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1、长长 春春 工工 业业 大大 学学 毕毕 业业 论论 文文 题题 目：等离子喷焊铁基自熔合金耐磨层目：等离子喷焊铁基自熔合金耐磨层 在石油钻杆接头上的应用在石油钻杆接头上的应用 学学 院：材料科学与工程学院院：材料科学与工程学院 专专 业：材料成型及控制工程业：材料成型及控制工程 班班 级：级： 姓姓 名：名： 指导教师：指导教师： 20112011 年年 6 6 月月 0202 日日 长春工业大学本科毕业论文 I 摘摘 要要 石油钻杆接头是在石油勘探开采钻井时，用于连接上、下钻杆的重要部件，由于 其长期工作在含砂多，且有一定腐蚀性介质的井下，所以要求其具有优良的耐磨、耐 蚀性能。为了改善其耐
2、磨、耐蚀性能，提高其使用寿命，目前国内许多企业采用粉末 等离子喷焊的方法在其接头部位喷焊一层耐磨带。虽然钴基、镍基粉末耐磨、耐蚀性 较好，但价格昂贵，成本太高。本课题旨在研制一种适用于石油钻杆接头耐磨带的铁 基合金粉末材料，来降低生产成本。 本课题设计了适合于石油钻杆接头耐磨带的铁基合金粉末的成分，采用混粉法制 备该合金粉末；并采用等离子喷焊的焊接方法在低碳钢基材上进行焊接，确定了最佳 喷焊工艺参数；分析和测试了喷焊层的微观组织和结构及耐磨性能。 实验结果表明，喷焊层主要由：-Fe、Cr23C6 、(Cr,Fe)7C3以及 NiB、莱氏体等 化合物相组成。焊层冶金结合较好，组织致密，稀释率低，
3、无裂纹、夹杂等缺陷。同 时拥有较高的硬度（5559HRC）和耐磨性，具有较大的应用价值。 关键词：关键词：铁基合金粉末、等离子喷焊、石油钻杆接头、组织、性能 长春工业大学本科毕业论文 II Abstract Oil drill pipe joint is the important component of connecting the upper and lower drill pipes in the oil exploration and exploitation under drilling, because it works in the environment of having
4、more sand and full of certain corrosive media pit in the long-term,so its excellent wear resistance and corrosion resistance are required. In order to improve their wear and orrosion resistance, improve their life. At present, many enterprises spray a wear- resistant layer in the joint surface using
5、 the method of powder plasma spray.Although cobalt, nickel powder wear and corrosion resistance is better, but expensive, the cost is too high. The project plans to develop a kind of iron-based alloy powder material for the oil drill pipe joint so as to reduce the production costs. The project desig
6、nes iron-based alloy powder composition for the oil drill pipe joint.And producting the alloy powder by mechanical alloying.welding in the low carbon steel substrate by plasma spray welding method.Adjusting the optimum spray parameters.Analysis and testing the microstructure and wear resistance of t
7、he spray layer. The results show that spray coating mainly composed of: -Fe, Cr23C6, (Cr, Fe) 7C3, and NiB, and the ledeburite phase.The metallurgical bonding of spray layer is well ,the organization is dense,the dilution is low,no cracks、inclusions and other defects. At the same time,the spray laye
8、r has a higher hardness (55 59HRC) and wear resistance,and with great value. Key words: iron-based alloy powder, plasma spray, oil drill pipe joints, microstructure, properties 长春工业大学本科毕业论文 III 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1.1 前言1 1.2 热喷焊技术1 1.2.1 热喷焊技术的原理1 1.2.2 热喷焊技术的特点1 1.3 等离子喷焊2 1.3.1 等离子喷焊的原理及特点 2 1
9、.3.2 影响等离子喷焊层质量的主要工艺参数 3 1.3.3 喷焊用粉末 6 1.3.4 等离子喷焊的应用范围 7 1.3.5 国内外等离子喷焊备现状及发展趋势 9 1.4 石油钻杆接头.12 1.4.1 石油钻杆接头井下工作环境.12 1.4.2 石油钻杆接头的失效形式及使用寿命 .12 1.4.3 国外对石油钻杆接头的研究现状 .13 1.5 本课题研究背景及意义.13 第二章第二章 实验材料、设备及方法实验材料、设备及方法 1414 2.1 实验材料及设备14 2.1.1 基体材料14 2.1.2 喷焊材料.14 2.1.3 喷焊设备 .14 2.1.4 摆动式球磨机 .15 2.2 铁
10、基合金粉末的研制.16 2.2.1 合金粉末成分设计 .16 2.2.2 合金粉末的制备 .17 2.2.3 粉末的性能 .18 2.3 实验方法.19 2.3.1 喷焊试验方法.19 2.3.2 等离子喷焊焊接工艺参数 .20 2.3.3 喷焊层试样的制备及组织观察 .20 2.4 喷焊层组织分析及性能测定.20 2.4.1 硬度的测定 .20 2.4.2 喷焊层物相分析 .21 2.4.3 耐磨性试验.21 第三章第三章 喷焊层的微观组织与性能分析喷焊层的微观组织与性能分析 2222 3.1 喷焊层硬度分析.22 3.1.1 喷焊层的结合强度.22 3.1.2 喷焊层的显微硬度.22 3.
11、1.3 喷焊层的宏观硬度.24 3.2 焊层的磨损性能.25 3.2.1 铁基喷焊层的磨粒磨损机理 .25 长春工业大学本科毕业论文 IV 3.2.2 喷焊层和基体在油润滑下的磨损.26 3.3 喷焊层的微观组织分析.27 3.3.1 焊层的微观组织特点 .27 3.3.2 熔合区，热影响区及基体母材区的微观组织特点 .30 3.4 喷焊层缺陷分析.31 3.4.1.气孔.31 3.4.2 改善措施 .32 第四章第四章 结论结论 3333 致谢致谢 3434 参考文献参考文献 3535 长春工业大学本科毕业论文 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.11.1 前言前言 磨损、腐蚀和断裂是机械零部
12、件，工程构件的三大主要破坏形式，它们所导致的 经济损失十分巨大，其中由于磨损、腐蚀导致的机件失效与相应的经济损失占非常大 的比重。我国对摩擦磨损造成的经济损失进行全面彻底的调查分析，指出：此项损失 至少占国民总产值的 1.8%。在美国国家材料政策委员会向美国国会提出一份报告中 指出：由于摩擦磨损引起的损失，使美国经济每年支付 1000 亿美元的巨额资金，这 项损失中的材料部分约为 200 亿美元1。 众所周知，磨损和腐蚀均是发生于机件表面的材料流失过程，而且其它形式的机 件失效有许多是从表面开始，为了解决材料的磨损和腐蚀，需要采取表面防护措施延 缓和控制表面的破坏。在解决的同时，促进了表面工程
13、科学与表面技术的形成与发展。 表面工程技术是表面处理、表面涂（镀）层及表面改性的总称，表面工程技术围 绕腐蚀、摩擦和功能特性（声、光、磁、电的转换等）三大要素，成为 20 世纪 80 年 代世界十项关键技术之一，将成为 21 世纪主导技术之一2。表面工程技术是通过运用 各种物理、化学或机械工艺过程来改变基材表面状态、化学成分、组织结构或形成特 殊覆层，使基材表面具有不同于基材的某种特殊性能，从而达到特定的使用要求。该 技术不仅用于维修业，还用于制造业，是先进制造技术的重要组成部分，表面工程技 术日益受到世界各国的重视，发展了各种用于表面工程的新型工艺技术，包括表面改 性技术，表面薄膜制备技术和
14、表面涂层技术3。 1.21.2 热喷焊技术热喷焊技术 热喷焊主要包括粉末火焰喷焊和等离子弧喷焊，喷焊在范畴上也属于热喷涂，是 在喷涂层的基础上，加热保温使涂层与基体形成冶金结合，大致可分为火焰喷焊和等 离子弧喷焊两类。火焰喷焊通常是先形成涂层，之后再用火焰加热涂层，又称其为 “重熔”处理。而等离子弧喷焊涂层的形成与随后的加热是同时发生的。经喷焊涂层 与基体形成的是牢固的冶金结合，对高温下承受热冲击的热模具处理尤为适用。 1.2.1 热喷焊技术的原理热喷焊技术的原理 采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂 层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙，这就是热喷焊技术4。 1
15、.2.2 热喷焊技术的特点热喷焊技术的特点 喷焊与喷涂过程不同，合金粉末在基材表面有一个重熔并铺展的过程，因此决定 了喷焊的如下几个基本特点5： （1）热喷焊层组织致密，冶金缺陷很少，与基材结合强度高，这是热喷焊层与 热喷涂技术相比的最大优点。热喷焊层与基材为冶金结合，其强度是一般热喷涂层的 10 倍。特别是热喷焊技术可以涂覆超过几个毫米厚的涂层而不开裂，这是普通热喷涂 长春工业大学本科毕业论文 2 技术无法达到的。因此热喷焊层可以用于重载零件的表面强化与修复。 （2）热喷焊材料必须与基材相匹配，喷焊材料和基材范围比热喷涂窄得多，这 主要是因为如下几个原因：第一，喷焊材料在液态下应该能够在基材
16、表面铺展开，即 能够润湿基材；第二，喷焊材料必须能够与基材相容，即它们在液相和固相下必须有 一定的溶解度，否则无法形成熔合区，亦即无法形成冶金结合；第三，基材的熔点应 该高于喷焊材料的熔点，否则容易导致基材塌陷或者工件损坏；第四，热喷焊材料在 凝固结晶过程中，应该尽量避免产生热裂纹，或者使基材热影响区产生裂纹。因此， 热喷焊工艺只能适合与一些特定的金属材料（包括基材与粉末） 。 （3）热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多，由于热喷焊时要求粉末完全熔 透，因此基材受热时间比较长，表面达到的温度比热喷涂高得多，导致基材的变形较 大、热影响区较深等。因此，对于一些形状复杂、易热变形的零件，无法使用热
17、喷焊 技术。 （4）热喷焊层的成分与喷焊材料的原始成分会有一定差别，热喷焊过程中基材 表面会少量熔化，并与喷焊材料发生合金化，导致喷焊层的成分与原来设计的喷焊材 料成分有差异。一般将基材熔入喷焊层中的质量分数称为喷焊层的稀释率，用公式(1- 1)表示为 (1-1) %100 BA B 式中， 为喷焊层的稀释率；A 为喷焊的金属质量；B 为基材熔化的金属质量。显然， 稀释率越大，喷焊层的性能与原设计成分偏离越远。因此，必须控制喷焊工艺参数， 以便控制喷焊层的稀释率。 1.31.3 等离子喷焊等离子喷焊 1.3.11.3.1 等离子喷焊的原理及特点等离子喷焊的原理及特点 等离子喷焊技术是采用等离子
18、弧作为热源加热基体，使其表面形成熔池，同时将 喷焊粉末材料送入等离子弧中，粉末在弧柱中得到预热，呈熔化或半熔化状态，被焰 流喷射至熔池后，充分熔化并排出气体和熔渣，喷枪移开后合金熔池凝固，形成喷焊 层的工艺过程。 等离子喷焊采用的等离子弧与等离子喷涂的有区别。等离子喷涂时，等离子弧建 立在喷枪内钨阴极与铜阳极喷嘴之间，工件不带电，称为非转移弧。而等离子喷焊则 采用非转移弧和转移弧的联合弧，所谓转移弧是建立在喷焊枪钨阴极头和工件（阳极） 之间的等离子弧，它对工件的加热能力比非转移弧强，是喷焊过程中的主要热源，因 此称为主弧。在工作时首先引燃非转移弧，然后借助弧在钨的非转移极和工件之间形 成的等离
19、子体导电通道，建立转移弧。 长春工业大学本科毕业论文 3 图 1-1 等离子喷枪结构图 等离子喷焊设备与等离子喷涂设备基本类似，但用单电源同时供应非转移弧和转 移弧不太稳定，因此通常采用两台电源分别向非转移弧和转移弧供电。等离子喷焊枪 （图1-1）与等离子喷涂枪结构也有所不同，主要区别在于喷嘴中等离子弧通道的长 度和直径比（称为压缩比）比较小，通常在11.4之间。这样等离子弧比较柔软，熔 池小，稀释率低。 等离子喷焊的前、后处理工艺及注意事项与氧-乙炔火焰喷焊相同，只是喷焊过 程中需控制的工艺参数更复杂一些，如转移弧电压和电流，非转移弧电流、喷焊速度、 送粉量、离子气和送粉气、喷焊枪摆动和幅度
20、，喷嘴距工件距离等。只要经过预先分 析和试验，确定最佳工艺参数，就可精确控制喷焊过程，重复性比氧-乙炔火焰喷焊 好。 等离子喷焊的材料范围比较宽，特别是可以喷焊难熔材料。它所用粉末的粒度与 氧-乙炔火焰喷焊的一样，比热喷涂用粉末粒度要稍大一些。 与其它涂层技术相比，等离子喷焊技术的主要特点如下： （1）生产效率高 因为等离子喷焊温度高、传热率大，因此喷焊速度高，生产 率也高，并能顺利地进行难熔材料的喷焊。 （2）稀释率低 为保持喷焊层的性能，要求基体材料熔入喷焊层的比例少，即 稀释率低。等离子弧温度高、能量集中、弧稳定性和可靠性好，因此可以在保证稀释 率低（控制到5%）的同时，保持较高的熔敷率
21、。 （3）工艺稳定性好，易实现自动化。 （4）喷焊层成分、组织均匀 喷焊层平整光滑，尺寸可以得到较精确地控制， 可获得在0.258mm之间任意厚度的喷焊层6。 1.3.21.3.2 影响等离子喷焊层质量的主要工艺参数影响等离子喷焊层质量的主要工艺参数 等离子喷焊主要的工艺参数有转移弧电压和电流、非转移弧电流、送粉量、离子 长春工业大学本科毕业论文 4 气和送粉气流量、焊枪摆动频率和幅度、喷嘴与工件之间的距离等7。往往要通过反 复试验才能得到对于各种不同基体、不同喷焊层的最佳喷焊工艺，下面仅就选择和确 定影响喷焊层性能的主要喷焊工艺参数的某些原则进行讨论。 1.3.2.11.3.2.1 转移弧电
22、压和电流转移弧电压和电流 转移弧是等离子喷焊的主要热源，喷焊电流和电压是影响工艺指标最重要的参数。 在喷焊过程中，转移弧电压随喷焊电流的增加近似呈线性上升。在焊枪和其他参数确 定的情况下，喷焊电流在较大范围内变动时电弧电压变化却不大。虽然喷焊过程中电 弧电压变化较小，但电弧电压的基数值却是很重要的，它影响电弧功率的大小。电弧 电压的基数值主要取决于喷嘴结构和喷嘴与工件之间的距离。 在等离子喷焊过程中，转移弧电流变化主要影响到以下几个方面。 工件熔深和喷焊层稀释率 随着喷焊电流的加大，过渡到工件喷焊面的热功率 增加，熔池温度升高，热量增加，使工件熔深和稀释率增加。 熔敷率和粉末利用率 送粉量确定
23、以后，要使粉末充分熔化，需要足够的热量， 因此等离子喷焊的转移弧电流不能低于一定的数值。转移弧电流对粉末熔化状况的影 响见表 1-2 该实验结果表明，转移弧电流小于一定数值时，未熔化的合金粉末飞散多， 粉末利用率很低。 表 1-2 转移弧电流对粉末熔化状况的影响 转移弧电流/A粉末熔化及成形情况转移弧电流/A粉末熔化及成形情况 120合金粉末严重飞溅，焊 道成形很差 160210合金粉末充分熔化，焊 道成形良好 120140合金粉末有飞溅，焊道 成形不好 210熔深过大，熔池翻泡， 焊道成形不好 喷焊层质量 转移弧电流过小时，熔池热量不够，工件表面不能很好熔合，粉 末熔化不充分，造成未熔透、气
24、孔、夹杂等缺陷，同时焊道宽厚比小、成形差；电流 过大时，稀释率过大使喷焊层合金成分变化，喷焊层性能显著降低。 1.3.2.21.3.2.2 非转移弧电流非转移弧电流 非转移弧首先起过渡引燃转移弧的作用。在等离子喷焊中，一种情况是保留非转 移弧，采用联合弧工作；另一种情况是当转移弧引燃后，将非转移弧衰减并去除。采 用联合弧工作时，保留非转移弧的目的是使非转移弧作为辅助热源，同时有利于非转 移弧的稳定。非转移弧的存在不利于喷嘴的冷却。非转移弧电流一般为 60-100A，而 作为联合弧中的非转移弧电流应更小些，须根据转移弧电流大小适当选择。 1.3.2.31.3.2.3 喷焊速度喷焊速度 是表示喷焊
25、过程进行快慢的参数。喷焊速度和熔敷率是直接联系在一起的。在保 持喷焊层宽度和厚度一定的条件下，喷焊速度快，熔敷效率就高。提高喷焊速度使喷 长春工业大学本科毕业论文 5 焊层减薄、变窄，工件熔深减小，喷焊层稀释率降低；当喷焊速度增加到一定程度时， 成形恶化，易出现未焊透、气孔等缺陷。一般根据喷焊工件的大小，电弧功率、送粉 量等合理选择喷焊速度。 1.3.2.41.3.2.4 送粉量送粉量 是指单位时间内从焊枪送出的合金粉末量，一般用 g/min 表示。在等离子喷焊过 程中，其他参数不变的情况下，改变喷焊速度和送粉量，熔池的热状态发生变化，从 而影响喷焊层质量。增加送粉量，工件熔深减小，当送粉量增
26、加到一定程度时，粉末 熔化不好、飞溅严重，易出现未焊透。 在保证喷焊层成形尺寸一致的条件下，增加送粉量要相应地提高喷焊速度。为了 使合金粉末熔化良好，保证喷焊质量，要相应加大喷焊电流，使熔池的热状态维持不 变，以便提高熔敷率。 喷焊速度和送粉量的大小反映喷焊生产率，从提高生产率角度出发，希望采用高 速度、大送粉量、大电流喷焊。但喷焊速度和送粉量受到焊枪性能、电源输出功率等 因素的制约。因此对具体工件，要合理选择喷焊速度和送粉量。 1.3.2.51.3.2.5 离子气和送粉气流量离子气和送粉气流量 （1）离子气流量 离子气是形成等离子的工作气体，对电弧起压缩作用，并对 熔池起保护作用。气流量大小
27、直接影响电弧稳定性和压缩效果。气流量过小，对电弧 压缩弱，造成电弧不稳定；气流量过大，对电弧压缩过强，增加电弧刚度，致使熔深 加大。离子气流量要根据喷嘴孔径大小、非转移弧和转移弧的工作电流大小来选择。 喷嘴孔径大，工作电流大，气流量要偏大；离子气流量一般以 300-500L/h 为宜。 （2）送粉气流量 送粉气主要起输送合金粉末作用，同时也对熔池起保护作用。 合金粉末借助于送粉气的吹力，能顺利地通过管道和焊枪被送入电弧。气流量过小， 粉末易堵塞；气流量过大，对电弧有干扰。送粉气流量主要根据送粉量的大小和合金 粉末的粒度、松装密度来选择。送粉量大、松装密度大时，气流量应偏大。送粉气流 量一般在
28、300-700L/h 范围内调节。 1.3.2.61.3.2.6 焊枪摆动频率和幅度焊枪摆动频率和幅度 焊枪摆动是为了一次喷焊获得较宽的喷焊层，摆动幅度一般依据喷焊层的要求而 定。单位时间内焊枪摆动次数称为焊枪摆动频率（次/min） 。摆动频率应保证电弧对 喷焊面的均匀加热，避免焊道边缘出现“锯齿”状。摆动频率和幅度要配合好，一般 摆幅宽，摆频要适当减慢；摆幅窄，摆频可适当加快，以保证基体受热均匀，避免未 熔合的现象。 1.3.2.71.3.2.7 喷嘴与工件之间的距离喷嘴与工件之间的距离 喷嘴与工件之间的距离反应转移弧的电压。距离过高，电弧电压偏高，电弧拉长， 使电弧在这段距离内未经受喷嘴的
29、压缩，而弧柱直径扩张，受周围空气影响使得电弧 稳定性和熔池保护变差。距离过低，粉末在弧柱中停留时间短，不利于粉末在弧柱中 长春工业大学本科毕业论文 6 预先加热，熔粒飞溅粘接在喷嘴端面现象较严重。喷嘴与工件之间的距离根据喷焊层 厚薄及喷焊电流大小，在 10-20mm 范围内调整。 1.3.31.3.3 喷焊用粉末喷焊用粉末 等离子弧喷焊用的合金粉末主要有镍基、钴基、铁基及含 WC 型粉末四大类8。为 了在喷焊过程中能通畅地送粉，要求粉末的形状为球形，粒度应控制在 0.0710.280mm（60200 目）之间。粉末应干燥、不结块。粉中应严格控制不掺有 纤维、碎纸、塑料等杂物。合金粉末不用时，应
30、保存在密封容器中，不得受潮。长期 放置的粉末在使用前，应于 100150温度下烘干后再使用。 1.3.3.1 自熔性合金自熔性合金 所谓自熔性合金，就是指含硼和硅等脱氧元素且熔点低，在加热熔化过程中，合 金的成份能还原自身及基材的氧化物，形成低熔点的硼硅酸盐渣覆盖于表面，防止合 金的氧化并改善润湿性能，使合金与基材得到良好的冶金结合的合金材料。自熔性合 金的焊层与基材的结合强度一般为 30-50kgf/mm2(300-500Mpa).。根据不同的化学组成， 可以得到 HRC15-65 的不同硬度的焊层。喷焊工艺主要适合于冲击负载较大，热疲劳 环境及对工件变形要求不严格的地方。 1.3.3.21
31、.3.3.2 镍基喷焊粉末镍基喷焊粉末 镍基喷焊粉末是当前应用最多的自熔合金粉末。镍基喷焊粉末有两个系列： 最早的自熔合金以镍基合金为基础。当镍和几种元素，如硼、硅、铬、钼和铜等组成 的自熔合金时，合金熔点降低到易被氧-乙炔火焰所熔化的范围。镍的熔点为 1453， 加入适量硼、硅和其它元素后，合金具有温度在 1000左右的固液相状态，而且可在 HRC25HRC65 之间调节硬度，并具有耐磨、耐蚀和抗氧化性能，镍硼硅合金是在镍中 加入适量的硼、硅元素形成的。其粉末颗粒呈球形，合金熔点 9001100。 镍硼硅合金可用于铸铁、钢、不锈钢以及工作温度低于 600的零部件的防护和 修复。特别适用于硬度
32、要求不高的玻璃模具、塑料、橡胶模具的防护和修复以及铁、 钢铸件缺陷的修补。 镍铬硼合金粉末是在镍硼硅合金中加入碳、铬元素，便形成镍铬硼合金。这类合 金具有优良的自熔性，用途最为广泛。粉末颗粒呈良好的球形。铬在合金中溶解于镍， 形成 Ni、Cr 固溶体而增加合金强度，并提高合金的抗氧化性和耐蚀性。除此之外， 铬还能生成硼化铬（Cr2B,CrB）和碳化铬（Cr23C6,Cr7C3）等硬质化合物，与镍的硼化 物（Ni3B,Ni2B）和硅化物（Ni3Si）一起提高合金的硬度和耐磨性。增加合金中碳、 硼、硅等元素的含量，合金的硬度可以从 HRC25 提高到 HRC65，但合金的韧性相应降 低。 由于镍铬
33、硼硅是以镍铬为基础的合金，故具有良好的耐蚀性，对大气、海水、蒸 汽、碱、盐、硫酸、盐酸等都有较好的抗腐蚀能力，优于 18-8 型不锈钢。镍铬硼硅 长春工业大学本科毕业论文 7 自熔合金综合性能优良，用途广泛，可用于强化和修复承受金属摩擦磨损的工件，各 种应力磨料磨损的零件、耐蚀件和工作温度不超过 700的零件、以及铸铁、钢件缺 陷的补修。 1.3.3.31.3.3.3 钴基喷焊粉末钴基喷焊粉末 钴是昂贵的金属，钴基自熔合金是在 Stellite 合金的基础上添加适量的 B、Si 元素而创造的。钴基自熔性合金具有优良的耐热、耐腐蚀、耐气蚀、耐氧化、耐磨损 等综合性能，其红硬性优于 Ni 基合金。
34、由于价格昂贵，一般采用粉末利用率高的等 离子喷焊工艺，用在要求高稳硬度或耐气蚀磨损的场合，如过热蒸汽阀门密封面、发 动机进排气阀密封面、热作模具等。 1.3.3.41.3.3.4 铁基自熔性合金铁基自熔性合金 大量在常温或中温下和弱酸介质中工作，要求有良好耐磨损性能的工件，不不必 要都采用昂贵的镍基和钴基合金。因此，发展了一系列适应喷焊工艺要求的铁基自熔 性合金，取得了良好的应用效果。 铁基喷焊粉末有以下两种类型: 不锈钢型铁基喷焊粉末 不锈钢型铁基自熔合金是在不锈钢成分的基础上添加适量的 B、Si 元素而研制的。 通过调整 C、B、Si、Ni 的含量来调整合金的硬度，并通过添加其它合金元素来
35、改善 合金的性能。应用较普遍的 18-8Cr-Ni 型，典型的品种是 WF311 和 WF312。18-8 不锈 钢添加 B、Si 元素后，合金硬度和耐擦伤性显著提高，大大优于原 18-8 不锈钢，用 于中温中压阀门密封面，成倍提高了使用寿命。 高铬铸铁型铁基喷焊粉末 高铬铸铁型铁基自熔合金是在高铬铸铁耐磨合金成分的基础上添加 B、Si、Ni 元 素而创造的，由于这种合金中含有较高的碳和铬，会形成大量的高硬度的碳化铬强化 相，所以合金硬度较高，有极高的耐磨性。铁基自熔合金粉末适用于铁路钢轨的修补， 以及石油钻探、农机部件、建筑和矿山机械等抗磨损零件的强化和修复。 1.3.3.51.3.3.5
36、碳化钨弥散型喷焊粉末碳化钨弥散型喷焊粉末 碳化钨弥散型自熔合金粉末是在各种镍基、铁基、钴基自熔合金粉末中加入一定 量的碳化钨而制成的。 这种合金中由于超硬的碳化钨颗粒弥散在自熔合金中，就显著地提高了合金的硬 度，使其具有极高的耐磨性。 1.3.41.3.4 等离子喷焊的应用范围等离子喷焊的应用范围 统计资料表明，美国工业生产中因磨损和腐蚀每年造成的经济损失高达上千亿美 元，约占国民经济总值的 2%4%。我国电力、冶金、采矿、化工、建材、石油钻井和 长春工业大学本科毕业论文 8 机械制造业每年仅备件磨损消耗的钢材在 200 万吨以上，加上能源消耗及零部件更换 停工造成的经济损失也高达数百亿元人民
37、币。因此，采用等离子喷焊修复技术来提高 设备使用寿命，可有效地避免相当一部分因零部件损坏而造成的经济损失。 等离子喷焊修复具有生产效率高，喷焊层稀释率低，质量稳定，便于实现自动化 等特点。粉末喷焊是目前应用最广泛的一种等离子弧喷焊方法，特别适合于轴承、轴 颈、阀门板和座、涡轮叶片等零部件的喷焊。 国产粉末等离子弧喷焊机有几种型号，例如 LUF4-250 型粉末等离子弧喷焊机可 以用来喷焊各种圆形焊件的外圆或端面，也可进行直接喷焊。最大焊件直径达 500mm, 直线长度达 800mm.一次喷焊的最大宽度为 50mm.可用于各种阀门密封面的喷焊，高温 排气阀门喷焊，以及对轧辊、轴磨损后修复等。 根
38、据喷焊合金的成分，等离子弧喷焊用的合金粉末主要有镍基、钴基和铁基三类。 镍基合金粉末主要是镍铬硼硅合金，熔点低，流动性好，具有良好的耐磨、耐蚀、 耐热和抗氧化等综合性能。主要用于喷焊阀门、泵柱塞、转子、密封环、刮板等耐高 温、耐磨零件。 钴基合金粉末除具有较好的耐磨，耐腐蚀性能外，比镍基合金粉末具有更好的红 硬性、耐热性和抗氧化性，但价格昂贵。主要用于高温高压阀门锻模、热剪切刀具、 轧钢机导轨等喷焊。 铁基合金粉末成本低、耐磨性好并具有一定的耐蚀、耐热性能。喷焊受强烈磨损 的零件如破碎机辊、挖掘机铲齿、泵套、排气叶片、高温高压阀门等。 现代工业的发展对各种机械零部件的使用寿命要求越来越高，采用
39、等离子弧喷焊 技术提高机械零部件表面的抗磨损性能，越来越受到各工业生产部门的重视。等离子 弧喷焊与修复的主要优点是生产效率高和质量稳定，尤其是表面喷焊层的结合强度和 致密性高于火焰喷焊或喷涂以及一般电弧喷焊或喷涂。这是等离子喷焊修复获得广泛 应用的一个重要原因。 可利用等离子喷焊技术获得具有高耐磨性的复合喷焊层，这种方法是将高硬度颗 粒均匀地镶嵌于喷焊层金属中，硬质颗粒不产生熔化或很少熔化，形成复合喷焊层。 这种复合喷焊层是由两种以上在宏观上具有不同性质的一种材料组成。一种是在喷焊 层中起耐磨作用的碳化物硬质颗粒，一般为铸造碳化钨，它是由 WC 和 W2C 的共晶组 成，硬度为 2500300
40、0HV。喷焊层的另一种组成金属是起“黏结”作用的基体金属， 也称为胎体金属。 采用等离子喷焊技术获得的复合喷焊层质量稳定可靠，可使喷焊层达到无气孔、 裂纹以及没有碳化物烧损、溶解等缺陷，碳化物颗粒在喷焊层中分布均匀、耐磨性高。 在磨损严重的工况条件下，复合喷焊层的耐磨性尤为突出，可以比通常的铁基、钴基、 镍基合金表面保护层提高耐磨使用寿命几倍甚至几十倍，喷焊合金层结合强度是热喷 长春工业大学本科毕业论文 9 涂层结合强度的 38 倍9。 1.3.51.3.5 国内外等离子喷焊备现状及发展趋势国内外等离子喷焊备现状及发展趋势 等离子喷焊技术是随着现代航空、航天技术的出现而发展起来的，已广泛应用
41、于航空、航天、军事、纺织、机械、电力、生物工程等各个领域，是一项应用相当广 泛的热喷涂技术。随着全球经济的复苏，热喷焊技术，特别是等离子喷焊的工艺及设 备又重新兴起，国外各喷焊设备厂家都在抓住机会不遗余力地进行新设备的开发和市 场开拓工作，国内也出现新的竞争局面总体来说，当前国外先进的等离子喷焊设备发 展方向有轴向送粉技术、多功能集成技术、实时控制技术10。 1.3.5.11.3.5.1 国外等离子喷焊设备国外等离子喷焊设备 1.3.5.1.11.3.5.1.1 AxialAxial IIIIII 型等离子喷焊设备型等离子喷焊设备 Axial III 为加拿大 Mettech 公司开发出的三阴
42、极轴向送粉等离子喷焊系统。传 统的枪外送粉方式是将粉末从径向送入等离子焰流，这样就会有部分粉末穿过或没有 进入等离子焰流，既降低了粉末的沉积效率，又影响了涂层质量，见图 1-2。而 Axial III 则可完全避免这些缺点。Axial III 轴向送粉喷枪包括 3 对相对独立的阳 极和阴极，喷枪起弧后 3 个电弧通过集束器在喷嘴处汇集，粉末通过一根位于喷枪轴 向的送粉柱送入喷嘴汇集处，从而实现真正意义上的轴向送粉，见图 1-3。与传统的 枪外送粉等离了喷焊设备相比，Axial III 的主要优点是高沉积效率、高送粉速率、 低孔隙率和较高的涂层硬度，对粉末粒度分布要求不高。如用 Axial II
43、I 喷焊 Cr2O3 时的沉积效率为 45%75%，送粉量为 3090 g/ min,硬度(HV 300) 为 1 3001 600,孔 隙率为 0. 3%0. 5%。由于 Axial III 提高了粉末的沉积效率，因而相应降低了喷焊 成本。如喷焊 WC-Co 时，Axial III 可以比 HVOF 节省 75%80%的时间。日前，采用 热喷焊工艺代替电镀铬成为新的研究方向，Axial III 己经在许多领域替代了电镀铬， 材料方面包括 WC-Co, Cr- NiCr, Ti, NiCrBSi 等。此外，Axial III 在制备要求较高 的涂层方面，如网纹传墨辊涂层、报纸印刷辊涂层等也具有
44、明显的优势。 日前看来，采用传统的枪外送粉方式已很难使焊层质量得到较大的提高。而 Axial III 实现了真正意义上的轴向送粉，有可能使等离了喷焊涂层质量迈上一个新 台阶。 长春工业大学本科毕业论文 10 图 1-2 枪外送粉等离子喷枪送粉示意图 图 1-3 三阴极轴向送粉等离子喷枪送粉示意图 1.3.5.1.21.3.5.1.2 MulticoatMulticoat 型等离子喷焊设备型等离子喷焊设备 Multicoat 为全球最大的热喷涂公司瑞士 Sulzer Metco 公司研制的最新型的 等离了喷焊设备。Multicoat 的设计基于“平台”概念，即使用相同的主平台，配备 不同的软硬件
45、及相应组件，可以实现不同的喷焊工艺。主平台由操作台、过程控制中 心和气体管理中心组成，这是 Sulzer Metco 第一次将 PC 机的先进性(过程再现、数 据管理)和 PLC 的稳固性结合起来。Multicoat 可以进行大气等离了喷焊(APS)、真空 等离了焊焊(VPS)和超音速火焰喷焊(HVOF)。在系统配备上，Multicoat 包括操作台、 过程控制中心、气体管理中心、热交换器、送粉器、转接柜、电源、喷枪等。与以前 的等离了喷焊设备相比，Multicoat 将气体部分独立出来，这样既可以避免其它电路 对质量流量计的干扰，又可以避免氢气泄漏发生危险，提高了系统的安全性。 1.3.5.
46、1.31.3.5.1.3 5500-5500- 20002000 型等离子喷焊设备型等离子喷焊设备 5500- 2000 为美国 PRAXAIR- TAFA 公司开发的等离了喷焊系统。5500- 2000 采 用专有软件实时控制和监测等离了弧的实际能量，即净能量。采用净能量算法可以使 等离了喷焊系统的闭环控制提高到一个新的水平。操作者键入优化参数后，控制模块 长春工业大学本科毕业论文 11 控制整个工艺过程，监测和实时显示喷枪效率，使系统参数根据喷枪条件而反应，并 作出相应调节以维护目标等离了体能量，提供稳定的能量输出水平。 此外，PRAXAIR- TAFA 公司还开发出了类似 Multico
47、at 的多功能喷焊系统 GTS， 和大功率等离了喷焊系统 P1azJet( 喷焊功率可以达到 200kW，其中 GTS 可以进行等 离了喷焊、超音速火焰喷焊和电弧喷焊。P1azJet 在国内己有数家用户。 1.3.5.21.3.5.2 国产等离子喷焊设备国产等离子喷焊设备 1.3.5.2.11.3.5.2.1 GP-GP- 8080 型等离子喷焊设备型等离子喷焊设备 GP- 80 型等离子喷焊设备是由北京航空制造工程研究所在 20 世纪 70 年代研制成 功的等离子喷焊设备，其组成部分为采用继电器和浮子流量计控制的 GDP- K 型控制 柜、磁放大器二极管整流的 GDP- 80 型电源、自来水
48、冷却的 SR- 1 型热交换器、送粉 轮式 SF- 1 型送粉器、P Q 一 1S 乎提式喷枪、PQ 一 1J 机装式喷枪，其操作简单，保 护环节完善，代表了当时国产等离子喷焊设备的最高水平，为国家科委重点推广等离 子喷焊技术作出了重大贡献。后来通过技术转让，该设备成为国产等离子喷焊设备的 主流产品，日前该型号的设备仍占国产等离子喷焊设备的 80%以上。 1.3.5.2.21.3.5.2.2 APS-APS- 20002000 型等离子喷焊设备型等离子喷焊设备 APS- 2000 为北京航空制造工程研究所最新研制的等离子喷焊设备。由于 GP- 80 电源、热交换器效率较低，电流及气体流量控制精
49、度较低等缺点，使喷焊层的质量不 十分稳定，难以满足对高质量焊层的要求。因此，北京航空制造工程研究所高能束流 重点实验室于 1995 年研制了新一代 APS- 2000 型等离子喷焊设备，见图 1-4。该设备 采用了许多新技术，其主要组成部分为采用 PLC 和质量流量计的 APS- 2000K 型控制 柜、可控硅整流的 K- 800 型电源、氟里昂制冷式风冷 FL-1 型热交换器、高精度容积 式 DPSF-2 型送粉器、P Q-1S 乎提式喷枪、P Q-1J 机装式喷枪和转接柜(水、电、气 路的转接处，可防止相互干扰，提高了系统的安全性，并可随喷枪灵活移动)，总体 性能达到国外 20 世纪 90 年代水平，代表了目前国产等离了喷焊设备的最高水平。表 1-3 为上述两种设备的性能对比。 长春工业大学本科毕业论文 12 图 1-4 APS- 2000 型等离子喷焊设备 表 1-3 GP-80 型与 APS-2000 型等离子喷焊设备性能对比 比较项目GP-80 型 等离子喷焊设备 APS-2000 型 等离子喷焊设备 控制方式继电器PLC 气体流量控制精度20%2% 电