高鉻鑄件缺陷等離子粉末補焊修復措施

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遠高于合金鋼的耐磨性，且韌性和強度等級也遠遠超過了普通的白口鑄鐵。高鉻鑄件還具備較強的抗高溫性能和抗腐蝕性能，生產方式簡單、成本較低，已經成為主要的抗磨損材料之一。然而，高鉻鑄件在生產和使用過程中難免會出現缺陷，為了能夠及時修復缺陷，研究高鉻鑄件的性能與特征，深入探索了等離子粉末補焊修復技術在高鉻鑄件缺陷修復中的應用，希望能夠為相關領域提供更多的理論參考依據。

關鍵詞： 高鉻鑄件 缺陷修復 等離子粉末 補焊技術

中圖分類號： TG174.4文獻標識碼： A文章編號： 1679-3567（2023）11-0046-03

基金項目：2022年度甘肅省高等學校創新基金項目“高鉻鑄件缺陷等離子粉末補焊技術修復研究”（項目編號：2022B-526）。

1 等離子粉末補焊工藝與優勢

1.1 等離子粉末補焊工藝

等離子粉末補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，增強高溫性能、延長壽命，節約寶貴材料、降低產品成本。具體來說，等離子粉末補焊以等離子弧為熱源，將合金粉末迅速加熱到熔點，同時熔化、混合、擴散、凝固、離子束離開后合格冷卻，形成一層性能的合金層，實現零件表面的強化和硬化的表面處理工藝。等離子弧具有很好的電弧溫度、熱導率和穩定性，因此可以調節熔體深度，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，結合強度高。表面層組織致密，耐腐蝕，耐磨性好[1-2]。

該工藝在應用過程中，先將待補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先加熱，呈熔化或半熔化狀態，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節，以適應不同堆焊需求。如今，等離子粉末補焊工藝已經在許多領域都有廣泛的應用。例如：等離子粉末補焊工藝可以用于修復磨損的軸、齒輪等重型設備零件，提高其使用性能和壽命。還可以用于制造表面強化件、耐磨件等新零件。

1.2 等離子粉末補焊工藝的優勢

等離子粉末補焊是一種先進的焊接工藝，相比傳統堆焊工藝，具有高結合強度、致密的組織、獨特的性能優勢和高性價比等優勢，具體表現在以下幾個方面。

1.2.1 高結合強度

由于等離子粉末補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，這樣可以達到很高的結合強度，保證堆焊層非常牢固穩定，使堆焊層能夠一直發揮作用，保證工件有穩定的表面性能和外觀。

1.2.2 致密的組織

等離子粉末補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，這樣工件在使用時不易受到侵蝕，也不易因為表面摩擦輕易受損，因此在長期保持穩定結構狀態的同時，也能保持穩定的外觀[3]。

1.2.3 獨特的性能優勢

等離子粉末補焊的耐磨板相比傳統方法堆焊的耐磨板，擁有許多獨特的性能優勢。例如：由于工藝特殊，合金粉末性能優良，等離子堆焊耐磨復合鋼板表面無裂紋，在潮濕或者有液體的環境中，不會在熔合區出現腐蝕裂紋及耐磨層脫落現象。

1.2.4 高性價比

等離子粉末補焊的另一個優勢是高性價比。通過等離子粉末補焊技術，可以在保證高的結合強度的同時，有效提升工件的耐蝕與耐磨性能，延長工件的使用壽命，相比傳統堆焊工藝，其性價比更高[4]。

2 高鉻鑄件缺陷形成原因與修復原則

2.1 高鉻鑄件缺陷的形成原因

高鉻鑄件在生產和使用過程中，難免會出現各種形式的缺陷，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，在鑄件內部形成的孔洞類缺陷。縮孔會降低鑄件的有效承載面積，且在縮孔周圍會引起應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。

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

（2）高鉻鑄鐵含碳量較高，導致其澆鑄過程中易出現碳氧化現象，生成的二氧化碳未能及時排出，在鑄件內部形成氣孔。

（3）鑄造時未能及時排出型腔內的氣體，導致金屬液在澆入型腔時卷入氣體，在鑄件內生成氣孔。

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）澆注時金屬液沖擊砂型表面，將砂粒沖入型腔內，使鑄件表面粘附一層砂粒。

（2）澆注后，型腔內的氣體未完全排出，金屬液在高溫下與氧氣反應生成氧化渣，氧化渣與砂粒混合，附著在鑄件表面，形成粘砂。

（3）澆注時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，夾砂的產生主要與以下因素有關。

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

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

（3）澆注時金屬液壓力過大，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。產生冷隔的原因可能有以下幾點。

（1）澆口設計不合理或澆口過早凝固，使澆注過程中金屬液無法連續地流入型腔，導致鑄件中產生冷隔缺陷。

（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，使后續金屬液無法流入型腔，形成冷隔缺陷。

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

2.2 高鉻鑄件缺陷的修復原則

高鉻鑄件缺陷等離子粉末補焊修復的主要原則包括以下幾個方面。

2.2.1 修復前準備

在進行修復前，需要了解高鉻鑄件材料的性質、化學成分、機械性能等，并了解缺陷的類型、位置、大小等。根據這些信息，制訂出合適的修復方案和操作規程。

2.2.2 修復材料選擇

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

2.2.3 修復過程控制

在修復過程中，需要保持穩定的電流和弧長，并控制好加熱速度和補焊時間，以保證補焊的質量和效果。同時，需要注意焊道的外形尺寸、表面光滑度等，避免出現凸起、凹陷等問題。

2.2.4 修復后檢測

在修復完成后，技術人員應對鑄件進行質量檢測，包括外觀檢查、無損探傷等，以確保修復質量和尺寸精度符合要求。同時，需要對鑄件的性能進行檢測，如硬度、耐磨性等，以確保其符合使用要求。

在這個過程中也要做好安全防護工作，技術人員應注意安全防護措施，如佩戴防護眼鏡、防護手套等，以避免燙傷、弧光輻射等安全事故的發生[7]。

2.2.5 其他因素

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

3 等離子粉末補焊修復高鉻鑄件缺陷的實現路徑

3.1 提前做好準備工作

等離子粉末補焊修復高鉻鑄件缺陷時的準備工作包括以下幾個方面。

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

（2）確定補焊位置。根據鑄件缺陷的位置和程度，確定需要補焊的區域和厚度。

（3）根據高鉻鑄鐵的化學成分和機械性能要求，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）需要準備的工具和材料包括等離子粉末焊機、合金粉末、保護氣體、焊嘴等。

（5）所有的準備工作完成之后，還要檢查設備。在使用等離子粉末焊機前，需要檢查設備的完好性和安全性，確保設備正常運轉。進行等離子粉末補焊修復前，需要了解高鉻鑄鐵的化學成分、機械性能、應用場景等因素，并根據實際情況選擇合適的合金粉末、補焊工藝、保護氣體等，以確保補焊的質量和效果。同時，在操作過程中應注意安全，防止出現燙傷、弧光輻射等安全事故。

3.2 補焊實施過程

等離子粉末補焊是一種先進的表面工程技術，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，形成與母材冶金結合的熔敷層。等離子粉末補焊具有高效、優質、節能和環保等特點，在航空航天、石油化工、汽車制造等領域得到廣泛應用。

等離子粉末補焊工藝修復高鉻鑄件的過程中，首先在確定好的補焊位置上，預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，在準備好合金粉末和設備之后，開始引弧。先使等離子弧對合金粉末進行預熱，將其加熱至熔化狀態。

再次，待合金粉末完全熔化后，將等離子弧移動到鑄件缺陷處進行補焊。補焊過程中需要保持穩定的電流和弧長，并控制好加熱速度和補焊時間，以保證補焊的質量和效果。

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

4 結語

總而言之，等離子粉末補焊是一種先進的表面工程技術，在修復高鉻鑄件缺陷方面具有高效、快速的特點，可以在短時間內完成大面積的修復工作，提高了生產效率和經濟性。該技術也能實現對鑄件表面缺陷的精確修復，修復后的鑄件表面平整、光滑，機械性能和耐腐蝕性能得到有效提升。另外，等離子粉末補焊過程中，采用保護氣體對鑄件進行保護，可以避免氧化、腐蝕等現象的發生，同時操作過程中需要注意安全防護措施，避免燙傷、弧光輻射等安全事故的發生。總之，等離子粉末補焊作為一種先進的表面工程技術，在修復高鉻鑄件缺陷方面具有高效、高質量、適應性強、節能環保和安全性高等優點，得到了廣泛應用。在實際操作中需要注意細節和技巧，以保證鑄件的質量和使用壽命。

參考文獻

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

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