磨削废料在增材制造金属芯焊丝生产中的潜在利用

《Cleaner Engineering and Technology》：Potential utilization of grinding waste for metal-cored wire production in additive manufacturing

　　

本研究探讨了将磨削废料升级回收为金属芯焊丝（MCW），并通过定向能量沉积-电弧/金属（DED-Arc/M）技术用于增材制造（AM）的可行性。该废料来源于对X153CrMoV12（1.2379，AISI D2）材料进行磨削加工所产生的废弃物，X153CrMoV12是一种常用于工具制造领域的冷作工具钢。基于对回收切屑的化学成分表征，并结合增材制造中低转变温度（LTT）方法的应用，研究人员选择X36CrMoWVTi10-3-2工具钢作为升级回收的目标材料。经过对异质磨削浆料混合物进行机械和热分离后，在63-125 μm粒径范围内，磨削切屑的添加量最高可达金属芯焊丝粉末填充物的36质量%。由于残余磨料颗粒的存在，切屑组分的C和Si含量高于原始材料。研究人员使用传统金属芯焊丝和含回收物的金属芯焊丝，通过DED-Arc/M技术制备了样品。所制备的样品表现出几乎相同的性能。尽管两种材料的致密度均超过99.3%，但在回收材料中检测到了较大的孤立孔隙，这可能表明在回收过程中冷却润滑剂的分离不彻底。扫描电子显微镜检查显示微观组织相同。增材制造后未检测到磨削过程中残留的磨料颗粒。相反，在两种材料中均检测到来自金属芯焊丝的部分溶解的富W和富C颗粒，这些颗粒具有较高的液相线温度。最后，研究发现样品在沉积态下具有相同的硬度，约为540 HV10。

**论文解读：磨削废料在增材制造金属芯焊丝生产中的升级回收利用研究**

**一、研究背景与问题提出**

金属加工行业中的切削和磨削工艺虽然不可或缺，但会产生大量废弃物。仅德国每年就产生约28万吨磨削污泥，其处置需要付出巨大的经济和生态代价。与几何确定切削刃工艺产生的切屑已有广泛回收研究不同，几何不确定切削刃工艺（如磨削）产生的磨削污泥因其异质性——由铁、合金元素、磨料、油和水组成的混合物——以及切屑的形状和尺寸复杂性，其回收途径十分有限。然而，工具钢切屑含有W、Co、Mo、V和Cr等高价值关键合金元素，从生态和经济角度来看，实现材料循环闭合至关重要。

在增材制造领域，碳马氏体工具钢易产生高残余应力和冷裂纹，这是由其加工过程中高冷却速率引发的马氏体转变所致。为解决该问题，研究人员采用低转变温度（LTT）方法，即通过添加Cr、Ni和Mn等合金元素降低马氏体开始转变温度（M_S）和马氏体结束转变温度（M_F），将相变诱导塑性移至室温附近，从而降低内应力。本研究旨在以冷作工具钢X153CrMoV12的磨削污泥为原料，按照LTT概念选定热作工具钢X36CrMoWVTi10-3-2为回收目标材料，将其作为金属芯焊丝（MCW）的粉末填充物，建立一条适用于资源高效型DED-Arc/M工艺的新型回收路线。

**二、研究内容与意义**

研究人员系统研究了将磨削废料回收并用于DED-Arc/M增材制造的可行性，解决了废料回收过程中的颗粒分离、粉末流动性、焊丝制造及最终材料性能评估等关键问题。该研究发表于《Cleaner Engineering and Technology》。

**三、主要技术方法**

本研究采用的主要技术方法包括：（1）磨削污泥的机械筛分（依据ISO 4497分级为六个粒径范围）与磁选分离，去除SiC和Al₂O₃磨料颗粒；（2）使用真空管式炉将切屑固结后进行光电直读光谱仪（OES）化学成分分析；（3）采用自制旋转鼓法测定粉末的安息角、依据ISO 3953和ISO 3923-1测定振实密度和松装密度并计算豪斯纳比评价流动性；（4）通过CALPHAD方法（Thermo-Calc^? 2025a，TCFE13与MOBFE数据库）进行热力学计算，采用Scheil-Gulliver模型模拟凝固路径并计算M_S/M_F温度。金属芯焊丝由德国DURUM Verschleiβschutz GmbH公司生产，经轧制、拉拔至直径2.0 mm，回收材料焊丝在350 °C热处理5 h（标记为REC），传统焊丝在220 °C热处理5 h（标记为REF）。样品采用配备Continuum 500气体金属弧焊（GMAW）电源的DED-Arc/M系统制造，使用Ar+2.2% O₂保护气体，直流反极性（DCEP）条件。

**四、研究结果**

**（一）磨削切屑的回收与原料表征**

回收材料经干燥后仍存在直径达30 mm的团聚体，切屑呈钩状、卷曲状及部分螺旋状几何形貌，促进了机械互锁和稳定团聚。磁选后仍残留9.94±0.36质量%的磨料颗粒，其中125-500 μm范围内磨料含量最高（8.18±0.36质量%）。磨削切屑主要分布在63-125 μm（27.13±0.36质量%）和125-250 μm（24.72±0.91质量%）区间。OES分析表明，回收切屑的C和Si含量升高、Mn含量降低，这归因于残余SiC磨料在高温下溶解以及Mn在高温下的蒸发损失。

**（二）粉末流动性**

旋转鼓法测定显示，63-125 μm切屑级分具有最低的安息角，但总体流动性仍较差。添加铁合金后，<45 μm和63-125 μm混合物的豪斯纳因子分别从1.47降至1.32、从1.49降至1.24，流动性由极差改善为可接受或一般。铁合金占比64质量%是其流动性改善的主要原因。

**（三）金属芯焊丝的可制造性**

尽管切屑-铁合金混合物的流动性不及纯铁合金，但仍成功制造出含36质量%回收磨削切屑的直径2.0 mm金属芯焊丝。与常规制造相比需增加额外的压实工序。220 °C热处理的焊丝（REC220）焊接时产生大量气孔，表明残留油/冷却润滑剂未被充分去除；提高热处理温度至350 °C（REC）后焊接质量显著改善。

**（四）增材制造样品的验证**

化学成分：REC和REF制造样品的化学成分差异甚微，Si和Mn含量均高于目标成分（焊丝设计时考虑了焊接烧损的过合金化补偿）。

微观组织：两种材料的致密度均超过99.3%，但REC样品的致密度较REF低约0.2-0.3%。Scheil-Gulliver模拟结合相图分析表明，合金凝固路径为：L→L+δ-Fe→L+δ-Fe+MC→L+δ-Fe+γ-Fe+MC→L+γ-Fe+MC→L+γ-Fe+MC+M₆C→L+γ-Fe+MC+M₆C+M₇C₃。凝固末期元素偏析导致局部M_S温度降低，马氏体转变不完全（M_F低于室温），从而形成残余奥氏体。微观组织由马氏体（或回火马氏体）和残余奥氏体基体及一次、二次碳化物组成。

残余磨料与未溶解颗粒：DED-Arc/M样品中未检测到残余Al₂O₃和SiC磨料颗粒。Al₂O₃因高熔点和强热力学稳定性未能进入液相，推测以表面沉积物形式存在；SiC则因在钢中的亚稳定行为而在熔体中完全溶解。两种样品中均观察到来自焊丝填充物的部分溶解富W颗粒，经EDS分析确认为熔融碳化钨（FTC）组分。颗粒周围存在富W、Mo和V的反应晕圈，由部分溶解颗粒释放的W原位析出的二次碳化物构成。

硬度：两种材料的沉积态硬度几乎相同，平均约为540 HV10（约51 HRC），处于锻造淬回火态AISI H11和H13的硬度范围（48-54 HRC）之内。REC材料硬度略低约10-20 HV10，这与其形成的硬质相类型有关——REF主要形成MC型碳化物（硬度17-45 GPa），而REC主要形成M₆C型碳化物（硬度22.7±0.9 GPa）。

**五、讨论与结论**

LTT概念通过降低M_S温度将马氏体相变诱导塑性转移至室温附近，有效降低了残余拉应力，成功避免了冷裂纹的产生。回收材料中残留的冷却润滑剂导致了下部区域形成较大气孔，但并未引发开裂。尽管回收过程中无法实现金属切屑与磨料颗粒和冷却润滑剂的完全分离，但增材制造后未检测到磨料颗粒残留，SiC在熔体中溶解，Al₂O₃则随表面沉积物被去除。回收材料制造的样品与传统材料在化学成分、微观组织和硬度方面均具有可比性。未来研究将通过与常规X36CrMoWVTi10-3-2合金的系统比较来进一步验证该回收路线，包括热处理策略的优化以及力学和摩擦学性能的深入研究，以减少工具早期失效和废料产生。