失效銷軸表面修復用Fe-Cr-B-Si系合金粉末

吳 斌，馬 國，黃 松，孟慶禹，張成建，信若飛，盧長煜

（1.徐工集團江蘇徐州工程機械研究院，江蘇徐州221004；2.徐州重型機械有限公司，江蘇徐州221004；3.徐州徐工環境技術有限公司，江蘇徐州221004）

失效銷軸表面修復用Fe-Cr-B-Si系合金粉末

吳 斌1，馬 國1，黃 松1，孟慶禹1，張成建2，信若飛2，盧長煜3

（1.徐工集團江蘇徐州工程機械研究院，江蘇徐州221004；2.徐州重型機械有限公司，江蘇徐州221004；3.徐州徐工環境技術有限公司，江蘇徐州221004）

針對工程機械中常見的銷軸磨損失效形式，采用霧化法研制了兩種Fe-Cr-B-Si系合金粉末。采用等離子弧噴焊方法分別制備堆焊耐磨層，并對兩種合金粉末堆焊耐磨層進行了化學成分、顯微組織、硬度、耐磨性的對比分析。結果表明，兩種合金粉末的堆焊顯微組織均由初生γ+共晶（Fe2B+γ）組成，粉末FB2的堆焊合金中w（B）為粉末FB1的2.5倍，共晶（Fe2B+γ）的含量更高，硬度值更高，耐磨性為粉末FB1的2.56倍。粉末FB2相對于粉末FB1更適合于失效銷軸的表面修復。

等離子弧噴焊；顯微組織；硬度；耐磨性

0 前言

工程機械中，銷軸是工作裝置中最重要的鉸接件。由于工作環境惡劣，銷軸的磨損是必然的[1-3]。當磨損達到一定程度時即報廢，若不及時更換銷軸，將會造成嚴重的后果。更換下來的銷軸因無相應的修復技術，只得進行報廢處理，造成資源、能源的浪費。

等離子噴焊技術是一種現代表面強化技術，具有稀釋率低、工藝穩定性好、易實現自動化、焊層質量穩定的特點，被廣泛應用于各類零件的表面強化及表面修復中[4]。其常用的噴焊金屬材料主要包括

鐵基合金材料、鈷基合金材料和鎳基合金材料。鐵基合金材料耐磨性能優良，經濟性較好，故鐵基合金材料是堆焊材料中應用最廣泛的合金材料。在鐵基合金材料中，Fe-Cr-B-Si系合金材料顯微組織中因含有大量的硼化物，具有較好的耐磨性，故Fe-Cr-B-Si系合金又是鐵基合金材料中應用最多的一類合金材料。

本研究利用等離子噴焊技術解決銷軸表面磨損的失效問題。首先針對銷軸的失效形式進行分析，并研制了兩種修復用Fe-Cr-B-Si系合金粉末，測試和分析Fe-Cr-B-Si系合金粉末的性能，在此基礎上進行了銷軸樣件的噴焊修復。不僅解決了磨損失效銷軸的修復問題，并且節約了大量的資源和能源，帶來一定的經濟效益、社會效益和環境效益。

1 試驗材料與方法

1.1 失效分析

零部件表面的摩擦磨損與其表面顯微組織、磨料的類型、相對的移動和負載以及某些化學或者溫度效應等多種因素有關[5]。為了制備適宜的修復材料，首先需要對銷軸的失效機理進行分析。

銷軸磨損主要經歷磨合、磨料磨損和粘結磨損三個階段，如圖1所示。在磨料磨損階段，由于工作環境惡劣多塵土泥沙，而銷軸銷套結構形式簡單，泥土沙石等磨粒極易進入到銷軸銷孔的接觸區域，劃傷零件表面。受磨粒強度硬度以及銷軸與軸孔接觸面應力狀態的影響，磨粒沖擊產生的磨損會產生特殊的切屑，并在被破壞的金屬表面上形成長扁豆狀凹坑。當磨料磨損進展到一定程度，出現粘結磨損時，銷軸的壽命也意味著結束。因此銷軸失效主要是由磨粒磨損造成的。磨粒磨損又可分為硬磨粒磨損和軟磨粒磨損[5-6]，而銷軸的磨粒磨損則屬于硬磨粒磨損。

圖1 銷軸磨損各階段示意Fig.1Schematic diagram of pin roll abraded different phase

1.2 粉末制備

根據銷軸的失效分析結果，結合實際使用工況環境綜合考慮，采用霧化法進行了兩種Fe-Cr-B-Si系合金粉末的制備，其制備過程如圖2所示。

圖2 等離子噴焊粉末制備Fig.2Prepared plasma spray welding powder

制備的兩種粉末編號分別為FB1和FB2，其區別是粉末FB2配料時硼鐵加入量大約為粉末FB1的3倍，兩種粉末完成制備后經檢驗粒度在53～150 μm，并具有較好的流動性和松裝比重。

1.3 噴焊試驗

由于待修復的銷軸的材質為42CrMo，故試驗用試塊從φ85 mm材質為42CrMo的廢舊銷軸樣件中取樣，試塊尺寸φ85 mm×15 mm，噴焊前去除表面在機械加工過程中產生的油污、鐵銹、氧化皮等污物，并用丙酮清洗以獲得潔凈表面。

噴焊設備為PTA-400E4-ST-4型等離子噴焊設備，在配套轉臺上進行試驗，工藝參數如表1所示，完成噴焊試樣的制備。

1.4 試驗方法

采用ARL-3460型電火花直讀光譜儀測試試樣的堆焊層成分，用于化學成分分析的平面距離熔合線約2 mm。

用線切割的方法在制備的噴焊層上切取規格為10 mm×10 mm×15 mm的金相試樣，金相磨制面為堆焊層表面。經粗磨、細磨、拋光后用FCl3+HCl+酒精溶液浸蝕[7]，腐蝕時間約10～20 s，用高純酒度精清洗、吹干后在DMI1500型倒置式金相顯微鏡下進行觀察。

表1 等離子噴焊工藝參數Tab.1Plasma spray welding parameters

采用THRP-150D型數顯洛氏硬度計測試試樣堆焊層表面硬度，洛氏硬度選用C標尺，測試載荷150 kg，保荷時間5 s。堆焊層硬度測試面距離熔合線約2 mm，每個試樣測定5個硬度值并取平均值。

采用顯微硬度計對組織中的硬質相進行分析，所加載荷為25 g、保荷時間為5 s。

采用MMW-1型銷盤式摩擦磨損試驗機測試噴焊層耐磨性。以堆焊層為試驗銷，淬火熱處理后的42CrMo材料為試驗盤。每種堆焊材料加工至少3個試驗銷，摩擦磨損試驗的基本參數如表2所示。

表2 摩擦磨損試驗基本參數Tab.2Wear test parameter

2 試驗結果與分析

2.1 化學成分

兩種合金粉末噴焊層的化學成分如表3所示。

表3 兩種合金粉末化學成分Tab.3Composition of two alloy powder％

由表3可知，FB1、FB2兩種等離子噴焊層主要由C、Mn、Si、Ni、Cr、B及Fe等元素組成，并且Cr元素含量高，FB1、FB2兩種鐵基粉末噴焊層成分的差別主要是B含量不同，粉末FB2的w（B）比FB1高出約2.5倍，這是因為粉末FB2在制備時加入的硼鐵含量較大所導致。元素含量的差別也導致噴焊層組織與性能的差異。上述元素可以分為兩大類，一類是促進鐵素體形成及穩定元素，如Si、Cr等；另一類是促進奧氏體形成及穩定元素，如C、Mn、Ni等。C能夠提高材料的硬度及強度，并形成碳化物；Cr能夠提高提高材料的耐蝕性，并能形成合金化合物；B在鋼中溶解性很低，最大溶解度只有0.025％，當B含量高時，主要以硼化物的形式存在。

除此之外，兩種粉末中均添加了含量約1％的Si元素，這是為了增加共晶碳化物的形核數目，降低共晶碳化物的尺寸。

2.2 組織

由于噴焊層中含有較多的B元素，因此有必要分析Fe-B合金相圖，如圖3所示[8]。

圖3 Fe-B二元相圖Tab.3Fe-B phase diagram

粉末FB1等離子噴焊層橫截面的金相組織如圖4所示，組織有外延生長的現象，生長方向與熱擴散方向一致，晶粒呈現胞狀形態[9]。由圖3可知，w（B）=0.48％的合金為亞共晶成分，液態金屬首先析出δ相，1 381℃以下轉變為γ，胞狀晶為先共析γ，當晶界處B元素達到3.8％共晶點時，在1 149℃以下形成（γ+Fe2B）共晶組織，溫度繼續下降至910℃，

先析出γ及共晶反應生成的γ轉變為α，由于噴焊層含有較多的奧氏體穩定元素，如C、Mn、Ni等，不會發生γ向α的轉變[10-11]。

圖4 粉末FB1噴焊層Tab.4Phase diagram of powder FB1

圖5為粉末FB2等離子噴焊層橫斷面的金相組織，組織外延生長更加明顯，樹枝晶明顯且含量較多，相比于粉末FB1晶粒細長。w（B）=1.18％時同樣為亞共晶成分，組織轉變同粉末FB1類似，不同的是由于B含量較多，發生共晶反應相對要早，晶界處共晶組織含量比FB1多。

圖5 粉末FB2噴焊層Fig.5Phase diagram of powder FB2

2.3 硬度

由圖6可知，兩種粉末噴焊層的硬度均大于50 HRC，粉末FB1堆焊層的硬度低于粉末FB2堆焊層的硬度。從組織分析中可以看出，兩種材料噴焊層組織都由初生γ+共晶（Fe2B+γ）組成，結合顯微硬度測試，初生γ硬度約300 HV，共晶（Fe2B+γ）硬度約1 100～1 300 HV，由于粉末FB2材料噴焊層共晶組織相對于FB1含量更高，因而其硬度也更高[12-13]。

由于銷軸所用的42CrMo材料都是經淬火后中低溫回火或表面感應淬火處理，硬度為55～59 HRC，因此粉末FB2從硬度指標上來說更適合于42CrMo銷軸的修復。

2.4 耐磨性

噴焊層的磨損失重情況如圖7所示。粉末FB2堆焊層的磨損失重為5.35 mg，粉末FB1的堆焊層磨損失重為13.67 mg。經計算，粉末FB2的單位時間磨損率約0.09％，低于粉末FB1的0.23％，粉末FB2噴焊層的耐磨性是粉末FB1的2.56倍[14]。

3 結論

（1）粉末FB1和粉末FB2堆焊合金顯微組織由初生γ+共晶（Fe2B+γ）組成。其中粉末FB2堆焊合金顯微組織中的共晶（Fe2B+γ）的含量大于粉末FB1。

（2）粉末FB2的堆焊合金的硬度比粉末FB1的堆焊合金硬度略高，這是由于粉末FB2堆焊合金中

共晶（Fe2B+γ）的含量比粉末FB1含量高。

圖6 噴焊層硬度測試結果Fig.6Hardness of spray welding layers

圖7 噴焊層磨損失重情況Fig.7Loss mass of spray welding layers

（3）粉末FB2的堆焊合金層耐磨性更好，是粉末FB1堆焊合金層的2.56倍。

（4）粉末FB2的硬度更高，耐磨性更好，更適合于40Cr和42CrMo材質銷軸的表面磨損修復。

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Research of Fe-Cr-B-Si hardfacing alloys on wearing axles

WU Bin1，MA Guo1，HUANG Song1，MENG Qingyu1，ZHANG Chengjian2，XIN Ruofei2，LUChangyu3
（1.Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institute，Xuzhou 221004，China；2.Xuzhou Heavy Machinery Co.，Xuzhou 221004，China；3.XCMG Environment Technology Co.，Ltd.，Xuzhou 221004，China）

For the common failure modes of axles on construction machinery，the method of automization was used to develop two kinds of Fe-Cr-B-Si alloy powders.A plasma spray welding technology was used to prepare wear-resisting overlays，and chemical structure，microstructure，hardness and wear resistance were evaluated and compared to two spray welding overlays.The results show that the microstructure of two kinds of spray welding layers are consisted of primary γ and eutectic（Fe2B+γ)，the Boron content in FB2 is 2.5 times of that in FB1.While（Fe2B+γ）content is higher，the hardness is higher，and the wear resistance of FB2 is 2.56 times of FB1.FB2 is more suitable in repairing of wearing axles.

plasma spray welding；microstructure；hardness；resistance

TG456.2

A

1001-2303（2016）08-0071-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.17

2016-03-02；

2016-04-18

吳斌（1985—），男，山東泰安人，工程師，碩士，主要從事工程機械焊接工藝技術研究工作。