存在锈蚀和磨损的精加工件修复及再利用技术

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(1.兰州兰石石油装备工程股份有限公司,甘肃 兰州 730314；2.中石油玉门油田分公司酒东采油厂,甘肃 玉门 735000)

近年来，客户返修的石油钻采机中，部分精加工件在使用过程中发生磨损，造成超差；或者采用防腐措施不当，从而破坏了精加工面。如果不对存在缺陷的精加工面加以修复，工件只能报废。工件表面往往局部存在缺陷，而工件其余部位均完好无损，尚有一定的利用价值。如果置换新的零件，会增加成本，且造成不必要的浪费。出于经济考虑，通过不断试验，探索一种可以修复这种存在超差的精加工面的方法。

目前，市场上常用的除锈剂大都是利用酸或者碱达到除锈的效果，尝试了多种国内外的除锈剂，对有蚀坑的金属表面不是除锈效果不理想，就是除锈过程中工件被过度氧化。综合考虑之后，选择了超声波清洗除锈。电刷镀技术在恢复磨损零件的尺寸精度和几何形状精度，填补零件表面的划伤、沟槽和压坑，补救加工中出现的超差件，精饰零件表面等方面应用广泛[1]。超声波清洗除锈和电刷镀作为两项成熟的技术，在机械行业有着广泛的应用，但是这两项技术联合用于存在蚀坑的精加工件表面的修复,目前还没有被推广开来。

1 精加工面腐蚀及除锈原理

1.1 精加工面腐蚀

金属腐蚀就是金属与周围环境(介质)之间发生化学作用或电化学作用而引起的破坏或变质。按照材料的腐蚀过程，钢结构腐蚀可分为电化学腐蚀、化学腐蚀和应力腐蚀。通常情况下，钢结构的腐蚀以电化学腐蚀为主[2]。

目前，公司生产的石油钻采设备中精加工面的防腐蚀一般采用电镀或者抹涂防锈油。对于大型轴类零件，若采用电镀方法防腐，会影响零件外形尺寸从而影响装配，因此一般选择在装配完成后抹涂防锈油。石油钻采设备工作环境复杂，大都处于C4和C5环境甚至C5-M环境中，钻井液、泥浆等的冲击破坏了设备的防腐层，也对其基体造成破坏及腐蚀。海洋环境是极为苛刻的腐蚀环境,海水和海洋大气中具有很高的盐含量，暴露在海洋大气中的金属表面有细小盐粒子的沉积，海盐粒子吸收空气中的水分后很容易在金属表面形成液膜，引起电化学腐蚀。尘埃、微生物在金属表面的沉积，也会增强环境腐蚀[3]。腐蚀环境受大气的相对湿度、环境变化等因素的影响，对工件造成的腐蚀是不容小觑的。

1.2 精加工面除锈原理

作为目前常用的除锈手段之一，超声波清洗除锈主要是利用超声波设备发出的机械波传播到专用清洗液中，超声波作用于清洗液中促使清洗液流动而产生数以万记的微小气泡，存在于清洗液中的微小气泡在超声波的作用下破裂瞬间会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生上千个大气压的高压，这种现象被称之为“空化作用”[4]。超声波清洗正是利用清洗液气泡破裂所产生的巨大冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的目的。也正是由于超声波清洗的这种特性，其可用于清洗各种复杂工件表面，尤其是适用于深孔、盲孔、凹凸槽和不平整面等。

超声波清洗除锈时除锈剂的浓度、溶液温度和除锈时间会影响产品除锈效果。除锈剂浓度过大、溶液温度过高以及除锈时间过长都会造成工件表面被氧化变黑。试验根据工件的材料、锈蚀程度的不同总结出相应的参数，即：除锈剂浓度、溶液温度和除锈时间，来确保工件达到理想的除锈效果。

2 精加工面磨损修复原理

通常情况下，主要是考虑两种情况的精加工面修复，一种是精加工面被过度腐蚀，造成工件表面存在明显蚀坑，影响工件继续使用；另一种是精加工件在使用过程中过度磨损造成超差。在此,以一根长期使用导致精加工面锈蚀且存在蚀坑的40Cr绞车轴为例，在经过超声波清洗除锈后，使用电刷镀法进行修复工件表面的蚀坑及超差的相关试验。

刷镀时使浸满渡液的镀笔以一定的相对运动速度在工件表面上移动，并保持适当的压力。在镀笔与工件接触的部位，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而被还原成金属原子，这些金属原子在工件表面沉积结晶，形成镀层。随着刷镀时间的增长，镀层逐渐增厚[5]。

3 试 验

3.1 精加工面的除锈

超声波清洗除锈过程中，除锈剂的浓度、 溶液温度以及除锈时间是影响除锈效果的主要因素。试验根据发生锈蚀的工件材料及锈蚀程度的不同，在清洗除锈过程中，控制除锈剂的浓度、溶液温度以及除锈时间，来达到理想的除锈效果。

3.1.1 试验参数

从工件进入超声波清洗设备开始计时，观察每一时间段除锈效果，在工件表面锈蚀有明显脱落时开始记录，直至工件表面锈蚀清洗彻底。继续清洗会导致工件表面被氧化变黑。

固定溶液浓度，将溶液温度和除锈时间作为两个变量来进行试验，对比试验结果，选取最佳除锈参数(见表1至表3)。

3.1.2 试验结果

由表1、表2和表3对比发现，溶液温度为55 ℃，除锈剂与水体积比为0.45，除锈时间为5 min时40Cr轴可达到理想的除锈效果。

另外，超声波清洗除锈之后的工件在短期内如未及时进行下一步修复，应采取抹涂相应的防锈油来避免工件暴露在大气中产生浮锈。

3.2 精加工面磨损的修复

电刷镀技术是在能导电的工件表面选定部位快速沉积指定厚度镀层的表面技术[6]。作为一种操作简单、工艺灵活且修复工件尺寸、形状都不受限的修复手段，电刷镀被广泛应用于因机械磨损、腐蚀、加工等原因造成的零件表面缺陷修复，如凹坑、蚀斑、孔洞和划伤以及零件表面尺寸和零件形状与位置精度的超差[7]。在实际刷镀过程中，可根据镀件的材料、表面热处理状况、工件尺寸及镀层厚度、工件技术要求及工况条件等因素，正确选择极性、电压(电流)、相对运动速度等工艺参数和镀液，科学进行镀层设计，合理安排工艺顺序[8]。

基于上述的分析和研究，发现在农村流转中还存在一些问题，为了符合我国农业发展和经济社会的建设需要，需要结合影响因素进行分析，提出有效的解决措施，保证人们生活水平的提升。

表1 除锈剂与水体积比为0.35时的效果

表2 除锈剂与水体积比为0.45时的效果

表3 除锈剂与水体积比为0.55时的效果

3.2.1 试验过程

(1)将经过超声波清洗除锈的40Cr轴类零件表面擦拭干净。

(2)用1号电净液除油。零件接电源负极，选择合适的工作电压、相对运动速度及时间，油除净为止。清水冲洗，冲洗后表面不挂水珠。

(3)用2号活化液活化。零件接电源正极，设定电压及相对运动速度，控制合适的时间。出现黑灰色为正常，用水冲洗，冲洗后表面呈暗灰色或黑灰色。

(4)用3号活化液活化，除去表面炭黑层。零件接电源正极，控制电压及相对运动速度，至表面呈银灰色，用清水彻底冲洗掉炭黑脏物和残留液。

(5)镀底层。用特殊镍溶液镀底层，零件接电源负极，先不通电用镀笔蘸特殊镍溶液擦拭零件表面3～5 s，然后在一定电压下冲镀一定时间，改变电压参数，在一定相对运动速度下刷镀一定厚度,清水冲洗。注意：对于存在的凹坑表面，要分多次刷镀，不能一次镀到尺寸。

(7)吹干零件表面，涂上防护油。

3.2.2 试验结果

通过控制工艺参数，可以实现修复锈蚀的轴表面的凹坑，使该轴能继续满足使用要求。另外使用该方法可实现磨损或者超差的精加工类零件表面的修复。

4 结 语

精加工的工件在发生锈蚀造成精加工面被破坏，或者使用过程中磨损造成的超差，可以采用超声波清洗除锈彻底清除工件表面的锈蚀后，使用电刷镀的方法修复锈蚀或者磨损造成的超差，从而实现这些工件的再利用。

[1] 任雨松,花国然,罗新华.电刷镀新技术及其在机械工程中的应用[J]. 南通大学学报(自然科学版)，2005,4(2)：49-52.

[2] 李荣俊.重防腐涂料与涂装[M].北京:化学工业出版社，2013:4-15.

[3] 金晓鸿.防腐蚀涂装工程手册[M].北京:化学工业出版社，2014:36-45.

[4] 李雅莉.超声波清洗的原理和实际应用[J]. 清洗世界，2006，22(7)：31-35.

[5] 徐滨士，刘世参.表面工程[M].北京：机械工业出版社，2000：15-25.

[6] 孙增伟，赵晓春，刘晓明,等.电刷镀在轴类修复中的应用[J].电镀与精饰，2010，32(7)：30-31.

[7] 唐义号，熊丽芳，熊哲,等.电刷镀再制造技术快速修复缺陷零件应用研究[J].直升机技术，2011(2):49-55.

[8] 朱胜，姚巨空.再制造工艺技术讲座[J].新技术新工艺,2009(6)：1-3.