内燃機関の添加剤による再製造および修理技術のレビュー

著者: Li Fangyi、Li Zhen、Wang Liming、Li Jianfeng、Li Yanle、Lu Haiyang、Shang Jiantong、教育部高効率クリーン機械製造重点実験室、山東大学、済南、250061

レーザークラッディング技術 レーザークラッディング技術とは、高エネルギー密度のレーザービームの作用により、基板表面のクラッディング材料を急速に加熱して溶融し、レーザービームが除去された後に自己冷却して修復層を形成する技術を指します。粉末供給方法の違いにより、同軸粉末供給タイプとプリセットタイプに分けられます。レーザークラッディングは、冷却速度が速い、クラッディング層と基材間の冶金結合、クラッディング粉末の幅広い選択範囲（Fe ベース、Co ベース、金属セラミック材料など）、およびクラッディング層の厚さの幅広い範囲などの利点があるため、高負荷の大型損傷部品の再製造および修理に使用されます。

適切なレーザークラッディングパスとプロセスパラメータにより、修復層内の細孔や亀裂などの欠陥を効果的に低減し、表面の滑らかさを向上させることができます。

図1 クランクシャフトジャーナル再生修理図

図2 ねずみ鋳鉄シリンダーヘッドの再生および修理図高性能クラッディング材料は、再生製品の性能を向上させる鍵です。現在、自溶性合金粉末、高エントロピー合金粉末、複合材料粉末、セラミック粉末の研究開発により、レーザークラッディングの応用範囲が拡大しただけでなく、再生製品の性能も向上しました。

新しい冷間溶接技術 金属表面修復技術として、新しい冷間溶接技術は、断続的な高エネルギー電気パルスを使用して電極とワークピースの間に瞬間的なアークを形成し、修復材料（シート、粉末、溶接ワイヤ、溶接棒など）を修復部分に瞬間的に溶接し、ワークピース表面の再製造と修復を実現します。従来の溶接補修技術と比較して、新しい冷間溶接補修は、放電時間が間隔時間に比べて非常に短いため、発生する熱が少なく、補修エリアの熱は部品を通じて外部にすばやく伝達されます。そのため、補修エリアに熱が蓄積されることはなく、基板の熱変形を防ぎ、補修層の性能が優れています。その動作原理によると、マイクロパルス抵抗溶接技術、レーザーのような溶接技術、およびアルゴンシールド電気スパーク補修技術に分けられます。3つの技術の類似点と相違点を表1に示します。

表1 新しい冷間溶接補修技術の類似点と相違点

図3 HT250シリンダーブロック再生修理図
溶射技術
1. プラズマ溶射技術

プラズマ溶射技術は、プラズマ炎の熱エネルギーを利用して、導入された溶射粉末を溶融または半溶融状態に加熱し、プラズマ炎の作用により、粉末を処理対象基材表面に高速で衝突させて堆積させ、コーティングを形成します。プラズマアーク炎流の温度は10,000 Kを超えるため、セラミックベースの複合コーティングを準備して、再生部品の耐摩耗性と耐高温性を向上させることができます。

現在、新材料、新プロセス（テクスチャーを準備するためのレーザー前処理、再溶融するためのレーザー後処理など）の開発、パラメータの最適化により、真空プラズマ溶射技術、電磁加速プラズマ溶射技術、超音速プラズマ溶射技術が開発され、コーティングの接着強度が向上し、気孔率とマイクロクラックが減少し、再生製品の使用性能が向上しました。しかし、現在のプラズマ溶射技術の研究は主に性能に焦点を当てており、再製造や修理のための形状と特性の統合制御はまだ実現されていません。減算処理をどのように行うかについて、さらなる研究が必要です。

2 アーク溶射技術 アーク溶射とは、電気アークを熱源として溶融金属線を高速気流で霧化し、ワークの表面に高速で吹き付けて皮膜を形成する溶射方法です。他の溶射技術と比較すると、アーク溶射は熱効率が最大60％、コーティングの結合強度が高く、生産コストが低いため、クランクシャフト、シリンダーライナーなどの部品の再製造、修理、性能向上に広く使用されています。

図4 自動アーク溶射ロボットがエンジンのクランクシャフトを溶射自動高速アーク溶射技術と溶射経路計画により、損傷したクランクシャフトの再製造と修理の効率が向上しました。高性能アモルファス、高エントロピー、ナノなどの新材料の研究開発により、修復層の性能が向上し、クランクシャフトの修理コストが削減されましたが、溶射材料の利用率を向上させ、溶射環境を改善し、そのインテリジェンスと現場レベルを向上させ、新しい体系化された溶射材料を開発する方法は、依然としてアーク溶射修理の研究焦点です。

ブラシメッキ技術 レーザークラッディングや溶射などの付加修復技術は、設備や動作原理の制限により、内部穴部品（コネクティングロッド大端部、シリンダーボディ内壁）の再製造や修復には適していません。コネクティングロッドとシリンダーブロックは内燃機関のコア部品であり、高価で加工が難しい部品です。ブラシめっき技術はこれらの部品の再生・修理に使用でき、性能を向上させることができます。ブラシめっき技術は、電気化学的方法を用いてめっき液に浸しためっきペンを陽極として金属イオンを放電させ、陰極（ワークピース）表面に結晶化させて金属被覆層を形成するプロセスです。堆積速度が速く、コーティングの厚さを制御でき、残留応力や変形が小さいなどの特徴があります。

自動化されたブラシめっき設備の適用、新しいナノめっきソリューションの開発、およびブラシめっきプロセスパラメータの最適化により、コーティングの性能と再製造および修理の効率を効果的に向上させることができます。ただし、コーティングの表面粗さや寸法精度を制御することは依然として困難です。修理された部品は研磨および後処理する必要があります。さらに、ブラシめっき溶液は酸性で毒性がある場合が多いため、廃めっき溶液をリサイクルして処理する必要があり、再製造コストが増加します。グリーンめっきソリューション、精密な修復層を実現する方法、新しいナノ結晶合金ブラシめっきの開発、ブラシめっきレーザークラッディングなどの複合技術と設備を確立し、損傷部品の正確な後処理フリー修復を実現し、ブラシめっき修復の品質と効率を向上させることが、今後の研究方向です。

要約と展望 次の表は、内燃機関部品の再生および修理における添加剤修復技術の現在の応用をまとめたものです。

付加的修復技術は当初は体系化されていたが、他の技術の発展に伴い、付加的修復技術は今後、損傷部品のサイズ修復や性能向上を実現するために、インテリジェント化、複合化、オンサイト化の方向に発展していくだろう。以上の検討を踏まえ、積層造形技術の今後の展望について以下のように考察する。

（１）知性人工知能の関連理論と技術を再製造分野に統合することで、再製造プロセスにおける推論、判断、意思決定を支援し、再製造形成プロセスの品質と効率を効果的に向上させることができます。人工知能ベースの再製造知識システムを開発し、さまざまな損傷部品の修復プロセスとパスのカスタマイズされた選択を実現します。高度なセンサー技術に基づいて、修復プロセスの動的監視を実現し、修復層形態の均一性と安定性を確保します。

（２）複合添加剤による修復の精度は低く、部品の表面形態の要件を満たすことは困難です。添加剤による修復とフライス加工の複合技術、および非平滑表面の精密低応力電解加工技術の開発は、部品の再製造の効率を向上させ、企業コストを削減する上で大きな意義があります。レーザークラッディングとコールドスプレー複合、熱スプレーと電気メッキ複合、添加剤修復技術と電磁場複合などのマルチエネルギー場複合添加剤修復プロセスを開発することで、修復効率を効果的に向上させ、修復層の性能を高めることができます。

（３）現地にて大型内燃機関（海洋工学設備、船舶内燃機関など）は、付加価値が高く、ダウンタイムコストが高く、分解が不便であるため、オフラインでの再製造や修理には適していません。同時に、関連する添加剤システムは複雑で、携帯性が悪いため、損傷した部品の現場での再製造や修理が制限されます。ロボットをベースにした柔軟な現場での加法・減法材料修復装置の開発と、損傷箇所の 3D スキャンと修復経路計画のための統合ソフトウェアの確立は、大型内燃機関の現場での再製造と修理を実現する効果的な方法です。

著者: Li Fangyi、Li Zhen、Wang Liming、Li Jianfeng、Li Yanle、Lu Haiyang、Shang Jiantong、教育部高効率クリーン機械製造重点実験室、山東大学、済南、250061

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