熱浸鍍鋁球墨鑄鐵氬弧重熔工藝

趙 霞， 史曉萍， 張 鶴

(黑龍江科技學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

熱浸鍍鋁球墨鑄鐵氬弧重熔工藝

趙 霞， 史曉萍， 張 鶴

(黑龍江科技學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

為強(qiáng)化熱浸鍍鋁層的耐磨性能，將球墨鑄鐵經(jīng)780℃熱浸鍍鋁后進(jìn)行氬弧重熔處理，分析重熔工藝參數(shù)對重熔層性能的影響，利用掃描電鏡對熱浸鍍鋁層和氬弧重熔層組織進(jìn)行了觀察。結(jié)果表明:熱浸鍍鋁層經(jīng)氬弧重熔處理后，組織改善，由原來富鋁層和擴(kuò)散層轉(zhuǎn)變?yōu)橹厝蹖雍瓦^渡層。氬弧重熔工藝參數(shù)對重熔組織裂紋率、熔深、表面硬度影響較大，重熔電流增大或電弧掃描速度減小時，重熔層裂紋率下降，熔深增加，硬度升高。在重熔電流為70～120 A時，重熔層和過渡層硬度最高可達(dá)8.430和8.820 GPa。氬弧重熔處理能明顯提高熱浸鍍鋁層的顯微硬度。

球墨鑄鐵;熱浸鍍鋁;氬弧重熔;顯微組織;工藝

鋼鐵的熱浸鍍鋁作為一項改性處理工藝技術(shù)深受工程界關(guān)注，鍍鋁鋼材具有良好的外觀，優(yōu)越的耐蝕性，又具有鋼的強(qiáng)度，耐熱性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于熱浸鍍鋅層［1］。但由于熱浸鍍鋁層的孔隙率高、與基體結(jié)合力差，易產(chǎn)生裂紋和剝落，一般進(jìn)行高溫擴(kuò)散處理降低其脆性。

氬弧重熔是采用鎢極氬弧熱源對金屬材料表面進(jìn)行局部硬化改性處理，通過基體自淬火獲得均勻致密的組織［2］。氬弧重熔成本低、工藝簡單、效率高。為此，文中研究熱浸鍍鋁球墨鑄鐵氬弧重熔工藝，并研究重熔工藝參數(shù)對重熔層裂紋率、熔深、表面硬度的影響，探討熱浸鍍鋁后處理的新形式。

1 材料與方法

實驗材料選擇球墨鑄鐵，制樣尺寸為φ25 mm× 6 mm。熱浸鍍鋁采用熔劑法，工藝流程為:堿洗→酸洗→助鍍→烘干→鋁液浸鍍→冷卻。浸鍍溫度780℃，保溫時間8 min。熱浸鍍鋁設(shè)備為小型高溫箱式電阻爐和石墨坩堝。實驗采用自行研制的“S”型吊鉤將球墨鑄鐵試片懸浸于鋁液中，保證熱浸鍍鋁的順利進(jìn)行。

氬弧重熔采用MW3000型數(shù)字式焊接機(jī)，重熔電流和電弧掃描速度可調(diào)。實驗中，在保持電弧電壓、電弧掃描速度不變的情況下，考察重熔電流對重熔層熔深、組織和性能的影響;在保持電弧電壓、重熔電流不變的情況下，考察電弧掃描速度對重熔層熔深、組織和性能的影響，并測試不同重熔電流和電弧掃描速度下裂紋率(100 mm長焊道上裂紋平均數(shù))。

用XJB－1型金相顯微鏡和MX－2600FE型掃描電鏡進(jìn)行組織觀察，用MHV2000型顯微維氏硬度儀測試氬弧重熔層的硬度分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 氬弧重熔工藝流程對重熔質(zhì)量的影響

2.1.1 重熔前準(zhǔn)備

重熔前熱浸鍍鋁試件不預(yù)熱，重熔電源為直流反接，重熔過程不間斷。TIG重熔前，必須將熱浸鍍鋁表面的黏渣除掉，因為過多的黏渣易使TIG重熔后的焊道形成夾渣和氣孔，影響重熔層質(zhì)量。

2.1.2 重熔及重熔后處理

將預(yù)處理后的熱浸鍍鋁試件放置在工作臺，前端設(shè)置引弧板，尾部設(shè)置引出板，引燃電弧以實現(xiàn)氬弧重熔。

實驗中保持電弧電壓10 V、電弧掃描速度300 mm/min時，發(fā)現(xiàn)重熔電流在70～120 A可以得到比較合適的熔深和熔寬，重熔質(zhì)量較好(圖 1a)。當(dāng)焊接電流過小時，則熔深不足(圖1b);當(dāng)焊接電流過大時，則焊縫熔深過大，余高大，如圖1c所示。

圖1 熱浸鍍鋁氬弧重熔層截面觀察Fig.1 Appearance of ductile iron HDA coating

另外，在保持電弧電壓10 V、重熔電流90 A情況下，發(fā)現(xiàn)電弧掃描速度在180～420 mm/min時，可以得到比較合適的熔深和熔寬，重熔質(zhì)量較好。當(dāng)電弧掃描速度過小時，焊縫熔深過大，余高大;電弧掃描速度過大時，則熔深不足。

選擇合適的重熔電流和電弧掃描速度會避免以上缺陷，從而獲得較好質(zhì)量的重熔層。重熔后，將熱浸鍍鋁重熔表面的鋁渣清理掉即可。

2.2 氬弧重熔工藝參數(shù)對硬化效果的影響

2.2.1 重熔電流對裂紋率的影響

當(dāng)電弧掃描速度v為300 mm/min，電弧電壓U為10 V，測試不同重熔電流下重熔層的裂紋率N (表1)。由表1可見，隨重熔電流降低，重熔層裂紋率升高。重熔電流降低時，熱輸入減少，重熔區(qū)應(yīng)力增大，從而使裂紋率升高［3］。

表1 不同重熔電流下的裂紋率Table 1 Crack rate under difference welding current

2.2.2 電弧掃描速度對裂紋率的影響

當(dāng)重熔電流I為90 A，電弧電壓U為10 V，測試不同電弧掃描速度下重熔層裂紋率(表2)。由表2可見，隨電弧掃描速度增加，重熔層裂紋率增加。隨電弧掃描速度增加，單位面積熱輸入減少，熔體量變小，基體對熔池的激冷作用增大，從而增加了重熔區(qū)內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋逐漸增多［3－4］。

表2 不同電弧掃描速度下的裂紋率Table 2 Crack rate under difference welding speed

2.2.3 重熔電流對重熔層表面硬度及熔深的影響

當(dāng)電弧掃描速度v為300 mm/min，電弧電壓U為10 V時，測得重熔電流與重熔層表面硬度、熔深h的關(guān)系如圖2所示。

圖2 重熔電流對重熔層表面硬度和熔深影響Fig.2 Influence of welding current on surface hardness and depth of remelting layer

由圖2可見，隨重熔電流增加，重熔層表面硬度和熔深均增加。其原因是隨重熔電流增加，電弧力和電弧的熱輸入量增大，弧柱直徑增大，電弧潛入工件的深度增加，熔深增加，熔體量增多，重熔層內(nèi)Fe、Al相互擴(kuò)散更為均勻混合，而激冷效果相對減小，使Fe－Al化合物能夠形核析出，硬度升高。

2.2.4 電弧掃描速度對重熔層表面硬度及熔深的影響

當(dāng)重熔電流為90 A，電弧電壓為10 V時，測得電弧掃描速度與重熔層表面硬度、熔深之間的關(guān)系(圖3)。

圖3 電弧掃描速度對重熔層表面硬度和熔深影響Fig.3 Influence of welding speed on surface hardness and depth of remelting layer

由圖3可見，隨電弧掃描速度增加，重熔層表面硬度降低，熔深減小。其原因是隨電弧掃描速度增加，氬弧熱輸入量減小，熔池內(nèi)Fe、Al擴(kuò)散速度降低，F(xiàn)e－Al化合物來不及形核、析出，故硬度降低。同時，重熔區(qū)冷卻速度加快，導(dǎo)致其深度變淺。

2.3 組織分析

圖4為熱浸鍍鋁層截面組織形貌，由圖4可見，熱浸鍍鋁層存在明顯的分層現(xiàn)象，表層為含有針狀FeAl3的富鋁層［4－5］，次層為Al、Fe原子擴(kuò)散生成的金屬間化合物層(即擴(kuò)散層)。

圖4 熱浸鍍鋁層組織形貌Fig.4 Micrographs microstructure of HDA

圖5為氬弧重熔熱浸鍍鋁層組織形貌。由圖5a及圖1a可見，熱浸鍍鋁試件經(jīng)氬弧重熔處理后，熔化部位由重熔層和過渡層構(gòu)成。因氬弧熱輸入作用下原子擴(kuò)散能力加強(qiáng)，原熱浸鍍鋁的富鋁層中的FeAl3相明顯增多、長大，針狀FeAl3彌散貫穿整個富鋁層(圖5b)。在重熔層表面有大量石墨析出，見圖5c。熱浸鍍鋁層經(jīng)氬弧重熔處理后組織的變化，是由于氬弧功率密度大，能量集中，瞬間將熱浸鍍鋁層與基體表層加熱熔化，形成高達(dá)5 000℃的熔池，在電弧強(qiáng)攪拌作用下，在極短時間內(nèi)熱浸鍍鋁層和基體發(fā)生相互擴(kuò)散并達(dá)到均勻混合，使合金元素重新分布，沿橫截面方向出現(xiàn)了組織變化［6－7］。重熔層為成分較均勻且由FeAl3和C、Al相組成［8］。

圖5 氬弧重熔熱浸鍍鋁層組織形貌Fig.5 Micrographs microstructure of TIG remelting

當(dāng)重熔電流70～120 A時，測得重熔層表面硬度為2.550～8.430 GPa，過渡層平均硬度為5.980～8.820 GPa，硬度較高。過渡層組織主要為馬氏體、殘余奧氏體和少量球狀石墨，這是由于氬弧瞬時升溫瞬時冷卻，熔池底部液－固界面基體一側(cè)過冷度大，因氬弧熱快速形成的奧氏體晶粒來不及長大，在基體自激冷作用下，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。

綜上，在保證不出現(xiàn)裂紋的情況下，選擇合適的氬弧重熔參數(shù)對熱浸鍍鋁鋼氬弧重熔處理，可獲得組織梯度過渡的重熔層，能帶來性能上的漸變，因而綜合力學(xué)性能較好。

3 結(jié)論

(1)氬弧重熔工藝參數(shù)對重熔組織裂紋率、熔深、表面硬度影響較大。重熔電流增大或電弧掃描速度減小時，重熔層裂紋率下降，熔深增加，硬度升高。

(2)熱浸鍍鋁層經(jīng)氬弧重熔處理后，組織改善，由原來富鋁層和擴(kuò)散層轉(zhuǎn)變?yōu)橹厝蹖雍瓦^渡層。

(3)氬弧重熔處理能明顯提高熱浸鍍鋁層的顯微硬度。實驗條件下，重熔層硬度最高達(dá)8.430 GPa，過渡層硬度最高達(dá)8.820 GPa。

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Argon arc remelting process of hot-dip aluminum ductile iron

ZHAO Xia， SHI Xiaoping， ZHANG He
(College of Materials Science＆Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

This paper is aimed at strengthening the wear resistance of hot-dip aluminum coating by subjecting ductile iron to hot dip aluminum treatment with 780℃，followed by TIG remelting.The paper describes the effect of remelting process parameters on the performance of remelting layer and use of scanning electron microscopy to observe thermal dip aluminum coating and argon arc remelting layer.The results show that hot-dip aluminized layer treated by argon arc remelting processing shows a structure improvement from the Al-rich layer and the diffusion layer into the remelting layer and buffer layer.Argon arc remelting process parameters have a greater impact on the crack rate of remelting organization，penetration depth，and surface hardness.Increases in remelting current or decreases in arc scanning speed mean the decreases in remelting layer crack rate，and increases in the penetration depth and the hardness.With the remelting current of 70 to 120 A，remelting layer and transition layer have a greatest hardness up to 8.430 and 8.820 GPa.Argon arc remelting treatment allows a significant improvement in the microhardness of hot-dip aluminum coating.

ductile iron;hot dip aluminum(HDA);argon arc remelting;microstructure;processing flow

TG174.44

A

1671－0118(2012)02－0127－04

2012－02－12

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(11553085)

趙 霞(1980－)，女，黑龍江省哈爾濱人，講師，碩士，研究方向:金屬材料表面改性，E-mail:sunyxzhaox@163.com。

(編輯王 冬)