貌分析 (38)4.2.2 Fe-1CNTs涂层XRD物相分析 (39)4.2.3 Fe-1CNTs涂层断裂形貌分析 (40)4.3存在的问题及下一步工作展望 (41)4.4本章小结 (42)第五章工程机械轴类零件局部热喷涂再制造工装及其自动修复控制系统的设计 (43)5.1工程机械液压缸活塞杆局部热喷涂再制造修复的困难 (43)5.2工程机械轴类零件局部热喷涂修复工装系统的设计 (44)5.3自动修复控制系统的设计 (45)5.4本章小结 (47)第六章结论 (48)参考文献 (49)发表论文和科研情况说明 (54)致谢 (55)天津大学硕士学位论文第一章绪论1.1引言制造业是社会财富的源泉，制造业的出现，极大促进了人类社会的发展，在20世纪短短的100年时间里，人类就缔造了超过以往5000年的物质财富总和。

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工程机械零部件拆解再利用再制造方案(二)

工程机械零部件拆解再利用再制造方案(二)

工程机械零部件拆解、再利用、再制造方案一、实施背景随着工程机械行业的快速发展，大量的机械设备进入到了使用阶段，同时也意味着大量的废旧零部件产生。

传统的处理方式往往只是简单的报废或再利用，这不仅造成了资源的浪费，也给环境带来了压力。

为了推动工程机械行业的可持续发展，提高资源利用效率，我们提出了这一工程机械零部件拆解、再利用、再制造的全面解决方案。

二、工作原理1.拆解：对废旧工程机械零部件进行专业拆解，将零部件按照种类、材质、状态等进行分类，以便后续处理。

2.再利用：对可再利用的零部件进行清洗、检测、修复等处理，使其性能达到或接近新品标准，然后重新投入使用。

3.再制造：对无法再利用的零部件进行再制造，通过先进的制造技术，如3D打印、精密加工等，重新制造出新的零部件。

三、实施计划步骤1.建立废旧零部件回收网络，与工程机械制造商、经销商、用户等建立合作关系，确保废旧零部件的回收渠道畅通。

2.设立专业的拆解和检测中心，引进先进的拆解技术和设备，培训专业的技术人员，确保拆解和检测工作的顺利进行。

3.建立再利用和再制造生产线，引进先进的制造技术和设备，确保再利用和再制造产品的质量和效率。

4.开展试点项目，积累经验，不断优化方案，提高资源利用效率。

5.逐步推广至全国范围，与更多的工程机械制造商、经销商、用户等建立合作关系，推动工程机械行业的可持续发展。

四、适用范围本方案适用于所有工程机械设备，包括挖掘机、装载机、压路机等，以及相关零部件的拆解、再利用和再制造。

同时，本方案也可适用于其他机械设备的拆解、再利用和再制造。

五、创新要点1.引入先进的拆解技术和设备，提高拆解效率和质量。

例如，采用机器人辅助拆解技术，可以快速准确地完成废旧零部件的拆解工作。

2.建立完善的再利用和再制造流程，确保零部件性能达标。

例如，采用精密检测设备对零部件进行检测和修复，确保其性能达到或接近新品标准。

3.通过试点项目，不断优化方案，提高资源利用效率。

机械工程中机械密封环的失效分析与改进

机械工程中机械密封环的失效分析与改进

机械工程中机械密封环的失效分析与改进
一、机械密封环的失效分析：
1.密封环的磨损：机械密封环在运行过程中，由于摩擦和磨损，导致密封环表面不平整，从而影响其密封性能。

2.密封环材料的老化：密封环材料的老化是导致机械密封环失效的一个主要因素。

长时间高温、酸碱等环境条件下，密封材料会发生物理和化学变化，导致密封环性能下降。

3.密封环的断裂：机械密封环在机械振动或机械冲击的作用下，可能会发生断裂，从而导致泄漏。

4.密封环的设计缺陷：一些机械密封环的设计存在缺陷，比如剖面设计不合理、尺寸匹配不当等，导致其失效。

二、机械密封环的改进：
1.优化密封环材料：选择抗磨损、耐高温、耐腐蚀等性能良好的密封环材料，如陶瓷、金属等，以提高密封环的使用寿命和可靠性。

2.改进密封环结构设计：通过优化机械密封环的剖面设计、尺寸匹配等，提高密封环的密封性能和耐久性。

3.引入新的密封技术：如采用真空密封技术、磁悬浮密封技术等，可以改善传统机械密封环的失效问题，提高密封性能。

4.定期检修和保养：定期检查机械密封环的磨损情况，及时更换磨损严重的密封环，同时进行润滑保养，以延长其使用寿命。

综上所述，机械密封环失效的原因很多，但通过合理的分析和改进措施，可以有效减少其失效可能性，提高机械密封环的使用寿命和可靠性，保证设备的正常运行。

因此，工程师和技术人员应密切关注机械密封环的失效问题，并不断优化改进，以满足不同应用领域对密封性能的要求。

轴类零件超音速火焰喷涂工艺技术研究

轴类零件超音速火焰喷涂工艺技术研究

轴类零件超音速火焰喷涂工艺技术研究摘要：本文采用超音速火焰喷涂技术制备碳化钨（WC-10Co4Cr）耐磨涂层。

通过调整空气与燃气压力、流量，喷涂距离，送分量等工艺参数，制备出致密、均匀、颜色均匀一致碳化钨（WC-10Co4Cr）涂层，涂层相关性能满足要求；通过优化旋翼轴类零件喷涂保护工装结构，改善了工装与零件的配合程度；保证了涂层质量的均匀稳定性。

关键词：碳化钨涂层；超音速火焰喷涂；耐磨涂层；工程化应用引言热喷涂技术作为一种新兴的表面工程技术，在近30年得到了迅猛的发展，由早期制备一般装饰性和防护性涂层发展到各种功能性涂层；由产品维修发展到大批量的产品制造；由涂层工艺发展到包括产品失效分析、表面预处理、喷涂材料和设备的选择、涂层系统设计和涂层后加工等在内的热喷涂系统工程；由单一的涂层到多技术复合的复合涂层，以满足复杂工况条件下工件的服役性能[1]。

热喷涂技术是指利用某种热源将喷涂材料迅速加热到熔化或半熔化状态，再经过高速气流或焰流使其雾化，加速喷射在经预处理的零件表面上，使材料表面得到强化和改性，获得具有某种功能（如耐磨、防腐、抗高温等）表面的一种应用性很强的材料表层复合技术。

热喷涂方法通常可按热源性质进行分类和命名。

常用的热喷涂方法可分为：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂及其它热喷涂方法等。

高速火焰喷涂国内习惯上称为超音速火焰喷涂，它的英文缩写为HVOF（High Velocity Oxygen Fuel）或HVAF（High Velocity Air Fuel）。

是在爆炸喷涂的基础上发展起来的一项新的热喷涂技术，是20世纪80年代初期，由美国Browing公司最先研制成功。

并推出名为JET-KOTE的商用喷涂设备。

超音速火焰喷涂技术一经问世，就以其超高的焰流速度和相对较低的温度，在喷涂金属碳化物和金属合金等材料方面显现出了明显优势。

在世界各大热喷涂公司的积极推动下，该技术发展很快，目前超音速火焰喷涂技术在喷涂金属碳化物、金属合金等方面，已逐步取代了等离子喷涂和其它喷涂工艺，成为热喷涂的一项重要工艺方法[3]。

研究热喷涂工艺对涂层摩擦磨损性能的影响

研究热喷涂工艺对涂层摩擦磨损性能的影响

持续下去 ． 同 时也 为 我 们 提 供 了许 多便 利 。然而 人 们 极 为 不 乐
五大类 ： 磨粒磨损 （ ａ ｂ ｒ ａ ｓ ｉ ｖ ｅ ｗ ｅ ａ ｒ ） ， 粘 着磨 损 （ ａ ｄ ｈ ｅ ｓ ｉ ｏ ｎ ｗ ｅ ａ ｒ ） ， 表
％ 以上 。 据 我 国 有 关部 门 统计 ，仅 台 金、 矿 喷涂及爆炸喷涂等 ， 近年来 ， 人 们 研 究 了一 些 更 为 先 进 的喷 涂 国 民 生产 总 值 的 ２ 农机 、 煤炭 、 电力 和 建材 这 几 个 领 域 的 钢 材 用量 由 于 摩 擦 技 术（ 如 激光喷涂 、 冷 空 气动 力 喷 涂 、 反应 火焰喷涂 等） ， 使 得 山 、 ０ ０万 ｔ ． 不 仅 带 来 了废 弃 构 件 的 喷 涂 技 术 不断 的发 展 ， 人 们 认 识 材 料 的行 为也 更加 丰 富 、 材 料 磨 损 致 使 设 备 备 用 构 件 就 达 １ 大量 浪 费 ， 也造 成 了 国 家 巨大 的 经 济损 失 。 的性 能也 逐 步 提 高 。 热喷 涂技 术是在 上世 纪初才被 瑞士 科 学家 Ｓ ｃ ｈ ｅ ｅ ｐ所 发 明， 经过 了百年 的发 展 ， 其 应 用领 域 已 经 非 常 广 泛 。 人 们 常 利
间 的摩 擦 、 润滑 和 磨 损 ， 也 研 究 这 三 者 之 间 的相 互 关 系及 其 发
近 年 来 ．通 过 热 喷 涂 技 术 改 变材 料 表 面摩 擦 磨 损 方 面的
包括 设 计 和 计 算 、 润滑材料和 润滑方 法， 摩 擦 材 料 研 究 已经 成 为 科 学研 究 的 热 点 问题 ， 随 着 此 类 研 究 高质 量 、 精 展 与 应 用 ： 和 接 触 面 之 间 的状 态 ． 摩 擦 故 障的 诊 断 、 检 测 和 预 警 等 。 磨 损 细 化 的 发 展 ．热 喷 涂 技 术 已经 成 为一 种 构 件 表 面 抗 摩擦 性 能