CN111975205B - 重度磨损截齿修补方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开重度磨损截齿修补方法，针对材料为35CrMnSiA和42CrMo截齿，用堆焊的方法进行尺寸恢复；再在堆焊层表面进行激光熔覆合金耐磨层。采用201Mn作为打底过渡层，200Mo用于“补肉”材料。采用钨极氩弧焊堆焊三层。结果表明堆焊层质量良好，无裂纹产生。耐磨性试验发现在35CrMnSiA和42CrMo堆焊层上分别制得熔覆层的磨损量在每百次往复的平均失重量为0.002g和0.0024g，硬度达到了63HRC左右，微观树枝状硬质组织作为骨架配合柔韧相提高了组织的耐磨性。通过磨损表面的三维形貌可以发现，表面存在轻微的沟壑，并且基本没有剥落和点蚀的存在。
Description
技术领域
本发明涉及截齿再制造材料技术领域。具体地说是重度磨损截齿修补方法。
背景技术
截齿是挖掘设备的关键零部件，属于易损件。截齿工作时主要受周期性压应力、切应力以及冲击载荷的作用。目前国内提高新品截齿耐磨性的方法在新截齿表面堆焊一层耐磨层，再加以适当的热处理，提高截齿的强度、硬度和耐磨性，对于重度磨损截齿，就需要先要把尺寸补齐，再进行激光熔覆。如申请人的在先研究《采用D212焊条堆焊修复不同材质矿用截齿的性能对比研究》【热加工工艺，2016年1月第45卷第1期】，采用D212焊条进行堆焊。然而随着研究的进一步深入，申请人发现D212是典型的马氏体堆焊焊条，马氏体的比容比铁素体和奥氏体的大，因此在随着温度降低，奥氏体分解的同时伴随着体积的膨胀，形成相变组织应力，并且基体的室温组织不是马氏体，再加上因为温度变化不同引起的热应力，因此堆焊层在第一层产生的裂纹最多，并且产生几乎贯穿堆焊层的裂纹，如图1a和图1d，虽然第二、三层组织均为马氏体，在降温过程中没有组织间的差异，但受热应力的影响还是产生了了裂纹，如图1b和图1e，因此采用D212焊条或单一焊条作为尺寸修补材料是行不通的。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种堆焊层质量较好，不存在裂纹的重度磨损截齿修补方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
重度磨损截齿修补方法，包括如下步骤：
(1)针对材料为35CrMnSiA和42CrMo的截齿，选择打底材料和“补肉”材料并用堆焊的方法进行尺寸补齐；
(2)再利用激光熔覆用合金粉末在截齿表面激光熔覆耐磨层。
上述重度磨损截齿修补方法，在步骤(1)中：用钨极氩弧焊机进行堆焊，堆焊层数为三层，第一层为打底层，打底层采用堆焊材料为201Mn；第二层和第三层为“补肉”层，采用的堆焊材料为200Mo。
上述重度磨损截齿修补方法，201Mn堆焊材料中各组分的质量分数为：C含量为0.01-0.03％，Cr含量为11-13％，Mn含量为17-19％，Si含量为0.3-0.7％，Ni含量为0.8-1.5％，余量为Fe。
上述重度磨损截齿修补方法，201Mn堆焊材料中各组分的质量分数为：C含量0.02％，Cr含量为12.2％，Mn含量为17.8％，Si含量为0.5％，Ni含量为1.2％，余量为Fe。
上述重度磨损截齿修补方法，200Mo堆焊材料中各组分的质量分数为：C含量为4.0-5.0％，Cr含量为20-25％，Mn含量为1.0-2.0％，Si含量为0.5-1.0％，Mo含量为1.0-3.0％，V含量为0.5-2.0％，余量为Fe。
上述重度磨损截齿修补方法，200Mo堆焊材料中各组分的质量分数为：C含量为4.5％，Cr含量为22％，Mn含量为1.5％，Si含量为0.8％，Mo含量为2.0％，V含量为1.0％，余量为Fe。
上述重度磨损截齿修补方法，堆焊的电流为140A。
上述重度磨损截齿修补方法，在步骤(2)中，用砂轮机将堆焊后的样品打磨平整，将激光熔覆用合金粉末均匀涂在堆焊层表面，放在阴凉处晾干，然后进行激光熔覆。
上述重度磨损截齿修补方法，所述激光熔覆用合金粉末中各组分质量分数为：铁基合金粉末的质量百分含量为激光熔覆用合金粉末的质量的55％；碳化钨WC的质量百分含量为激光熔覆用合金粉末的质量的40％；镍Ni的质量百分含量为激光熔覆用合金粉末的质量的3％；CeO2的质量百分含量为激光熔覆用合金粉末的质量的2％；
铁基合金粉末中各组分质量分数为：C为5％、Cr为25％、Si为3％、B为1％、Al为1％和Fe为65％。
上述重度磨损截齿修补方法，激光熔覆用合金粉末在涂覆在堆焊层表面时，需要将激光熔覆用合金粉末加入到溶有松香的无水乙醇，松香与无水乙醇的体积比为1:3，在25℃、24h的条件下将激光熔覆粉末涂层晾干；熔覆参数为：功率为2600W，离焦量为0，搭接率为0，扫描速度为10mm/s，光斑大小为0.9mm，并且用Ar气来保护工件，保护气流速度为20L/min。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
对磨损严重的截齿，对磨损严重部位先采用适宜的合金材料进行堆焊来补齐尺寸，之后在堆焊层表面再进行激光熔覆耐磨合金层。采用201Mn作为打底过渡层，200Mo用于“补肉”材料。采用钨极氩弧焊堆焊三层。结果表明堆焊层质量良好，无裂纹产生。在堆焊层上用激光熔覆用合金粉末【铁基粉末为55％，WC为40％，Ni为3％，CeO2为2％】进行激光熔覆制备耐磨熔覆层。耐磨性试验发现在35CrMnSiA和42CrMo堆焊层上分别制得熔覆层的磨损量在每百次往复的平均失重量为0.002g和0.0024g，硬度达到了63HRC左右，微观树枝状硬质组织作为骨架配合柔韧相提高了组织的耐磨性。通过磨损表面的三维形貌可以发现，表面存在轻微的沟壑，并且基本没有剥落和点蚀的存在。
附图说明
图1a材质为35CrMnSiA的样品以D212为焊条堆焊的金相图：堆焊层一；
图1b材质为35CrMnSiA的样品以D212为焊条堆焊的金相图：堆焊层二；
图1c材质为35CrMnSiA的样品以D212为焊条堆焊的金相图：堆焊层三；
图1d材质为42CrMo的样品以D212为焊条堆焊的金相图：堆焊层一；
图1e材质为42CrMo的样品以D212为焊条堆焊的金相图：堆焊层二；
图1f材质为42CrMo的样品以D212为焊条堆焊的金相图：堆焊层三；
图2a材质为35CrMnSiA的样品采用201Mn和200Mo为焊条堆焊的金相图：打底层与基体熔合线；
图2b材质为35CrMnSiA的样品采用201Mn和200Mo为焊条堆焊的金相图：打底层；
图2c材质为35CrMnSiA的样品采用201Mn和200Mo为焊条堆焊的金相图：打底层与堆焊层二熔合线；
图2d材质为35CrMnSiA的样品采用201Mn和200Mo为焊条堆焊的金相图：堆焊层二；
图2e材质为35CrMnSiA的样品采用201Mn和200Mo为焊条堆焊的金相图：堆焊层二与堆焊层三熔合线；
图2f材质为35CrMnSiA的样品采用201Mn和200Mo为焊条堆焊的金相图：堆焊层三；
图2g材质为42CrMo的样品采用201Mn和200Mo为焊条堆焊的金相图：打底层与基体熔合线；
图2h材质为42CrMo的样品采用201Mn和200Mo为焊条堆焊的金相图：打底层；
图2i材质为42CrMo的样品采用201Mn和200Mo为焊条堆焊的金相图：打底层与堆焊层二熔合线；
图2j材质为42CrMo的样品采用201Mn和200Mo为焊条堆焊的金相图：堆焊层二；
图2k材质为42CrMo的样品采用201Mn和200Mo为焊条堆焊的金相图：堆焊层二与堆焊层三熔合线；
图2l材质为42CrMo的样品采用201Mn和200Mo为焊条堆焊的金相图：堆焊层三；
图3a材质为35CrMnSiA的样品堆焊层表面激光熔覆层的SEM形貌；
图3b材质为42CrMo的样品堆焊层表面激光熔覆层的SEM形貌；
图4a材质为35CrMnSiA的样品堆焊层与熔覆层熔合线的金相图；
图4b材质为35CrMnSiA的样品的熔覆层的金相图；
图4c材质为42CrMo的样品堆焊层与熔覆层熔合线的金相图；
图4d材质为42CrMo的样品的熔覆层的金相图；
图5材质为35CrMnSiA和42CrMo的样品的磨损量比较图
图6a材质为35CrMnSiA的样品堆焊层表面激光熔覆层的磨损表面形貌；
图6b材质为35CrMnSiA的样品堆焊层表面激光熔覆层的磨损表面截面图；
图6c材质为42CrMo的样品堆焊层表面激光熔覆层的磨损表面形貌；
图6d材质为42CrMo的样品堆焊层表面激光熔覆层的磨损表面截面图；
图6e材质为35CrMnSiA的样品仅表面激光熔覆层的磨损表面形貌；
图6f材质为35CrMnSiA的样品仅表面激光熔覆层的磨损表面截面图；
图6g材质为42CrMo的样品仅表面激光熔覆层的磨损表面形貌；
图6h材质为42CrMo的样品仅表面激光熔覆层的磨损表面截面图；
图7材质为35CrMnSiA和42CrMo的样品的截面的硬度梯度图；
图8材质为35CrMnSiA样品的元素能谱图；
图9材质为42CrMo样品的元素能谱图。
具体实施方式
对比例：采用D212焊条对磨损严重的截齿进行堆焊尺寸修补
针对磨损严重的截齿首先要把尺寸补齐，再进行激光熔覆，选用马氏体耐磨焊条D212进行堆焊，采用CLEAN-ARC/SS400晶闸管控制直流弧焊机(型号为YD400SS)进行堆焊，堆焊电流为150A，堆焊三层。观察截面的基材、堆焊层和结合区的金相组织，如图1a至图1f所示的D212堆焊样品金相图。
D212焊条是典型的马氏体堆焊焊条，马氏体的比容比铁素体和奥氏体的大，因此在随着温度降低，奥氏体分解的同时伴随着体积的膨胀，形成相变组织应力，并且基体的室温组织不是马氏体，再加上因为温度变化不同引起的热应力，因此堆焊层在第一层产生的裂纹最多，并且产生几乎贯穿堆焊层的裂纹(见图1a,图1d)。虽然第二、三层组织均为马氏体，在降温过程中没有组织间的差异，但受热应力的影响还是产生了了裂纹(见图1b,图1e)。同样的因为堆焊层为三层，组织再次承受高温，再次承受相变组织应力和热应力，也催化了少量的裂纹萌生(见图1c,图1f)。所以D212焊条作为尺寸修补材料是行不通的。
实施例
一、实验方法
考虑到磨损严重的截齿在尺寸上严重缺失，先用堆焊的方法进行尺寸恢复，再在堆焊层表面进行激光熔覆合金耐磨层。试验样品所用钢种为35CrMnSiA和42CrMo截齿。
201Mn作为打底材料，200Mo焊丝作为“补肉”材料，201Mn焊丝和200Mo焊丝的化学成分如表1所示。
表1
| 元素名称 | C | Cr | Mn | Si | Ni | Mo | V | Fe |
| 201Mn | 0.02 | 12.2 | 17.8 | 0.5 | 1.2 | — | — | 余量 |
| 200Mo | 4.5 | 22 | 1.5 | 0.8 | — | 2.0 | 1.0 | 余量 |
用钨极氩弧焊机进行堆焊，电流为140A，堆焊三层，第一层位打底层，打底层用201Mn焊条；第二、三层为“补肉”层，“补肉”材料用200Mo焊丝。用砂轮机将堆焊后的样品打磨平整。
将激光熔覆用合金粉末均匀涂在截齿表面，放在阴凉处晾干，然后进行激光熔覆。
所述激光熔覆用合金粉末中各组分质量分数为：铁基合金粉末的质量百分含量为激光熔覆用合金粉末的质量的55％；碳化钨WC的质量百分含量为激光熔覆用合金粉末的质量的40％；镍Ni的质量百分含量为激光熔覆用合金粉末的质量的3％；CeO2的质量百分含量为激光熔覆用合金粉末的质量的2％。铁基合金粉末中各组分质量分数为：C为5％、Cr为25％、Si为3％、B为1％、Al为1％和Fe为65％。
激光熔覆用合金粉末在涂覆在堆焊层表面时，需要将激光熔覆用合金粉末加入到溶有松香的无水乙醇，然后涂覆在样品表面，松香与无水乙醇的体积比为1:3，在25℃、24h的条件下将激光熔覆粉末涂层晾干。
熔覆参数为：功率为2600W，离焦量为0，搭接率为0，扫描速度为10mm/s，光斑大小为0.9mm，并且用Ar气来保护工件，保护气流速度为20L/min。
二、结果与讨论
1、金相组织观察
经过对D212堆焊层裂纹成因的分析，最后选择以201Mn焊条作为打底材料(堆焊层一)，200Mo焊丝作为“补肉”材料进行堆焊(堆焊层二和堆焊层三)。用4％的硝酸酒精溶液对堆焊后的样品表面进行腐刻，通过OLYMPUS-GX51金相显微镜观察截面的堆焊层和结合区的金相组织。
如图2a-图2l所示：
其中图2a、图2c、图2e为截齿材质为35CrMnSiA上打底堆焊层与基体、打底堆焊层与第二层堆焊层以及第二、第三层堆焊层之间的熔合线。
图2g、图2i和图2k为截齿材质为42CrMo上打底层与基体、打底层与第二层堆焊层以及第二、第三层堆焊层之间的熔合线。
从图2a和图2g可以看出，无论截齿材质是35CrMnSiA还是42CrMo，打底层与基体的结合情况良好，并且能看出在打底堆焊过程中基体对打底堆焊层一产生了影响，在两者界面上出现了一层元素扩散层。
从图2c和图2i可以看出，打底堆焊层与“补肉”的第二堆焊层之间虽然为冶金结合，但两者之间存在一条亮白带，这类似于异种材料焊接时形成的凝固过渡层，这里可能成为成分和性能不均匀的区域。
从图2e和图2k可以看出，第二和第三堆焊层为冶金结合，由于堆焊材料成分相同，没有形成明显的不完全混合区。图2b和图2h为打底堆焊层的显微组织，由于含有大量的Mn元素，显微组织均为奥氏体和少量的铁素体组织，奥氏体和铁素体均为柔韧相，同时打底层中含有少量的Ni可进一步增加其韧性；从图2d、图2f、图2j、图2l四张图可以看出在200Mo焊丝的堆焊层中除了铁素体之外含有大量的Cr的碳化物，分布于晶界可作为耐磨骨架。200Mo中V元素的加入可以细化晶粒，进一步改善了堆焊层的韧性；同时形成高硬度细小V的碳化物来增加堆焊层的耐磨性；Mo的加入可以提高堆焊层的疲劳寿命。
在选择这两种材料时，主要考虑采用过渡层+耐磨层的模式。过渡层可以改善堆焊界面的微观组织，降低了C元素对高温脆性和脆性温度范围的影响，打底层用201Mn焊条，Mn和Ni的含量较高，可以有效扩大奥氏体区，增加堆焊金属的韧性，在基体和堆焊层二之间形成缓冲，熔合性能好，有利于改善界面的结合强度。在截齿服役过程中不会因为韧性不足堆焊层提前与基体剥离。同时，打底堆焊层作为过渡层可以改善基体到耐磨层的合金元素过渡，有利于组织性能的合理过渡；有效改善熔合区性能的均匀性，对防止开裂非常有效。整体来说，堆焊层质量较好，不存在裂纹，并且与基体结合情况良好，200Mo焊丝可以作为35CrMnSiA和42CrMo截齿再制造时的“补肉”材料。
2、堆焊层对熔覆耐磨层的影响
2.1、熔覆层的微观组织
在堆焊层表面进行激光熔覆，熔覆层的截面形貌如图3a和图3b所示。图3a、图3b分别为35CrMnSiA和42CrMo作为基体时堆焊层表面的熔覆层截面形貌，从图中可以看出熔覆层的厚度在0.5-1mm，与堆焊层的结合情况一般，在熔覆层和堆焊层之间出现了一些气孔。
用苦味酸、HCl和乙醇的混合溶液(配比分别为1g、5ml和100ml)对样品进行腐蚀，在金相显微镜下观察熔覆层组织。图4a、图4b、图4c和图4d为在堆焊层表面制备的激光熔覆层的显微组织。从图4a图、图4c可以看出熔覆层与堆焊层之间的结合均为冶金结合，但熔合区上出现了明显的不完全混合区。在42CrMo为基体的熔覆层上还出现了碳化物的聚集。从图4b、图4d可知组织主要为铁素体组织和分布其上的马氏体组织，并且伴随有碳化物的分布，因其冷却方式为空冷，冷却速度较快，因此奥氏体组织均转化为马氏体组织，并且因为Cr元素的大量存在扩大了相区，因此在组织中同样大量分布着铁素体，同时组织中WC溶化后会再次析出形成碳化物，细化晶粒。
2.2、摩擦磨损试验
堆焊层表面的激光熔覆层经过摩擦磨损试验后，将测得的磨损量数据与直接在截齿上进行激光熔覆的熔覆层的磨损量进行对比，结果如图5所示。由图5可见在两种不同截齿材质上的熔覆层的耐磨性能均远远高于基体，分别为0.002g(35CrMnSiA)和0.0024g(42CrMo)，并且与在35CrMnSiA和42CrMo表面直接制备熔覆层的耐磨性相比，堆焊层上的熔覆层耐磨性能要稍好于基体上的。
2.3、摩损表面形貌
图6a-图6d为堆焊层表面熔覆层的摩擦磨损形貌，图6e-图6h为熔覆层的摩擦磨损形貌。
由图可知，图6a中的摩擦表面与图6e非常相似，两者虽然在不同基体上制备的同成分的熔覆层，但磨损表面形貌表明磨粒磨损所产生的沟壑深度很接近，说明两者的磨损程度相近；但从图6c和图6g相比，前者的磨损表面明显比后者的平整，也就是前者的沟壑深度明显比后者的小，表明图6e的样品的耐磨性明显优于图6g样品的耐磨性。对比图6a，图6c发现，两者的摩擦磨损表面均比较均匀，表面起伏不大且相近，表明两者磨损形式同样非常接近。由以上结果可知，同样的合金粉末成分，经激光熔覆在合金含量较高的堆焊层表面后，熔覆层的耐磨性要更好。说明合金元素含量较高的堆焊层对熔覆层起到了合金化作用。
2.4、硬度测试
使用显微硬度计在样品截面进行硬度测试，将测量所得数据处理后进行汇总，绘制为如图7的硬度梯度图。由图7可见，打底层的硬度比基体35CrMnSiA和42CrMo略高，堆焊层二开始呈明显上升趋势，到第三层后逐渐平稳。由前面分析可知，打底层的组织奥氏体和铁素体组织，硬度较低。堆焊层二的组织为铁素体上分布着铬碳化合物，因此硬度明显升高，但是在堆焊过程中化学成分会受打底层的影响，因此堆焊层二的硬度从与打底层的熔合线之后才呈上升趋势。由堆焊层二与堆焊层三的熔合线的硬度分布可知，堆焊层二略微比堆焊层三的硬度高，这可能由于在堆焊第三层时对第二层又产生重熔作用的结果。由于激光熔覆铁基粉末形成耐磨层的时候，堆焊层的碳含量较高，因此熔覆层的碳含量会升高，因此在金相照片里会看到出现碳化物的富集，在硬度上熔覆层高于堆焊层，达到了63HRC左右。
2.5、元素能谱扫描
用扫描电子显微镜附带的能谱仪对样品截面上的元素进行线扫描，分析界面上元素的分布规律。图8所示为35CrMnSiA为基体堆焊后激光熔覆的合金层中元素分布图，并且单独列出C、W和Ni三种元素。C元素在线扫描的长度范围内浓度相同，基本没有浓度上的起伏；W和Ni元素的浓度均在熔合线附近发生急剧的变化。
图9为以42CrMo为基体堆焊后熔覆合金层的元素分布图。与图8的区别就在于基体的不同，堆焊层的材料和熔覆层材料的化学成分均相同，因此，进行能谱扫描后的结果应基本一致。在熔覆过程中WC颗粒部分熔化扩散进入堆焊层，因此出现了熔合线两边均存在W元素的情况，剩余WC颗粒位于组织中作为硬质颗粒增加熔覆层的耐磨性，Ni同样发生扩散进入堆焊层导致Ni在堆焊层也有分布但浓度低于熔覆层。C元素的来源包括WC熔化进入组织的碳元素、熔覆层本身和堆焊层本身所有的，在熔覆过程中发生扩散，导致了扫描范围内浓度相同，但是此时熔覆层中C元素的浓度大于第三章中所制样品，所以在硬度上又有提高，耐磨性稍好。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (5)
1.重度磨损截齿修补方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)针对材料为35CrMnSiA和42CrMo的截齿，选择打底材料和“补肉”材料并用堆焊的方法进行尺寸补齐；
用钨极氩弧焊机进行堆焊，堆焊层数为三层，第一层为打底层，打底层采用堆焊材料为201Mn；第二层和第三层为“补肉”层，采用的堆焊材料为200Mo；
201Mn堆焊材料中各组分的质量分数为：C含量为0.01-0.03％，Cr含量为11-13％，Mn含量为17-19％，Si含量为0.3-0.7％，Ni含量为0.8-1.5％，余量为Fe；
200Mo堆焊材料中各组分的质量分数为：C含量为4.0-5.0％，Cr含量为20-25％，Mn含量为1.0-2.0％，Si含量为0.5-1.0％，Mo含量为1.0-3.0％，V含量为0.5-2.0％，余量为Fe；
(2)再利用激光熔覆用合金粉末在截齿表面激光熔覆耐磨层；
步骤(2)中，用砂轮机将堆焊后的样品打磨平整，将激光熔覆用合金粉末均匀涂在堆焊层表面，放在阴凉处晾干，然后进行激光熔覆；
所述激光熔覆用合金粉末中各组分质量分数为：铁基合金粉末的质量百分含量为激光熔覆用合金粉末的质量的55％；碳化钨WC的质量百分含量为激光熔覆用合金粉末的质量的40％；镍Ni的质量百分含量为激光熔覆用合金粉末的质量的3％；CeO2的质量百分含量为激光熔覆用合金粉末的质量的2％；
铁基合金粉末中各组分质量分数为：C为5％、Cr为25％、Si为3％、B为1％、Al为1％和Fe为65％。
2.根据权利要求1所述的重度磨损截齿修补方法，其特征在于，201Mn堆焊材料中各组分的质量分数为：C含量0.02％，Cr含量为12.2％，Mn含量为17.8％，Si含量为0.5％，Ni含量为1.2％，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的重度磨损截齿修补方法，其特征在于，200Mo堆焊材料中各组分的质量分数为：C含量为4.5％，Cr含量为22％，Mn含量为1.5％，Si含量为0.8％，Mo含量为2.0％，V含量为1.0％，余量为Fe。
4.根据权利要求1-3任一所述的重度磨损截齿修补方法，其特征在于，堆焊的电流为140A。
5.根据权利要求1所述的重度磨损截齿修补方法，其特征在于，激光熔覆用合金粉末在涂覆在堆焊层表面时，需要将激光熔覆用合金粉末加入到溶有松香的无水乙醇，松香与无水乙醇的体积比为1:3，在25℃、24h的条件下将激光熔覆粉末涂层晾干；熔覆参数为：功率为2600W，离焦量为0，搭接率为0，扫描速度为10mm/s，光斑大小为0.9mm，并且用Ar气来保护工件，保护气流速度为20L/min。
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