1、鑄件修復技術（火焰噴焊）選用CYN3006自熔性合金粉末為噴焊材料,采用氧乙炔焰”一步法”噴焊方法,針對HT200 鑄鐵表面缺陷,通過噴焊修復試驗,研究了噴焊工藝對涂層質量的影響,通過掃描電鏡、金相顯微鏡等分析儀器,對涂層組織結構及結合機理進行了分析研究。結果表明,采用合理的噴焊工藝,可明顯的提高涂層的結合強度,改善涂層組織的性能,可實現涂層與鑄件基體具有良好的微冶金結合機理。鑄件缺陷是在鑄造成形過程中產生的,一般呈殘缺不圓滿或不連續的表面或內部缺陷。由于這些缺陷往往會造成產品的報廢,從而大大地增加了生產成本,所以常常通過修復的方法來減少廢品率,降低生產費用。隨著科學技術的高速發展,對于鑄造缺

2、陷的修復范圍也在不斷拓寬,從而進一步降低了鑄造產品的廢品率。制造廠家通常根據這些零部件的使用條件來確定能否進行修復,對于材質不合格或主要部位存在缺陷的鑄件,一般定為不可修復類;對于鑄件的非加工面或加工面上外露的氣孔、夾渣、縮孔、縮松、砂眼、加工超差等缺陷均定為可修復類。目前修復鑄件缺陷的方法較多,通常采用電弧冷焊、熱焊、氣焊、釬焊等方法,眾所周知,鑄鐵的焊接性差,容易產生白口化和焊接裂紋,給鑄件的焊修帶來一定的難度,所以有時也采用塞補、填補和膠接等機械的修補方法1-2 。隨著科學技術的進步,有力的推動了高新技術的迅速發展,熱噴涂就是新崛起的一種表面改性技術,近年來人們通過對噴涂材料、噴涂設備、

3、噴涂工藝的不斷研究開發,熱噴涂技術在很多行業中得到了普遍的認可,在鑄件表面缺陷修復方面,目前噴涂技術的應用雖然沒有普及,但在某些方面同樣取得了良好的效果 。1試驗條件1.1 試驗材料試驗母材選用常用的HT200 灰口鑄鐵,試件尺寸見圖1 。涂層材料根據產品的使用要求、加工性能、生產成本等條件,選用川冶合金粉CYN3006、CYN3007自熔性合金粉為噴焊材料(鐵基焊粉價格約為鎳基焊粉價格的63 %) ,涂層材料的線脹系數為14 ×10 - 6 1 6 ×1 0 - 6 / ,成分及性能見表1 。表1 涂層材料成分及性能化學成分（%）牌號CNiCrBSiFe熔點T/顆粒硬度H

4、RCCYN30060.15余量0.81。21.02.0510001100-200目170210Ni20E0.15余量0.81。21.01.52.459801050-160目1802401.2 噴焊方法考慮到鑄件缺陷具有形態多樣性、位置不確定性,本試驗采用氧乙炔焰“一步法”噴焊工藝,噴焊槍選用QH - 2/ h 型。1. 3 測試儀器用OLMYPUS PMG - 3 光學顯微鏡,對母材及涂層的組織結構、涂層與基材界面、熱影響區的組織進行分析。用XL30/ PMP 電子探針顯微分析儀,對涂層與基材結合區的形貌特征、化學成分進行同位分析。2 噴焊工藝對涂層質量的影響“一步法”噴焊工藝主要包括工件表面

5、預處理,噴焊,后處理等工序。2. 1 工件表面預處理對涂層質量的影響工件表面預處理主要包括噴焊部位臟物清理和表面粗化。鑄件表面的臟物主要是鐵銹、氧化皮、夾渣、夾砂等,經過機械加工的鑄件表面還可能存在油污。在銹蝕面上直接噴焊,經手工鏟檢,噴焊層沿結合面脫落。經斷面宏觀檢查,發現在噴焊層與基體的界面上有氧化皮存在,并出現斷續的鏈狀夾渣。對機械加工后未經去油處理直接進行噴焊后,發現液態涂層金屬在固態工件表面上呈球狀,鋪展性差。試驗證明工件表面的清潔程度直接影響潤濕性,從而影響了涂層的結合強度。對工件噴焊部位表面粗化程度做了相應的試驗,其結果是粗化表面粗糙的工件潤濕性比表面光潔的要好,經分析認為,由于

6、粗糙表面上有縱橫交錯的溝槽和凸凹不平的坑穴,起著特殊毛細管作用,有利于熔化合金沿工件表面流布,改善了潤濕性和加強了微冶金結合,同時也增大了涂層與基材的結合面積,使結合強度大大地提高。本文采用砂輪打磨后通過噴砂粗化處理,然后進行噴焊的工藝,試驗證明,涂層與基材結合界面的質量比較理想,見圖2 。2.2 噴焊工藝對涂層質量的影響噴焊工藝包括工件的預熱、噴涂保護層粉、噴焊及保溫緩冷等工序。2. 2. 1 工件預熱對涂層質量的影響在噴焊之前對工件進行預熱,主要是使基體與噴焊層的溫差減少,降低它們之間由于溫差引起的內應力。另外可減緩冷卻速度,防止冷卻時因收縮發生涂層崩落或產生裂紋。提高預熱溫度有利于涂層的

7、重熔,能顯著地改善涂層的潤濕性。但是預熱溫度過高會造成基體金屬的氧化,阻礙涂層與基體的結合,故預熱溫度不宜過高。預熱溫度過低,則很容易產生噴焊層脫落、卷邊等現象。一定的預熱溫度既可防止高溫粉末顆粒撞擊到工件表面時的劇冷、又可以減少噴焊層與基體間的收縮應力差,防止焊層脫落,又不會因預熱溫度過高而使工件表面氧化嚴重,破壞工件表面的活化效果。應引起重視的是基材在預熱操作過程中,焊槍火焰不能離開預熱表面,否則基材表面迅速氧化,影響噴焊質量。預熱溫度要根據工件的材質、大小、形狀和涂層粉末的類型來確定。試驗認為,鑄鐵件預熱時采用碳化焰,預熱溫度控制在200300 之間噴涂預保護粉為宜。2. 2. 2 預保

8、護噴粉工藝對涂層質量的影響為了防止零件表面在預熱后和噴焊過程中被氧化,在工件達到預熱溫度之后,應立即在待噴表面先均勻地噴涂一層厚度約為0.10.15mm左右的涂層,將噴焊部位保護起來。預保護粉覆蓋要完整,噴嘴距離工件表面約80100mm為宜。試驗發現,預保護噴粉時,待熔表面噴覆不完整,在噴焊過程中,出現熔融狀態的合金層從邊緣卷縮起來,在表面張力的作用下與基材脫離,裸露出的基體表面產生嚴重的氧化,對此必須將氧化層清除干凈才能繼續噴焊。預保護噴粉時一般采用還原焰為宜。2. 2. 3 噴熔溫度對涂層質量的影響在噴完預保護層粉后,對工件繼續預熱,預熱溫度達到800 后再進行涂層的噴焊工作。本文采用“一

9、步法”噴焊工藝,噴粉和重熔是同時交替進行的,即邊噴涂邊重熔。粉末的熔點一般均低于基材,重熔時要靠操作者觀察噴涂層表面狀態及顏色的變化來控制和調節加熱溫度,在基材不熔化的狀態下保證完成重熔過程。試驗中發現,加熱溫度對熔化涂層在工件表面的潤濕效果有明顯影響,重熔溫度升高,熔化涂層的表面張力降低,使液態涂層容易鋪展,提高了涂層的潤濕性。當噴涂層在火焰的加熱下逐漸變亮,并出現“鏡面反光”時,即表明噴涂層已經熔融,此時熔渣上浮,應將火焰立即移到其它部位。重熔溫度過高,導致涂層造成流淌,使得噴熔層成形差,出現波浪狀、不光滑,影響表面平整程度,潤濕性也明顯變差,會產生卷邊現象。重熔溫度過低時,會產生“夾生”

10、現象,熔渣不易浮出表面,噴熔層不能與基材實現良好的微冶金結合,涂層容易脫落,結合強度低。在噴焊過程中,雖然基體不熔化,但熱影響區同樣有淬硬傾向,造成基體硬化,易產生裂紋和影響加工性。以鑄鐵在加熱和冷卻過程中組織轉變行為為依據,采取一定的工藝措施來防止或盡可能減少基體組織的轉變。眾所周知,鑄鐵在加熱時的組織轉變是石墨溶解和碳原子擴散的結果,在溫度、固溶度和擴散推動力一定的條件下,原子的擴散距離主要受時間的影響。如果對鑄鐵的加熱速度足夠快、加溫時間足夠短,很顯然可以抑制原子的擴散距離,即抑制了鑄鐵加熱過程中的組織轉變2。隨著升溫速度的增加,組織轉變溫度上移。由高溫下恒溫時間對組織轉變體積率的影響,

11、可以看到即隨恒溫時間的縮短,奧氏體組織體積率明顯下降。根據以上理論分析結果,操作時采用越快越好的原則。試驗結果表明,將750900的升溫時間和噴粉充填時間盡量縮短,控制在48s之內,可以改善機械加工性。本試驗是采用中性焰,將噴焊槍的火焰集中在工件表面的一個局部區域進行加熱,當該區域的溫度達到使工件表面的預保護層粉末開始潤濕時,打開送粉開關,將粉末均勻地噴在這個局部區域上,噴到一定厚度時,用同一火焰將這個局部區域的涂層熔融,直到出現“鏡面反光”現象后,均勻而緩慢地將噴熔槍移到下一個局部區域,操作中盡可能縮短高溫停留時間,對于噴焊量較大的缺陷一次充填不完,可以將火焰移開,待溫度降至600以下時,再

12、對補焊處重新加熱,繼續實施補焊,可以防止或減少組織的變化。噴熔時要將工件的溫度控制在800左右為宜,火焰宜為中性焰或微碳化焰,這樣可以防止涂層及基體的氧化而影響噴焊質量。2. 2. 4 噴熔操作因數對涂層質量的影響試驗發現,噴焊時噴槍移動速度對質量有很大影響。若噴槍移動速度太快,由于熱輸入小,溫度低,粉末來不及熔化或不完全熔化,會產生“夾生”現象,流動性變壞,液態合金的潤濕性下降,影響密著性和表面成形,同時涂層中B、Si 的氧化物不宜上浮,產生的夾渣在噴焊層中產生應力源,易使噴焊層崩落,因此必須保證涂層熔化后再移動火焰。若噴焊時運槍速度太慢,噴焊層與基體輸入的熱輸入大,受熱時間長,加熱溫度高造

13、成涂層流淌。因此噴焊時必須控制好噴槍移動速度,試驗認為,噴焊速度以80mm/min為宜。在噴焊操作的不同環節,要求噴槍與工件表面有不同的距離。噴槍與工件表面的距離涉及到涂層的加熱溫度和直接影響涂層的質量。試驗發現,噴熔時噴槍與工件距離過大,加熱緩慢,使噴焊層疏松、多孔,噴焊質量差。噴槍與工件距離小,溫度高,加熱快,熔化迅速,但距離過小,氣體對熔融金屬吹力大,造成涂層翻泡,成形差且易產生氣孔。合適的噴焊距離,保證粉末到達工件表面時具有一定的噴射速度與溫度。粉末重熔時噴嘴與工件的距離適當減少,可保證粉末有一定的重熔溫度,不會因距離過大而使噴焊層疏松、多孔、質量下降,也不會因距離過小而使噴焊層氧化,

14、以至減弱與基體的結合強度。噴槍與工件表面的距離因噴槍的型號大小不同而有差異,試驗認為,采用本試驗所用的噴槍,預熱時槍距為3040mm、噴熔時為2030mm ,重熔時為1020mm比較合適。也可以采用噴粉的同時進行重熔,粉末不斷地噴入熔池,熔池隨噴槍的移動而移動,冷卻后形成噴焊層。采用CYN3006合金粉末噴焊時,因其熔點較高,噴槍與工件距離可適當減小,對加熱更為有利。噴嘴與工件距離不可過大,否則噴焊時對熔池的保護作用變差,造成涂層和基體界面產生氧化,影響噴焊質量。噴焊操作時可采用橫向用槍、螺旋用槍或噴槍輕微擺動,使涂層加速熔化,這種攪拌作用促進熔渣的上浮,避免涂層的夾渣及火焰對熔融金屬的沖擊過

15、大而影響噴熔質量。試驗發現,噴槍與基體表面夾角75°85°較為合適。當夾角小于75°時,火焰指向前方,在熔池外生成熔滴,噴焊時粉末易潛藏在熔滴背后,形成所謂遮蓋效應,角度越小,遮蓋效應越明顯,會形成夾生粉現象。當夾角大于90°時火焰指向噴焊層,在氣流吹力作用下造成翻毛式大波紋,成形變壞。因此控制噴槍與基體表面夾角,對獲得良好噴焊層質量也是非常重要的因素。2. 2. 5 保溫緩冷對涂層質量的影響 試驗發現,對大平面上深寬比較小的缺陷焊補后空冷,易出裂紋,尤其是灰鐵基體。必要時可采用保溫緩冷或等溫退火處理,使鑄件均勻緩冷。3 涂層組織結構分析3. 1 涂層的

16、金相組織分析涂層的金相組織見圖3 ,涂層組織均為單相奧氏體組織,噴焊過程中,在加熱或冷卻過程中不發生組織轉變,在迅速的升降溫時,可使基體保持原有的設計性能,為實現快速噴焊提供了焊材本身的性能保障。圖3a為CYN3006合金粉涂層,圖3b為Ni20E合金粉涂層。從圖中可以看出, CYN3006合金粉涂層中夾雜物極少,而Ni20E合金粉涂層中有較多的夾雜物存在。從上述結果分析認為,由于Ni20E合金粉粉末的潤濕性差,流動性不好,在噴熔過程中冶金反應不良,所以很容易造成夾雜等缺陷。對涂層的表層進行了組織觀察,發現表層的晶粒要比涂層內部的晶粒度小的多,見圖3c,而且晶粒的大小是從內向外逐漸變小的趨勢。

17、經分析認為,這種現象主要是由于表層冷卻速度快而形成的。3. 2 結合區組織結構分析3. 2. 1 金相組織分析圖4a、圖4b分別為CYZ3006合金粉、Ni20E合金粉涂層與基體結合部位的金相照片。為了觀察結合處的組織結構,照片選取的部位均為涂層含夾雜物較多的,認為結合最薄弱的地方。通過觀察發現,涂層與母材結合處組織致密,結合良好,并有微冶金結合及擴散的特征,對整個試件的結合界面進行了觀察,未發現有明顯的夾雜或其它不良缺陷。而且在涂層與基材的交界面上均已形成一種界面合金層。3. 2. 2 顯微組織分析圖5為結合區的掃描電鏡照片,從照片中可以看出,在涂層與基材之間,存在著一層明顯的界面合金層。從

18、前面所述的文中可知,涂層組織均為單相奧氏體,母材熱影響區組織由片狀石墨、珠光體和鐵素體組成,母材組織為珠光體和少量鐵素體,而界面合金層組織為雙相奧氏體加少量的片狀石墨。對此又在該部位進行了電子探針化學成分分析,見圖6和表2。通過涂層材料化學成分(表1)、界面合金層化學成分(表2)和HT200鑄鐵化學成分的比較,充分說明了涂層與基材之間產生了新的合金層。經分析認為,界面合金層是通過噴焊層和部分基材的熔化、混合、攪拌與微冶金反應以及合金成分之間的相互擴散而形成的,是界面上涂層合金液膜與基材相互作用的結果。結合界面是通過涂層和基材的相互擴散,以及在噴焊過程中,使粗糙的基材表面的尖峰金屬熔化而形成微冶金結合的機理。重熔時熔化的自熔性合金與工件表面之間的相互作用有兩種:一種是工件金屬向熔融合金溶解;另一種是熔融合金的原子向工件原子擴散。自熔性合金熔點比基材的熔點低。當涂層合金熔化時,基材金屬仍處于固態。由于合金中硼、硅元素的還原作用,使基材表面金屬氧化物脫氧,并形成低熔點的硼硅酸鹽類熔渣,浮出液態金屬表面,形成保護膜,使熔化的合金緊密地與被清潔了的固態基材金屬表面接觸。基材