缸體缸蓋幾種修復(fù)工藝的應(yīng)用

齊 建，李 菲

（濰柴（濰坊）材料成型制造中心有限公司，山東濰坊 261001）

0 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)是我公司的主營(yíng)業(yè)務(wù)，其核心零部件缸體缸蓋的鑄造、加工以自制為主，僅部分粗加工工序外協(xié)，兩個(gè)零部件的總成本占到發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)格的20%左右。

缸體缸蓋鑄件一般采用HT275、HT300 等高牌號(hào)灰鑄鐵，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)出的一部分鑄件不可避免的會(huì)存在氣孔、砂眼等各種表面缺陷，加工后的成品會(huì)存在縮松漏水、皮下氣孔等鑄件內(nèi)部缺陷。為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本，在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的前提下，帶有缺陷的缸體缸蓋鑄件可以通過(guò)一些修復(fù)手段進(jìn)行挽救回用。

根據(jù)缸體缸蓋灰鑄鐵件被修復(fù)部位的重要程度和使用情況，可以選擇不同的修復(fù)工藝，我公司常用的缸體缸蓋修復(fù)技術(shù)包括電弧冷態(tài)焊、氧氣-乙炔熱態(tài)焊、浸滲、刷鍍以及使用鑄鐵修補(bǔ)劑修復(fù)等。

1 電弧冷態(tài)焊

電弧冷態(tài)焊指在常溫狀態(tài)下，利用電弧燃燒所產(chǎn)生的熱量將鑄鐵焊條與缸體缸蓋鑄件互相熔化在一起，達(dá)到修復(fù)鑄件表面氣孔、砂眼等缺陷的一種工藝。在空氣中操作電弧焊時(shí)，產(chǎn)生大量熱能，電弧溫度達(dá)到7000℃左右，焊點(diǎn)溫度高，焊接區(qū)域從液相線溫度迅速空冷，極易在鑄件中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力和焊接裂紋，并伴隨碳與碳化鐵的析出而形成白口。

1.1 電弧冷態(tài)焊所需的裝備與材料

考慮到直流電弧焊工藝的受熱區(qū)域大于交流電弧焊，焊后溫度階梯差較小，冷卻過(guò)程中鑄件應(yīng)力可以適當(dāng)分散，電弧冷態(tài)焊一般選用直流電焊機(jī)。

根據(jù)氣缸體氣缸蓋鑄件的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一般選用焊接性能最好的Z308 鑄鐵焊條，該焊條采用純鎳焊芯、強(qiáng)還原性石墨型藥皮，其焊縫塑性和抗裂性能好，焊縫強(qiáng)度一般在300MPa 左右。

1.2 電弧冷態(tài)焊工藝的實(shí)施步驟

我公司選用直徑3.2mm 的焊條修補(bǔ)氣缸體氣缸蓋鑄件，焊接電流90～110A，實(shí)施過(guò)程要注意以下幾點(diǎn)：

（1）Z308 鑄鐵焊條使用前須經(jīng)150℃左右烘焙。

（2）使用風(fēng)鏟和砂輪等工具，將缺陷中的砂子、氧化皮、鐵銹等雜質(zhì)清理干凈，直至露出金屬光澤。如果存在油污，應(yīng)使用氣焊火焰燒掉，以免焊接產(chǎn)生氣孔。

（3）每焊接一層錘擊焊縫以消除焊補(bǔ)區(qū)應(yīng)力，避免裂紋。

為了保證鑄件的外觀質(zhì)量，焊接完成后需要打磨掉焊瘤。

1.3 電弧冷態(tài)焊工藝的適用性

電弧冷態(tài)焊操作簡(jiǎn)單，焊補(bǔ)效率高，同時(shí)焊點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力較為集中、硬度大。該工藝主要用于挽救缸體缸蓋鑄件非重要部位的氣孔、夾渣、砂眼等表面缺陷，并且缺陷處在零部件的非加工面上，面積不超過(guò)1cm2、深度不超過(guò)壁厚三分之一。

2 氧氣-乙炔熱態(tài)焊

氧氣-乙炔熱態(tài)焊是指提前預(yù)熱缸體缸蓋鑄件，利用氧氣和乙炔燃燒產(chǎn)生的熱量將鑄鐵焊條與鑄件缺陷區(qū)域熔合在一起的工藝。

氧氣-乙炔氣焊是最早用于鑄鐵件的焊補(bǔ)方法。氣焊火焰溫度約3150℃，比電弧焊低，熱量不那么集中，且加熱程度和加熱時(shí)間可以隨意控制，對(duì)鑄件的加熱和冷卻速度都很緩慢，有利于鑄鐵件石墨化及焊縫中氣體的逸出，焊接質(zhì)量比較好。焊補(bǔ)前將缸體缸蓋鑄件預(yù)熱到600℃左右，這樣既能降低熱應(yīng)力，防止鑄件出現(xiàn)白口和淬硬現(xiàn)象，又能保證鑄件力學(xué)性能不至于下降。氧氣-乙炔熱態(tài)焊工藝修復(fù)的鑄件焊點(diǎn)硬度不大于本體硬度的10%，不影響零部件加工。

2.1 氧氣-乙炔熱態(tài)焊所需的裝備與材料

焊炬是氣焊主要的操作工具，將氧氣和乙炔按照一定比例均勻的混合，以一定的速度從焊嘴噴出，形成一定熱量、一定成份、適合焊接要求和穩(wěn)定燃燒的火焰。為了保證火焰熱量足夠大，一般選用射吸式焊炬。針對(duì)缸體缸蓋鑄件焊補(bǔ)修復(fù)，我公司配備了專用的焊補(bǔ)保溫退火爐，以保證鑄件焊前升溫、焊后退火。

氣焊材料包括焊條和焊劑。熱態(tài)焊一般選用專用熱態(tài)焊鑄鐵焊條，常見(jiàn)的有HS401，價(jià)格低廉，適用于補(bǔ)焊和堆焊。焊劑可選用市售的CJ201，其熔點(diǎn)約650℃，呈堿性，能有效清除熔池中的雜質(zhì)，提高鐵液流動(dòng)性，保證焊縫質(zhì)量。

2.2 氧氣-乙炔熱態(tài)焊工藝的實(shí)施步驟

我公司的氧氣-乙炔熱態(tài)焊工藝布局如圖1所示，缸體缸蓋鑄件經(jīng)過(guò)預(yù)熱、加熱、保溫后進(jìn)行焊補(bǔ)，然后進(jìn)行去應(yīng)力退火。

圖1 氧氣-乙炔熱態(tài)焊工藝布局圖

（1）鑄件預(yù)熱：進(jìn)爐溫度低于200℃，升溫速度約100℃/h，溫度達(dá)到600℃左右開(kāi)始焊補(bǔ)。

（2）鑄件焊補(bǔ)：用火焰往復(fù)加熱缺陷區(qū)域,當(dāng)加熱至開(kāi)始熔化時(shí),將焊條一端加熱,蘸上少許焊劑,在熔化的區(qū)域“摩擦”或攪拌,使焊條熔滴金屬與基體金屬熔合。

（3）鑄件退火：焊補(bǔ)后需要在530℃下加熱保溫3～5h，出爐溫度應(yīng)低于200℃。

單個(gè)鑄件焊補(bǔ)時(shí)間不允許超過(guò)7min，缺陷較大要重新加熱鑄件多次焊補(bǔ)，焊補(bǔ)次數(shù)不超過(guò)3次。

2.3 氧氣-乙炔熱態(tài)焊工藝的適用性

氧氣-乙炔熱態(tài)焊工藝的的焊點(diǎn)硬度較小，適用于加工，較電弧冷態(tài)焊相比，氧氣-乙炔熱態(tài)焊工藝在發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件的應(yīng)用更為頻繁。

一般情況下，除了缸體缸蓋受熱面、耐疲勞面以及應(yīng)力集中敏感區(qū)域不能焊補(bǔ)外，其他區(qū)域均可焊補(bǔ)，但是面積最好不要超過(guò)4cm2，深度不超過(guò)壁厚的三分之一。圖2 為氧氣-乙炔熱態(tài)焊工藝焊補(bǔ)的缸體鑄件。

我院通過(guò)對(duì)2010年2月～2018年4月我院收治的56例股骨頸骨折患者進(jìn)行研究，得出觀察組患者的護(hù)理總有效率為96.43%，而對(duì)照組護(hù)理總有效率為64.29%，觀察組患者的護(hù)理效果明顯優(yōu)于對(duì)照組；觀察組的護(hù)理滿意度為100%，明顯高于對(duì)照組的護(hù)理滿意度（60.71%%），組間差異明顯，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

圖2 缸體鑄件焊補(bǔ)效果圖

3 冷焊

冷焊是通過(guò)微電瞬間放電產(chǎn)生的高熱能將專用焊絲熔覆到工件的破損部位，與原有基材牢固熔接。

因冷焊的變形量較小，焊補(bǔ)薄板不易變形，并且冷焊的焊道呈白亮色等優(yōu)點(diǎn)，被熱加工行業(yè)推崇，在我公司常用于加工后的缸體缸蓋缺陷的修補(bǔ)。

3.1 冷焊所需的裝備與材料

冷焊機(jī)、鑄鐵電焊條、保護(hù)氣體（氬氣）。

3.2 冷焊工藝的實(shí)施步驟

（1）鑄件清理：焊補(bǔ)前必須打坡口，清理鑄件內(nèi)部夾砂、夾渣等雜質(zhì)。

（2）鑄件焊補(bǔ)：根據(jù)缺陷形態(tài)及大小，適當(dāng)調(diào)整冷焊機(jī)設(shè)備參數(shù)，如頻率、電壓及百分比等參數(shù)。按照?qǐng)D3 中的方式堆焊。

圖3 堆焊操作示意圖

（3）鑄件精修：焊補(bǔ)后，利用砂紙和拋光砂輪修復(fù)整理作業(yè)表面，保證作業(yè)面高度在要去范圍內(nèi)。檢查色差及表面是否存在氣孔缺陷。

（4）鑄件檢驗(yàn)：焊補(bǔ)后加工面硬度超過(guò)要求10%以內(nèi)可正常使用，硬度超標(biāo)需做報(bào)廢處理。焊補(bǔ)后，加工面高度必須在要求范圍內(nèi)。焊補(bǔ)位置的材料和基本材料之間應(yīng)無(wú)明顯色澤區(qū)別。

3.3 冷焊工藝的適用性

缸體缸蓋加工面和非加工面出現(xiàn)的砂眼、損傷、氣孔等缺陷，都可以使用冷焊工藝進(jìn)行修復(fù)。但因缺陷過(guò)大，修復(fù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)增大鑄件硬度，所以缺陷不易過(guò)大。因?yàn)槿毕菸恢?、深度等影響裝配性能的情況，不允許修復(fù)。

缸孔、挺桿孔、瓦口、凸輪軸孔及主螺栓孔周圍因受力大而不允許冷焊。根據(jù)缸體缸蓋性能需求，各產(chǎn)品允許焊補(bǔ)的位置不同?？梢赃M(jìn)行冷焊的空洞類缺陷最低要求：最大輪廓尺寸≤1/3 凸臺(tái)面積，深度≤1/2 凸臺(tái)高度。其他位置缺陷深度≤1/2鑄件壁厚。

4 刷鍍

刷鍍工藝是一個(gè)電化學(xué)還原過(guò)程，是將金屬離子一層層鍍到鑄件缺料部位的工藝。刷鍍的工作原理如圖4 所示，陽(yáng)極鍍筆接電源正極，鑄件接電源負(fù)極，刷鍍時(shí)浸滿鍍液的鍍筆在運(yùn)動(dòng)的情況下接觸鑄件，組成一個(gè)電子回路，鍍液中的金屬離子沉淀在陰極鑄件表面，使鑄件缺料部位獲得刷鍍層[1]。

圖4 刷鍍工藝原理簡(jiǎn)圖

4.1 刷鍍工藝所需的裝備與材料

刷鍍工藝所需的主要裝備包括電源和鍍筆。電源方式為直流，常用電壓范圍為0～30V。鍍筆的形狀和尺寸依據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)制作，常用的材料為石墨；在石墨陽(yáng)極上包扎脫脂棉包套，用于儲(chǔ)存電鍍液，防止兩極接觸產(chǎn)生電弧燒傷零件表面和防止陽(yáng)極石墨粒子脫落污染電鍍液。

刷鍍工藝使用的主要材料為各種電凈液、活化液和金屬鍍液。電凈液和活化液用于鑄件表面油污、氧化膜等雜質(zhì)，金屬鍍液用于刷鍍金屬層。

4.2 刷鍍工藝的實(shí)施步驟

刷鍍工藝的基本工序包括零件表面修整、鍍筆制作、電凈處理、活化處理、刷鍍金屬層。

（1）表面修整：如果缸體缸蓋零部件需鍍表面為加工面，在鍍前應(yīng)加工達(dá)到形位精度和表面粗糙度要求；如果需鍍表面為非加工面，應(yīng)先用鋼絲刷等工具打磨圓整。使用丙酮清洗待鍍表面。

（2）鍍筆制作：按需用鍍液種類，每種準(zhǔn)備一支專用鍍筆。

（3）電凈處理：用電凈液通電以鍍筆涂刷，使表面殘留油膜解離，經(jīng)皂化去除鑄件表面油污。常用電凈液的配比見(jiàn)表1，該電凈液的除油效果好，尤其適用于鑄鐵等組織疏松材料刷鍍表面預(yù)處理。工作電壓為8～15V，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為（4～8）m／min，鑄件接電源正極。

表1 電凈液配比[2]

（4）表面活化處理：活化過(guò)程是陽(yáng)極溶解過(guò)程，對(duì)于缸體缸蓋鑄件，使用1#活化液去除氧化膜及活化疲勞層，再用2#活化液改善待鍍表面的碳化物和石墨?；罨号浔纫?jiàn)表2 和表3。

表2 1#活化液配比[2]

表3 2#活化液配比[2]

1#活化液對(duì)基體腐蝕快，尤其適用于灰口鑄鐵的活化處理，也可用于去除金屬毛刺和剝蝕鍍層?；罨ぷ麟妷簽?～14V，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為（6～10）m／min，鑄件接電源正極。

2#活化液對(duì)鐵素體基體的作用較弱，而對(duì)碳化物的作用很強(qiáng)。主要用于去除鑄鐵等材料經(jīng)1#活化液活化后表面出現(xiàn)的炭黑層，以提高鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。活化工作電壓為10～25V，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為（6～8）m／min，鑄件接電源正極。

（5）刷過(guò)渡層：經(jīng)活化工序后，立即刷鍍堿銅等作為過(guò)渡層，厚度一般為2～5μm。專用刷鍍筆接正極，鍍液預(yù)熱至50℃為宜。刷鍍工作電壓8～14V，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（6～12）m/min，鑄件接電源負(fù)極。鍍后必須用水將殘液洗凈[3]。

（6）刷鍍工作層：鍍液預(yù)熱至50℃，一般選用鎳，每次刷鍍工作層的厚度為（0.3～0.5）mm。刷鍍工作電壓8～14V，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（6～12）m/min，鑄件接電源負(fù)極。

零件鍍完后，用清水沖凈表面殘留物，清除毛刺、修整邊角，并進(jìn)行防銹處理。

4.3 刷鍍工藝的適用性

刷鍍工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、不受零件尺寸的限制；鍍層厚度可控制，修復(fù)后一般不需要加工。目前市場(chǎng)上高端的刷鍍技術(shù)具有壟斷性，成本較高，主要用于修復(fù)加工后的鑄件，特別適用于加工后的缸體缸蓋鑄件存在的鑄孔偏、密封不住的情況以及加工后尺寸超差現(xiàn)象，這些鑄孔或超差尺寸部位一般不承受大的壓力和拉力，刷鍍區(qū)域的性能可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)功能。圖5 為刷鍍工藝修復(fù)后的缸體鑄孔和缸蓋加工超差孔。

圖5 鑄孔刷鍍效果圖

5 浸滲

浸滲是通過(guò)真空加壓的方法，使浸滲膠液浸入鑄件疏松、氣孔等缺陷內(nèi)部，經(jīng)過(guò)固化，填充鑄件微孔的一種工藝。該工藝可以解決泄露問(wèn)題，達(dá)到密封承壓的目的。

5.1 浸滲工藝所需的裝備與材料

要應(yīng)用浸滲技術(shù)有效地修復(fù)滲漏鑄件,關(guān)鍵在于選擇優(yōu)良的浸滲劑和制定合理的浸滲工藝。我公司選用WJJ8201 高效膠體硅酸鹽浸滲劑，該浸滲劑粘度小,浸滲效率高,使用方便。

浸滲工藝的實(shí)施一般在不同工序的工藝罐中進(jìn)行，圖6 為我公司的浸滲工藝生產(chǎn)線，浸滲工序設(shè)備型號(hào)為KDIII-1.2 真空壓力罐。

圖6 浸滲工藝生產(chǎn)線

5.2 浸滲工藝的實(shí)施步驟

為了保證浸滲效果，每次浸滲缸體缸蓋鑄件的數(shù)量不應(yīng)過(guò)多，堆積不應(yīng)太密。浸滲工藝流程主要包括脫脂、浸滲處理、鈍化、固化等。

（1）脫脂：將鑄件浸入脫脂罐清洗，去除切削液等油跡。脫脂液采用1%金屬清洗劑配制而成，脫脂前需將脫脂液加熱至50～60℃；脫脂后需將鑄件放入清洗罐中清洗，去除殘留脫脂液，再用風(fēng)管將鑄件內(nèi)部的殘留水吹出。

（2）浸滲處理：將浸滲罐抽真空，加入浸滲夜，再次抽真空后加壓，加壓壓力4.5×105Pa，保壓時(shí)間40min。浸滲后的鑄件需要控出殘留在鑄件內(nèi)的殘液，經(jīng)清洗罐清洗并吹干。

（3）鈍化：鑄件在鈍化罐中鈍化2～3min。鈍化液由5%防銹劑配制而成，鈍化后的鑄件需吹干。

（4）固化：在固化罐中加熱使浸滲膠液固化，固化溫度80～85℃，保溫2～3h。

固化出爐空冷至常溫后方可進(jìn)行重復(fù)浸滲，缸蓋要求浸滲三遍、缸體要求浸滲兩遍。浸滲后鑄件須滿足氣密性要求，在驗(yàn)收氣密試驗(yàn)中發(fā)生滲漏的鑄件直接報(bào)廢處理。

5.3 浸滲工藝的適用性

浸滲處理適用于缸體缸蓋鑄件加工后經(jīng)過(guò)一次打壓試驗(yàn)發(fā)生輕微泄露的情況，一般這種情況是由鑄造生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的針孔、縮松等內(nèi)部缺陷，其缺陷孔徑≤0.3mm。

6 鑄鐵修補(bǔ)劑

鑄鐵修補(bǔ)劑一般是由鐵粉為填充劑組成的雙組份環(huán)氧修補(bǔ)劑，呈膠泥狀。修復(fù)后顏色與基材基本一致，具有很高的強(qiáng)度以及耐磨抗蝕與耐老化特性，修補(bǔ)后零部件可在（-50～100）℃左右的溫度下工作。

不同種類的鑄鐵修補(bǔ)劑用法不同，但大致一樣。以我公司使用的可賽新TS105 鑄鐵修補(bǔ)劑為例，修復(fù)步驟如下：

（1）鑄件表面處理：對(duì)待修表面進(jìn)行粗化處理并用清洗劑進(jìn)行清洗。

（2）修補(bǔ)劑配制：將組份A 和B 按質(zhì)量比7:1或體積比4:1 混合均勻，并在規(guī)定操作時(shí)限內(nèi)用完。

（3）涂敷：將混合好的材料逐層涂敷于待修部位，要壓實(shí)，使之與基材充分浸潤(rùn)。0.5h 后使用紗布打磨平整。

一般固化8h 后投入使用，若溫度低,應(yīng)采用加熱或延長(zhǎng)固化時(shí)間來(lái)促進(jìn)固化。適用于缸體缸蓋鑄件不需要后續(xù)加工且沒(méi)有特殊強(qiáng)度硬度要求的部位，缺陷范圍一般在3～5mm 以內(nèi)。圖7 為使用鑄鐵修補(bǔ)劑修復(fù)后的缸體。

圖7 氣缸體修復(fù)效果圖

7 結(jié)論

上述缸體缸蓋修復(fù)工藝是我公司常用的鑄件挽救手段，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，鑄件加工投料前修復(fù)數(shù)量占到內(nèi)部廢品率的40%，加工后修復(fù)數(shù)量占到外部廢品率的30%。

（1）電弧冷態(tài)焊和鑄鐵修補(bǔ)劑修復(fù)工藝都適用于鑄件外部面積較小的缺陷，相比而言，鑄鐵修補(bǔ)劑更加簡(jiǎn)單、安全、環(huán)保，正在逐步取代電弧冷態(tài)焊修復(fù)技術(shù)。

（2）隨著焊補(bǔ)保溫爐設(shè)備配套以及焊條、焊劑材料技術(shù)變革，氧氣-乙炔熱態(tài)焊成為缸體缸蓋鑄件加工前應(yīng)用最廣泛的修復(fù)技術(shù)。

（3）冷焊可以用于加工后的空洞類缺陷的修復(fù)。

（4）目前刷鍍技術(shù)僅用于缸體缸蓋鑄孔偏、非關(guān)鍵部位氣孔缺料等缺陷修復(fù)，不能用于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸孔、缸套孔等受力承壓關(guān)鍵部位的修復(fù)。

（5）經(jīng)驗(yàn)證明，浸滲修復(fù)工藝更適合于修復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋等較小尺寸的鑄件，該工藝對(duì)缸體等較大尺寸鑄件的修復(fù)成功率略低。