凸輪軸工作面點(diǎn)蝕坑冷焊再制造工藝與性能研究

孫秀懷，殷子強(qiáng)*，王守仁，王磊，吳成武，張建鵬，李重陽

(1. 濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2. 中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司，河北 滄州 062650)

內(nèi)燃機(jī)作為一種動(dòng)力機(jī)械，可將化學(xué)燃料燃燒釋放出的熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。軸類零件作為內(nèi)燃機(jī)中的關(guān)鍵部件，在內(nèi)燃機(jī)正常工作過程中發(fā)揮著不可或缺的作用。但軸類零件在服役過程中易發(fā)生摩擦磨損、腐蝕以及疲勞失效，從而影響整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)性能[1]。針對(duì)失效零部件，進(jìn)行維修再制造是綠色制造的重要組成部分，不僅成形速度快，還具有節(jié)能、節(jié)材、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，受到相關(guān)學(xué)者以及企業(yè)的青睞[2-3]。

對(duì)于磨損后的軸類零件維修再制造，常用工藝方法包括激光熔覆[4]、電弧堆焊[5]、熱噴涂[6]等。熱噴涂層與基體材料結(jié)合強(qiáng)度較低，再制造零件在服役過程中容易發(fā)生噴涂層剝落，不能保證足夠的結(jié)合強(qiáng)度，修復(fù)后的零件在服役過程中容易再次發(fā)生磨損[7]。使用電弧堆焊技術(shù)修復(fù)磨損軸類零件，雖有較高的結(jié)合強(qiáng)度，但由于其熱輸入量較高，修復(fù)過程中對(duì)零件的反復(fù)加熱也易于造成零件應(yīng)力積累，給零件的尺寸精度、機(jī)械性能帶來不利影響[8]。激光熔覆在熱輸入方面克服了電弧堆焊的缺點(diǎn)，但其高昂的設(shè)備成本在一定程度上限制了該技術(shù)的廣泛使用[9]。冷焊技術(shù)是一門新發(fā)展起來并得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)，在很多傳統(tǒng)焊接技術(shù)無法滿足要求的情況下發(fā)揮著重要作用，通過瞬間放電產(chǎn)生的高熱能將專用焊絲熔覆到工件的破損部位，達(dá)到與原有基材牢固熔接的目的[10-11]。采用冷焊修復(fù)時(shí)，電極尖端瞬時(shí)溫度可達(dá)到10 000 ℃左右，零件在很小的區(qū)域內(nèi)經(jīng)歷了快速熔化膨脹、凝固收縮的過程，導(dǎo)致修復(fù)區(qū)域應(yīng)力變化情況復(fù)雜[12]。許多學(xué)者研究冷焊修復(fù)后零件的使用性能，但對(duì)冷焊修復(fù)區(qū)域殘余應(yīng)力分布情況的研究很少，殘余應(yīng)力嚴(yán)重影響著零部件的使用壽命。凸輪軸作為內(nèi)燃機(jī)中的典型零件，關(guān)系著內(nèi)燃機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，而點(diǎn)蝕是凸輪軸最常見的磨損形式，所以本文以點(diǎn)蝕失效的45鋼凸輪軸為例，采用冷焊技術(shù)作為再制造工藝對(duì)其進(jìn)行了修復(fù)，并通過對(duì)修復(fù)區(qū)域殘余應(yīng)力場(chǎng)以及表面強(qiáng)度的測(cè)試分析，研究修復(fù)區(qū)域殘余應(yīng)力與硬度的分布規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

本文研究對(duì)象為45鋼凸輪軸，凸輪軸的磨損情況包括軸頸磨損和工作表面的磨損，以最常見的工作表面點(diǎn)蝕磨損為例進(jìn)行研究，待修復(fù)表面如圖1(a)所示。凸輪軸的表面熱處理工藝為滲碳淬硬，硬化層深度為1.1～1.5 mm，合格品表面硬度應(yīng)達(dá)到56～62 HRC。為了達(dá)到凸輪工作表面的硬度要求，選用的焊絲為SKD-11，焊絲直徑1.2 mm，化學(xué)成分見表1。該焊絲含碳量較高，淬透性、淬硬性較好，同時(shí)具有良好的高溫強(qiáng)度、高溫耐疲勞性能以及高耐磨性能。實(shí)驗(yàn)中選用HRWA-3250冷焊設(shè)備修復(fù)磨損凸輪，采用精密脈沖點(diǎn)焊模式，實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示，對(duì)破損區(qū)域修復(fù)時(shí)采用多點(diǎn)補(bǔ)焊的方式，電極尖端瞬時(shí)放熱產(chǎn)生高能熱，將填充焊絲熔覆到基體以及先補(bǔ)焊焊點(diǎn)表面。在多點(diǎn)補(bǔ)焊過程中，補(bǔ)焊點(diǎn)之間有足夠的相對(duì)停止時(shí)間，熱量會(huì)通過基體擴(kuò)散到界外，從而大為減小修復(fù)區(qū)域的熱量積累，減小裂紋產(chǎn)生傾向。冷焊電流的大小決定著焊點(diǎn)質(zhì)量的好壞，電流越大焊點(diǎn)越大，根據(jù)先前的實(shí)驗(yàn)研究，為保證良好的焊點(diǎn)質(zhì)量，選擇電流為130 A，脈沖時(shí)間為130 ms。為了保證焊點(diǎn)區(qū)域不被氧化，工作過程中采用純度為99.99%的氬氣作為保護(hù)氣體。

圖1 凸輪軸待修復(fù)與冷焊修復(fù)表面Fig.1 Camshaft surface to be repaired and the surface repaired using cold welding

表1 SKD-11化學(xué)成分

圖2 實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.2 Schematic of the repairing experiment

經(jīng)冷焊修復(fù)后的凸輪軸如圖1(b)所示。經(jīng)機(jī)械打磨去除余高，觀察補(bǔ)焊點(diǎn)位置未見明顯缺陷，熔覆材料與基體結(jié)合良好。

將打磨后的凸輪軸修復(fù)區(qū)域通過Proto-Ixrd Combo X 射線殘余應(yīng)力測(cè)試儀進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，選用靶材為Cr靶，具體測(cè)試條件如表2所示。殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)的布置如圖3所示，各點(diǎn)之間間隔2 mm，得到焊點(diǎn)周圍的殘余應(yīng)力分布情況。利用402MVD維氏硬度計(jì)對(duì)凸輪軸修復(fù)區(qū)域進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，選擇載荷大小為500 g，壓痕持續(xù)時(shí)間10 s，每點(diǎn)測(cè)量5次取平均值，經(jīng)查表后得到洛氏硬度。進(jìn)一步，使用線切割沿補(bǔ)焊點(diǎn)截面切開，沿補(bǔ)焊點(diǎn)中心自上而下每隔0.5 mm測(cè)量其截面顯微硬度。對(duì)所取試樣截面用砂紙打磨、拋光，用4%硝酸酒精腐蝕液腐蝕后在Axio Imager 2金相顯微鏡下觀察截面顯微組織。利用Rtec MFT-50摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)材料進(jìn)行往復(fù)式干摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，選用的對(duì)磨球材料為GCr15，設(shè)置載荷為50 N，往復(fù)頻率為3 Hz，摩擦?xí)r間30 min，實(shí)驗(yàn)完成后利用電子天平測(cè)量磨損后的質(zhì)量損失，利用白光干涉儀測(cè)定磨痕中間截面的寬度與深度。

表2 表面殘余應(yīng)力測(cè)試條件

圖3 表面殘余應(yīng)力與硬度檢測(cè)位置Fig.3 Positions for determining surface residual stress and hardness

2 結(jié)果與討論

2.1 組織分析

圖4展示了補(bǔ)焊點(diǎn)處的顯微組織，補(bǔ)焊點(diǎn)與基體熔合良好，未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷。修復(fù)過程中電極尖端放電將熔覆材料熔化至液態(tài)，并過渡到待修復(fù)基體上。由于SKD-11中碳、鉻元素含量較高，所以在高溫下形成奧氏體+碳化物的萊氏體組織，碳化物彌散分布于基體之上，增加材料的耐磨性能。補(bǔ)焊點(diǎn)與附近基體存在很大的溫度梯度，凝固過程中碳原子在奧氏體中的溶解度下降并失去活動(dòng)能力而不發(fā)生擴(kuò)散，一部分溶解在奧氏體中的碳析出，另一部分溶解在奧氏體中的碳在γ-Fe向α-Fe轉(zhuǎn)變過程中保留下來，造成α-Fe中的碳遠(yuǎn)超其正常的溶解度，形成馬氏體組織(M)。修復(fù)后補(bǔ)焊點(diǎn)溫度保持在室溫，過高的碳含量也能夠提高奧氏體的穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致基體中含有殘余奧氏體(RA)。

圖4 修復(fù)區(qū)域顯微組織Fig.4 Microstructure of the repaired area

2.2 表面殘余應(yīng)力分析

殘余應(yīng)力顯著影響零件的服役性能，補(bǔ)焊點(diǎn)表面殘余應(yīng)力三維曲面圖如圖5所示，由圖中可以看出，凸輪軸表面測(cè)得的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，在補(bǔ)焊點(diǎn)中心位置的殘余應(yīng)力為-205.42 MPa，在所有測(cè)試點(diǎn)中展現(xiàn)了最小的殘余應(yīng)力。圖6展示了在補(bǔ)焊點(diǎn)橫向以及縱向的殘余應(yīng)力，隨著距補(bǔ)焊點(diǎn)中心位置的增加，表面殘余應(yīng)力有增加趨勢(shì)，在距離補(bǔ)焊點(diǎn)中心4～6 mm處，受凸輪軸表面強(qiáng)化的影響，其殘余應(yīng)力最高可達(dá)到-526 MPa。

圖5 殘余應(yīng)力三維曲面圖Fig.5 Three-dimensional surface plot of residual stress

圖6 殘余應(yīng)力值Fig.6 Residual stress values

冷焊過程中每個(gè)脈沖放電時(shí)間為130 ms，間隔時(shí)間為870 ms，會(huì)在小范圍產(chǎn)生較大的溫度梯度，溫度場(chǎng)的不均勻性以及相變應(yīng)力導(dǎo)致殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。在點(diǎn)蝕坑修復(fù)過程中，補(bǔ)焊材料受熱膨脹會(huì)受到周圍基體材料限制產(chǎn)生壓應(yīng)力，在冷卻收縮過程中又受到周圍基體材料約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，隨著溫度的不斷降低，拉應(yīng)力最終保留下來。同時(shí)，補(bǔ)焊點(diǎn)包含有大量的馬氏體組織，馬氏體形成時(shí)晶格切變，其體積發(fā)生膨脹，容易產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力。然而，受表面強(qiáng)化作用的影響，整個(gè)工件處于壓應(yīng)力狀態(tài)，補(bǔ)焊點(diǎn)在冷卻凝固過程中產(chǎn)生拉應(yīng)力，抵消了一部分壓應(yīng)力，所以焊點(diǎn)位置殘余應(yīng)力最小。

2.3 硬度分析

補(bǔ)焊點(diǎn)及周圍區(qū)域表面洛氏硬度三維曲面圖如圖7所示，在補(bǔ)焊點(diǎn)中心位置測(cè)得表面硬度值為58.1 HRC，在所有測(cè)量點(diǎn)中展現(xiàn)了最小的硬度。圖8展示了修復(fù)區(qū)域軸向以及徑向表面硬度，在距補(bǔ)焊點(diǎn)中心2 mm左右的熔合線附近，硬度有所增加，平均為60.5 HRC左右，在4～6 mm處受表面強(qiáng)化作用的影響，其平均硬度達(dá)到了61.7 HRC，均滿足凸輪軸表面硬度的要求(58～62 HRC)。進(jìn)一步測(cè)試了補(bǔ)焊點(diǎn)截面硬度，如圖9所示，在補(bǔ)焊點(diǎn)處硬度明顯高于基體，補(bǔ)焊點(diǎn)處的組織為馬氏體+殘余奧氏體+碳化物，馬氏體的存在以及碳化物在基體組織中的彌散分布增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，有助于提高補(bǔ)焊點(diǎn)的硬度。隨著距表面距離的增加，表面強(qiáng)化作用減弱，硬度逐漸趨于平穩(wěn)。

圖7 表面硬度三維曲面圖Fig.7 Three-dimensional surface plot of surface hardness

圖8 補(bǔ)焊點(diǎn)表面硬度Fig.8 Hardness values

圖9 補(bǔ)焊點(diǎn)截面硬度Fig.9 Section hardness values of the area repaired via cold welding

2.4 干摩擦磨損分析

測(cè)量可知不同試樣磨損后的質(zhì)量損失，凸輪軸內(nèi)部基體、修復(fù)區(qū)域以及凸輪軸滲碳層的平均磨損量分別為0.64、0.29、0.27 mg。結(jié)果表明凸輪軸滲碳層的磨損量最小，而內(nèi)部基體磨損量最大，修復(fù)區(qū)域的磨損量僅次于凸輪軸滲碳層。進(jìn)一步利用白光干涉儀測(cè)定磨痕中間截面的深度以及寬度，如圖10所示，修復(fù)區(qū)域的最大磨痕深度為0.052 mm，其最大磨痕寬度為1.42 mm，磨痕深度與寬度明顯小于凸輪軸內(nèi)部基體。而凸輪軸滲碳層最大的磨痕深度為0.058 mm，但磨痕寬度與平均磨痕深度均略小于修復(fù)區(qū)域，說明凸輪軸滲碳層的耐磨性能略優(yōu)于修復(fù)區(qū)域，這主要取決于各區(qū)域材料的硬度，其材料的硬度越高，耐磨性能越好。

圖10 干摩擦條件下的磨痕深度Fig.10 Depth of crack under dry-friction condition

3 結(jié)論

通過冷焊技術(shù)修復(fù)凸輪軸表面點(diǎn)蝕坑，研究了修復(fù)區(qū)域殘余應(yīng)力以及硬度分布規(guī)律，并得出以下結(jié)論：

(1)使用冷焊技術(shù)修復(fù)凸輪軸工作表面，基體與補(bǔ)焊材料熔合良好，基體組織以馬氏體為主，同時(shí)保留有部分殘余奧氏體，碳化物彌散分布于基體組織之上。

(2)經(jīng)冷焊修復(fù)后的凸輪軸表面整體呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，焊點(diǎn)中心位置的應(yīng)力最小。隨著距離中心位置的增加，殘余應(yīng)力增加。

(3)補(bǔ)焊點(diǎn)中心硬度為58.1 HRC，距補(bǔ)焊點(diǎn)中心距離增加，凸輪軸表面硬度增加，其硬度均滿足凸輪軸表面硬度要求，在截面處，修復(fù)區(qū)域呈現(xiàn)最高的硬度。

(4)修復(fù)區(qū)域平均磨損量為0.29 mg，最大的磨痕深度與最大磨痕寬度為分別為0.052 mm、1.42 mm，其耐磨性能優(yōu)于凸輪軸內(nèi)部基體，略低于凸輪軸滲碳層。

后續(xù)工作中，可以嘗試通過激光沖擊強(qiáng)化、噴丸等方式對(duì)補(bǔ)焊點(diǎn)處進(jìn)行局部強(qiáng)化處理，改善修復(fù)區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)以及提高硬度，以更好地滿足使用要求，提高凸輪軸使用壽命。