高铬铸件缺陷等离子粉末补焊修复措施

许鹏 董兵天

摘 要： 高铬铸件主要是由高铬白口抗磨铸铁，是一种性能良好的抗磨材料。高铬铸件的耐磨性远远高于合金钢的耐磨性，且韧性和强度等级也远远超过了普通的白口铸铁。高铬铸件还具备较强的抗高温性能和抗腐蚀性能，生产方式简单、成本较低，已经成为主要的抗磨损材料之一。然而，高铬铸件在生产和使用过程中难免会出现缺陷，为了能够及时修复缺陷，研究高铬铸件的性能与特征，深入探索了等离子粉末补焊修复技术在高铬铸件缺陷修复中的应用，希望能够为相关领域提供更多的理论参考依据。

关键词： 高铬铸件 缺陷修复 等离子粉末 补焊技术

中图分类号： TG174.4文献标识码： A文章编号： 1679-3567（2023）11-0046-03

基金项目：2022年度甘肃省高等学校创新基金项目“高铬铸件缺陷等离子粉末补焊技术修复研究”（项目编号：2022B-526）。

1 等离子粉末补焊工艺与优势

1.1 等离子粉末补焊工艺

等离子粉末补焊是一种表面处理工艺，可以用于提高材料的耐磨性、耐腐蚀性，增强高温性能、延长寿命，节约宝贵材料、降低产品成本。具体来说，等离子粉末补焊以等离子弧为热源，将合金粉末迅速加热到熔点，同时熔化、混合、扩散、凝固、离子束离开后合格冷卻，形成一层性能的合金层，实现零件表面的强化和硬化的表面处理工艺。等离子弧具有很好的电弧温度、热导率和稳定性，因此可以调节熔体深度，等离子体粉末表面处理后，气体材料和表面材料之间形成融合界面，结合强度高。表面层组织致密，耐腐蚀，耐磨性好[1-2]。

该工艺在应用过程中，先将待补焊的工件放置在等离子弧的下方，然后将合金粉末通过送粉器送入等离子弧中。合金粉末在弧柱中被预先加热，呈熔化或半熔化状态，然后喷射到工件熔池里。在此过程中，等离子弧的压缩性可以调节，以适应不同堆焊需求。如今，等离子粉末补焊工艺已经在许多领域都有广泛的应用。例如：等离子粉末补焊工艺可以用于修复磨损的轴、齿轮等重型设备零件，提高其使用性能和寿命。还可以用于制造表面强化件、耐磨件等新零件。

1.2 等离子粉末补焊工艺的优势

等离子粉末补焊是一种先进的焊接工艺，相比传统堆焊工艺，具有高结合强度、致密的组织、独特的性能优势和高性价比等优势，具体表现在以下几个方面。

1.2.1 高结合强度

由于等离子粉末补焊是利用等离子弧作为热源，使合金粉末和基材能够快速加热并融合在一起，形成的是融合界面，这样可以达到很高的结合强度，保证堆焊层非常牢固稳定，使堆焊层能够一直发挥作用，保证工件有稳定的表面性能和外观。

1.2.2 致密的组织

等离子粉末补焊形成的堆焊层组织非常致密，能够有效提升工件的耐蚀与耐磨性能，这样工件在使用时不易受到侵蚀，也不易因为表面摩擦轻易受损，因此在长期保持稳定结构状态的同时，也能保持稳定的外观[3]。

1.2.3 独特的性能优势

等离子粉末补焊的耐磨板相比传统方法堆焊的耐磨板，拥有许多独特的性能优势。例如：由于工艺特殊，合金粉末性能优良，等离子堆焊耐磨复合钢板表面无裂纹，在潮湿或者有液体的环境中，不会在熔合区出现腐蚀裂纹及耐磨层脱落现象。

1.2.4 高性价比

等离子粉末补焊的另一个优势是高性价比。通过等离子粉末补焊技术，可以在保证高的结合强度的同时，有效提升工件的耐蚀与耐磨性能，延长工件的使用寿命，相比传统堆焊工艺，其性价比更高[4]。

2 高铬铸件缺陷形成原因与修复原则

2.1 高铬铸件缺陷的形成原因

高铬铸件在生产和使用过程中，难免会出现各种形式的缺陷，如缩孔、气孔、粘砂、夹砂、裂缝、冷隔等，不同缺陷的形成原因有一定的区别。

2.1.1 缩孔

缩孔的形成原因主要是金属液在铸造过程中收缩，在铸件内部形成的孔洞类缺陷。缩孔会降低铸件的有效承载面积，且在缩孔周围会引起应力集中而降低铸件的抗冲击性和抗疲劳性[5]。

2.1.2 气孔

气孔的形成原因包括以下几点。

（1）金属液中含有的氧化渣等杂质，在离心浇铸时未能及时浮出，而是残留在铸件内部，形成气孔缺陷。

（2）高铬铸铁含碳量较高，导致其浇铸过程中易出现碳氧化现象，生成的二氧化碳未能及时排出，在铸件内部形成气孔。

（3）铸造时未能及时排出型腔内的气体，导致金属液在浇入型腔时卷入气体，在铸件内生成气孔。

2.1.3 粘砂

高铬铸件表面粘附的砂粒称为粘砂，粘砂可能由于以下原因而形成。

（1）浇注时金属液冲击砂型表面，将砂粒冲入型腔内，使铸件表面粘附一层砂粒。

（2）浇注后，型腔内的气体未完全排出，金属液在高温下与氧气反应生成氧化渣，氧化渣与砂粒混合，附着在铸件表面，形成粘砂。

（3）浇注时金属液未能将型腔填满，留有间隙，使铸件表面粘附一层砂粒。

2.1.4 夹砂

夹砂主要是指高铬铸件表面形成的沟槽和疤痕缺陷，夹砂的产生主要与以下因素有关。

（1）型砂的透气性差，使型腔内的气体难以排出，导致金属液无法填满型腔，形成夹砂。

（2）型腔的最高处未设置出气冒口或出气冒口位置不当，导致型腔内的气体无法顺利排出，形成夹砂。

（3）浇注时金属液压力过大，将型砂冲离型腔，使铸件表面形成夹砂。

2.1.5 冷隔

冷隔是高铬铸件中未熔合的缝隙缺陷。产生冷隔的原因可能有以下几点。

（1）浇口设计不合理或浇口过早凝固，使浇注过程中金属液无法连续地流入型腔，导致铸件中产生冷隔缺陷。

（2）浇注温度过低或浇注速度过快，金属液在浇口处过早凝固，使后续金属液无法流入型腔，形成冷隔缺陷。

（3）铸造过程中出现故障或操作不当，如中断浇注、浇注系统堵塞等，导致金属液无法连续地流入型腔，形成冷隔缺陷[6]。

2.2 高铬铸件缺陷的修复原则

高铬铸件缺陷等离子粉末补焊修复的主要原则包括以下几个方面。

2.2.1 修复前准备

在进行修复前，需要了解高铬铸件材料的性质、化学成分、机械性能等，并了解缺陷的类型、位置、大小等。根据这些信息，制订出合适的修复方案和操作规程。

2.2.2 修复材料选择

选择与高铬铸件相匹配的合金粉末作为修复材料，以保证修复后的铸件具有相同的耐磨性和耐腐蚀性。同时，还需要选择合适的保护气体，以避免气孔、夹渣等缺陷的产生。

2.2.3 修复过程控制

在修复过程中，需要保持稳定的电流和弧长，并控制好加热速度和补焊时间，以保证补焊的质量和效果。同时，需要注意焊道的外形尺寸、表面光滑度等，避免出现凸起、凹陷等问题。

2.2.4 修复后检测

在修复完成后，技术人员应对铸件进行质量检测，包括外观检查、无损探伤等，以确保修复质量和尺寸精度符合要求。同时，需要对铸件的性能进行检测，如硬度、耐磨性等，以确保其符合使用要求。

在这个过程中也要做好安全防护工作，技术人员应注意安全防护措施，如佩戴防护眼镜、防护手套等，以避免烫伤、弧光辐射等安全事故的发生[7]。

2.2.5 其他因素

除上述原则外，在选择高铬铸件修复方法时，需要考虑到铸件的使用场合、磨损程度、修复预算等因素。一般来说，对于重要部位或关键部件的高铬铸件，采用激光熔覆、等离子喷涂等高效率、高质量的修复方法更为合适；对于一般场合或非关键部件的高铬铸件，可以采用焊接、耐磨涂层等常规修复方法进行修复。无论采用何种修复方法，都应保证铸件的使用性能和安全性不受影响。

3 等离子粉末补焊修复高铬铸件缺陷的实现路径

3.1 提前做好准备工作

等离子粉末补焊修复高铬铸件缺陷时的准备工作包括以下几个方面。

（1）清理基体。为了保证补焊的质量和效果，需要将高铬铸铁基体表面的杂质、氧化皮等清理干净，露出金属光泽。

（2）确定补焊位置。根据铸件缺陷的位置和程度，确定需要补焊的区域和厚度。

（3）根据高铬铸铁的化学成分和机械性能要求，选择相匹配的合金粉末，常用的合金粉末有镍基合金、钴基合金、铁基合金等。

（4）需要准备的工具和材料包括等離子粉末焊机、合金粉末、保护气体、焊嘴等。

（5）所有的准备工作完成之后，还要检查设备。在使用等离子粉末焊机前，需要检查设备的完好性和安全性，确保设备正常运转。进行等离子粉末补焊修复前，需要了解高铬铸铁的化学成分、机械性能、应用场景等因素，并根据实际情况选择合适的合金粉末、补焊工艺、保护气体等，以确保补焊的质量和效果。同时，在操作过程中应注意安全，防止出现烫伤、弧光辐射等安全事故。

3.2 补焊实施过程

等离子粉末补焊是一种先进的表面工程技术，其基本原理是利用等离子弧作为热源，将合金粉末或焊丝熔化，并采用等离子流或熔化的母材将熔化的金属推送至工件表面，形成与母材冶金结合的熔敷层。等离子粉末补焊具有高效、优质、节能和环保等特点，在航空航天、石油化工、汽车制造等领域得到广泛应用。

等离子粉末补焊工艺修复高铬铸件的过程中，首先在确定好的补焊位置上，预先将合金粉末放置在缺陷处，并高出缺陷部分一定高度。

其次，在准备好合金粉末和设备之后，开始引弧。先使等离子弧对合金粉末进行预热，将其加热至熔化状态。

再次，待合金粉末完全熔化后，将等离子弧移动到铸件缺陷处进行补焊。补焊过程中需要保持稳定的电流和弧长，并控制好加热速度和补焊时间，以保证补焊的质量和效果。

最后，待补焊完成后，关闭等离子粉末焊机，并将铸件冷却至室温。对于铸件表面余高的部分进行打磨或切割，使其与铸件基体完全平齐，防止在铸件使用过程中出现应力集中现象。同时对铸件进行质量检测，确保补焊质量和尺寸精度符合要求。需要注意的是，在等离子粉末补焊过程中，由于加热速度快、高温停留时间短，需要选择合适的合金粉末、电压、电流等参数，以保证补焊的质量和效果。同时，操作过程中还需注意保护气体和焊接设备的选择和使用，防止出现气孔、夹渣等缺陷。

4 结语

总而言之，等离子粉末补焊是一种先进的表面工程技术，在修复高铬铸件缺陷方面具有高效、快速的特点，可以在短时间内完成大面积的修复工作，提高了生产效率和经济性。该技术也能实现对铸件表面缺陷的精确修复，修复后的铸件表面平整、光滑，机械性能和耐腐蚀性能得到有效提升。另外，等离子粉末补焊过程中，采用保护气体对铸件进行保护，可以避免氧化、腐蚀等现象的发生，同时操作过程中需要注意安全防护措施，避免烫伤、弧光辐射等安全事故的发生。总之，等离子粉末补焊作为一种先进的表面工程技术，在修复高铬铸件缺陷方面具有高效、高质量、适应性强、节能环保和安全性高等优点，得到了广泛应用。在实际操作中需要注意细节和技巧，以保证铸件的质量和使用寿命。

参考文献

[1]任森，叶祥熙，蒋力，等.316H不锈钢表面等离子粉末堆焊Tribaloy？T400涂层的性能研究[J].有色金属材料与工程，2021，42（1）：31-38.

[2]马球.阀门堆焊之“星”工艺：等离子粉末堆焊[J].表面工程与再制造，2015，15（4）：73-74.

[3]苏晶.高铬铸铁的铸造缺陷的焊补工艺[Z].天津：天津重钢机械装备股份有限公司，2014-08-13.

[4]周权.等离子喷粉堆焊工艺研究[D].镇江：江苏科技大学，2010.

[5]王向明，赵四勇，李林，等.高铬铸铁表面缺陷焊补技术[J].现代铸铁，2007（5）：54-56.

[6]刘强.铸件缩孔/缩松缺陷预测及缺陷分析系统的设计与开发[D].成都：四川大学，2002.

[7] B.N.Badyanov，周宇.将等离子粉末工艺应用于焊接和表面处理[J].国外机车车辆工艺，2001（6）：12-14.