矿用磨损链轮的堆焊再制造修复及修复后性能的学习体会

文献概况与再制造技术背景

矿用链轮是矿山运输系统中的关键传动部件，长期承受高载荷、高磨损和冲击载荷的综合作用，其齿面磨损是制约矿山设备可靠运行的主要瓶颈之一。传统做法是在链轮磨损到极限后整体更换新件，但新链轮制造成本高、供货周期长，且大量仍可服役的链轮本体被废弃，造成了严重的资源浪费。

王亮等人在《机械工程材料》2025年第11期发表的这篇文献，针对矿用40CrNiMoA中碳调质钢链轮的磨损修复问题，采用富氩气体保护焊进行了双层堆焊再制造修复研究，并通过系统的性能对比验证了修复链轮的力学性能和耐磨性能。该研究不仅具有明确的工程应用价值，也为再制造技术在矿山装备领域的应用提供了数据支撑。

修复工艺方案与技术要点

双层堆焊的工艺设计逻辑

该修复方案采用了"过渡层+耐磨层"的双层堆焊策略，这一设计思路体现了再制造修复中的经典原则——通过合理的材料梯度过渡来保证修复层与母材的冶金兼容性和力学性能匹配性。

过渡层选用JM100结构钢焊丝是一个值得深入思考的技术决策。40CrNiMoA是中碳合金调质钢，其含碳量约0.37%~0.45%，淬透性良好。如果直接用高碳耐磨焊材堆焊，母材与堆焊层之间的碳当量差异过大，焊接热裂纹敏感性显著增加，且冷却过程中容易产生淬硬组织。JM100作为低碳结构钢焊丝，其碳当量与母材接近，可以有效降低焊接应力和裂纹倾向，同时为耐磨层提供一个成分过渡的缓冲带。

中间回火与最终回火的热处理策略

该修复方案中一个非常关键的工艺环节是：过渡层堆焊完成后，先进行400°C保温2~3小时的回火处理，然后再堆焊耐磨层，最后对整体试样进行350°C×3小时的回火处理。这一热处理策略体现了再制造修复中的"分段热处理"思想。

过渡层回火（400°C×2~3h）的作用：。

• 消除过渡层堆焊过程中的焊接残余应力，降低后续耐磨层堆焊时的应力叠加效应。
• 改善过渡层的热影响区组织，避免马氏体脆化组织的形成。
• 为耐磨层的堆焊提供一个应力释放的基体，减少层间裂纹风险。

最终回火（350°C×3h）的作用：。

• 消除耐磨层堆焊后的残余应力，降低链轮整体变形风险。
• 改善耐磨层的组织均匀性，提高韧性和抗冲击性能。
• 稳定堆焊层与母材的界面结合，防止服役过程中的界面脱粘。

值得注意的是，最终回火温度（350°C）低于过渡层回火温度（400°C），这是为了避免过度回火导致耐磨层硬度下降过多。耐磨层YD256的高硬度主要来自高碳马氏体和碳化物，过高的回火温度会促进碳化物的球化和聚集，导致硬度显著降低。

焊接工艺参数与熔敷效率

文献采用富氩气体保护焊（FCAW-G）进行堆焊，富氩保护气氛（通常Ar+2%~5%CO₂或Ar+2%~5%O₂）可以提高电弧稳定性、改善熔敷成形和降低飞溅率。对于10~15 mm厚耐磨层的堆焊，需要多层多道焊接，每层之间的层间温度控制和坡口清理同样重要。

修复后性能分析与评价

显微组织分析

文献对堆焊修复层的显微组织进行了详细观察，结果如下。

过渡层中大量针状铁素体的形成，说明JM100焊丝在冷却过程中经历了铁素体相变，针状铁素体的形态有利于提高韧性。耐磨层中回火马氏体和颗粒状碳化物的共存，是YD256耐磨焊丝的典型组织特征——高碳成分在快速冷却过程中形成马氏体，颗粒状碳化物（主要为M₇C₃和M₂₃C₆型）提供了耐磨性。

力学性能对比

修复链轮与未磨损新链轮的力学性能对比数据如下。

这组数据非常值得深入分析。修复链轮的硬度、强度和冲击功均优于新链轮，这一结果看似反常，实则有其合理的冶金学解释。

• 硬度提升：耐磨层YD256的硬度本身就高于40CrNiMoA母材，堆焊层的硬度自然高于基体。
• 强度提升：堆焊层的冶金结合质量良好，界面处形成了强化区，且耐磨层的高碳高合金成分提高了整体强度。
• 冲击功提升：这是最值得关注的指标。冲击功的提升说明修复链轮的韧性优于新链轮，这与过渡层的针状铁素体组织和最终回火处理密切相关。针状铁素体组织具有良好的韧性，而最终回火处理消除了残余应力，改善了组织的均匀性，两者协同作用提高了冲击韧性。

耐磨性能评价

耐磨性能是链轮修复的核心评价指标。文献通过摩擦磨损试验和磨粒磨损试验进行了对比。

修复链轮的磨损质量损失仅为新链轮的24%~32%，说明耐磨层的耐磨性能显著优于母材。磨粒磨损的改善幅度（24%）大于摩擦磨损（32%），这与耐磨层中颗粒状碳化物的存在密切相关——硬质碳化物颗粒可以有效抵抗磨粒的切削和犁沟作用。

再制造修复的工程化思考

FMEA视角下的修复质量风险

从失效模式与影响分析（FMEA）的角度来看，链轮堆焊修复可能面临以下关键风险。

再制造修复的经济性分析

再制造修复相比整体更换新件具有显著的经济优势。以矿用链轮为例，新链轮的制造成本包括原材料成本、锻造/铸造成本、机加工成本、热处理成本和表面处理成本，而堆焊修复仅需焊材成本、焊接工时成本和热处理成本。考虑到40CrNiMoA链轮的锻造和机加工成本较高，再制造修复的成本通常仅为新件的30%~50%，且修复周期远短于新件制造周期。

修复后链轮的使用寿命预测

修复链轮的使用寿命是工程应用中的核心关切。文献给出的数据表明，修复链轮的耐磨性能优于新链轮，但实际使用寿命还取决于以下因素。

• 磨损环境的稳定性：矿山运输中的磨损条件（物料硬度、粒度、湿度、载荷波动等）会显著影响磨损速率。
• 修复层厚度裕量：10~15 mm的耐磨层厚度提供了足够的磨损裕量，但在高磨损条件下仍可能较快消耗。
• 周期性维护需求：修复链轮在服役过程中可能需要定期检查和补充堆焊，建立预防性维护计划。

学习心得与启示

这篇文献给我最深的启示是：再制造修复不是简单的"焊接修补"，而是一项涉及材料选择、工艺设计、热处理策略和质量控制的系统工程。双层堆焊的"过渡层+耐磨层"策略，分段回火的热处理方案，以及全面的性能验证体系，共同构成了一个完整的再制造修复技术链。

从技术角度看，过渡层JM100的选择和最终回火温度的控制是两个关键的技术决策点。过渡层的成分匹配性直接决定了界面冶金结合质量，而回火温度的选择则需要在消除应力和保持硬度之间找到平衡。这些决策点的选择，需要基于对母材和焊材冶金特性的深入理解。

从工程应用角度看，再制造修复技术在矿山装备领域具有广阔的应用前景。矿山链轮、滚筒、托辊、刮板等部件的磨损修复，都可以采用类似的堆焊再制造技术。但需要建立标准化的修复工艺和质量评价体系，确保修复质量的可控性和一致性。

从质量管理的角度看，该文献采用的"修复前检测-修复工艺评定-修复后性能验证"的质量控制流程，体现了PDCA循环的思想——通过计划（Plan）、执行（Do）、检查（Check）和改进（Act）的循环迭代，不断提升修复质量。这种系统性的质量管理方法，值得在再制造修复领域广泛推广。

总体而言，这篇文献在工艺设计、性能验证和工程应用指导三个方面都做得较为扎实，为矿用链轮的再制造修复提供了可靠的技术方案和数据支撑。在实际应用中，建议根据具体的磨损条件和服役环境，对堆焊层材料和热处理参数进行针对性优化，并建立修复质量的在线监测和寿命预测体系，以进一步提升再制造修复的可靠性和经济性。