激光增铬、增碳强化单元体对严重非均匀磨损导轨的修复研究

发布时间：2020-11-20 06:05

　　再制造作为实现经济可持续发展的重要途径之一,其本质是对已经损坏或报废的产品进行修复,使其质量和性能达到重新使用的要求。磨损是导致金属材料失效的主要原因,而且磨损失效的材料表面往往存在硬度、应力分布不均的情况,这是由于材料表面不同区域的磨损情况并非均匀一致引起的,即非均匀磨损。比如机床导轨表面因长期受力不均、各区域使用频率不一致等原因而产生非均匀磨损,非均匀磨损普遍存在于导轨从开始服役到报废的整个过程中,且随着使用年限的增加,非均匀磨损程度呈现逐渐递增的趋势,当导轨长期在较为恶劣的环境下工作时,其表面将发生严重的非均匀磨损,导致机床加工精度的大幅度下降,进而失效报废。目前,针对报废导轨的修复大多是将失效表面看作均匀面进行的,忽略了非均匀磨损所引起的性能差异,采用统一的机械手段进行整体修复或者直接去除掉导轨的非均匀失效表层,这不仅浪费人力和物力,还容易导致高度方向上尺寸精度得不到保障而增加修复的难度。本文针对非均匀磨损零部件耐磨性修复均一的难题,以发生严重非均匀磨损的导轨作为研究对象,因导轨表面不同区域的磨损程度不一致,我们需要进行有差异的修复,激光仿生耦合处理中,经过激光处理后形成的硬质相常被称为单元体,通过改变单元体形状、分布密度可得到多种耐磨性不同的仿生耦合模型,故激光仿生耦合技术逐渐被应用于非均匀磨损失效表面的修复研究中。通过激光熔凝处理得到的单元体称为熔凝单元体(LMU),但对于导轨表面磨损较为严重的区域其修复能力有限,故对于严重非均匀磨损导轨的修复就要求我们制备耐磨性更强的仿生单元体,本文通过激光合金化和激光渗碳处理分别补充了单元体中Cr、C元素的含量,得到了增铬强化单元体(LCRU)和增碳强化单元体(LCU),通过对二者微观特征和性能分析发现,二者的晶粒都明显得到细化,前者组织中出现了M_7C_3型碳化物,相对于LMU其耐磨性约提升了27~30%;后者组织中铁碳化合物明显增多,C含量的增加生成了高碳马氏体,相对于LMU其耐磨性约提升了60~63%。本文采用硬度分区的思路来对导轨表面进行修复,将严重非均匀磨损导轨表面分成了五个硬度区域(I:250~350HV,II:350~450HV,III:450~550HV,IV:550~650HV,V:650~750HV),通过调整材料组合、仿生形状和单元间距对仿生耦合模型进行设计和优化,得到了耐磨性分别相差12~15%的六种仿生耦合模型:增铬单元体的点状模型(LCRU-P)、增铬单元体的条状模型(LCRU-S)、增碳单元体的点状模型(LCU-P)、增铬单元体的网状模型(LCRU-M)、增铬+增碳单元体的网状模型(LCBU-M)、增碳单元体的网状模型(LCU-M)。通过数值拟合的方法得到了各模型在不同硬度分区的耐磨性规律。以磨损最为严重区域为修复基准,设定耐磨性目标M=85%后,根据耐磨性规律为各硬度分区匹配的仿生耦合模型分别为:LCU-M、LCBU-M、LCBU-M、LCU-P、LCRU-S,并通过微调各分区内部单元体间距,进一步提升了修复的精度。对加工有各仿生耦合模型的试样进行拼接实验,实验值与理论值相比较,误差为3.62%,证明了该修复方法的有效性。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG502
【部分图文】：

滑动导轨,非均匀磨损,表面修复,导轨

图 1.1 滑动导轨的分区[28]Fig 1.1 Partition schematic diagram of slide guide[28].2 非均匀磨损导轨表面修复的必要性

表皮结构,新疆

图 1.2 软硬相间结构：（a）新疆岩蜥表皮结构[54-55]；（b）贝壳珍珠层结构[5ig. 1.2 Soft and hard phase structure: (a)Epidermal structure of Xinjiang rolizard[54-55]; (b)Shell pearl structure[56-57]

形态图,土壤动物,非光滑,形态