CN1174772A - 铸铁件表面缺陷的修补工艺 - Google Patents

Abstract

一种铸铁件表面缺陷的修补工艺属于铸铁件表面缺陷的补焊工艺。本工艺解决其快速补焊铸铁件表面缺陷问题,该工艺包括清理加工表面缺陷,对其进行快速预热,喷射镍基合金粉末覆盖层,并快速加热覆盖层到熔融状态,快速喷射镍基合金粉充填缺陷至要求尺寸,然后冷却至室温,完成补焊。该工艺改变了传统的缓慢加热、冷却的焊补理论与工艺,使修补后的金属铸件母材组织基本保持原始组织和性能,从而充分保证其加工与使用性能。

Description

铸铁件表面缺陷的修补工艺

本发明属于铸铁件表面缺陷的补焊工艺，解决其快速补焊铸铁件表面缺陷问题。

长期以来，铸铁补焊研究与应用主要集中于电弧熔焊方法，电弧熔焊分热焊和冷焊。热焊的明显的问题是能源、工时消耗大，操作环境恶劣，更突出的问题是大量铸件缺陷是在经机加工后才暴露出来，这部分工件因整体加热变形而无法用热焊法挽救，所形成的浪费不仅是铸铁件本身，还包括机加工的损失。电弧焊是以母材和焊材同时熔化为基础的焊接工艺，而铸铁本身的特点是含碳量高、杂质多、塑性差、熔化后速冷，必然会产生一系列变态组织，如莱氏体、马氏体、及其混合组织。很显然，热焊是通过模拟铸造条件下的冷却速度即缓冷来解决这一问题。电弧冷焊没有其它辅助加热措施，所以因其快速冷却极易使母材产生变态组织，这对加工性能的影响是显而易见的，目前电弧冷焊仅被用来补焊铸件非加工表面缺陷。而大量经机加工后才暴露出的缺陷的铸件补焊，至今一直成为空白。

现代火焰喷焊技术也被用于铸铁补焊，如“喷焊”、“液膜扩散焊”等，通过母材金属原子向焊材液态中溶解扩散而形成连接，以此避免母材熔化而带来的冶金问题。但该方法同样受到传统铸铁焊必须缓慢升、降温理论的制约。通常用作焊材的合金粉熔点为1000℃左右，在此温度施焊，母材会形成奥氏体。即如果快速冷却，母材会形成马氏体或其混合组织而影响加工性能，其解决的途径只有焊后保温，使其缓冷，重新变为珠光体组织。但实际补焊时，因补焊的部位、范围、经验等因素的影响，焊区局部缓冷时间不易确定，即难以找到通常将高温下形成的奥氏体组织完全转变为与原始组织性能相当的珠光体组织的冷却方式。所以可操作性仅仅被局限于铸铁毛坯的一些部位上。缓慢加热、冷却还会对铸铁件带来其它问题，如输入母材的总热量增加，除耗能耗时外，易形成较大的热应力和裂纹等。

综上原因，铸铁补焊的关键不是焊材本身，而是在现有焊接工艺下，使母材组织发生了变态且难于恢复。解决这一问题的关键在于解决补焊热循环中铸铁组织的变态问题。

传统的方法是根据热力学原理，即根据Fe₃C-C平衡状态图制定的加热超过723℃相变线，铸铁必然会产生奥氏体组织，若速冷即产生子马氏体淬火组织。传统火焰喷焊工艺，实际上马氏体组织是影响加工性能的主要因素，而奥氏体快速冷却是产生马氏体组织的条件，如果我们能有效抑制奥氏体，即能抑制马氏体，即是说，虽然我们让铸铁经历了一次超过铸铁固态相变温度以上的加热，冷却热循环，通过抑制奥氏体，同样可以保持铸铁原始组织不变。从动力学观点看，这种构想是成立的。仔细考虑转变动力学因素，加热过程中奥氏体的形成必须经历珠光体的分解、碳原子的扩散、晶格重组一系列过程。组织的转变总是滞后于环境温度的改变，即奥氏体的开始转变温度与加热速度有关。如果加热速度越快，则奥氏体开始转变温度越高；另一方面，若迅速升温铸铁至奥氏体区某一指定温度，则奥氏体的转变量和均匀化与在该温度下停留的时间有关，若停留时间越短，奥氏体形成量越少，越不稳定。实验中我们可以找到一个停留时间范围，在这个停留时间范围内，使所产生的不稳定奥氏体组织，即使在自由冷却情况下也能够迅速恢复原来的珠光体组织和性能。特别是当停留时间短到某一值时，则可完全抑制奥氏体的转变。

本工艺所用的补焊材料为市售的镍基合金粉末。

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种铸铁件表面缺陷的修补工艺，该工艺能快速升温、快速加热、并充填铸件缺陷，解决补焊热循环中金属铸铁件的组织转变问题，使修补后的金属铸件母材组织基本保持原始组织和性能。

为了实现上述发明创造的目的，本发明根据金属组织转变总是滞后于环境温度变化的转变动力学原理，解决上述技术问题所形成的技术方案是：

(1)清理铸铁件表面缺陷，除锈、油等杂质，并对其进行加工，使缺陷处的边角现出平缓过渡的金属基体。

(2)以每秒100℃至200℃的加热速度，对清理、加工后的缺陷处的金属基体表面快速预热至300℃至600℃之后，在距该预热金属基体表面60mm至100mm的高度，向该金属基体表面待补处喷射厚度为0.03mm至0.08mm的镍基合金粉末覆盖层。

(3)连续以每秒100℃至200℃快速加热速度，对该覆盖层及其所在的金属基体快速加热到950℃至1050℃，使覆盖层处于熔融状态，立刻再快速向处于熔融状态的金属上喷射镍基合金粉末，并使该粉末到达其缺陷表面时处于熔融状态；从本步开始快速加热覆盖层到本步前叙喷粉充填缺陷，应使缺陷处的金属基体表面的温度处于奥体区的操作持续时间控制在3秒至10秒钟，然后停止加热，冷却到600℃至300℃。对本次填充达到要求尺寸的缺陷，直接冷至室温，需多次重复填充的缺陷，每次冷却到600℃至300℃后，按本步工艺顺序，直至填充满缺陷，然后冷至室温。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.保证了修补后的铸铁件母材组织基本保持原始组织和性能。

2.该工艺不但用于铸件毛坯、而且还能用于经机加工后所暴露的金属铸铁件表面缺陷的修补，大幅度提高铸铁件修复率，扩展了应用范围。

3.大量节约能源消耗。

4.输入补焊铸铁件作热量少，热应力范围缩小，铸铁件基本不变形、裂纹倾向减小。

5.补焊成本下降。

6.操作简便、灵活、方便、焊补效率高。

下面给予详细说明：

实施例一：

HT200 HT250两种型号灰铸铁件，用于电机外壳或水泵壳体或汽车发动机缸体等，在加工面上有Φ10mm长缺陷，其补焊步骤为：

1.清理基体缺陷、除锈、油等、暴露金属色泽，并使边角处平缓过渡。

2.用喷焊枪以100℃-180℃/秒速度预热缺陷部位表面至300℃-500℃后，立即抬高喷枪头，离其表面60mm-80mm，喷射厚度为0.04mm-0.08mm的Ni17镍基合金粉覆盖层，以避免覆盖缺陷表面在高温下的迅速氧化。

3.在覆盖层上继续用喷焊枪以100℃-180℃/秒加热到950℃-1050℃使其处于熔融状态。

4.出现覆盖层熔化状态后，迅速喷射Ni17镍基合金粉并使喷射粉在到达缺陷表面时处于熔融状态，即二次喷粉直到充填缺陷至要求尺寸，这一过程中允许喷粉、加热连续和交替进行，目的是让喷射粉到达缺陷表面时，处于熔融状态。

进行上述第3、4两步的总共操作时间应控制在4-8秒钟内，即根据Fe-Fe₃C平衡图，使灰铸铁表面缺陷处温度处于奥氏体区的时间应控制在4-8秒钟内。然后停止加热，空冷到600℃至300℃，用此步工艺未在8秒件内充填满的缺陷，填满前每次空冷到600℃至300℃后，按本步工艺顺序重复进行。

5.充填缺陷达到要求尺寸后空冷到奥氏体向珠光体转变点温度以下50℃-100℃，停留10秒至50秒钟，再空冷至室温。

实例二：

球墨铸铁件，其补焊步骤为：

1.与实施例一相同

2.与实施例一相同

3.该实施例一相同

4.从开始快速加热球墨铸铁表面缺陷上的覆盖层到完成一次喷粉充填缺陷，应使其基体表面温度处于奥氏体的持续操作时间控制在4-10秒钟，其余与实施例一相同

5.充填缺陷达到尺寸后，空冷至室温。

注：选用市售，与具体球墨铸铁相应硬度的镍基合金粉作补焊材料。

实施例三：

合金铸铁件如Cr.Mo合金铸铁件，补焊步骤为：

1.与实施例一相同

2.与实施例一相同

3.与实施例一相同

4.从开始快速加热合金铸件表面缺陷上的覆盖层到完成一次喷粉充填缺陷，应使其基体表面温度处于奥氏体区的时间控制在4秒至6秒钟内，其余与实施例一相同。

5.充填缺陷达到要求尺寸后空冷至奥氏体向珠光体转变点温度以下50℃-100℃，停留40秒至80秒钟再空冷至室温。

注：根据补焊铸铁硬度标准，选用相应市场等同硬度的镍基合金粉作为补焊材料。

实施例四：

白口铸铁件

1.与实施例一相同，

2.与实施例一相同，

3.与实施例一相同，

4.与实施例一相同，

5.在奥氏体向珠光体转变时不需停留，直接空冷至室温，其余工艺与实施一相同。

注：根据白口铁硬度标准，选用相应市售硬度为Ni60相同的合金粉作补焊材料。

Claims (4)

1.一种铸铁件表面缺陷的修补工艺，包括清理加工缺陷、预热缺陷、在预热处喷射覆盖层，加热、填充缺陷；其特征在于其修补工艺按以下顺序进行：

(1)清理缺陷，除锈、油等杂质，使缺陷的边角现出平缓过渡的金属基体；

(2)以(100℃-200℃)/秒的加热速度，对情理加工后的缺陷处的金属基体表面快速预热至300℃-600℃之后，在距该预热金属基体表面60mm-100mm的高度，向该金属基体表面待补预热处喷射厚度为0.03mm-0.08mm的镍基合金粉末覆盖层；

(3)继续以(100℃-200℃)/秒快速加热，对该覆盖层及其所在的金属基体快速加热到950℃-1050℃，使覆盖层处于熔融状态，立刻再快速向处于熔融状态的金属上喷射镍基合金粉末填充缺陷，并使该粉末到达其缺陷表面时处于熔融状态，从开始快速加热覆盖层到完成本步前叙喷粉填充缺陷，使该缺陷处的铸铁基体表面温度处于奥氏体区的操作持续时间控制在3秒至10秒钟，然后停止加热，冷却到600℃至300℃，对本次填充达到尺寸要求的缺陷，直接冷至室温，需多次重复填充的缺陷，每次冷到600℃至300℃后，按本步工艺顺序重复进行，直至填充满缺陷，然后冷至室温。

2.根据权利要求1所述的铸铁件表面缺陷的修补工艺，其特征在于灰铸铁的补焊工艺是：

(1)对清理、加工后的表面缺陷，以每秒120℃至180℃的加热速度，对其预热到400℃至500℃之后，立即使喷枪头距该预热缺陷表面60mm至80mm高度，向其喷射厚度为0.04mm至0.08mm的Ni17合金粉末覆盖层；

(2)在该覆盖层上继续以每秒120℃-180℃的速度快速加热至950℃-1050℃，使其处于熔融状态，迅速向处于熔状态的金属上喷射Ni17镍基合金粉，并使该喷射粉到达缺陷表面时处于熔融状态，从开始快速加热覆盖层到完成本步前叙喷粉填充缺陷，使该缺陷处的铸铁基体表面温度处于奥氏体区的操作持续时间应控制在4-8秒钟内，然后停止加热，空冷到600℃至300℃，用此步工艺末在8秒钟内充填满的缺陷，填满前每次空冷到600℃至300℃后，按本步工艺顺序重复进行；(3)充填缺陷达到要求尺寸后，空冷至奥氏体向珠光体转变点温度以下50℃至100℃，停留10秒至100秒，再空冷至室温。

3.根据权利要求1或2所述的铸铁件表面缺陷的修补工艺，其特征在于从开始快速加热球墨铸铁件表面缺陷上的覆盖层到完成一次喷粉充填缺陷，应使其基体表面温度处于奥氏体区的持续操作时间控制在4秒至10秒。

4.根据权利要求1所述的铸铁件表面缺陷的修补工艺，基特征在于：

(1)从开始快速加热Cr.Mo合金铸铁件表面缺陷上的覆盖层到完成一次喷粉充填缺陷，应使其基体表面温度处于奥氏体区的时间控制在4秒至6秒钟内；

(2)充填缺陷达到要求尺寸后，空冷至奥氏体向珠光体转变点温度以下50℃-100℃，停留40秒至80秒钟，再空冷至室温。