合金熔覆再制造中熔覆層厚度的優(yōu)化分析

關(guān)生德 陳剛 王虎 鄧雪峰

摘 要：在采用合金熔覆再制造技術(shù)對桿類零件進行升級修復(fù)時，熔覆層的厚度與稀釋率、熱輸入量等因素息息相關(guān)，實際情況中，再制造零件的防腐性能并非是隨著熔覆層的厚度增加而線性增強的。本文通過對不同厚度熔覆層樣件的防腐性試驗，再結(jié)合熔覆過程中的焊接性能特點，給出了最適合的熔覆層厚度建議，并以基材和液體成分為變量，試驗分析了不同因素下熔覆層厚度與防腐性能的關(guān)系，為批量性生產(chǎn)的工藝制定提供了高價值的數(shù)據(jù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：熔覆厚度;防腐性;試驗;數(shù)據(jù)

中圖分類號：TG174.4 ? ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1003-5168（2022）5-0049-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.05.011

Optimization Analysis of Cladding Layer Thickness in Alloy Cladding Remanufacturing

GUAN Shengde ? ?CHEN Gang ? ?WANG Hu ? ?DENG Xuefeng

（China National Energy Group Xinjiang Energy Co.， Ltd，Urumqi ?830000，China）

Abstract：The thickness of cladding layer is closely related to dilution rate， heat input and other factors when alloy cladding remanufacturing technology is used to upgrade and repair rod parts， the anticorrosion performance of remanufactured parts does not increase linearly with the thickness of cladding layer. Based on the Corrosion Resistance Test of samples with different thickness of cladding layer and the characteristics of welding performance in the process of cladding， the most suitable thickness of cladding layer is suggested， and the base material and liquid composition are taken as variables， the relationship between thickness of cladding layer and anticorrosion performance under different factors was analyzed， which provided high value data basis for mass production process.

Keywords： cladding thickness;corrosion resistance;test;data

0 引言

預(yù)測在未來的5至10年，資源和環(huán)境問題將成為全球面臨的一項主要挑戰(zhàn)，在此大環(huán)境下，具有綠色制造和節(jié)能減材特性的熔覆再制造技術(shù)將成為煤機行業(yè)的新選擇。相對于傳統(tǒng)的電鍍表面處理工藝，采用熔覆再制造技術(shù)加工的產(chǎn)品，其結(jié)合力比電鍍提高了5倍以上，耐腐蝕性能也至少能提高2倍，最主要的是熔覆再制造技術(shù)可以依靠熔覆層的厚度優(yōu)勢來彌補原零件的尺寸損耗，從而達到修舊如新的目的。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，熔覆技術(shù)已日漸成熟并推廣使用。但熔覆技術(shù)的劣勢也非常明顯，就是材料成本相對于電鍍要高，這將大大影響熔覆技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，減少材料成本的一個大方向就是減少材料的用量，即可通過減小熔覆層厚度來減少熔覆材料的投入。并且熔覆厚度越厚，其帶來的熱輸入就越多，也會間接影響到熔覆層的稀釋率。但若熔覆層太薄，熔覆層的氣孔率和稀釋率又很容易超標，從而影響熔覆層的耐腐蝕性能。故需要在工藝性試驗階段就通過不斷地試驗對比，來分析得出最合適的熔覆層厚度，讓其既滿足防腐性的要求和焊接的工藝性要求，又能達到成本的相對最優(yōu)[1-3]。

1 耐腐性試驗

1.1 試驗?zāi)康?/p>

①試驗同一基材、不同熔覆層厚度產(chǎn)品在同樣水質(zhì)條件下的防腐性能。

②試驗不同基材、同等熔覆厚度產(chǎn)品在同樣水質(zhì)條件下的防腐性能。

③試驗同一基材、同等熔覆厚度產(chǎn)品在不同水質(zhì)條件下的防腐性能。

1.2 試驗因素

基材：27 SiMn、30 CrMnSi。

厚度：0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm、1.0 mm。

水質(zhì)：Cl-含量水、SO?2-含量水。

1.3 工藝試驗

1.3.1 試驗方案。將樣品加工成同等大小，并放入密閉的試驗瓶內(nèi)，試驗瓶內(nèi)的液體每月更換一次，樣塊也每月進行一次外觀顯微檢測和稱重，試驗周期為12個月。

1.3.2 試驗結(jié)果。通過長達1年的跟蹤試驗，從外觀和質(zhì)量兩方面都得到了比較明顯的對比成果。如表3所示。

通過表3可以明顯看出，無論哪種基材或水樣，熔覆層厚度在0.7 mm時為防腐性最佳，當厚度進一步增大到1.0 mm時，其防腐性能并非線性提高，而是下降的。

1.3.3 試驗分析。通過上述的試驗結(jié)果和試驗中腐蝕分布狀態(tài)的觀察，分析有3種主要原因?qū)е铝舜私Y(jié)果的產(chǎn)生。

①熔覆材料中鉻的含量較高，但鉻離子比較粗大，晶粒間隙較大，而Cl-很細小，它可以通過鉻離子間的間隙進入基體，從而產(chǎn)生腐蝕，因而熔覆厚度越薄的樣件就越容易腐蝕。

②熔覆防腐的基本原理是在原件母材的基體表面加上了一層防腐性能更好的合金層，這層合金層的成分決定了其防腐性能，但在熔覆過程中，由于熔池的產(chǎn)生，合金層底層和基體表面都會液化而相互混合，形成過渡層，這種熔合的程度稱之為稀釋率，它受基材成分的影響，更受熱輸入的影響，熔覆層越厚，熔覆時間就越長，熱輸入就越大。

③在試件中，很大一部分腐蝕都是從點蝕開始的，說明試件表面有肉眼不可見的細微針孔缺陷，這與熔覆過程中的氣體保護息息相關(guān)，但熔池溫度過高時，熱氣會讓保護氣場混亂，從而極大地降低氣體保護的效果，空氣逸入熔池后就會形成氣孔缺陷。故而要控制熔覆過程中熱量的輸入，即不可一味追求熔覆層的厚度[4-6]。

2 熔覆層性能試驗

筆者針對27 SiMn和30 CrMnSi兩種基材分別制作了熔覆厚度為0.5 mm和0.7 mm的樣件，然后對樣件進行各項性能檢測。

2.1 試驗項目

試驗包含滲透探傷檢測、宏觀金相試驗、熔覆層腐蝕速率檢測和硬度檢測四方面。

2.2 滲透探傷檢測

滲透探傷前，對工件探傷部位四周向外擴展25 mm范圍內(nèi)表面進行清理和預(yù)清洗，清除被檢零件表面所有污染物。對檢測部位進行滲透劑的刷涂，待到自然風(fēng)干，用顯像劑將缺陷處的滲透液吸附至零件表面，產(chǎn)生清晰可見的缺陷圖像。

探傷結(jié)論：表面無裂縫分層;在一直線上未超過4個或4個以上間隙排列的缺陷，且每個缺陷之間的距離不小于2 mm;在任何一塊150 mm×25 mm表面上未超過10 mm2缺陷顯示;滿足質(zhì)量要求。

2.3 宏觀金相試驗

目的是判定焊材與焊肉間的組織成分是否發(fā)生變化及與基材融合部分的在組織變化，試驗標準為《焊接、釬焊和粘接評定》中QW-452條。具體金相圖如圖1所示。

從圖1可以看出，焊接熱影響區(qū)小，在熱影響區(qū)內(nèi)晶體發(fā)生正火。焊接熔合線區(qū)結(jié)合緊密，晶粒變細。結(jié)合強度較高，滿足熔材強度要求。

2.4 熔覆層腐蝕速率檢測

2.4.1 試驗標準。美國標準ASTM A923中C法，腐蝕溶液為5%HCl溶液，試驗環(huán)境為室溫下進行;樣塊為25 mm×25 mm×10 mm，濕拋光，達到120膜或以下。

2.4.2 鹽酸測試溶液。在按照要求加入HCl和蒸餾水，調(diào)配成5%濃度的鹽酸測試液。進行鹽酸溶液測試的體積為20 mL/cm2乘以試樣表面積。

2.4.3 試驗方法。將樣件浸入測試溶液里。在整個測試過程在正常室溫下進行。在測試期間，用觀察玻璃蓋住測試容器。除了另外說明，測試期限應(yīng)該為24 h。用水沖洗，用軟的鬃毛刷子在自來水的沖洗下刷除腐蝕產(chǎn)品，然后在空氣中干燥。

2.4.4 腐蝕速率計算公式。

腐蝕速率（mdd）

=重量損失（mg）/[試樣面積（dm2）×?xí)r間（天數(shù)）]

=（49 062 mg-49 060.6 mg）/（0.225 dm2×1 d）

=6.22 mdd

0.5 mm和0.7 mm厚樣品腐蝕速率試驗實物圖如圖2所示。

腐蝕速率試驗結(jié)論：腐蝕速率不超過10 mdd，滿足耐腐蝕性要求。

2.4.5 熔覆層硬度檢測試驗。

測量方法：均勻取點10處，檢測硬度取平均值。

測量儀器：里氏硬度計。

試驗要求：硬度值滿足48-55HRC。

檢測結(jié)果如表4所示。

結(jié)論：熔覆層滿足硬度要求。

2.5 熔覆層性能試驗結(jié)果。

綜上所述，0.5 mm厚度和0.7 mm厚度的樣材經(jīng)過了滲透探傷試驗、化學(xué)成分化驗、硬度檢測、宏觀金相試驗、腐蝕速率檢測和硬度檢測等試驗，各項試驗結(jié)果均達到了試驗標準要求。

3 工藝可行性分析

不同于電鍍工藝，熔覆工藝的一大難點是如何保證細長工件在熔覆后仍能將直線度控制在可加工范圍之內(nèi)。理論上有兩種解決方案，一是保證工件的直線度;二是增大工件的加工余量，靠大的可加工量來保證成品要求?？紤]到第二種方案在成本、效率和質(zhì)量上的諸多缺陷，基本可以不考慮第二種解決方案，那要如何在厚度適中條件下滿足工件后期的加工工藝可行性呢？筆者結(jié)合當前技術(shù)水平下熔覆散熱技術(shù)和相關(guān)領(lǐng)域的矯直技術(shù)，提出如下解決方案。

一是在熔覆設(shè)備上下功夫，增加強制冷卻和熱絲抽送技術(shù)，強制冷卻可以極大地加快工件的散熱速度，它是依靠高功率冷卻器和氣霧閥將普通自來水轉(zhuǎn)化為低溫氣態(tài)，再通過特殊機構(gòu)使氣體包裹住工件并流轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)工件的快速換熱及散熱。

二是在熔絲上想辦法，要想熱量輸入少，就得要求熔覆時的燃弧時間要短。通過在送絲過程中對焊絲進行預(yù)加熱的方法，焊絲在到達熔池前就處于半熔狀態(tài)，這樣用來熔化焊絲的熱量就可以極大減少。

總之，通過不斷地改進設(shè)備和完善參數(shù)，目前的技術(shù)實現(xiàn)工件的變形控制已可滿足實際需要。

4 結(jié)語

新技術(shù)的研發(fā)推廣需要突破口，尤其是工業(yè)應(yīng)用上，除了質(zhì)量過硬和綠色環(huán)保外，還需要在成本方面也打開一扇窗。本研究就是旨在找到合金熔覆技術(shù)中質(zhì)量和成本的一個相對平衡點，即最優(yōu)化的熔覆層厚度設(shè)計值，通過反復(fù)工藝性試驗，積累了大量的有效數(shù)據(jù)，為現(xiàn)行工藝的制定和后續(xù)優(yōu)化都提供了強有力的依據(jù)支撐。通過本研究成果，筆者將合金熔覆層的最優(yōu)厚度定義為0.7 mm，考慮到波動因素以及成本等方面的影響，推薦在批量生產(chǎn)中可將熔覆層厚度定義在0.5～0.7 mm。

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