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【摘 要】废旧钢铁失去使用价值后，只能进入回收领域，而通过再生利用的方式实现再利用对国民经济是非常重要的。废旧的铁路车轮从铁路系统退出后，可以作为喷射成形原材料，再次使用在车轮主题中。山西汾西重工使用金属喷射成形技术，将报废的铁路车轮进行沉积修复，通过逐层碾压技术来消除或降低沉积层的孔隙率，提高目标体与沉积层的结合力，及化学结合。喷射时对于喷射速度、喷射流量、喷射距离来实现成型，喷射过程中使用多扫描法对喷射层成型性能、形状等进行控制，对制成坯件的样品进行力学性能检测，纤维汾西，达到优于铁路车轮的行业标准。
【关键词】喷射沉积技术；孔隙率；雾化液滴；粉末冶金；化学结合；质点
废钢铁是指失去或部分失去原有使用价值，进入淘汰报废期的钢铁及其制品。
工信部在2011年10月24日《钢铁工业“十二五”发展规划》对废钢产业的规划明确提出以下要求：加快建立适应我国钢铁工业发展要求的废钢铁循环利用体系，依托符合国家环保要求的国内废钢加工配送企业，重点建设一批废钢铁加工示范基地，完善加工回收配送产业链，提高废钢加工技术装备水平和废钢产品质量，积极研究制定进口废钢的优惠政策措施，鼓励在海外建立废钢回收加工配送基地[1]。
山西汾西重工有限责任公司和芬兰VTT合作，开发了一种新技术致力于铁路车辆车轮修复工程研究，此技术主要用于对废旧的钢车轮进行除污除锈、表面堆积、逐层碾压、成型等工程研究，将因磨损等致使车轮寿命到期退役的钢轮，通过喷射成形技术达到资源再生。这种方法主要是使用喷射成形技术结合逐层碾压技术，对喷射沉积层进行致密化成型，将结合层变成高性能的化学结合。
喷射成形主要原理是是在高压惰性气体的作用下将熔融金属雾化喷射成形是在高压惰性气体的作用下将熔融金属雾化成微细液滴并沉积在旋转或移动基底上的一种材料制备工艺，制取具有快速凝固组织特征、整体较实密、接近零件实际形状的金属材料和增强相分布均匀、界面良好的金属基复合材料。
喷射成形技术存在的致命不足是：喷射结合时，在喷射沉积制造过程中，由于凝固颗粒或沉积间空隙、气体卷入、溶解气体的参与以及凝固收缩，坯件中不可避免地存在一些疏松和孔隙中，破坏基体连续性，降低材料有效载荷，易引起应力集中，恶化材料使用性能。
孔隙率可高达15%～20%，孔隙会降低坯件的力学性能如强度、塑性、弹性模量、韧性，还会降低热导率和电导率，在进行拉力试验时，发生典型的脆性断裂，没有明显的塑性变形过程。
因此，有必要对喷射沉积坯件进行致密化处理，消除孔隙，破碎颗粒表面的氧化膜，接近或者达到理论密度，进一步提高材料性能。孔隙率可通过热等静压、楔形压制、连续挤压等致密化工艺来消除或减少、减小孔隙，并辅以热处理或锻压来优化组织。
汾西重工通过喷射时结合同步逐层碾压的方式实现消除孔隙的方法，逐層碾压的主要工作方式是在材料喷射时，设计一个精密的碾压装置，主要结构是通过液压方式来控制压力，碾压时来实现过压回退，保证碾压过程平稳，在新喷射材料从半液态进入固态后立即进行碾压，碾压轮如果按照普通方式设计，如表面为平面、圆弧面等方式，就会发现材料成型后会出现孔隙率较大、结合疏松等致命缺陷。逐层碾压的碾压轮设计为特殊结构，保证在碾压时最大限度减小孔隙率，母材和喷射层为化学结合，在高倍显微镜下，不出现分层现象，保证材料的力学性能。
喷射成形对喷射方式要求很高，单扫描法喷射后沉积材料成正态分布，形成中间高两端低的现象，这对逐层碾压难度极大，可通过双扫描法或多扫描法喷射方式来实现。
通过计算扫描轨迹和沉积分布及相互干涉，调整喷射高度、速度、流量、角度、扫描速度等参数，实现沉积分布均匀化。
喷射高度与雾化状态的液滴在沉积时的固液相比例相关，喷射后液滴接触目标体后结合方式对沉积层的结合力影响很大，通常采用半液半固相混合方式来提高结合力，结合的紧致性可通过喷射速度来调整。
喷射流量是喷射时雾化液滴单位时间内沉积层的质量变化，直接决定喷射工艺过程的成型速度。
不同喷射工艺对喷射时雾化喷嘴的设计不同，雾化喷嘴的工作目的是将熔融状态的金属通过高压方式通过焦点位置形成雾化射流。
喷嘴可设计为多层次，逐层加速的方式，提高喷射速度，雾化的金属液滴在喷射时逐步由液相向固相转变，通过冷态的金属粉末颗粒度来分析雾化效果。在喷射时没有到达目标体的液体逃逸后形成粉末，这是一种适合粉末冶金的材料，粉末的颗粒直径在0.01-10μm。液滴的大小对喷射成形材料的致密度、结合力都有关系，喷射时冲击力影响成型材料的密度，是化学结合方式的一个重要因素。设计喷嘴时，要考虑雾化效果，喷射速度和流量、聚焦范围等因素，同时计算流体变化过程，保证喷射过程的顺畅，提高喷射效率。
通过研究表明，目标体的几何形状、表面温度，液滴的化学成分，喷射的角度对同种材料或异种材料的结合力不同，化学结合的目标是将两种材料变成一体的无间隙成型。
成型材料制成的检测样品在低倍显微镜下会发现两层材料在色差有不同，中间有分界，为过渡层，但没有发现有孔隙，在高倍显微镜下分析过渡层，发现没有明显的孔隙，没有分层现象。
扫描电子显微镜下可发现，目标体的材料与沉积层材料的晶粒度不同，沉积层的晶粒度比目标体的材料小两个等级以上，中间的过渡层是由大小不一的晶粒组成，小晶粒为沉积层，大晶粒为目标材料，小晶粒填补在大晶粒周围，很多细小弥散的第二相质点，尺寸在0.5μm，均匀分布。
能谱分析结果表明，质点中重要元素为Fe，喷射时使用惰性气体，喷射室内经过排气处理，没有氧化现象，因此质点中没有元素O。
力学性能检测时，拉断的部位为目标材料，过渡层和沉积层强度优于目标材。
实验过程中遇到的难题是车轮踏面边缘部分孔隙率稍高，分析后发现主要原因是，边缘的雾化液滴收集率低，主碾压轮在边缘碾压力不足，设计不合理。
实验人员后来通过在踏面附近增加辅助装备提高踏面收集率，并在侧向增加同步碾压轮，满足边缘部位的碾压力。
实验室通过多次实验和研究，发现这种方式制作的车轮样品，整体性能已超过铁道部铸造车轮行业标准，喷射材料选取废旧钢轮，可以实现再生资源利用。
（1）喷射成形制备的车轮晶粒细小，组织均匀，无宏观偏析。
（2）车轮沉积坯内部致密度高，平均体密度为8.5g/cm3，达到理论密度的99.7%。
（3）逐层碾压可以大幅提高喷射成形车轮的力学性能。
（4）热处理后车轮钢的组织主要为回火索氏体。
（5）喷射沉积逐层碾压技术是将喷射沉积和逐层碾压两种先进技术进行有机结合后形成的一种快速凝固体材料连续成形新技术。
参考文献：
[1]林加冲 对废钢产业的在认识， 再生资源与循环经济，2013年
[2]SINGER A R E. The principles of spray rolling of metals[J].Metals & Materials， 1970， 4（6）： 246-250， 257.
[3]汪创伟，尹建成，周静波，刘英莉，高 鹏，李明瀚，钟 毅，喷射沉积连续挤压制备2A12 铝合金，中国有色金属学报，2013年
[4] GRANT P S. Spray forming[J]. Progress in Materials Science，1995， 39： 497-545.
【关键词】喷射沉积技术；孔隙率；雾化液滴；粉末冶金；化学结合；质点
废钢铁是指失去或部分失去原有使用价值，进入淘汰报废期的钢铁及其制品。
工信部在2011年10月24日《钢铁工业“十二五”发展规划》对废钢产业的规划明确提出以下要求：加快建立适应我国钢铁工业发展要求的废钢铁循环利用体系，依托符合国家环保要求的国内废钢加工配送企业，重点建设一批废钢铁加工示范基地，完善加工回收配送产业链，提高废钢加工技术装备水平和废钢产品质量，积极研究制定进口废钢的优惠政策措施，鼓励在海外建立废钢回收加工配送基地[1]。
山西汾西重工有限责任公司和芬兰VTT合作，开发了一种新技术致力于铁路车辆车轮修复工程研究，此技术主要用于对废旧的钢车轮进行除污除锈、表面堆积、逐层碾压、成型等工程研究，将因磨损等致使车轮寿命到期退役的钢轮，通过喷射成形技术达到资源再生。这种方法主要是使用喷射成形技术结合逐层碾压技术，对喷射沉积层进行致密化成型，将结合层变成高性能的化学结合。
喷射成形主要原理是是在高压惰性气体的作用下将熔融金属雾化喷射成形是在高压惰性气体的作用下将熔融金属雾化成微细液滴并沉积在旋转或移动基底上的一种材料制备工艺，制取具有快速凝固组织特征、整体较实密、接近零件实际形状的金属材料和增强相分布均匀、界面良好的金属基复合材料。
喷射成形技术存在的致命不足是：喷射结合时，在喷射沉积制造过程中，由于凝固颗粒或沉积间空隙、气体卷入、溶解气体的参与以及凝固收缩，坯件中不可避免地存在一些疏松和孔隙中，破坏基体连续性，降低材料有效载荷，易引起应力集中，恶化材料使用性能。
孔隙率可高达15%～20%，孔隙会降低坯件的力学性能如强度、塑性、弹性模量、韧性，还会降低热导率和电导率，在进行拉力试验时，发生典型的脆性断裂，没有明显的塑性变形过程。
因此，有必要对喷射沉积坯件进行致密化处理，消除孔隙，破碎颗粒表面的氧化膜，接近或者达到理论密度，进一步提高材料性能。孔隙率可通过热等静压、楔形压制、连续挤压等致密化工艺来消除或减少、减小孔隙，并辅以热处理或锻压来优化组织。
汾西重工通过喷射时结合同步逐层碾压的方式实现消除孔隙的方法，逐層碾压的主要工作方式是在材料喷射时，设计一个精密的碾压装置，主要结构是通过液压方式来控制压力，碾压时来实现过压回退，保证碾压过程平稳，在新喷射材料从半液态进入固态后立即进行碾压，碾压轮如果按照普通方式设计，如表面为平面、圆弧面等方式，就会发现材料成型后会出现孔隙率较大、结合疏松等致命缺陷。逐层碾压的碾压轮设计为特殊结构，保证在碾压时最大限度减小孔隙率，母材和喷射层为化学结合，在高倍显微镜下，不出现分层现象，保证材料的力学性能。
喷射成形对喷射方式要求很高，单扫描法喷射后沉积材料成正态分布，形成中间高两端低的现象，这对逐层碾压难度极大，可通过双扫描法或多扫描法喷射方式来实现。
通过计算扫描轨迹和沉积分布及相互干涉，调整喷射高度、速度、流量、角度、扫描速度等参数，实现沉积分布均匀化。
喷射高度与雾化状态的液滴在沉积时的固液相比例相关，喷射后液滴接触目标体后结合方式对沉积层的结合力影响很大，通常采用半液半固相混合方式来提高结合力，结合的紧致性可通过喷射速度来调整。
喷射流量是喷射时雾化液滴单位时间内沉积层的质量变化，直接决定喷射工艺过程的成型速度。
不同喷射工艺对喷射时雾化喷嘴的设计不同，雾化喷嘴的工作目的是将熔融状态的金属通过高压方式通过焦点位置形成雾化射流。
喷嘴可设计为多层次，逐层加速的方式，提高喷射速度，雾化的金属液滴在喷射时逐步由液相向固相转变，通过冷态的金属粉末颗粒度来分析雾化效果。在喷射时没有到达目标体的液体逃逸后形成粉末，这是一种适合粉末冶金的材料，粉末的颗粒直径在0.01-10μm。液滴的大小对喷射成形材料的致密度、结合力都有关系，喷射时冲击力影响成型材料的密度，是化学结合方式的一个重要因素。设计喷嘴时，要考虑雾化效果，喷射速度和流量、聚焦范围等因素，同时计算流体变化过程，保证喷射过程的顺畅，提高喷射效率。
通过研究表明，目标体的几何形状、表面温度，液滴的化学成分，喷射的角度对同种材料或异种材料的结合力不同，化学结合的目标是将两种材料变成一体的无间隙成型。
成型材料制成的检测样品在低倍显微镜下会发现两层材料在色差有不同，中间有分界，为过渡层，但没有发现有孔隙，在高倍显微镜下分析过渡层，发现没有明显的孔隙，没有分层现象。
扫描电子显微镜下可发现，目标体的材料与沉积层材料的晶粒度不同，沉积层的晶粒度比目标体的材料小两个等级以上，中间的过渡层是由大小不一的晶粒组成，小晶粒为沉积层，大晶粒为目标材料，小晶粒填补在大晶粒周围，很多细小弥散的第二相质点，尺寸在0.5μm，均匀分布。
能谱分析结果表明，质点中重要元素为Fe，喷射时使用惰性气体，喷射室内经过排气处理，没有氧化现象，因此质点中没有元素O。
力学性能检测时，拉断的部位为目标材料，过渡层和沉积层强度优于目标材。
实验过程中遇到的难题是车轮踏面边缘部分孔隙率稍高，分析后发现主要原因是，边缘的雾化液滴收集率低，主碾压轮在边缘碾压力不足，设计不合理。
实验人员后来通过在踏面附近增加辅助装备提高踏面收集率，并在侧向增加同步碾压轮，满足边缘部位的碾压力。
实验室通过多次实验和研究，发现这种方式制作的车轮样品，整体性能已超过铁道部铸造车轮行业标准，喷射材料选取废旧钢轮，可以实现再生资源利用。
（1）喷射成形制备的车轮晶粒细小，组织均匀，无宏观偏析。
（2）车轮沉积坯内部致密度高，平均体密度为8.5g/cm3，达到理论密度的99.7%。
（3）逐层碾压可以大幅提高喷射成形车轮的力学性能。
（4）热处理后车轮钢的组织主要为回火索氏体。
（5）喷射沉积逐层碾压技术是将喷射沉积和逐层碾压两种先进技术进行有机结合后形成的一种快速凝固体材料连续成形新技术。
参考文献：
[1]林加冲 对废钢产业的在认识， 再生资源与循环经济，2013年
[2]SINGER A R E. The principles of spray rolling of metals[J].Metals & Materials， 1970， 4（6）： 246-250， 257.
[3]汪创伟，尹建成，周静波，刘英莉，高 鹏，李明瀚，钟 毅，喷射沉积连续挤压制备2A12 铝合金，中国有色金属学报，2013年
[4] GRANT P S. Spray forming[J]. Progress in Materials Science，1995， 39： 497-545.