堆焊工藝對曲軸軸頸堆焊合金組織性能的影響

王守忠,朱 凱,劉玉瑩

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 商丘 476100)

引言

曲軸是車用發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一.工作時(shí)它將活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成需要輸出的圓周運(yùn)動(dòng).曲軸連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，承受著周期變化的壓力、慣性力和扭轉(zhuǎn)振動(dòng).其主要失效形式是軸頸磨損，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)和噪聲增大，油耗增加.曲軸重量約為發(fā)動(dòng)機(jī)的10%，成本約為整機(jī)的10%-20%[1],曲軸若因軸頸磨損失效而報(bào)廢，通常帶來的經(jīng)濟(jì)損失是很大的.采用表面堆焊技術(shù)可使失效的曲軸再生，對于延長其使用壽命,減少經(jīng)濟(jì)損失具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

目前, 磨損超差的曲軸軸頸的堆焊再制造多以手工操作為主.手工堆焊工藝，設(shè)備簡單，操作靈活方便，應(yīng)用面廣，可以焊接直縫、環(huán)縫和各種曲線焊縫等，但堆焊層厚度均勻性差，非生產(chǎn)性焊接材料消耗量大，焊后機(jī)械加工量大，成本高.當(dāng)堆焊材料的力學(xué)性能達(dá)不到曲軸的要求時(shí)，還需再采用熱處理的方法加以改善或提高，這造成曲軸變形量較大，增加了曲軸矯正量，易引起曲軸表面產(chǎn)生裂紋，且常需對堆焊再制造好的曲軸進(jìn)行二次堆焊.由于堆焊熱輸入量相對較大，常會(huì)引起連桿軸頸與主軸頸的平行度誤差及兩端主軸頸的同軸度誤差增大，同時(shí)也會(huì)惡化熱影響區(qū)組織等[2]，從而降低堆焊再制造曲軸的使用性能和壽命.因此，要想提高磨損超差的曲軸軸頸再制造質(zhì)量，降低生產(chǎn)加工成本，必須采用一定的方法和手段，以提高堆焊層厚度均勻性、力學(xué)性能，減少后續(xù)熱處理工序.

研究表明，焊層厚度的均勻性主要與焊接速度的一致性有關(guān)，由于手工焊接時(shí)，易受到技術(shù)水平、疲勞程度、生理極限等主客觀因素的影響，即使是高技術(shù)水平的焊工，也難以在較長時(shí)間保持焊接速度的一致性.隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)焊接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，周方明[3]等對排氣閥凹槽機(jī)器人自動(dòng)化堆焊工藝設(shè)計(jì)，白潔[4]等對復(fù)雜曲面零件自動(dòng)堆焊制造技術(shù)進(jìn)行的試驗(yàn)研究，對于提高焊層厚度的均勻性做出了杰出的貢獻(xiàn).

要減少曲軸焊后熱處理工序，必須采用優(yōu)質(zhì)焊絲和一定的焊接工藝來提高堆焊合金的力學(xué)性能，從而達(dá)到，甚至超過原曲軸的質(zhì)量.Fe-Cr-C-B堆焊合金由于具有抗磨性好、原料來源廣泛且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域中[5-6].硼碳化物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)嚴(yán)重割裂基體,所造成的材料韌性不足[7], 從而導(dǎo)致堆焊合金抗疲勞磨損性能下降，引起了廣大科技工作者高度關(guān)注與研究.文獻(xiàn)[8-9]通過機(jī)械攪拌、低頻脈沖磁場和添加Ti、稀土合金元素等方法，來改善或提高Fe-Cr-C-B堆焊合金的韌性；彭思源[10]等研究了合金元素對藥芯焊絲堆焊層組織和性能的影響，但目前有關(guān)焊后采用不同的冷卻工藝來改善或提高Fe-Cr-C-B系堆焊合金耐磨性的研究鮮見報(bào)道.

為了提高曲軸焊層厚度的均勻性和力學(xué)性能,省略焊后熱處理工序,筆者參考已有的研究成果[11-13]，在若干次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)研制出了一種多元強(qiáng)化Fe-Cr-B-C自保護(hù)藥芯焊絲和曲軸裝夾裝置.以某發(fā)動(dòng)機(jī)軸頸磨損超差曲軸為例，將被再制造的曲軸裝夾用在改裝后的曲軸加工專用數(shù)控車床上，采用明弧堆焊與快冷工藝相結(jié)合的方法，在曲軸頸表面制備出了高強(qiáng)韌性Fe-Cr-B-C堆焊合金層.通過快冷與空冷堆焊層的組織性能和臺架耐磨性試驗(yàn)，重點(diǎn)分析研究了多元強(qiáng)化Fe-Cr-B-C堆焊合金焊后快冷工藝的耐磨性機(jī)理，力圖為提高磨損超差曲軸軸頸的再制造質(zhì)量、降低生產(chǎn)加工成本提供參考.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

自制的自保護(hù)藥芯焊絲由鋼帶和藥粉組成.鋼帶選用低碳鋼H08A，尺寸為10 mm×0.3 mm，優(yōu)化設(shè)計(jì)的藥粉化學(xué)成分，如表1所示，并添加少量CaF2、CaO、Al2O3和Al粉末作為造渣劑，所有藥粉通過100目過篩后，烘干、混合、攪拌均勻，包粉率控制在45%，采用藥芯焊絲成形機(jī)經(jīng)軋制、減徑和拉拔等工序，制成Ф1.6 mm的藥芯焊絲.

表1 Fe-Cr-B-C 堆焊藥芯焊絲的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗(yàn)用的某多缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸由45號鋼鍛制而成,熱處理工藝為高頻淬火,顯微組織為針狀馬氏體+板條馬氏體+殘余奧氏體，軸頸硬度為(52-62)HRC,連桿軸頸標(biāo)準(zhǔn)尺寸為Φ65 mm-0.013 mm, 主軸頸標(biāo)準(zhǔn)尺寸為75 mm-0.013 mm.失效后的曲軸的連桿軸頸平均尺寸為63.45 mm, 主軸頸平均尺寸為73.96 mm,已超過技術(shù)要求的連桿軸頸達(dá)63.48 mm，主軸頸達(dá)73.98 mm時(shí)的報(bào)廢尺寸.在專用數(shù)控機(jī)車床上將曲軸軸頸圓整，主軸頸直徑減少0.5 mm，連桿軸頸減少1 mm，考慮到堆焊層質(zhì)量和焊后加工余量，主軸頸焊層厚度不得小于1.5 mm，連桿軸頸堆焊層厚度不得小于2 mm.

1.2 試驗(yàn)方法

通過自制的曲軸裝夾裝置，將被再制造的曲軸裝夾用在因加工精度下降而報(bào)廢的曲軸加工專用某數(shù)控機(jī)車床上，采用MZ-1000型交流焊機(jī)和自制的多元強(qiáng)化Fe-Cr-B-C自保護(hù)藥芯焊絲，先堆焊連桿軸頸，后堆焊主軸頸.當(dāng)上一道焊層冷卻至150 ℃-200 ℃時(shí)堆焊下一道焊層，直到達(dá)到焊層厚度要求.焊后，一部分曲軸軸頸空冷至室溫(以下簡稱空冷)，另一部分曲軸軸頸空冷至1000 ℃左右時(shí)(鉑銠30-鉑銠6熱電偶測溫)采用多噴頭噴水冷卻至室溫(以下簡稱快冷).堆焊時(shí)，電壓的選擇由焊絲成分和電弧長度而定，電流的大小根據(jù)送焊絲速度和焊絲直徑而定，在電流、電壓一定的情況下，堆焊速度影響熱輸入量的大小，取決于堆焊速度.電壓越高，電流越大，堆焊速度低時(shí)，曲軸堆焊產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形量越大.經(jīng)過多次試驗(yàn)和計(jì)算，優(yōu)化后的堆焊工藝參數(shù)，如表2所示.

表2 曲軸堆焊工藝參數(shù)

為了便于觀察測試空冷和快冷堆焊合金的組織性能，按照上述的冷卻方法，分別在45號鋼板上堆焊出25 mm×25 mm×120 mm試樣若干個(gè)，水冷條件下用線切割法分別從空冷和快冷試樣上切取20 mm×20 mm×110 mm純堆焊合金無缺口試樣若干個(gè)，在JB30A型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上測試其沖擊韌性；將沖斷后的沖擊試樣，經(jīng)磨制和拋光后做成SEM試樣，經(jīng)4%硝酸、酒精腐蝕或三氯化鐵溶液深腐蝕后，用JSM-7001F場發(fā)射掃描電鏡(附帶EDS)觀察分析堆焊合金微觀組織形貌；采用D/MAX-PC2500型X 射線衍射儀進(jìn)行物相定性分析；用HR-150A型硬度計(jì)測量表面硬度，用HMV-G21ST型顯微維氏硬度計(jì)測量顯微硬度，用外徑千分尺測量軸頸尺寸，用磨損量表示耐磨性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果均取3次測試的平均值.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 機(jī)床的改裝與曲軸的安裝

根據(jù)表2中的曲軸轉(zhuǎn)速和焊槍移動(dòng)速度的要求，在帶動(dòng)車床的電動(dòng)機(jī)和從動(dòng)皮帶輪之間加裝一個(gè)減速器，使其傳動(dòng)比在堆焊曲軸連桿軸頸時(shí)，保證車床主軸的轉(zhuǎn)速為2.7 r/min-3.0 r/min，在堆焊曲軸主軸軸頸時(shí)保證車床主軸的轉(zhuǎn)速為2.5 r/min-2.7 r/min.設(shè)定車床刀架在主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)的軸向位移(即焊槍移動(dòng)速度)為4 mm-4.5 mm.為了保證焊絲送給穩(wěn)定，在減速器內(nèi)加裝一對傳動(dòng)比為13的輔助齒輪，用以保證焊頭機(jī)構(gòu)在較大的牽引力下穩(wěn)定的工作.焊槍固定在車床的刀架上，而曲軸是相對焊槍做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，焊接速度可通過焊槍的軸向移動(dòng)量予以控制，焊接主軸頸時(shí)設(shè)定焊槍只作軸向直線運(yùn)動(dòng)，焊接連桿軸頸時(shí)設(shè)定焊槍一邊作軸向直線運(yùn)動(dòng)，一邊作縱向運(yùn)動(dòng)，縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡可通過如下的數(shù)學(xué)模型予以控制：H=Ecos(式中：H為焊絲伸出端部到軸頸中心線的距離，E為曲拐半徑，R為連桿軸頸半徑，θ為曲拐旋轉(zhuǎn)角度)，這樣有利于保證堆焊層厚度的均勻一致性，減少非生產(chǎn)性焊接材料消耗和焊后機(jī)械加工量，降低生產(chǎn)成本.

為了盡可能地減少曲軸堆焊時(shí)的變形，如圖1所示，曲軸的一端通過專用的固定卡頭固裝在車床卡盤上，另一端通過自制的圓盤、圓柱銷和支架予以支撐，圓柱銷安裝在支架上，支架固定在車床或地面上，圓盤裝在曲軸的端部，通過圓盤上圓孔與圓柱銷和支架連接在一起，只對曲軸起支撐作用，而不起限位作用.當(dāng)被堆焊的曲軸受熱伸長或冷卻縮短時(shí)，曲軸可通過圓盤上圓孔沿圓柱銷自由移動(dòng)，從而減少曲軸堆焊時(shí)產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形.

圖1 曲軸安裝示意圖

2.2 空冷堆焊合金的試驗(yàn)結(jié)果

空冷Fe-Cr-B-C堆焊合金的掃描電鏡形貌如圖2所示，xRD物相定性分析結(jié)果如圖3所示.

圖2 空冷Fe-Cr-B-C堆焊合金的金相組織

圖3 空冷堆焊合金的xRD分析結(jié)果

由圖2可見，堆焊合金的金相組織由不規(guī)則塊條狀灰色基體和大量灰白色的網(wǎng)狀硼碳化物組成.由圖3可知，灰色基體主要為馬氏體，由于馬氏體轉(zhuǎn)變的不完全性，基體中還將含有少量殘余奧氏體[14].灰白色硼碳化物分別為(Fe,Cr)2(B,C)、(Fe,Cr)3(B,C)和(Fe,Cr)23(B,C)6.(Fe,Cr)3(B,C)和(Fe,Cr)23(B,C)6位于(Fe,Cr)2(B,C) 硼碳化物與基體之間，使得(Fe,Cr)2(B,C) 硼碳化物的網(wǎng)絡(luò)更為連續(xù)和緊密，嚴(yán)重地破壞了基體的連續(xù)性，這將會(huì)給堆焊合金的韌性帶來負(fù)面影響.

2.3 快冷堆焊合金的試驗(yàn)結(jié)果

快冷Fe-Cr-B-C堆焊合金掃描電鏡形貌如圖4所示，xRD物相定性分析結(jié)果如圖5所示.由圖4可見，快冷堆焊合金仍然由不規(guī)則條塊狀灰色基體和大量灰白色的網(wǎng)狀硼碳化物組成.xRD物相定性分析結(jié)果表明，灰色基體由馬氏體+殘余奧氏體組成，灰白色的硼碳化物分別為(Fe,Cr)2(B,C)和(Fe,Cr)23(B,C)6.(Fe,Cr)23(B,C)6硼碳化物處于基體與(Fe,Cr)2(B,C)硼碳化物之間，將基體與(Fe,Cr)2(B,C) 硼碳化物粘連在一起.與圖2相比，其組織尺寸明顯細(xì)小化，硼碳化物分布趨于均勻化，硼碳化物局部區(qū)域有頸縮和斷網(wǎng)現(xiàn)象，硼碳化物的種類也由三種減少為兩種，(Fe,Cr)3(B,C)硼碳化物消失,硼碳化物體積分?jǐn)?shù)明顯減少，基體的連續(xù)性明顯增強(qiáng)，這將有利于改善或提高堆焊合金的韌性[15].

圖4 快冷Fe-Cr-B-C 堆焊合金的金相組織

圖5 快冷堆焊合金的XRD分析結(jié)果

2.4 堆焊合金的力學(xué)性能測試結(jié)果

焊后空冷和焊后空冷至1000 ℃時(shí)再快冷堆焊宏觀實(shí)物照片如圖6所示.由圖6可知，兩種堆焊層外形均勻，焊道與焊道、焊道與基本金屬之間焊接過渡平滑，堆焊層表面無裂紋、焊瘤、燒穿、凸凹等缺陷.通過采用射線探傷檢驗(yàn)，堆焊層內(nèi)部沒有氣孔、夾渣、裂紋及未焊透等缺陷.由于堆焊設(shè)備、焊絲、方法以及堆焊工藝參數(shù)等基本相同，只是焊后冷卻方式不同，因此，兩種堆焊層外形上差別不大.但由于焊后冷卻方式不同，其力學(xué)性能必然會(huì)存在著一定的差異性.

圖6 曲軸堆焊宏觀實(shí)物圖

空冷和快冷的力學(xué)性能測試結(jié)果如表3所示.由表3可知，空冷和快冷堆焊合金的基體顯微硬度與板條馬氏體的顯微硬度相近，由此可以推斷，堆焊合金空冷和快冷基體組織中的馬氏體均為板條馬氏體[16].另外，快冷堆焊合金的表面硬度以及沖擊韌性也都明顯高于空冷堆焊合金.這主要是因?yàn)榭绽鋾r(shí)，由于冷速較低，持續(xù)高溫下堆焊合金中各組成相生成、長大較為充分，組織尺寸較為粗大，二次硼碳化物析出的種類和數(shù)量較多, 因此,空冷堆焊合金的硬度低、脆性大；而快冷時(shí)，由于冷卻速度相對空冷提高，堆焊合金的過冷度增大，則形核率提高，使已結(jié)晶出的初生(Fe,Cr)2(B,C)硼碳化物的生長傾向減緩，后續(xù)沉淀析出的二次硼碳化物和轉(zhuǎn)變生成的馬氏體尺寸也細(xì)小化，二次硼碳化物析出的種類和數(shù)量也相應(yīng)減少，所以快冷曲軸軸頸堆焊合金的硬度和沖擊韌性相對于空冷曲軸軸頸堆焊合金分別提高了5 HRC和6.4 J/cm2.

表3 力學(xué)性能測試結(jié)果

2.5 耐磨性試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了比較空冷、快冷再制造曲軸和原裝曲軸的耐磨性，分別將它們安裝在柴油機(jī)試車臺上，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行全速全負(fù)荷臺架對比試驗(yàn).經(jīng)45 h可靠性試驗(yàn)后，檢測不同曲軸軸頸磨損量.經(jīng)測試計(jì)算，原裝曲軸各軸頸的平均磨損量為0.015 mm，快冷再制造曲軸各軸頸的平均磨損量為0.010 mm，空冷再制造曲軸各軸頸的平均磨損量為0.012 mm，空冷和快冷再制造曲軸表面的耐磨性相對于原裝曲軸分別提高了25%和50%.這是因?yàn)榍S在正常使用條件下, 曲軸軸頸表面的磨損形式主要為擦傷磨損和疲勞磨損.擦傷磨損量的大小主要取決于材料的硬度，而抵抗疲勞磨損的能力主要決定于材料的硬度和韌性.原裝曲軸軸頸表面組織為針狀馬氏體+板條馬氏體+殘余奧氏體，軸頸表面硬度在52 HRC-62 HRC之間.針狀馬氏體硬脆性較大，韌性差，硬度也較低，因此其抗擦傷磨損和疲勞磨損能力均較低，所以原裝曲軸軸頸表面磨損量較大.而空冷和快冷多元強(qiáng)化Fe-Cr-B-C堆焊合金組織由板條馬氏體+殘余奧氏體+不同類型的硬質(zhì)硼碳化物組成.空冷再制造曲軸軸頸表面硬度為62 HRC，與原裝曲軸軸頸表面最高硬度相當(dāng)，快冷再制造曲軸軸頸表面硬度為67 HRC，高于原裝和空冷曲軸軸頸表面最高硬度，當(dāng)曲軸軸頸與對磨偶件摩擦磨損時(shí)，分布在板條馬氏體基體上硼碳化物硬質(zhì)相可起到抵抗磨損的骨架作用，高強(qiáng)韌性的板條馬氏體基體在吸收各種應(yīng)力、應(yīng)變以及提高抗裂紋形成與擴(kuò)展和抗磨性的同時(shí)，可對硬質(zhì)相硼碳化物起到強(qiáng)有力的支撐或包裹作用，可充分發(fā)揮硼碳化物硬質(zhì)相的抗磨作用，因此，通過空冷和快冷再制造的曲軸軸頸表面的耐磨性均優(yōu)于原裝曲軸軸頸表面.由于快冷曲軸軸頸堆焊合金的硬度和沖擊韌性相對于空冷曲軸軸頸堆焊合金分別提高了5 HRC和6.4 J/cm2，所以其耐磨性比空冷再制造曲軸軸頸表面更為優(yōu)良.自研制的多元強(qiáng)化Fe-Cr-B-C自保護(hù)藥芯焊絲和堆焊工藝性價(jià)比良好，值得借鑒.

3 結(jié)論

1)通過對專用數(shù)控車床進(jìn)行改裝和利用自制的曲軸裝夾裝置能夠?qū)崿F(xiàn)曲軸軸頸堆焊合金層厚度的均勻性，減少堆焊材料非生產(chǎn)性消耗和曲軸堆焊變形量，降低生產(chǎn)成本.

2)空冷再制造曲軸軸頸堆焊合金組織由板條馬氏體+殘余奧氏體基體和(Fe,Cr)2(B,C)、(Fe,Cr)3(B,C)、(Fe,Cr)23(B,C)6硼碳化物組成，表面硬度為62 HRC，沖擊韌性為6.8 J/cm2.

3)快冷再制造曲軸軸頸堆焊合金組織由板條馬氏體+殘余奧氏體基體和(Fe,Cr)2(B,C)、(Fe,Cr)23(B,C)6硼碳化物組成.相對于空冷試樣，組織尺寸更為細(xì)小化，硼碳化物種類和體積分?jǐn)?shù)均減少，局部出現(xiàn)頸縮甚至斷網(wǎng)現(xiàn)象，分布均勻性提高，表面硬度提高了5 HRC，沖擊韌性提高了6.4 J/cm2.

4)在相同的臺架實(shí)驗(yàn)條件下，原裝曲軸各軸頸的平均磨損量為0.015 mm，快冷再制造曲軸各軸頸的平均磨損量為0.010 mm，空冷再制造曲軸各軸頸的平均磨損量為0.012 mm，空冷和快冷再制造曲軸的耐磨性相對于原裝曲軸分別提高了25%和50%.研制的自保護(hù)藥芯焊絲和堆焊工藝性價(jià)比良好，值得借鑒.