西安石油大学机电工程学院(710065) 李 霄 李栋才 周好斌 陈 兵
上海司太立有限公司(201800) 江小华
摘要 泥浆泵中的闸板起着调节流量的作用,由于其工况的要求,闸板必须具有耐磨损、耐腐蚀的性能,一般采用火焰喷焊的方法在闸板表面熔敷一层镍基合金,生产过程中发现,喷焊层常含有大量的气孔,致使该零件的合格率很低,且影响其使用寿命。本文对其喷焊工艺、喷焊材料、喷焊层的组织进行了研究,指出了气孔形成的原因,并提出采用二步法喷焊工艺、改手工喷焊为自动喷焊的改进措施,并进行了火焰自动喷焊机构的设计。
关键词: 镍基合金 火焰喷焊 气孔
0 序 言
闸板是泵和阀类机构中的重要零件,它起着调节流量的作用。在泥浆泵中由于闸板要经常调节,势必造成闸板表面的磨损,而且接触的介质为钻井泥浆,所以要求闸板表面既要耐磨损又要耐腐蚀。某厂闸板的基体材料为35CrMo ,为满足工况要求采用喷焊的方法,在表面上熔敷一层厚1 mm 的镍基合金,见图1。
一般闸板采用手工火焰喷焊工艺喷焊镍基合金,在生产过程中发现,喷焊层经常出现大量的、密集的气孔,致使闸板的合格率极低,从而导致成本增加,而且使用单位反映使用寿命太低,造成较坏的影响。本文针对其喷焊工艺进行了研究分析,提出了一套相应的解决方案。
1 气孔特点
经过对生产过程的仔细观察、扫描电镜分析和光学显微镜分析,发现气孔主要集中在两条喷焊层的交界处,而且非常密集,见图1 。气孔成圆形,尺寸相差非常大,大量带状密集分布的气孔尺寸在0. 5 mm 以下,电镜放大8 000倍仍可发现气孔,而有些气孔尺寸较大,甚至能达到2 mm ,见图2 ,喷焊层的剖面看,气孔在喷焊层与基体金属结合处气孔较小,在上浮的过程中逐渐变大,见图2 ,而且即使表面没有气孔,结合层处仍可能有大量的微气孔,见图3 ,喷焊层表面及其与基体金属交界处的组织,见图4[3] 。另外即使喷焊层表面无气孔,但经过磨削加工后仍有不规则分布的气孔出现。
2 气孔成因分析
2. 1 工艺因素的影响
火焰喷焊先经过火焰喷涂使金属粉末在工件表面形成涂层,然后用火焰加热涂层使其熔化,涂层金属与基体金属之间相互扩散,形成牢固的结合。工艺上常见的有一步法和二步法两种工艺。一步法指喷焊过程中边喷边熔,其优点是效率高,操作方便,一次喷成,但易产生缺陷。二步法指先形成涂层,然后重熔,如果工艺合理,可以在重熔过程中消除缺陷,如使气体逸出,提高产品质量,其缺点是工作量大,操作复杂,生产效率低。
闸板喷焊粉体成分见表1 ,完全符合标准要求,喷焊前未做任何处理。闸板基体喷焊前表面进行了刨削加工,并经过了400 ℃预热和保温,水和油污不可能存在,有轻度氧化,易形成夹杂,但不是形成气孔的主要原因,气孔的来源主要是熔融的金属粒子从喷嘴喷出后,由于阴影效果而与基体表面之间形成气孔,另外由于金属粒子之间的不完全堆积而形成气孔,这是不可避免的,但完全重熔时可使气体逸出。
闸板喷焊采用的是一步法,因喷焊面积较大,故采用之字形喷熔运作。合金粉重熔不完全,在喷枪边喷边熔的过程中,靠近喷焊层边缘的区域温度相对较低,喷焊层金属不能完全熔化,液固两相并存,此时熔融金属非常粘稠,气孔上浮困难,从而造成大量的、有规律的气孔残留在两道喷焊层交界处。
基体金属喷焊前的预处理指待喷表面的净化、预加工、粗化等处理工艺,目的是彻底清除待喷表面的油污,并加工成需要的形状,同时使表面具有适度的凹凸不平,提高喷焊层与基体金属之间的结合力,但并不是越粗糙越好。闸板基体采用刨削工艺进行处理,由于加工过程中吃刀量不均匀,有些区域有特别深的切削痕迹,这些成三角状的切痕在喷焊时极有可能圈闭大量的气体,而重熔时由于切痕较深,使得气体逸出需要经过较长的路途,其间小气孔不断合并,气孔尺寸不断增大,而且由于气体含量大所需逸出时间长,很容易形成由小到大的气孔串,如图2 所示为一深约2～3 mm 的切痕处形成的气孔串和超大气孔。同时也是表面无明显的气孔带,而喷焊层与基体结合处存在气孔的主要原因。
另外喷焊粉体未做干燥处理也是气孔的一个主要来源,水分随粉体到达喷焊层,重熔时分解为氢气和氧气,在重熔不完全的情况下作为气孔留在喷焊层中,所以在对喷焊层进行磨削加工之前无气孔的工件,磨削后反而出现了气孔。
2.2 人为因素的影响
闸板的喷焊采用手工进行,工件曾经过400 ℃预热和保温,工人的工作环境相当恶劣,不可避免地搀杂了人为因素的影响。由于操作者不同的习惯造成喷炬与工件的距离、摆动的幅度、喷炬停留时间都各不相同,这些因素也会影响气孔的形成和逸出。如果喷炬与工件的距离太长将导致带入喷焊层的气体量较多,而喷焊温度不够将阻碍气体的逸出,温度过高又会使液态金属翻泡,卷入更多的气体,形成气孔群。
3 解决方法
要解决喷焊层气孔的问题首先要控制闸板预处理时刨削的吃刀量,避免出现较深的切痕;并采用两步法工艺;同时对喷焊粉体进行烘干;控制好重熔温度和喷炬到工件的距离,但是由于人为因素的影响,难以进行较好的控制,最佳方案是采用自动喷焊。用一个行走机构和一个摆动机构来模拟人手的喷焊动作,采用可编程控制器对行走机构和摆动机构的动作进行控制,同时安装两把枪,将喷焊与重熔分开进行,执行两步法工艺,见图5 。
4 结 论
(1) 边喷边熔的一步法工艺容易造成两道喷焊层交界处重熔不完全,气体难以逸出而形成气孔。
(2) 预处理时表面太粗糙造成大量的气体被封闭,上升过程中不断合并形成气孔串和超大型气孔。
(3) 未经干燥处理的粉体中的水分进入喷焊层形成不规则的气孔分布。
(4) 人为因素对重熔温度的影响会导致气孔群的产生。
(5) 改进喷焊质量的最佳方案是采用自动控制的喷焊机构,同时采用两步法工艺。 |
