CHE857CrNi焊條在滲碳淬火零件修復(fù)中的應(yīng)用

鐘紹明　周　全　劉繼全　龍志松(二重集團(德陽)精衡傳動設(shè)備有限公司，四川618000)

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CHE857CrNi焊條在滲碳淬火零件修復(fù)中的應(yīng)用

鐘紹明周全劉繼全龍志松
(二重集團(德陽)精衡傳動設(shè)備有限公司，四川618000)

摘要:我公司生產(chǎn)的某軋機鼓形齒聯(lián)軸器中的滲碳淬火內(nèi)齒套，在半精加工過程中扁孔尺寸沒留滲碳淬火后加工余量，后用CHE857CrNi焊條對該內(nèi)齒套扁頭實施堆焊，再進行滲碳淬火。滲碳淬火后經(jīng)MT、UT檢測均滿足圖紙技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞:內(nèi)齒套; CHE857CrNi焊條;堆焊;滲碳淬火

鼓形齒聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)緊湊、扭矩大、傳遞效率高，有徑向和軸向位移、角度補償?shù)裙δ?，具有傳動平穩(wěn)、噪聲小、轉(zhuǎn)速高、使用壽命長等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于鋼鐵冶金軋機主傳動裝置中［1］。鼓形齒聯(lián)軸器中的重要部件內(nèi)齒套滲碳淬火半精加工圖如圖1。

內(nèi)齒套齒部與鼓形齒軸套連接，扁頭部分與軋輥扁頭連接，實現(xiàn)動力傳輸。在傳輸過程中，扁頭要發(fā)生徑向竄動，而軋輥扁頭徑向不發(fā)生運動。當內(nèi)齒套扁孔磨損較大后，內(nèi)齒套和軋輥扁頭間隙增大，運動過程中震動、噪聲增大，磨損嚴重的甚至會對整個鼓形齒聯(lián)軸器造成破壞。國外鼓形齒聯(lián)軸器中主要傳動部件均采用滲碳淬火提高傳動部件使用壽命。2002年我公司成功地解決了內(nèi)齒套等齒部滲碳淬火后精加工問題，實現(xiàn)了該產(chǎn)品的全部國產(chǎn)化。內(nèi)齒套采用17Cr2Ni2Mo材料滲碳淬火，實現(xiàn)扁頭和齒部的硬化，提高內(nèi)齒套的使用壽命。內(nèi)齒套主要加工工序是:毛坯→粗車→無損檢測→半精加工→滲碳、淬火→精車→精插齒→精銑扁頭。

圖1　內(nèi)齒套滲碳淬火前半精加工圖Figure 1　 Semi-finishing of inner tooth sleeve before carburizing and quenching

最近，我公司在半精加工過程中，某軋機主傳動裝置6件內(nèi)齒套扁孔尺寸出現(xiàn)了加工錯誤，未留滲碳淬火余量，扁頭部位滲碳淬火后變形將不能滿足精加工尺寸要求，產(chǎn)品面臨批量報廢的風險。為盡量降低損失，公司成立質(zhì)量攻關(guān)組，研究解決辦法。

1　解決辦法分析

零件尺寸超差常用的解決辦法有:①修改裝配相關(guān)零件尺寸，滿足裝配公差要求;②加工襯板，采用螺栓連接后保證裝配尺寸公差;③堆焊。由于本文中需要修復(fù)的內(nèi)齒套裝配相關(guān)零件已精加工完成，無法通過修改相關(guān)裝配零件尺寸滿足裝配公差，該方案排除。若采用鑲襯板解決方案，需要對內(nèi)齒套結(jié)構(gòu)進行改變，將扁頭部分繼續(xù)減薄，加工后采用螺栓將襯板把合在內(nèi)齒套上，內(nèi)齒套扁頭強度有所降低，影響內(nèi)齒套使用壽命。焊接方案在國內(nèi)此類滲碳淬火件上實施成功的案例不多，質(zhì)量不穩(wěn)定。若采用堆焊方案，需采用堆焊硬質(zhì)合金層保證扁頭硬度。焊接是一種局部的不均勻加熱和冷卻過程，焊縫及其附及地區(qū)的金屬被加熱到可熔化狀態(tài)，然后逐步冷卻、凝固、相變直至常溫。在這一熱循環(huán)作用下，由于局部瞬時的熱脹和冷縮作用，會使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。焊接應(yīng)力會使焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋(包括熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂等)［2］。綜合分析，堆焊是簡潔、成本較低的修復(fù)方案，但實施難度大，對焊材選型、焊接過程和后續(xù)滲碳淬火工藝等要求極高。

由于本批次零件是采用滲碳淬火工藝，淬火后的回火溫度在180～220℃，屬于低溫回火。若在滲碳淬火后采用硬質(zhì)合金層補焊，則因低溫回火溫度不能消除焊接應(yīng)力，使得扁頭與圓弧交接處易產(chǎn)生層狀撕裂;若在滲碳前進行堆焊，在經(jīng)925℃的高溫滲碳后，能否保證滲碳淬火后扁頭堆焊層硬度又是一個問題。資料［3］表明低碳合金結(jié)構(gòu)鋼17Cr2Ni2Mo堆焊后仍具有良好的力學(xué)性能，但缺乏對堆焊層進行滲碳淬火后金相組織和硬度的研究。借鑒文獻［4］對滲碳淬火零件表面激光熔凝后的組織特性的研究，攻關(guān)組采用CHE857CrNi焊條對扁頭試樣進行堆焊修復(fù)的試驗，最后再將成功的技術(shù)移植到正式產(chǎn)品件的修復(fù)。

2　試驗方案及結(jié)果分析

2．1堆焊材料選擇及堆焊試驗

借鑒參考文獻［5、6］齒輪補焊工藝的研究，首先考慮焊條化學(xué)成分和強度與母材相近的CHE857CrNi焊條，焊條中錳是重要的淬透性元素，對焊縫金屬的韌性有很大影響。錳含量在1．5%附近時焊縫金屬有最好的韌性。鎳的作用與錳相似，較錳作用弱，與錳共存時，鎳更有利于針狀鐵素體的形成，先共析鐵素體減少，組織進一步細化，在低碳低硫含量的條件下，鎳對提高金屬韌性是有利的。錳和鎳都能提高鋼材的淬透性，且隨著錳和鎳含量的增加，焊補金屬的強度、硬度也隨之提高，當錳含量在1．5%左右、鎳含量在1．3%左右時韌性最好。CHE857CrNi焊條化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示，修復(fù)件內(nèi)齒套化學(xué)成分及力學(xué)性能要求如表2所示。

表1　CHE857CrNi焊條化學(xué)成分及力學(xué)性能Table 1　Chemical composition and mechanical properties of CHE857CrNi welding rod

表2　內(nèi)齒套化學(xué)成分及力學(xué)性能要求Table 2　Chemical composition and mechanical properties of inner tooth sleeve

認真分析，該焊條在母體上能實現(xiàn)良好的焊接質(zhì)量。本試驗采用兩件與內(nèi)齒套力學(xué)性能和化學(xué)成分一致的?80 mm×80 mm直徑試樣(本體試塊)進行堆焊，堆焊示意圖如圖2所示。試樣1和試樣2采用試驗電爐進行930℃/4 h空冷+ 650℃/8 h正回火處理。試樣1用于分析堆焊后正回火金相組織，試樣2按圖3所示工藝曲線隨爐進行滲碳淬火后進行取試，再進行表面硬度測

圖2　試樣堆焊層及滲碳淬火后取試示意圖Figure 2　 Schematic drawing of surfacing layer of specimen and sampling after carburizing and quenching

圖3　滲碳淬火工藝曲線Figure 3　 The curve of carburizing and quenching process

圖4　堆焊層正回火后組織500×Figure 4　 Microstructure of surfacing layer after normalizing and tempering 500×

圖5　堆焊層正回火后組織100×Figure 5　 Microstructure of surfacing layer after normalizing and tempering 100×

圖6　滲碳淬火+回火后表層M + A' 500×Figure 6　 M + A' on surface after carburizing＆quenching and tempering 500×

圖7　滲碳淬火+回火后表層碳化物500×Figure 7　 Carbide on surface after carburizing＆quenching and tempering 500×

圖8　滲碳淬火+回火后熔合區(qū)組織500×Figure 8　 The microstructure of fusion zone after carburizing＆quenching and tempering 500×

圖9　滲碳淬火+回火后基體組織500×Figure 9　 The matrix structure after carburizing＆quenching and tempering 500×

試、堆焊層滲碳淬火后金相組織分析、有效硬化層硬度梯度測試。

2．2試驗結(jié)果分析

2．2．1試樣1正回火后組織及硬度測試結(jié)果

正回火后，按圖2所示位置取試樣1。試樣1拋光并用5%硝酸酒精腐蝕后，采用OLYMPUS GX51型電子顯微鏡觀察，結(jié)果見圖4、圖5。

焊縫的結(jié)晶過程中，由于冷卻速度很快，化學(xué)成分來不及擴散，合金元素的分布是不均勻的，出現(xiàn)所謂偏析現(xiàn)象，對于熔合區(qū)，這種不均勻現(xiàn)象更為嚴重。焊后通過正回火處理，不僅起到消除焊接應(yīng)力作用，還能夠改善焊接原始的鑄態(tài)組織，減少偏析，提高滲碳后的均勻性。從圖4可以看到，該焊接材料碳含量較低(≤0．1%)，正回火后主要為鐵素體組織。從圖5可以看到，正回火后組織無明顯偏析。采用HBS—3000型數(shù)顯布氏硬度計測試試樣1的正回火后堆焊層、熔合區(qū)、基體，布氏硬度分別為206HBW、239HBW、234HBW。熔合區(qū)和基體硬度相差不大，強度匹配較好。

2．2．2試樣2滲碳淬火+回火后組織及硬度測試結(jié)果

滲碳淬火+回火后按圖2所示位置取試。試樣2拋光并用5%硝酸酒精腐蝕后，采用OLYMPUS GX51型電子顯微鏡觀察，結(jié)果見圖6～圖9。

結(jié)合上述圖樣分析，試樣2隨爐滲碳淬火+回火后表層M + A'滿足JB/T 6141．3—1992《重載齒輪滲碳層金相檢驗》標準要求1級，表層碳化物成顆粒彌散分布，表層滲碳淬火組織良好。

對于低碳鋼焊縫，由于含碳量較低，故二次結(jié)晶組織主要是鐵素體和少量珠光體。鐵素體一般是沿原奧氏體的基面以柱狀晶向焊縫中心成長，其晶粒粗大，甚至可出現(xiàn)魏氏組織。經(jīng)過適當?shù)臒崽幚砜梢韵鶢罹ЫM織，使焊縫獲得細小的鐵素體和少量珠光體。由于堆焊層為5 mm，而滲碳層深度在3 mm～4 mm，因此熔合區(qū)處于亞共析區(qū)。熔合區(qū)組織為板條馬氏體+鐵素體，經(jīng)過滲碳淬火后熔合區(qū)出現(xiàn)了少量鐵素體。采用HRSS—150型數(shù)顯表面洛氏硬度計測試表層、熔合區(qū)和基體硬度，分別為58．1HRC、37．5HRC、39．8HRC。表面硬度滿足圖紙硬度要求，熔合區(qū)硬度略低于基體淬火后硬度，但滿足圖紙強度要求。用AAV-500維氏硬度試驗機測試滲碳淬火后有效硬化層梯度曲線如圖10所示，距離表面3．3 mm處的維氏硬度為550HV3，滿足圖紙技術(shù)要求。

圖10　堆焊層滲碳淬火+回火后有效硬化層梯度曲線Figure 0　The gradient curve of effective hardening layer after carburizing＆quenching andtempering for surfacing layer

3　滲碳淬火零件修復(fù)應(yīng)用

通過上述試驗，17Cr2Ni2Mo試塊采用CHE857CrNi焊條堆焊后，進行滲碳淬火+回火，內(nèi)部金相組織、硬度、有效硬化層深度均滿足圖紙技術(shù)要求。在以上試驗的基礎(chǔ)上，我們采用CHE857CrNi焊條對6件尺寸加工錯誤的內(nèi)齒套按照堆焊→正回火→半精加工→MT、UT檢測→滲碳淬火+回火→硬度檢查→精加工→MT、UT檢測→交檢入庫的方案進行修復(fù)。精加工后對內(nèi)齒套扁頭部位進行硬度檢查、MT檢測、UT檢測，均滿足圖紙技術(shù)要求。

冶軋產(chǎn)品中，時常會出現(xiàn)滲碳淬火零件半精加工時尺寸加工超差、挖刀等加工錯誤。造成零件滲碳淬火后無加工余量而報廢。由于冶軋產(chǎn)品重量較大，報廢造成的經(jīng)濟損失也較大。對于普通零件的加工缺肉問題，堆焊是一種常用的簡單、成本較低的修復(fù)方案。但對于滲碳淬火零件，堆焊修復(fù)后還要保證堆焊層的硬度和一定的強度匹配性，受滲碳淬火工藝的限制，采用常規(guī)的堆焊修復(fù)有一定的局限性。為保證零件滲碳淬火后硬度要求，滲碳淬火后常采用180～220℃低溫回火工藝。若在滲碳淬火后進行補焊，由于滲碳面已處于較高碳濃度，補焊后又只能進行低溫消除應(yīng)力，容易產(chǎn)生層狀撕裂;若在滲碳淬火前進行補焊，往往又無法保證堆焊層的硬度。通過本文的研究與實踐，CHE857CrNi焊條的化學(xué)成分與常用滲碳鋼的化學(xué)成分相近，堆焊后具有較好的強度匹配性，堆焊層滲碳淬火質(zhì)量良好。因此，對于滲碳淬火半精加工尺寸超差的零件可借鑒本次成功經(jīng)驗進行修復(fù)，這將大大節(jié)省毛坯費用和生產(chǎn)周期，并保證零件修復(fù)后的耐磨性和使用壽命。

4　結(jié)論

本文對17Cr2Ni2Mo試塊采用CHE857CrNi焊條進行堆焊試驗，就焊縫、過渡區(qū)經(jīng)正火、回火預(yù)處理后的組織進行了檢查，然后再進行滲碳淬火處理，并對滲碳淬火后滲碳層的金相組織、表面硬度、有效硬化層梯度和堆焊層的滲碳淬火質(zhì)量進行了檢測，試驗結(jié)果各項指標均達到要求。在試驗的基礎(chǔ)上，采用CHE857CrNi焊條堆焊后再滲碳淬火的方案成功修復(fù)了6件加工錯誤的內(nèi)齒套。

實踐表明，CHE857CrNi焊條與常用的17Cr2Ni2Mo滲碳鋼具有較好的強度匹配性，堆焊后表層滲碳淬火質(zhì)量良好，可用于滲碳淬火零件半精加工尺寸缺失加工余量的修復(fù)。對于軸類、板類、十字軸等滲碳零件磨損后的修復(fù)也提供了一種參考方案。

參考文獻

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編輯傅冬梅

Application of CHE857CrNi Welding Rod in the Repair of Carburizing and Quenching Parts

Zhong Shaoming，Zhou Quan，Liu Jiquan，Long Zhisong

Abstract:For the carburizing and quenching inner tooth sleeve in drum tooth coupling of a mill produced by our company，there isn＇t machining allowance after carburizing and quenching for flat hole size in semi－finishing process，so the repair welding is carried out for the flat head of inner tooth sleeve by CHE857CrNi welding rod and then the carburizing and quenching is performed．The test results of MT and UT after carburizing and quenching can meet the technical requirements in drawing．

Key words:inner tooth sleeve; CHE857CrNi welding rod; repair welding; carburizing and quenching

收稿日期:2014—07—18

文獻標志碼:B

中圖分類號:TG156．8