铸件修复技术（火焰喷焊）

选用CYN3006、F103 自熔性合金粉末为喷焊材料,采用氧乙炔焰”一步法”喷焊方法,针对HT200 铸铁表面缺陷,通过喷焊修复试验,研究了喷焊工艺对涂层质量的影响,通过扫描电镜、金相显微镜等分析仪器,对涂层组织结构及结合机理进行了分析研究。结果表明,采用合理的喷焊工艺,可明显的提高涂层的结合强度,改善涂层组织的性能,可实现涂层与铸件基体具有良好的微冶金结合机理。

铸件缺陷是在铸造成形过程中产生的,一般呈残缺不圆满或不连续的表面或内部缺陷。由于这些缺陷往往会造成产品的报废,从而大大地增加了生产成本,所以常常通过修复的方法来减少废品率,降低生产费用。随着科学技术的高速发展,对于铸造缺陷的修复范围也在不断拓宽,从而进一步降低了铸造产品的废品率。制造厂家通常根据这些零部件的使用条件来确定能否进行修复,对于材质不合格或主要部位存在缺陷的铸件,一般定为不可修复类;对于铸件的非加工面或加工面上外露的气孔、夹渣、缩孔、缩松、砂眼、加工超差等缺陷均定为可修复类。目前修复铸件缺陷的方法较多,通常采用电弧冷焊、热焊、气焊、钎焊等方法,众所周知,铸铁的焊接性差,容易产生白口化和焊接裂纹,给铸件的焊修带来一定的难度,所以有时也采用塞补、填补和胶接等机械的修补方法[1-2] 。
随着科学技术的进步,有力的推动了高新技术的迅速发展,热喷涂就是新崛起的一种表面改性技术,近年来人们通过对喷涂材料、喷涂设备、喷涂工艺的不断研究开发,热喷涂技术在很多行业中得到了普遍的认可,在铸件表面缺陷修复方面,目前喷涂技术的应用虽然没有普及,但在某些方面同样取得了良好的效果[3] 。

1　试验条件

1.1 　试验材料

试验母材选用常用的HT200 灰口铸铁,试件尺寸见图1 。涂层材料根据产品的使用要求、加工性能、生产成本等条件,选用川冶合金粉CYN3006、CYN3007自熔性合金粉为喷焊材料(铁基焊粉价格约为镍基焊粉价格的63 %) ,涂层材料的线胀系数为14 ×10 - 6 ～1 6 ×1 0 - 6 / ℃,成分及性能见表1 。

表1 涂层材料成分及性能

1.2 　喷焊方法

考虑到铸件缺陷具有形态多样性、位置不确定性,本试验采用氧乙炔焰“一步法”喷焊工艺,喷焊枪选用QH - 2/ h 型。

1. 3 　测试仪器

用OLMYPUS PMG - 3 光学显微镜,对母材及涂层的组织结构、涂层与基材界面、热影响区的组织进行分析。用XL30/ PMP 电子探针显微分析仪,对涂层与基材结合区的形貌特征、化学成分进行同位分析。

2 喷焊工艺对涂层质量的影响

“一步法”喷焊工艺主要包括工件表面预处理,喷焊,后处理等工序。

2. 1 　工件表面预处理对涂层质量的影响

工件表面预处理主要包括喷焊部位脏物清理和表面粗化。铸件表面的脏物主要是铁锈、氧化皮、夹渣、夹砂等,经过机械加工的铸件表面还可能存在油污。在锈蚀面上直接喷焊,经手工铲检,喷焊层沿结合面脱落。经断面宏观检查,发现在喷焊层与基体的界面上有氧化皮存在,并出现断续的链状夹渣。对机械加工后未经去油处理直接进行喷焊后,发现液态涂层金属在固态工件表面上呈球状,铺展性差。试验证明工件表面的清洁程度直接影响润湿性,从而影响了涂层的结合强度。

对工件喷焊部位表面粗化程度做了相应的试验,其结果是粗化表面粗糙的工件润湿性比表面光洁的要好,经分析认为,由于粗糙表面上有纵横交错的沟槽和凸凹不平的坑穴,起着特殊毛细管作用,有利于熔化合金沿工件表面流布,改善了润湿性和加强了微冶金结合,同时也增大了涂层与基材的结合面积,使结合强度大大地提高。本文采用砂轮打磨后通过喷砂粗化处理,然后进行喷焊的工艺,试验证明,涂层与基材结合界面的质量比较理想,见图2 。

2.2 　喷焊工艺对涂层质量的影响

喷焊工艺包括工件的预热、喷涂保护层粉、喷焊及保温缓冷等工序。

2. 2. 1 　工件预热对涂层质量的影响

在喷焊之前对工件进行预热,主要是使基体与喷焊层的温差减少,降低它们之间由于温差引起的内应力。另外可减缓冷却速度,防止冷却时因收缩发生涂层崩落或产生裂纹。提高预热温度有利于涂层的重熔,能显著地改善涂层的润湿性。但是预热温度过高会造成基体金属的氧化,阻碍涂层与基体的结合,故预热温度不宜过高。预热温度过低,则很容易产生喷焊层脱落、卷边等现象。一定的预热温度既可防止高温粉末颗粒撞击到工件表面时的剧冷、又可以减少喷焊层与基体间的收缩应力差,防止焊层脱落,又不会因预热温度过高而使工件表面氧化严重,破坏工件表面的活化效果。应引起重视的是基材在预热操作过程中,焊枪火焰不能离开预热表面,否则基材表面迅速氧化,影响喷焊质量。预热温度要根据工件的材质、大小、形状和涂层粉末的类型来确定。试验认为,铸铁件预热时采用碳化焰,预热温度控制在200～300 ℃之间喷涂预保护粉为宜。

2. 2. 2 　预保护喷粉工艺对涂层质量的影响

为了防止零件表面在预热后和喷焊过程中被氧化,在工件达到预热温度之后,应立即在待喷表面先均匀地喷涂一层厚度约为0.1～0.15mm左右的涂层,将喷焊部位保护起来。预保护粉覆盖要完整,喷嘴距离工件表面约80～100mm为宜。试验发现,预保护喷粉时,待熔表面喷覆不完整,在喷焊过程中,出现熔融状态的合金层从边缘卷缩起来,在表面张力的作用下与基材脱离,裸露出的基体表面产生严重的氧化,对此必须将氧化层清除干净才能继续喷焊。预保护喷粉时一般采用还原焰为宜。

2. 2. 3 　喷熔温度对涂层质量的影响

在喷完预保护层粉后,对工件继续预热,预热温度达到800 ℃后再进行涂层的喷焊工作。本文采用“一步法”喷焊工艺,喷粉和重熔是同时交替进行的,即边喷涂边重熔。粉末的熔点一般均低于基材,重熔时要靠操作者观察喷涂层表面状态及颜色的变化来控制和调节加热温度,在基材不熔化的状态下保证完成重熔过程。试验中发现,加热温度对熔化涂层在工件表面的润湿效果有明显影响,重熔温度升高,熔化涂层的表面张力降低,使液态涂层容易铺展,提高了涂层的润湿性。当喷涂层在火焰的加热下逐渐变亮,并出现“镜面反光”时,即表明喷涂层已经熔融,此时熔渣上浮,应将火焰立即移到其它部位。重熔温度过高,导致涂层造成流淌,使得喷熔层成形差,出现波浪状、不光滑,影响表面平整程度,润湿性也明显变差,会产生卷边现象。重熔温度过低时,会产生“夹生”现象,熔渣不易浮出表面,喷熔层不能与基材实现良好的微冶金结合,涂层容易脱落,结合强度低。

在喷焊过程中,虽然基体不熔化,但热影响区同样有淬硬倾向,造成基体硬化,易产生裂纹和影响加工性。以铸铁在加热和冷却过程中组织转变行为为依据,采取一定的工艺措施来防止或尽可能减少基体组织的转变。众所周知,铸铁在加热时的组织转变是石墨溶解和碳原子扩散的结果,在温度、固溶度和扩散推动力一定的条件下,原子的扩散距离主要受时间的影响。如果对铸铁的加热速度足够快、加温时间足够短,很显然可以抑制原子的扩散距离,即抑制了铸铁加热过程中的组织转变[2]。随着升温速度的增加,组织转变温度上移。由高温下恒温时间对组织转变体积率的影响,可以看到即随恒温时间的缩短,奥氏体组织体积率明显下降。根据以上理论分析结果,操作时采用越快越好的原则。试验结果表明,将750～900℃的升温时间和喷粉充填时间尽量缩短,控制在4～8s之内,可以改善机械加工性。

本试验是采用中性焰,将喷焊枪的火焰集中在工件表面的一个局部区域进行加热,当该区域的温度达到使工件表面的预保护层粉末开始润湿时,打开送粉开关,将粉末均匀地喷在这个局部区域上,喷到一定厚度时,用同一火焰将这个局部区域的涂层熔融,直到出现“镜面反光”现象后,均匀而缓慢地将喷熔枪移到下一个局部区域,操作中尽可能缩短高温停留时间,对于喷焊量较大的缺陷一次充填不完,可以将火焰移开,待温度降至600℃以下时,再对补焊处重新加热,继续实施补焊,可以防止或减少组织的变化。喷熔时要将工件的温度控制在800℃左右为宜,火焰宜为中性焰或微碳化焰,这样可以防止涂层及基体的氧化而影响喷焊质量。

2. 2. 4 　喷熔操作因数对涂层质量的影响

试验发现,喷焊时喷枪移动速度对质量有很大影响。若喷枪移动速度太快,由于热输入小,温度低,粉末来不及熔化或不完全熔化,会产生“夹生”现象,流动性变坏,液态合金的润湿性下降,影响密着性和表面成形,同时涂层中B、Si 的氧化物不宜上浮,产生的夹渣在喷焊层中产生应力源,易使喷焊层崩落,因此必须保证涂层熔化后再移动火焰。若喷焊时运枪速度太慢,喷焊层与基体输入的热输入大,受热时间长,加热温度高造成涂层流淌。因此喷焊时必须控制好喷枪移动速度,试验认为,喷焊速度以80mm/min为宜。

在喷焊操作的不同环节,要求喷枪与工件表面有不同的距离。喷枪与工件表面的距离涉及到涂层的加热温度和直接影响涂层的质量。试验发现,喷熔时喷枪与工件距离过大,加热缓慢,使喷焊层疏松、多孔,喷焊质量差。喷枪与工件距离小,温度高,加热快,熔化迅速,但距离过小,气体对熔融金属吹力大,造成涂层翻泡,成形差且易产生气孔。合适的喷焊距离,保证粉末到达工件表面时具有一定的喷射速度与温度。粉末重熔时喷嘴与工件的距离适当减少,可保证粉末有一定的重熔温度,不会因距离过大而使喷焊层疏松、多孔、质量下降,也不会因距离过小而使喷焊层氧化,以至减弱与基体的结合强度。喷枪与工件表面的距离因喷枪的型号大小不同而有差异,试验认为,采用本试验所用的喷枪,预热时枪距为30～40mm、喷熔时为20～30mm ,重熔时为10～20mm比较合适。也可以采用喷粉的同时进行重熔,粉末不断地喷入熔池,熔池随喷枪的移动而移动,冷却后形成喷焊层。

采用CYN3006合金粉末喷焊时,因其熔点较高,喷枪与工件距离可适当减小,对加热更为有利。喷嘴与工件距离不可过大,否则喷焊时对熔池的保护作用变差,造成涂层和基体界面产生氧化,影响喷焊质量。喷焊操作时可采用横向用枪、螺旋用枪或喷枪轻微摆动,使涂层加速熔化,这种搅拌作用促进熔渣的上浮,避免涂层的夹渣及火焰对熔融金属的冲击过大而影响喷熔质量。试验发现,喷枪与基体表面夹角75°～85°较为合适。当夹角小于75°时,火焰指向前方,在熔池外生成熔滴,喷焊时粉末易潜藏在熔滴背后,形成所谓遮盖效应,角度越小,遮盖效应越明显,会形成夹生粉现象。当夹角大于90°时火焰指向喷焊层,在气流吹力作用下造成翻毛式大波纹,成形变坏。因此控制喷枪与基体表面夹角,对获得良好喷焊层质量也是非常重要的因素。2. 2. 5 保温缓冷对涂层质量的影响

试验发现,对大平面上深宽比较小的缺陷焊补后空冷,易出裂纹,尤其是灰铁基体。必要时可采用保温缓冷或等温退火处理,使铸件均匀缓冷。

3 涂层组织结构分析

3. 1 涂层的金相组织分析

涂层的金相组织见图3 ,涂层组织均为单相奥氏体组织,喷焊过程中,在加热或冷却过程中不发生组织转变,在迅速的升降温时,可使基体保持原有的设计性能,为实现快速喷焊提供了焊材本身的性能保障。图3a为CYN3006合金粉涂层,图3b为Ni20E合金粉涂层。从图中可以看出, CYN3006合金粉涂层中夹杂物极少,而Ni20E合金粉涂层中有较多的夹杂物存在。从上述结果分析认为,由于Ni20E合金粉粉末的润湿性差,流动性不好,在喷熔过程中冶金反应不良,所以很容易造成夹杂等缺陷。对涂层的表层进行了组织观察,发现表层的晶粒要比涂层内部的晶粒度小的多,见图3c,而且晶粒的大小是从内向外逐渐变小的趋势。经分析认为,这种现象主要是由于表层冷却速度快而形成的。

3. 2 结合区组织结构分析

3. 2. 1 金相组织分析

图4a、图4b分别为CYZ3006合金粉、Ni20E合金粉涂层与基体结合部位的金相照片。为了观察结合处的组织结构,照片选取的部位均为涂层含夹杂物较多的,认为结合最薄弱的地方。通过观察发现,涂层与母材结合处组织致密,结合良好,并有微冶金结合及扩散的特征,对整个试件的结合界面进行了观察,未发现有明显的夹杂或其它不良缺陷。而且在涂层与基材的交界面上均已形成一种界面合金层。

3. 2. 2 显微组织分析

图5为结合区的扫描电镜照片,从照片中可以看出,在涂层与基材之间,存在着一层明显的界面合金层。从前面所述的文中可知,涂层组织均为单相奥氏体,母材热影响区组织由片状石墨、珠光体和铁素体组成,母材组织为珠光体和少量铁素体,而界面合金层组织为双相奥氏体加少量的片状石墨。对此又在该部位进行了电子探针化学成分分析,见图6和表2。通过涂层材料化学成分(表1)、界面合金层化学成分(表2)和HT200铸铁化学成分的比较,充分说明了涂层与基材之间产生了新的合金层。经分析认为,界面合金层是通过喷焊层和部分基材的熔化、混合、搅拌与微冶金反应以及合金成分之间的相互扩散而形成的,是界面上涂层合金液膜与基材相互作用的结果。结合界面是通过涂层和基材的相互扩散,以及在喷焊过程中,使粗糙的基材表面的尖峰金属熔化而形成微冶金结合的机理。重熔时熔化的自熔性合金与工件表面之间的相互作用有两种:一种是工件金属向熔融合金溶解;另一种是熔融合金的原子向工件原子扩散。自熔性合金熔点比基材的熔点低。当涂层合金熔化时,基材金属仍处于固态。由于合金中硼、硅元素的还原作用,使基材表面金属氧化物脱氧,并形成低熔点的硼硅酸盐类熔渣,浮出液态金属表面,形成保护膜,使熔化的合金紧密地与被清洁了的固态基材金属表面接触。基材表面金属向熔融合金溶解以及它们之间相互扩散和渗透,形成了一薄层表面合金过渡层,使喷焊层和基材产生类似钎焊的牢固的微冶金结合。这层合金层的厚度,不仅与基材的材质、基材表面的粗糙度以及喷焊过程的加热温度、喷焊的操作工艺有关,而且与涂层材料的化学成分、物理性能、涂层的高温停留时间等因素有关。采用这两种涂层材料用同一喷焊工艺和参数对HT200基材进行喷焊实验,经测量CYN3006合金粉涂层材料结合处合金层的厚度约为60μm,Ni20E涂层材料结合处合金层的厚度约为120μm。经分析认为,HT200基材与CYN3006合金粉涂层材料的成分和性能相近,容易形成微冶金结合行为,从而弥补了润湿性不良的缺点,所以采用CYN3006合金粉 粉末对HT220基材进行喷焊,能满足涂层结合强度的要求。

CYN3006合金粉涂层

Ni20E合金粉涂层

图6 界面合金层的电子探针化学成分分析图
4 　结　　论

(1) 选用国产镍基CYN3006合金粉或Ni20E自熔性合金粉为喷焊材料,采用氧乙炔焰“一步法”喷焊方法,采取合理的喷焊工艺,对铸件表面缺陷的修复是一种理想的加工技术。具有设备简单、投资少、见效快、操作方便、容易掌握、涂层质量稳定、机械加工性能好、生产成本低、经济效益高等显著特点。

(2) 采用该工艺修复铸件表面缺陷,涂层组织均为奥氏体,综合性能优良;涂层与基体具有微冶金结合的特征,形成一定厚度的界面合金层,从而改善了涂层接头的组织性能,显著地提高了涂层的结合强度。

                    川冶：于工13548062899