大型鑄鍛件修復(fù)焊粉的研制

徐雅芬，何佳洪，余果，黃林

（1.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109；2.四川大學(xué)化工學(xué)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(yán)重，節(jié)能降耗已經(jīng)成為世界的發(fā)展趨勢(shì)。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?cè)阼T造工藝改進(jìn)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(yīng)市場(chǎng)新形勢(shì)要求降低能耗，最快捷有效的途徑就是對(duì)缺陷進(jìn)行合理科學(xué)的修復(fù)。為此，人們也對(duì)處理鑄造缺陷的一些方法進(jìn)行研究，如電焊、鑄工膠水、冷焊機(jī)、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(diǎn)存在硬度過(guò)高，易產(chǎn)生裂紋、夾雜和氣孔等缺陷。傳統(tǒng)鑄件缺陷修復(fù)方法都不能滿足鑄件的硬度、結(jié)合強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、耐磨耐腐的綜合要求，尤其是硬度和結(jié)合強(qiáng)度的要求。所以鑄件缺陷修補(bǔ)新技術(shù)已成為鑄造行業(yè)內(nèi)有一定影響的專業(yè)性技術(shù)會(huì)議研討課題之一。目前，國(guó)內(nèi)上千家鑄造企業(yè)根據(jù)自身產(chǎn)品的技術(shù)要求，有針對(duì)性的選擇科學(xué)修補(bǔ)技術(shù)及工藝，對(duì)鑄件進(jìn)行修復(fù)來(lái)解決鑄件缺陷問(wèn)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

近年來(lái)，中國(guó)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(zhǎng)最快，由原來(lái)的占國(guó)內(nèi)鑄件總產(chǎn)量的5%左右提高了10%以上［1］，鑄件結(jié)構(gòu)也由技術(shù)要求低的簡(jiǎn)單件發(fā)展到要求較高的復(fù)雜形狀件。但在生產(chǎn)高效、低耗、環(huán)境保護(hù)方面與日、美、法等鑄造強(qiáng)國(guó)相比，還有相當(dāng)大的差距。根據(jù)國(guó)內(nèi)鑄造行業(yè)統(tǒng)計(jì)普通鑄鐵件的廢品率約為20%左右，復(fù)雜件、高檔件達(dá)到30%～35%。所以中國(guó)鑄造工業(yè)想從大做到強(qiáng)，就必須走優(yōu)質(zhì)、低耗、環(huán)境保護(hù)的可持續(xù)發(fā)展道路。

雖然中國(guó)的鑄造工業(yè)已進(jìn)入到廠家多、門(mén)類齊全、產(chǎn)量大的世界鑄造大國(guó)行列，但是在科學(xué)的設(shè)計(jì)與制作鑄造模具、澆注成型工藝與美、日、德、法鑄造強(qiáng)國(guó)相比，還有相當(dāng)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(xué)的生產(chǎn)工藝，都將導(dǎo)致廢品的產(chǎn)生和廢品率的提高。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)鑄造廠越來(lái)越重視鑄件缺陷修補(bǔ)，目前主要采取電火花焊補(bǔ)、填補(bǔ)、電焊焊補(bǔ)和膠接等機(jī)械的修補(bǔ)方法。但這些機(jī)械的修補(bǔ)方法都存在一些問(wèn)題，比如采用填補(bǔ)和膠接等方法修補(bǔ)的鑄件，其結(jié)合強(qiáng)度、硬度都極低，還易脫落，不能進(jìn)行加工處理；又如電火花焊補(bǔ)等修補(bǔ)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(guò)高，內(nèi)應(yīng)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(jié)合強(qiáng)度，硬度相當(dāng)?shù)男迯?fù)層是鑄件修復(fù)的難題。本文將熱噴焊技術(shù)應(yīng)用于鑄件修復(fù)，研制適用于該焊接技術(shù)的鑄件修復(fù)材料，并通過(guò)控制焊接溫度和焊接時(shí)間，從而得到與鑄件硬度相當(dāng)、有良好結(jié)合強(qiáng)度的鑄件修復(fù)整套方法。

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

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 修復(fù)合金焊粉原材料

本文所用修復(fù)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(diǎn)高低分別熔煉于中頻爐中［3］，同時(shí)添加少量的熔煉凈化劑，在氦氣體保護(hù)和真空狀態(tài)下熔化，當(dāng)達(dá)到完全金屬液體之后，在1000℃～1300℃保溫30min～60min，拔開(kāi)柱塞桿，對(duì)合金熔液通過(guò)特制超音速拉瓦爾噴嘴系統(tǒng)進(jìn)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(shù)方案

1.3.1 修復(fù)合金成分研究

經(jīng)過(guò)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(fù)合金的熔點(diǎn)。同時(shí)，利用硼、硅等元素在高溫下與氧親和力強(qiáng)的特點(diǎn)，可在一定溫度下與鑄件及修復(fù)材料的氧化物反應(yīng)，脫去鑄件表面及焊層中的氧，在修復(fù)層表面形成氧化渣保護(hù)修復(fù)層使其不再氧化，進(jìn)而得到結(jié)合強(qiáng)度高的合格修復(fù)鑄件。在合金中添加銅、鈷等元素將進(jìn)一步降低合金熔點(diǎn)和提高修復(fù)合金的焊接性能，這是本文的創(chuàng)新點(diǎn)。鈷與修復(fù)焊粉中其它金屬碳化物晶粒結(jié)合在一起，不但提高了修復(fù)焊粉韌性，同時(shí)減少修復(fù)焊粉對(duì)沖擊的敏感性，這種修復(fù)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(guò)對(duì)修復(fù)合金各元素成分的合理搭配，便可獲得即有適當(dāng)?shù)挠捕群透呓Y(jié)合強(qiáng)度的修復(fù)層，在焊接時(shí)鑄件本體也不會(huì)出現(xiàn)白口化現(xiàn)象。

1.3.2 修復(fù)合金粉末制備技術(shù)

設(shè)計(jì)好組分的修復(fù)合金必須經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)娜蹮捄椭苽涑煞勰┖蟛拍苡脕?lái)焊接。本文原料采用純金屬與中間合金相結(jié)合，在中頻爐里熔煉，同時(shí)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(guó)際領(lǐng)先的超音速拉瓦爾噴嘴系統(tǒng)對(duì)合金熔液進(jìn)行霧化，制備出高質(zhì)量的修復(fù)合金粉末。根據(jù)流體力學(xué)原理，氣體在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，單位時(shí)間內(nèi)氣體經(jīng)過(guò)噴嘴的每一個(gè)截面的氣體質(zhì)量均相等。因此在通常情況下，低流速、高壓強(qiáng)截面的噴嘴應(yīng)當(dāng)具有大面積，而高流速、低壓強(qiáng)截面的噴嘴應(yīng)有小面積。所以氣體由噴嘴進(jìn)口處進(jìn)入后，噴嘴開(kāi)始段由大到小逐漸收縮，而氣流速度逐漸增大，當(dāng)沿氣流流動(dòng)方向截面收縮到最小處時(shí)，流速達(dá)到臨界速度即音速，此時(shí)壓力近似為噴嘴進(jìn)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(kuò)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(jiàn)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(fù)技術(shù)

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

低硬度噴焊技術(shù)特點(diǎn)：①焊接溫度低。有效減少鑄件白口化現(xiàn)象的發(fā)生；②結(jié)合強(qiáng)度高。在熔融過(guò)程中修復(fù)合金能自行造渣、脫氧，能“潤(rùn)濕”修復(fù)基材表面并與其冶金結(jié)合；③修復(fù)焊層低硬度。修復(fù)層與鑄鍛件基體硬度相當(dāng)，降低加工難度。

修復(fù)合金粉末通過(guò)專用焊槍加溫到熔融狀態(tài)對(duì)鑄鐵件陷部位進(jìn)行焊接，并通過(guò)在過(guò)程中控制熔融的溫度和時(shí)間，減少鑄件白口化現(xiàn)象的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了帶缺陷鑄件高結(jié)合強(qiáng)度低硬度的成功修復(fù)。

2 研究結(jié)果

2.1 修復(fù)層的技術(shù)指標(biāo):

（1）修復(fù)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(zhì)元素含量小于0.5%、Ni余量。

（2）合金硬度:150～200HB。

（3）結(jié)合強(qiáng)度:大于250N/mm2。

2.2 技術(shù)創(chuàng)新

（1）通過(guò)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(jié)合強(qiáng)度，突破了行業(yè)在低硬度修復(fù)方面的瓶頸。

（2）采用的拉瓦爾噴嘴超音速霧化技術(shù)霧化效率高，制備的合金粉末粒度細(xì)、球形度高，易于焊接，對(duì)鑄件影響小。該技術(shù)目前處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

（3）通過(guò)對(duì)修復(fù)合金的成分調(diào)整，降低了修復(fù)合金的熔點(diǎn)，并采用先進(jìn)的超音速霧化技術(shù)制備成粉末，在鑄件修復(fù)時(shí)實(shí)現(xiàn)小功率加溫焊接，避免了大型加熱爐等設(shè)備的使用，對(duì)鑄件的本體影響小，實(shí)現(xiàn)修復(fù)材料的安全、環(huán)保、清潔。

3 結(jié)論

本文對(duì)大型鑄鍛件修補(bǔ)的關(guān)鍵技術(shù)的研究，合金粉末質(zhì)量性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，完全適應(yīng)了修復(fù)材料國(guó)產(chǎn)化的要求，并能完全實(shí)現(xiàn)技術(shù)自主，不受制于人，提高修復(fù)材料的國(guó)產(chǎn)化水平。本文產(chǎn)品熔點(diǎn)低，修復(fù)技術(shù)安全，且具有優(yōu)良的鑄鍛件缺陷修復(fù)性能，獲得的修復(fù)層與鑄鍛件基體硬度相當(dāng)、結(jié)合強(qiáng)度較高，可實(shí)現(xiàn)再次機(jī)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(jìn)而減少因缺陷的出現(xiàn)而導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，降低了綜合成本。

修復(fù)焊粉的廣泛應(yīng)用將大力推動(dòng)國(guó)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(jìn)機(jī)械加工制造產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整。