高鉻鑄件缺陷等離子粉末補(bǔ)焊修復(fù)措施

許鵬 董兵天

摘 要： 高鉻鑄件主要是由高鉻白口抗磨鑄鐵，是一種性能良好的抗磨材料。高鉻鑄件的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于合金鋼的耐磨性，且韌性和強(qiáng)度等級(jí)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了普通的白口鑄鐵。高鉻鑄件還具備較強(qiáng)的抗高溫性能和抗腐蝕性能，生產(chǎn)方式簡(jiǎn)單、成本較低，已經(jīng)成為主要的抗磨損材料之一。然而，高鉻鑄件在生產(chǎn)和使用過程中難免會(huì)出現(xiàn)缺陷，為了能夠及時(shí)修復(fù)缺陷，研究高鉻鑄件的性能與特征，深入探索了等離子粉末補(bǔ)焊修復(fù)技術(shù)在高鉻鑄件缺陷修復(fù)中的應(yīng)用，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域提供更多的理論參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 高鉻鑄件 缺陷修復(fù) 等離子粉末 補(bǔ)焊技術(shù)

中圖分類號(hào)： TG174.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1679-3567（2023）11-0046-03

基金項(xiàng)目：2022年度甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新基金項(xiàng)目“高鉻鑄件缺陷等離子粉末補(bǔ)焊技術(shù)修復(fù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2022B-526）。

1 等離子粉末補(bǔ)焊工藝與優(yōu)勢(shì)

1.1 等離子粉末補(bǔ)焊工藝

等離子粉末補(bǔ)焊是一種表面處理工藝，可以用于提高材料的耐磨性、耐腐蝕性，增強(qiáng)高溫性能、延長(zhǎng)壽命，節(jié)約寶貴材料、降低產(chǎn)品成本。具體來說，等離子粉末補(bǔ)焊以等離子弧為熱源，將合金粉末迅速加熱到熔點(diǎn)，同時(shí)熔化、混合、擴(kuò)散、凝固、離子束離開后合格冷卻，形成一層性能的合金層，實(shí)現(xiàn)零件表面的強(qiáng)化和硬化的表面處理工藝。等離子弧具有很好的電弧溫度、熱導(dǎo)率和穩(wěn)定性，因此可以調(diào)節(jié)熔體深度，等離子體粉末表面處理后，氣體材料和表面材料之間形成融合界面，結(jié)合強(qiáng)度高。表面層組織致密，耐腐蝕，耐磨性好[1-2]。

該工藝在應(yīng)用過程中，先將待補(bǔ)焊的工件放置在等離子弧的下方，然后將合金粉末通過送粉器送入等離子弧中。合金粉末在弧柱中被預(yù)先加熱，呈熔化或半熔化狀態(tài)，然后噴射到工件熔池里。在此過程中，等離子弧的壓縮性可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同堆焊需求。如今，等離子粉末補(bǔ)焊工藝已經(jīng)在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。例如：等離子粉末補(bǔ)焊工藝可以用于修復(fù)磨損的軸、齒輪等重型設(shè)備零件，提高其使用性能和壽命。還可以用于制造表面強(qiáng)化件、耐磨件等新零件。

1.2 等離子粉末補(bǔ)焊工藝的優(yōu)勢(shì)

等離子粉末補(bǔ)焊是一種先進(jìn)的焊接工藝，相比傳統(tǒng)堆焊工藝，具有高結(jié)合強(qiáng)度、致密的組織、獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)和高性價(jià)比等優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.2.1 高結(jié)合強(qiáng)度

由于等離子粉末補(bǔ)焊是利用等離子弧作為熱源，使合金粉末和基材能夠快速加熱并融合在一起，形成的是融合界面，這樣可以達(dá)到很高的結(jié)合強(qiáng)度，保證堆焊層非常牢固穩(wěn)定，使堆焊層能夠一直發(fā)揮作用，保證工件有穩(wěn)定的表面性能和外觀。

1.2.2 致密的組織

等離子粉末補(bǔ)焊形成的堆焊層組織非常致密，能夠有效提升工件的耐蝕與耐磨性能，這樣工件在使用時(shí)不易受到侵蝕，也不易因?yàn)楸砻婺Σ凛p易受損，因此在長(zhǎng)期保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)狀態(tài)的同時(shí)，也能保持穩(wěn)定的外觀[3]。

1.2.3 獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)

等離子粉末補(bǔ)焊的耐磨板相比傳統(tǒng)方法堆焊的耐磨板，擁有許多獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)。例如：由于工藝特殊，合金粉末性能優(yōu)良，等離子堆焊耐磨復(fù)合鋼板表面無裂紋，在潮濕或者有液體的環(huán)境中，不會(huì)在熔合區(qū)出現(xiàn)腐蝕裂紋及耐磨層脫落現(xiàn)象。

1.2.4 高性價(jià)比

等離子粉末補(bǔ)焊的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是高性價(jià)比。通過等離子粉末補(bǔ)焊技術(shù)，可以在保證高的結(jié)合強(qiáng)度的同時(shí)，有效提升工件的耐蝕與耐磨性能，延長(zhǎng)工件的使用壽命，相比傳統(tǒng)堆焊工藝，其性價(jià)比更高[4]。

2 高鉻鑄件缺陷形成原因與修復(fù)原則

2.1 高鉻鑄件缺陷的形成原因

高鉻鑄件在生產(chǎn)和使用過程中，難免會(huì)出現(xiàn)各種形式的缺陷，如縮孔、氣孔、粘砂、夾砂、裂縫、冷隔等，不同缺陷的形成原因有一定的區(qū)別。

2.1.1 縮孔

縮孔的形成原因主要是金屬液在鑄造過程中收縮，在鑄件內(nèi)部形成的孔洞類缺陷。縮孔會(huì)降低鑄件的有效承載面積，且在縮孔周圍會(huì)引起應(yīng)力集中而降低鑄件的抗沖擊性和抗疲勞性[5]。

2.1.2 氣孔

氣孔的形成原因包括以下幾點(diǎn)。

（1）金屬液中含有的氧化渣等雜質(zhì)，在離心澆鑄時(shí)未能及時(shí)浮出，而是殘留在鑄件內(nèi)部，形成氣孔缺陷。

（2）高鉻鑄鐵含碳量較高，導(dǎo)致其澆鑄過程中易出現(xiàn)碳氧化現(xiàn)象，生成的二氧化碳未能及時(shí)排出，在鑄件內(nèi)部形成氣孔。

（3）鑄造時(shí)未能及時(shí)排出型腔內(nèi)的氣體，導(dǎo)致金屬液在澆入型腔時(shí)卷入氣體，在鑄件內(nèi)生成氣孔。

2.1.3 粘砂

高鉻鑄件表面粘附的砂粒稱為粘砂，粘砂可能由于以下原因而形成。

（1）澆注時(shí)金屬液沖擊砂型表面，將砂粒沖入型腔內(nèi)，使鑄件表面粘附一層砂粒。

（2）澆注后，型腔內(nèi)的氣體未完全排出，金屬液在高溫下與氧氣反應(yīng)生成氧化渣，氧化渣與砂?；旌希街阼T件表面，形成粘砂。

（3）澆注時(shí)金屬液未能將型腔填滿，留有間隙，使鑄件表面粘附一層砂粒。

2.1.4 夾砂

夾砂主要是指高鉻鑄件表面形成的溝槽和疤痕缺陷，夾砂的產(chǎn)生主要與以下因素有關(guān)。

（1）型砂的透氣性差，使型腔內(nèi)的氣體難以排出，導(dǎo)致金屬液無法填滿型腔，形成夾砂。

（2）型腔的最高處未設(shè)置出氣冒口或出氣冒口位置不當(dāng)，導(dǎo)致型腔內(nèi)的氣體無法順利排出，形成夾砂。

（3）澆注時(shí)金屬液壓力過大，將型砂沖離型腔，使鑄件表面形成夾砂。

2.1.5 冷隔

冷隔是高鉻鑄件中未熔合的縫隙缺陷。產(chǎn)生冷隔的原因可能有以下幾點(diǎn)。

（1）澆口設(shè)計(jì)不合理或澆口過早凝固，使?jié)沧⑦^程中金屬液無法連續(xù)地流入型腔，導(dǎo)致鑄件中產(chǎn)生冷隔缺陷。

（2）澆注溫度過低或澆注速度過快，金屬液在澆口處過早凝固，使后續(xù)金屬液無法流入型腔，形成冷隔缺陷。

（3）鑄造過程中出現(xiàn)故障或操作不當(dāng)，如中斷澆注、澆注系統(tǒng)堵塞等，導(dǎo)致金屬液無法連續(xù)地流入型腔，形成冷隔缺陷[6]。

2.2 高鉻鑄件缺陷的修復(fù)原則

高鉻鑄件缺陷等離子粉末補(bǔ)焊修復(fù)的主要原則包括以下幾個(gè)方面。

2.2.1 修復(fù)前準(zhǔn)備

在進(jìn)行修復(fù)前，需要了解高鉻鑄件材料的性質(zhì)、化學(xué)成分、機(jī)械性能等，并了解缺陷的類型、位置、大小等。根據(jù)這些信息，制訂出合適的修復(fù)方案和操作規(guī)程。

2.2.2 修復(fù)材料選擇

選擇與高鉻鑄件相匹配的合金粉末作為修復(fù)材料，以保證修復(fù)后的鑄件具有相同的耐磨性和耐腐蝕性。同時(shí)，還需要選擇合適的保護(hù)氣體，以避免氣孔、夾渣等缺陷的產(chǎn)生。

2.2.3 修復(fù)過程控制

在修復(fù)過程中，需要保持穩(wěn)定的電流和弧長(zhǎng)，并控制好加熱速度和補(bǔ)焊時(shí)間，以保證補(bǔ)焊的質(zhì)量和效果。同時(shí)，需要注意焊道的外形尺寸、表面光滑度等，避免出現(xiàn)凸起、凹陷等問題。

2.2.4 修復(fù)后檢測(cè)

在修復(fù)完成后，技術(shù)人員應(yīng)對(duì)鑄件進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，包括外觀檢查、無損探傷等，以確保修復(fù)質(zhì)量和尺寸精度符合要求。同時(shí)，需要對(duì)鑄件的性能進(jìn)行檢測(cè)，如硬度、耐磨性等，以確保其符合使用要求。

在這個(gè)過程中也要做好安全防護(hù)工作，技術(shù)人員應(yīng)注意安全防護(hù)措施，如佩戴防護(hù)眼鏡、防護(hù)手套等，以避免燙傷、弧光輻射等安全事故的發(fā)生[7]。

2.2.5 其他因素

除上述原則外，在選擇高鉻鑄件修復(fù)方法時(shí)，需要考慮到鑄件的使用場(chǎng)合、磨損程度、修復(fù)預(yù)算等因素。一般來說，對(duì)于重要部位或關(guān)鍵部件的高鉻鑄件，采用激光熔覆、等離子噴涂等高效率、高質(zhì)量的修復(fù)方法更為合適；對(duì)于一般場(chǎng)合或非關(guān)鍵部件的高鉻鑄件，可以采用焊接、耐磨涂層等常規(guī)修復(fù)方法進(jìn)行修復(fù)。無論采用何種修復(fù)方法，都應(yīng)保證鑄件的使用性能和安全性不受影響。

3 等離子粉末補(bǔ)焊修復(fù)高鉻鑄件缺陷的實(shí)現(xiàn)路徑

3.1 提前做好準(zhǔn)備工作

等離子粉末補(bǔ)焊修復(fù)高鉻鑄件缺陷時(shí)的準(zhǔn)備工作包括以下幾個(gè)方面。

（1）清理基體。為了保證補(bǔ)焊的質(zhì)量和效果，需要將高鉻鑄鐵基體表面的雜質(zhì)、氧化皮等清理干凈，露出金屬光澤。

（2）確定補(bǔ)焊位置。根據(jù)鑄件缺陷的位置和程度，確定需要補(bǔ)焊的區(qū)域和厚度。

（3）根據(jù)高鉻鑄鐵的化學(xué)成分和機(jī)械性能要求，選擇相匹配的合金粉末，常用的合金粉末有鎳基合金、鈷基合金、鐵基合金等。

（4）需要準(zhǔn)備的工具和材料包括等離子粉末焊機(jī)、合金粉末、保護(hù)氣體、焊嘴等。

（5）所有的準(zhǔn)備工作完成之后，還要檢查設(shè)備。在使用等離子粉末焊機(jī)前，需要檢查設(shè)備的完好性和安全性，確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。進(jìn)行等離子粉末補(bǔ)焊修復(fù)前，需要了解高鉻鑄鐵的化學(xué)成分、機(jī)械性能、應(yīng)用場(chǎng)景等因素，并根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的合金粉末、補(bǔ)焊工藝、保護(hù)氣體等，以確保補(bǔ)焊的質(zhì)量和效果。同時(shí)，在操作過程中應(yīng)注意安全，防止出現(xiàn)燙傷、弧光輻射等安全事故。

3.2 補(bǔ)焊實(shí)施過程

等離子粉末補(bǔ)焊是一種先進(jìn)的表面工程技術(shù)，其基本原理是利用等離子弧作為熱源，將合金粉末或焊絲熔化，并采用等離子流或熔化的母材將熔化的金屬推送至工件表面，形成與母材冶金結(jié)合的熔敷層。等離子粉末補(bǔ)焊具有高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能和環(huán)保等特點(diǎn)，在航空航天、石油化工、汽車制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

等離子粉末補(bǔ)焊工藝修復(fù)高鉻鑄件的過程中，首先在確定好的補(bǔ)焊位置上，預(yù)先將合金粉末放置在缺陷處，并高出缺陷部分一定高度。

其次，在準(zhǔn)備好合金粉末和設(shè)備之后，開始引弧。先使等離子弧對(duì)合金粉末進(jìn)行預(yù)熱，將其加熱至熔化狀態(tài)。

再次，待合金粉末完全熔化后，將等離子弧移動(dòng)到鑄件缺陷處進(jìn)行補(bǔ)焊。補(bǔ)焊過程中需要保持穩(wěn)定的電流和弧長(zhǎng)，并控制好加熱速度和補(bǔ)焊時(shí)間，以保證補(bǔ)焊的質(zhì)量和效果。

最后，待補(bǔ)焊完成后，關(guān)閉等離子粉末焊機(jī)，并將鑄件冷卻至室溫。對(duì)于鑄件表面余高的部分進(jìn)行打磨或切割，使其與鑄件基體完全平齊，防止在鑄件使用過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時(shí)對(duì)鑄件進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，確保補(bǔ)焊質(zhì)量和尺寸精度符合要求。需要注意的是，在等離子粉末補(bǔ)焊過程中，由于加熱速度快、高溫停留時(shí)間短，需要選擇合適的合金粉末、電壓、電流等參數(shù)，以保證補(bǔ)焊的質(zhì)量和效果。同時(shí)，操作過程中還需注意保護(hù)氣體和焊接設(shè)備的選擇和使用，防止出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷。

4 結(jié)語

總而言之，等離子粉末補(bǔ)焊是一種先進(jìn)的表面工程技術(shù)，在修復(fù)高鉻鑄件缺陷方面具有高效、快速的特點(diǎn)，可以在短時(shí)間內(nèi)完成大面積的修復(fù)工作，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性。該技術(shù)也能實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄件表面缺陷的精確修復(fù)，修復(fù)后的鑄件表面平整、光滑，機(jī)械性能和耐腐蝕性能得到有效提升。另外，等離子粉末補(bǔ)焊過程中，采用保護(hù)氣體對(duì)鑄件進(jìn)行保護(hù)，可以避免氧化、腐蝕等現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)操作過程中需要注意安全防護(hù)措施，避免燙傷、弧光輻射等安全事故的發(fā)生。總之，等離子粉末補(bǔ)焊作為一種先進(jìn)的表面工程技術(shù)，在修復(fù)高鉻鑄件缺陷方面具有高效、高質(zhì)量、適應(yīng)性強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保和安全性高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。在實(shí)際操作中需要注意細(xì)節(jié)和技巧，以保證鑄件的質(zhì)量和使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]任森，葉祥熙，蔣力，等.316H不銹鋼表面等離子粉末堆焊Tribaloy？T400涂層的性能研究[J].有色金屬材料與工程，2021，42（1）：31-38.

[2]馬球.閥門堆焊之“星”工藝：等離子粉末堆焊[J].表面工程與再制造，2015，15（4）：73-74.

[3]蘇晶.高鉻鑄鐵的鑄造缺陷的焊補(bǔ)工藝[Z].天津：天津重鋼機(jī)械裝備股份有限公司，2014-08-13.

[4]周權(quán).等離子噴粉堆焊工藝研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2010.

[5]王向明，趙四勇，李林，等.高鉻鑄鐵表面缺陷焊補(bǔ)技術(shù)[J].現(xiàn)代鑄鐵，2007（5）：54-56.

[6]劉強(qiáng).鑄件縮孔/縮松缺陷預(yù)測(cè)及缺陷分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].成都：四川大學(xué)，2002.

[7] B.N.Badyanov，周宇.將等離子粉末工藝應(yīng)用于焊接和表面處理[J].國外機(jī)車車輛工藝，2001（6）：12-14.