大型鑄鍛件修復焊粉的研制

徐雅芬，何佳洪，余果，黃林

（1.上海航天控制技術研究所，上海 201109；2.四川大學化工學院，四川成都 610065；3.四川有色金源粉冶材料有限公司，四川廣漢 618300）

隨著全球資源緊張狀況的日益嚴重，節(jié)能降耗已經(jīng)成為世界的發(fā)展趨勢。在鑄造行業(yè)，有缺陷的鑄件占鑄件比例20%左右，為了提高鑄件合格率，人們在鑄造工藝改進上想了很多辦法，如離心鑄造、消失模鑄造等，但生產(chǎn)的鑄件仍存在3%～10%的缺陷。目前鑄造企業(yè)為了適應市場新形勢要求降低能耗，最快捷有效的途徑就是對缺陷進行合理科學的修復。為此，人們也對處理鑄造缺陷的一些方法進行研究，如電焊、鑄工膠水、冷焊機、電火花堆焊等，但這些辦法都存在很多的缺陷，如電焊形成的焊點存在硬度過高，易產(chǎn)生裂紋、夾雜和氣孔等缺陷。傳統(tǒng)鑄件缺陷修復方法都不能滿足鑄件的硬度、結合強度、抗拉強度、耐磨耐腐的綜合要求，尤其是硬度和結合強度的要求。所以鑄件缺陷修補新技術已成為鑄造行業(yè)內(nèi)有一定影響的專業(yè)性技術會議研討課題之一。目前，國內(nèi)上千家鑄造企業(yè)根據(jù)自身產(chǎn)品的技術要求，有針對性的選擇科學修補技術及工藝，對鑄件進行修復來解決鑄件缺陷問題，降低鑄件生產(chǎn)綜合成本，提高整體資源利用率，創(chuàng)造了顯著的社會經(jīng)濟效益。

近年來，中國鑄造工業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模、品種都已經(jīng)處于世界第一，特別是鑄件出口增長最快，由原來的占國內(nèi)鑄件總產(chǎn)量的5%左右提高了10%以上［1］，鑄件結構也由技術要求低的簡單件發(fā)展到要求較高的復雜形狀件。但在生產(chǎn)高效、低耗、環(huán)境保護方面與日、美、法等鑄造強國相比，還有相當大的差距。根據(jù)國內(nèi)鑄造行業(yè)統(tǒng)計普通鑄鐵件的廢品率約為20%左右，復雜件、高檔件達到30%～35%。所以中國鑄造工業(yè)想從大做到強，就必須走優(yōu)質、低耗、環(huán)境保護的可持續(xù)發(fā)展道路。

雖然中國的鑄造工業(yè)已進入到廠家多、門類齊全、產(chǎn)量大的世界鑄造大國行列，但是在科學的設計與制作鑄造模具、澆注成型工藝與美、日、德、法鑄造強國相比，還有相當大的差距。部分鑄件表面或內(nèi)部有大量的裂紋、氣孔、砂眼等，如果不采取科學的生產(chǎn)工藝，都將導致廢品的產(chǎn)生和廢品率的提高。

近年來，國內(nèi)鑄造廠越來越重視鑄件缺陷修補，目前主要采取電火花焊補、填補、電焊焊補和膠接等機械的修補方法。但這些機械的修補方法都存在一些問題，比如采用填補和膠接等方法修補的鑄件，其結合強度、硬度都極低，還易脫落，不能進行加工處理；又如電火花焊補等修補的鑄件由于焊接部位的溫度高，使鑄件本體容易產(chǎn)生白口化，存在焊后焊接部位硬度過高，內(nèi)應力集中，容易產(chǎn)生裂紋、氣孔、夾渣等二次缺陷［2］。因此，如何得到與鑄件有良好結合強度，硬度相當?shù)男迯蛯邮氰T件修復的難題。本文將熱噴焊技術應用于鑄件修復，研制適用于該焊接技術的鑄件修復材料，并通過控制焊接溫度和焊接時間，從而得到與鑄件硬度相當、有良好結合強度的鑄件修復整套方法。

本文主要研究多元復合改性、拉瓦爾噴嘴超音速霧化和低硬度噴焊修復等技術，從而得到修復合金焊粉。本項目研究的粉末焊接技術是將修復材料在粉末狀態(tài)下通過專用焊槍加溫在熔融狀態(tài)對鑄件缺陷部位進行焊接,并通過在過程中控制熔融溫度和時間，減少了鑄件的白口化的發(fā)生，實現(xiàn)了帶缺陷鑄件高結合強度低硬度的成功修復，解決了鑄件修復的難題。

1 實驗

1.1 修復合金焊粉原材料

本文所用修復合金原材料的成分如表1所示。

表1 主要原材料的成分

1.2 工藝路線

將金屬原材料按照其熔點高低分別熔煉于中頻爐中［3］，同時添加少量的熔煉凈化劑，在氦氣體保護和真空狀態(tài)下熔化，當達到完全金屬液體之后，在1000℃～1300℃保溫30min～60min，拔開柱塞桿，對合金熔液通過特制超音速拉瓦爾噴嘴系統(tǒng)進行霧化，最終得到微晶粉末。工藝路線如圖1所示：

圖1 工藝路線

1.3 技術方案

1.3.1 修復合金成分研究

經(jīng)過研究，在基體合金中添加適量的硼、硅、銅、鈷、稀土等元素形成近共晶合金，可以大大降低修復合金的熔點。同時，利用硼、硅等元素在高溫下與氧親和力強的特點，可在一定溫度下與鑄件及修復材料的氧化物反應，脫去鑄件表面及焊層中的氧，在修復層表面形成氧化渣保護修復層使其不再氧化，進而得到結合強度高的合格修復鑄件。在合金中添加銅、鈷等元素將進一步降低合金熔點和提高修復合金的焊接性能，這是本文的創(chuàng)新點。鈷與修復焊粉中其它金屬碳化物晶粒結合在一起，不但提高了修復焊粉韌性，同時減少修復焊粉對沖擊的敏感性，這種修復焊粉熔焊在鑄鍛件表面，可使鑄鍛件的壽命提高3-7倍［4］。通過對修復合金各元素成分的合理搭配，便可獲得即有適當?shù)挠捕群透呓Y合強度的修復層，在焊接時鑄件本體也不會出現(xiàn)白口化現(xiàn)象。

1.3.2 修復合金粉末制備技術

設計好組分的修復合金必須經(jīng)過恰當?shù)娜蹮捄椭苽涑煞勰┖蟛拍苡脕砗附印１疚脑喜捎眉兘饘倥c中間合金相結合，在中頻爐里熔煉，同時添加少量的熔煉凈化劑而得到清潔的合金熔液，然后采用國際領先的超音速拉瓦爾噴嘴系統(tǒng)對合金熔液進行霧化，制備出高質量的修復合金粉末。根據(jù)流體力學原理，氣體在穩(wěn)定流動狀態(tài)下，單位時間內(nèi)氣體經(jīng)過噴嘴的每一個截面的氣體質量均相等。因此在通常情況下，低流速、高壓強截面的噴嘴應當具有大面積，而高流速、低壓強截面的噴嘴應有小面積。所以氣體由噴嘴進口處進入后，噴嘴開始段由大到小逐漸收縮，而氣流速度逐漸增大，當沿氣流流動方向截面收縮到最小處時，流速達到臨界速度即音速，此時壓力近似為噴嘴進口處的壓力之半，即PR～0.5P。為了使噴嘴出口處的壓力P2低于PR,在噴嘴臨界面以后再加上一段漸擴段，這樣可以在噴嘴出口處獲得比音速還要大的流速即超音速［5］。拉瓦爾噴嘴系統(tǒng)、原理和霧化效果分別見圖1、圖2:

圖1 拉瓦爾噴嘴系統(tǒng)圖

圖2 原理和霧化效果

1.3.3 低硬度噴焊修復技術

低硬度噴焊修復技術是采用火焰熱噴涂工藝，其過程是修復合金焊粉在火焰的加熱下粉末涂層熔融在待修復基材表面獲得噴焊層。噴焊層的形成大致可分為以下三個過程:①將修復合金焊粉和待修復基材加熱到一定溫度（400℃～700℃）；②通過氣流的作用將修復合金焊粉噴灑到待修復基材表面上；③采用火焰加熱修復合金焊粉使其熔化到基材表面上［6］。

低硬度噴焊技術特點：①焊接溫度低。有效減少鑄件白口化現(xiàn)象的發(fā)生；②結合強度高。在熔融過程中修復合金能自行造渣、脫氧，能“潤濕”修復基材表面并與其冶金結合；③修復焊層低硬度。修復層與鑄鍛件基體硬度相當，降低加工難度。

修復合金粉末通過專用焊槍加溫到熔融狀態(tài)對鑄鐵件陷部位進行焊接，并通過在過程中控制熔融的溫度和時間，減少鑄件白口化現(xiàn)象的發(fā)生，實現(xiàn)了帶缺陷鑄件高結合強度低硬度的成功修復。

2 研究結果

2.1 修復層的技術指標:

（1）修復合金粉末的元素含量：B：0.5%～1%、Si：1.5%～2%、Fe：37%、Cu：8%%～12%、Co小于1%、雜質元素含量小于0.5%、Ni余量。

（2）合金硬度:150～200HB。

（3）結合強度:大于250N/mm2。

2.2 技術創(chuàng)新

（1）通過在基體材料中添加微量的銅、鈷、鉻、稀土等金屬元素改善焊層硬度，提高焊層與鑄件的結合強度，突破了行業(yè)在低硬度修復方面的瓶頸。

（2）采用的拉瓦爾噴嘴超音速霧化技術霧化效率高，制備的合金粉末粒度細、球形度高，易于焊接，對鑄件影響小。該技術目前處于國內(nèi)領先水平。

（3）通過對修復合金的成分調整，降低了修復合金的熔點，并采用先進的超音速霧化技術制備成粉末，在鑄件修復時實現(xiàn)小功率加溫焊接，避免了大型加熱爐等設備的使用，對鑄件的本體影響小，實現(xiàn)修復材料的安全、環(huán)保、清潔。

3 結論

本文對大型鑄鍛件修補的關鍵技術的研究，合金粉末質量性能指標達到國外相關標準要求，完全適應了修復材料國產(chǎn)化的要求，并能完全實現(xiàn)技術自主，不受制于人，提高修復材料的國產(chǎn)化水平。本文產(chǎn)品熔點低，修復技術安全，且具有優(yōu)良的鑄鍛件缺陷修復性能，獲得的修復層與鑄鍛件基體硬度相當、結合強度較高，可實現(xiàn)再次機械加工，從而大大縮短下游產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，全面提高重型裝備的生產(chǎn)效率，進而減少因缺陷的出現(xiàn)而導致的資源浪費，降低了綜合成本。

修復焊粉的廣泛應用將大力推動國內(nèi)大型鑄鍛件生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展，提高整體資源利用率，促進機械加工制造產(chǎn)業(yè)的結構調整。