生产技术
零件修复中的应用
钟绍明 周 全 刘继全 龙志松
（二重集团（德阳）精衡传动设备有限公司，四川６１８０００）
摘要：我公司生产的某轧机鼓形齿联轴器中的渗碳淬火内齿套，在半精加工过程中扁孔尺寸没留渗碳淬火后加工余量，后用ＣＨＥ８５７ＣｒＮｉ焊条对该内齿套扁头实施堆焊，再进行渗碳淬火。渗碳淬火后经ＭＴ、ＵＴ检测均满足图纸技术要求。 关键词：内齿套；ＣＨＥ８５７ＣｒＮｉ焊条；堆焊；渗碳淬火
中图分类号：ＴＧ１５６．８ 文献标志码：Ｂ
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＣＨＥ８５７ＣｒＮｉＷｅｌｄｉｎｇＲｏｄｉｎｔｈｅ
ＲｅｐａｉｒｏｆＣａｒｂｕｒｉｚｉｎｇａｎｄＱｕｅｎｃｈｉｎｇＰａｒｔｓ
ＺｈｏｎｇＳｈａｏｍｉｎｇ，ＺｈｏｕＱｕａｎ，ＬｉｕＪｉｑｕａｎ，ＬｏｎｇＺｈｉｓｏｎｇＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇａｎｄｑｕｅｎｃｈｉｎｇｉｎｎｅｒｔｏｏｔｈｓｌｅｅｖｅｉｎｄｒｕｍｔｏｏｔｈｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆａｍｉｌｌｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｏｕｒｃｏｍｐａｎｙ，ｔｈｅｒｅｉｓｎ＇ｔｍａｃｈｉｎｉｎｇａｌｌｏｗａｎｃｅａｆｔｅｒｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇａｎｄｑｕｅｎｃｈｉｎｇｆｏｒｆｌａｔｈｏｌｅｓｉｚｅｉｎｓｅｍｉ－ｆｉｎｉｓｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｓｏｔｈｅｒｅｐａｉｒｗｅｌｄｉｎｇｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｆｏｒｔｈｅｆｌａｔｈｅａｄｏｆｉｎｎｅｒｔｏｏｔｈｓｌｅｅｖｅｂｙＣＨＥ８５７ＣｒＮｉｗｅｌｄｉｎｇｒｏｄａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｃａｒ－ｂｕｒｉｚｉｎｇａｎｄｑｕｅｎｃｈｉｎｇｉｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．ＴｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆＭＴａｎｄＵＴａｆｔｅｒｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇａｎｄｑｕｅｎｃｈｉｎｇｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｔｅｃｈ－ｎｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｉｎｄｒａｗｉｎｇ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｎｅｒｔｏｏｔｈｓｌｅｅｖｅ；ＣＨＥ８５７ＣｒＮｉｗｅｌｄｉｎｇｒｏｄ；ｒｅｐａｉｒｗｅｌｄｉｎｇ；ｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇａｎｄｑｕｅｎｃｈｉｎｇ
鼓形齿联轴器的结构紧凑、扭矩大、传递效率高，有径向和轴向位移、角度补偿等功能，具有传动平稳、噪声小、转速高、使用寿命长等优点，广泛应用于钢铁冶金轧机主传动装置中［１］。鼓形齿联轴器中的重要部件内齿套渗碳淬火半精加工图如图１。
内齿套齿部与鼓形齿轴套连接，扁头部分与轧辊扁头连接，实现动力传输。在传输过程中，扁头要发生径向窜动，而轧辊扁头径向不发生运动。当内齿套扁孔磨损较大后，内齿套和轧辊扁头间隙增大，运动过程中震动、噪声增大，磨损严重的甚至会对整个鼓形齿联轴器造成破坏。国外鼓形齿联轴器中主要传动部件均采用渗碳淬火提高传动部件使用寿命。２００２年我公司成功地解决了内齿套等齿部渗碳淬火后精加工问题，实现了该产品的全部国产化。内齿套采用１７Ｃｒ２Ｎｉ２Ｍｏ材料渗碳淬火，实现扁头和齿部的硬化，提高内齿套的使用寿命。内齿套主要加工工序是：毛坯→粗车→无损检测→半精加工→渗碳、淬火→精车→精插齿→精铣扁头。
收稿日期
：２０１４—０７—１８
图１内齿套渗碳淬火前半精加工图
Ｆｉｇｕｒｅ１ Ｓｅｍｉ－ｆｉｎｉｓｈｉｎｇｏｆｉｎｎｅｒｔｏｏｔｈｓｌｅｅｖｅ
ｂｅｆｏｒｅｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇａｎｄｑｕｅｎｃｈｉｎｇ
最近，我公司在半精加工过程中，某轧机主传动装置６件内齿套扁孔尺寸出现了加工错误，未
留渗碳淬火余量，扁头部位渗碳淬火后变形将不
能满足精加工尺寸要求，产品面临批量报废的风
险。为尽量降低损失，公司成立质量攻关组，研究
解决办法。
１ 解决办法分析
零件尺寸超差常用的解决办法有：①修改装配相关零件尺寸，满足装配公差要求；②加工衬
板，采用螺栓连接后保证装配尺寸公差；③堆焊。
由于本文中需要修复的内齿套装配相关零件已精
３３枟大型铸锻件枠Ｎｏ．２ＨＥＡＶＹＣＡＳＴＩＮＧＡＮＤＦＯＲＧＩＮＧＭａｒｃｈ２０１５
加工完成，无法通过修改相关装配零件尺寸满足装配公差，该方案排除。若采用镶衬板解决方案，需要对内齿套结构进行改变，将扁头部分继续减薄，加工后采用螺栓将衬板把合在内齿套上，内齿套扁头强度有所降低，影响内齿套使用寿命。焊接方案在国内此类渗碳淬火件上实施成功的案例不多，质量不稳定。若采用堆焊方案，需采用堆焊硬质合金层保证扁头硬度。焊接是一种局部的不均匀加热和冷却过程，焊缝及其附及地区的金属被加热到可熔化状态，然后逐步冷却、凝固、相变直至常温。在这一热循环作用下，由于局部瞬时的热胀和冷缩作用，会使结构中产生复杂的应力状态。焊接应力会使焊接结构产生裂纹（包括热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂等）［２］
。综合分析，堆焊是简洁、成本较低的修复方案，但实施难度大，对焊材选型、焊接过程和后续渗碳淬火工艺等要求极高。
由于本批次零件是采用渗碳淬火工艺，淬火后的回火温度在１８０～２２０℃，属于低温回火。若在渗碳淬火后采用硬质合金层补焊，则因低温回火温度不能消除焊接应力，使得扁头与圆弧交接处易产
生层状撕裂；若在渗碳前进行堆焊，在经９２５℃的高温渗碳后，能否保证渗碳淬火后扁头堆焊层硬度又是一个问题。资料［３］表明低碳合金
结构钢１７Ｃｒ２Ｎｉ２Ｍｏ堆焊后仍具有良好的力学性能，但缺乏对堆焊层进行渗碳淬火后金相组织和硬度的研究。借鉴文献［４］对渗碳淬火零件表面激光熔凝后的组织特性的研究，攻关组采用ＣＨＥ８５７ＣｒＮｉ焊条对扁头试样进行堆焊修复的试验，最后再将成功的技术移植到正式产品件的修复。
２ 试验方案及结果分析
２．１堆焊材料选择及堆焊试验
借鉴参考文献［５、６］齿轮补焊工艺的研究，首先考虑焊条化学成分和强度与母材相近的ＣＨＥ８５７ＣｒＮｉ焊条，焊条中锰是重要的淬透性元
素，对焊缝金属的韧性有很大影响。锰含量在１．５％附近时焊缝金属有最好的韧性。镍的作用与锰相似，较锰作用弱，与锰共存时，镍更有利于针状铁素体的形成，先共析铁素体减少，组织进一步细化，在低碳低硫含量的条件下，镍对提高金属韧性是有利的。锰和镍都能提高钢材的淬透性，且随着锰和镍含量的增加，焊补金属的强度、硬度也随之提高，当锰含量在１．５％左右、镍含量在１．３
％左右时韧性最好。ＣＨＥ８５７ＣｒＮｉ焊条化学成分及力学性能如表１所示，修复件内齿套化学成分及力学性能要求如表２所示。
表１ ＣＨＥ８５７ＣｒＮｉ焊条化学成分及力学性能
Ｔａｂｌｅ１ ＣｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣＨＥ８５７ＣｒＮｉｗｅｌｄｉｎｇｒｏｄ
化学成分（质量分数，％）Ｃ
Ｍｎ
Ｓｉ
Ｃｒ
Ｍｏ
Ｎｉ
Ｖ
Ｓ
Ｐ
Ｒｍ／
ＭＰａＲｅｌ／
wsrd
ＭＰａＡ５（％）Ａｋｖ／Ｊ
≤０．１１．３～
２．２５≤
０．６０．３～１．５０．３～
０．５５１．７５～
２．５≤
０．０５≤
０．０３≤
０．０３
≥
８３０≥７４０≥１２
≥２７表２ 内齿套化学成分及力学性能要求
Ｔａｂｌｅ２ Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｉｎｎｅｒｔｏｏｔｈｓｌｅｅｖｅ
化学成分（质量分数，％）Ｃ
Ｍｎ
Ｓｉ
Ｃｒ
Ｍｏ
Ｎｉ
水泥电阻器
Ｖ
Ｓ
Ｐ
彩印业务Ｒｍ／
ＭＰａＲｅｌ／
ＭＰａＡ５（％）ＡｋＤＶＭ
／Ｊ
０．１５～０．２１０．５～
０．９≤
０．４１．５～１．８０．２５～
０．３５１．４～
１．７≤
０．０５≤蜂巢发动机
０．０３≤
０．０３
≥
９８０≥６８０≥８
≥４１ 认真分析，该焊条在母体上能实现良好的焊
接质量。本试验采用两件与内齿套力学性能和化学成分一致的除８０ｍｍ×８０ｍｍ直径试样（本体试块）进行堆焊，堆焊示意图如图２所示。试样１和试样２采用试验电炉进行９３０℃／４ｈ空冷＋６５０℃／８ｈ正回火处理。试样１用于分析堆焊后正回火金相组织，试样２按图３所示工艺曲线随炉进行渗碳淬火后进行取试，再进行表面硬度测图２ 试样堆焊层及渗碳淬火后取试示意图
Ｆｉｇｕｒｅ２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｒａｗｉｎｇｏｆｓｕｒｆａｃｉｎｇｌａｙｅｒｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎ
ａｎｄｓａｍｐｌｉｎｇａｆｔｅｒｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇａｎｄｑｕｅｎｃｈｉｎｇ
４
３Ｎｏ．２
枟大型铸锻件枠
Ｍａｒｃｈ２０１５ＨＥＡＶＹＣＡＳＴＩＮＧＡＮＤＦＯＲＧＩＮＧ
图３ 渗碳淬火工艺曲线
Ｆｉｇｕｒｅ３ Ｔｈｅｃｕｒｖｅｏｆｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ
ａｎｄｑｕｅｎｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ
图４ 堆焊层正回火后组织５００×Ｆｉｇｕｒｅ４ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｕｒｆａｃｉｎｇｌａｙｅｒａｆｔｅｒｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇａｎｄｔｅｍｐｅｒｉｎｇ５００×
图５ 堆焊层正回火后组织１００×Ｆｉｇｕｒｅ５ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｕｒｆａｃｉｎｇｌａｙｅｒａｆｔｅｒｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇａｎｄｔｅｍｐｅｒｉｎｇ１００×
图６ 渗碳淬火＋回火后表层Ｍ＋Ａ′５００×Ｆｉｇｕｒｅ６ Ｍ＋Ａ′ｏｎｓｕｒｆａｃｅａｆｔｅｒｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ＆ｑｕｅｎｃｈｉｎｇａｎｄｔｅｍｐｅｒｉｎｇ５００×
图７ 渗碳淬火＋回火后表层碳化物５００×Ｆｉｇｕｒｅ７ Ｃａｒｂｉｄｅｏｎｓｕｒｆａｃｅａｆｔｅｒｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ＆ｑｕｅｎｃｈｉｎｇａｎｄｔｅｍｐｅｒｉｎｇ５００×
图８ 渗碳淬火＋回火后熔合区组织５００×Ｆｉｇｕｒｅ８ Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｕｓｉｏｎｚｏｎｅａｆｔｅｒｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ＆ｑｕｅｎｃｈｉｎｇａｎｄｔｅｍｐｅｒｉｎｇ
５００×
图９ 渗碳淬火＋回火后基体组织５００×
Ｆｉｇｕｒｅ９ Ｔｈｅｍａｔｒｉｘｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｆｔｅｒｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ＆
ｑｕｅｎｃｈｉｎｇａｎｄｔｅｍｐｅｒｉｎｇ５００×
试、堆焊层渗碳淬火后金相组织分析、有效硬化层
硬度梯度测试。
２．２ 试验结果分析
２．２．１ 试样１正回火后组织及硬度测试结果
正回火后，按图２所示位置取试样１。试样１抛光并用５％硝酸酒精腐蚀后，采用ＯＬＹＭＰＵＳ
ＧＸ５１型电子显微镜观察，结果见图４、图５。
红外多点触摸屏焊缝的结晶过程中，由于冷却速度很快，化学成分来不及扩散，合金元素的分布是不均匀的，出
现所谓偏析现象，对于熔合区，这种不均匀现象更
为严重。焊后通过正回火处理，不仅起到消除焊
接应力作用，还能够改善焊接原始的铸态组织，减
少偏析，提高渗碳后的均匀性。从图４可以看到，
该焊接材料碳含量较低（≤０．１％），正回火后主
要为铁素体组织。从图５可以看到，正回火后组
织无明显偏析。采用ＨＢＳ—３０００型数显布氏硬
度计测试试样１的正回火后堆焊层、熔合区、基
体，布氏硬度分别为２０６ＨＢＷ、２３９ＨＢＷ、
２３４ＨＢＷ。熔合区和基体硬度相差不大，强度匹
配较好。
２．２．２ 试样２渗碳淬火＋回火后组织及硬度测
试结果
渗碳淬火＋回火后按图２所示位置取试。试样２抛光并用５％硝酸酒精腐蚀后，采用ＯＬＹＭ－
ＰＵＳＧＸ５１型电子显微镜观察，结果见图６～图９。
结合上述图样分析，试样２随炉渗碳淬火＋回火后表层Ｍ＋Ａ′满足ＪＢ／Ｔ６１４１．３—１９９２枟重
载齿轮渗碳层金相检验枠标准要求１级，表层碳
化物成颗粒弥散分布，表层渗碳淬火组织良好。
对于低碳钢焊缝，由于含碳量较低，故二次结晶组织主要是铁素体和少量珠光体。铁素体一般
是沿原奥氏体的基面以柱状晶向焊缝中心成长，
其晶粒粗大，甚至可出现魏氏组织。经过适当的
热处理可以消除柱状晶组织，使焊缝获得细小的
铁素体和少量珠光体。由于堆焊层为５ｍｍ，而渗
碳层深度在３ｍｍ～４ｍｍ，因此熔合区处于亚共
析区。熔合区组织为板条马氏体＋铁素体，经过
５３
枟大型铸锻件枠Ｎｏ．２
ＨＥＡＶＹＣＡＳＴＩＮＧＡＮＤＦＯＲＧＩＮＧＭａｒｃｈ２０１５
渗碳淬火后熔合区出现了少量铁素体。采用ＨＲＳＳ—１５０型数显表面洛氏硬度计测试表层、熔合区和基体硬度，分别为５８．１ＨＲＣ、３７．５ＨＲＣ、３９．８ＨＲＣ。表面硬度满足图纸硬度要求，熔合区硬度略低于基体淬火后硬度，但满足图纸强度要求。用ＡＡＶ－５００维氏硬度试验机测试渗碳淬火后有效硬化层梯度曲线如图１０所示，距离表面３．３ｍｍ处的维氏硬度为５５０ＨＶ３，满足图纸技术
要求。
图１０ 堆焊层渗碳淬火＋回火后有效硬化层梯度曲线
Ｆｉｇｕｒｅ１０ Ｔｈｅｇｒａｄｉｅｎｔｃｕｒｖｅｏｆｅｆｆｅｃｔｉｖｅｈａｒｄｅｎｉｎｇ
ｌａｙｅｒａｆｔｅｒｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ＆ｑｕｅｎｃｈｉｎｇａｎｄ
ｔｅｍｐｅｒｉｎｇｆｏｒｓｕｒｆａｃｉｎｇｌａｙｅｒ
３ 渗碳淬火零件修复应用
通过上述试验，１７Ｃｒ２Ｎｉ２Ｍｏ试块采用ＣＨＥ８５７ＣｒＮｉ焊条堆焊后，进行渗碳淬火＋回火，内部金相组织、硬度、有效硬化层深度均满足图纸技术要求。在以上试验的基础上，我们采用ＣＨＥ８５７ＣｒＮｉ焊条对６件尺寸加工错误的内齿套按照堆焊→正回火→半精加工→ＭＴ、ＵＴ检测→渗碳淬火＋回火→硬度检查→精加工→ＭＴ、ＵＴ检测→交检入库的方案进行修复。精加工后对内齿套扁头部位进行硬度检查、ＭＴ检测、ＵＴ检测，均满足图纸技术要求。
冶轧产品中，时常会出现渗碳淬火零件半精加工时尺寸加工超差、挖刀等加工错误。造成零件渗碳淬火后无加工余量而报废。由于冶轧产品重量较大，报废造成的经济损失也较大。对于普通零件的加工缺肉问题，堆焊是一种常用的简单、成本较低的修复方案。但对于渗碳淬火零件，堆焊修复后还要保
证堆焊层的硬度和一定的强度匹
配性，受渗碳淬火工艺的限制，采用常规的堆焊修复有一定的局限性。为保证零件渗碳淬火后硬度要求，渗碳淬火后常采用１８０～２２０℃低温回火工艺。若在渗碳淬火后进行补焊，由于渗碳面已处于较高碳浓度，补焊后又只能进行低温消除应力，容易产生层状撕裂；若在渗碳淬火前进行补焊，往往又无法保证堆焊层的硬度。通过本文的研究与实践，ＣＨＥ８５７ＣｒＮｉ焊条的化学成分与常用渗碳钢的化学成分相近，堆焊后具有较好的强度匹配性，堆焊层渗碳淬火质量良好。因此，对于渗碳淬火半精加工尺寸超差的零件可借鉴本次成功经验进行修复，这将大大节省毛坯费用和生产周期，并保证零件修复后的耐磨性和使用寿命。４ 结论
本文对１７Ｃｒ２Ｎｉ２Ｍｏ试块采用ＣＨＥ８５７ＣｒＮｉ焊条进行堆焊试验，就焊缝、过渡区经正火、回火预处理后的组织进行了检查，然后再进行渗碳淬火处理，并对渗碳淬火后渗碳层的金相组织、表面硬度、有效硬化层梯度和堆焊层的渗碳淬火质量进行了检测，试验结果各项指标均达到要求。在试验的基础上，采用ＣＨＥ８５７ＣｒＮｉ焊条堆焊后再渗碳淬火的方案成功修复了６件加工错误的内齿套。
实践表明，ＣＨＥ８５７ＣｒＮｉ焊条与常用的１７Ｃｒ２Ｎｉ２Ｍｏ渗碳钢具有较好的强度匹配性，堆焊后表层渗碳淬火质量良好，可用于渗碳淬火零件半精加工尺寸缺失加工余量的修复。对于轴类、板类、十字轴等渗碳零件磨损后的修复也提供了一种参考方案。
参考文献
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编辑 傅冬梅
６
３Ｎｏ．２
枟大型铸锻件枠
Ｍａｒｃｈ２０１５ＨＥＡＶＹＣＡＳＴＩＮＧＡＮＤＦＯＲＧＩＮＧ
CHE857 CrNi 焊条在渗碳淬火零件修复中的应用
作者：钟绍明， 周全， 刘继全， 龙志松， Zhong Shaoming， Zhou Quan， Liu Jiquan，Long Zhisong
作者单位：二重集团 德阳 精衡传动设备有限公司，四川,618000
刊名：
大型铸锻件
英文刊名：Heavy Casting and Forging
年，卷(期)：2015(2)
引用本文格式：钟绍明.周全.刘继全.龙志松.Zhong Shaoming.Zhou Quan.Liu Jiquan.Long Zhisong CHE857 CrNi 焊条在渗碳淬火零件修复中的应用[期刊论文]-大型铸锻件 2015(2)
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