矿用磨损链轮堆焊再制造修复及修复后性能的学习体会

再制造修复的工程意义与技术路线

本文发表于《机械工程材料》2025年第49卷第11期，由兰州石化职业技术大学完成。矿用链轮作为矿山提升系统的关键传动部件，长期承受重载、冲击和磨粒磨损的综合作用，其齿面磨损后齿形精度下降、啮合性能恶化，严重时会导致断齿和系统失效。传统的更换新链轮成本高昂且周期长，堆焊再制造修复技术为这一工程难题提供了经济有效的解决方案。

本文的技术路线清晰：采用富氩气体保护焊对40CrNiMoA中碳调质钢链轮磨损表面进行双层堆焊修复，先堆焊10 mm厚JM100结构钢过渡层并进行400℃保温2～3 h回火处理，再堆焊10～15 mm厚YD256耐磨药芯焊丝耐磨层，最后对堆焊修复试样进行350℃×3 h回火处理。这一工艺路线的设计体现了对焊接冶金学的深刻理解。

双层堆焊方案的冶金学原理

40CrNiMoA钢是一种典型的中碳调质钢，含碳量约0.40%～0.50%，经调质处理后具有优良的综合力学性能，但其碳当量较高（CE≈0.55%～0.65%），焊接性较差，直接堆焊耐磨层容易产生冷裂纹和淬硬组织。

JM100结构钢焊丝作为过渡层材料的选择体现了工程智慧。JM100是一种低碳结构钢焊丝（含碳量约0.10%～0.20%），其低碳含量能有效降低熔合区的碳当量，避免高碳马氏体组织的形成。过渡层堆焊后进行400℃回火处理，目的是消除堆焊过程中的焊接残余应力，降低熔合区的硬度，改善焊接接头的韧性。

YD256耐磨药芯焊丝是一种高碳高铬铸铁型药芯焊丝，其堆焊层硬度可达HRC 50～60，具有优异的耐磨性。耐磨层堆焊后进行350℃×3 h回火处理，是在硬度和韧性之间寻求平衡的折中方案——回火温度过低则硬度虽高但脆性大，过高则耐磨性下降。

修复后性能的系统评价

本文通过显微组织、硬度、拉伸性能、冲击性能和耐磨性能五个维度对修复链轮进行了全面评价，并与未磨损新链轮进行了对比，数据令人振奋。

修复后硬度提高9.6%，这主要归因于耐磨层中高碳高铬成分带来的碳化物强化效应。抗拉强度提高11.8%，说明堆焊修复不仅恢复了链轮的承载能力，甚至超过了原始状态。冲击功提高26.4%是本文最令人关注的结果之一——在耐磨性显著提升的同时，韧性不降反升，这归功于合理的回火工艺参数选择。

耐磨性能方面，修复链轮的摩擦磨损质量损失仅为新链轮的32%，磨粒磨损质量损失仅为新链轮的24%，表明YD256耐磨层的耐磨性远超40CrNiMoA基体材料。这一结果在矿山重载工况下具有重要的工程价值，意味着修复后的链轮使用寿命可能显著延长。

金相组织的微观分析

过渡层由大量针状铁素体和少量片状珠光体组成，晶粒细小且分布均匀。针状铁素体组织是低碳钢在中等冷却速度下形成的典型组织，具有良好的韧性和焊接性，这正是过渡层所需要的组织特征。

耐磨层由铁素体、珠光体、回火马氏体和颗粒状碳化物组成。颗粒状碳化物是YD256耐磨层的主要强化相，其均匀分布的颗粒状形态（而非网状或带状）有利于提高耐磨性和抗冲击能力。回火马氏体的存在说明回火处理效果良好，原始淬火马氏体的脆性得到了有效消除。

工程实践中的关键控制点

从工程实践角度，我认为本文的工艺方案有几个关键控制点值得重点关注：

第一，过渡层与耐磨层的厚度比例。10 mm过渡层加10～15 mm耐磨层的比例约为1:1至1:1.5，这一比例在确保过渡效果的同时最大化了耐磨层的贡献。在实际操作中，如果链轮磨损量较大，耐磨层厚度可适当增加，但过渡层厚度不宜减薄，否则过渡效果不足。

第二，中间回火与最终回火的温度差异。400℃中间回火和350℃最终回火的温度梯度设计是有深意的——中间回火温度较高，目的是充分消除过渡层中的焊接残余应力；最终回火温度较低，目的是在保持耐磨层硬度的同时改善韧性。

第三，堆焊层与母材的冶金结合质量。本文报告无气孔、裂纹等缺陷，这说明焊接工艺参数和预热温度的选择是合理的。40CrNiMoA钢的预热温度通常需要控制在150～200℃，以防止冷裂纹的产生。

总体而言，本文的研究为矿用链轮的再制造修复提供了完整的技术方案和性能数据支撑，证明了堆焊再制造技术不仅能恢复链轮的使用性能，还能在某些指标上超越原始状态，这对于推动矿山设备的绿色再制造具有重要的参考价值。