（材料加工工程专业论文）灰口铸铁表面等离子喷焊铁基合金层组织与性能研究.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 随着现代工业的发展，对材料性能的要求也越来越高。灰口铸铁由于生产工艺简单， 成本低廉，被广泛的应用于机械制造、冶金、矿山、石油化工等工业部门。为了提高灰 口铸铁的性能质量和使用寿命，本试验采用粉末等离子弧喷焊的方法，在灰口铸铁基体 上喷焊多层铁基合金粉末，为机械设备如锤式破碎机锤头的表面强化及修复提供实验依 据。 本实验研究多层粉末等离子弧喷焊的成形工艺及机理，分析喷焊工艺参数对喷焊层 组织与性能的影响。进行多层喷焊时，结合金相显微镜、s e m 、x r d 等检测手段，研 究喷焊层层与层之间的显微组织和物相变化，采用维氏硬度计和洛氏硬度计测量喷焊层 的显微硬度及宏观硬度，分析喷焊层层与层之间的硬度变化。通过金相显微镜、s e m 、 x r d 、硬度检测等方法研究转移弧电流对多层粉末等离子弧喷焊层组织与性能的影响。 采用x 射线探伤的方法检测喷焊层内部是否存在缺陷。 多层粉末等离子弧喷焊研究结果表明：喷焊层组织为基体组织上分布着大量的初生 碳化物和共晶碳化物，初生碳化物和共晶碳化物都为( f e ，c r ) 7 c 3 型碳化物。在喷焊下一 层金属时，上一层喷焊金属中的初生碳化物( f e ，c r ) 7 c 3 产生分解细化，显微硬度值降低。 同时初生碳化物( f e ，c 0 7 c 3 更加趋向垂直于喷焊层表面生长。初生碳化物( f e ，c r ) 7 c 3 横截面的显微硬度值明显高于初生碳化物( f e ，c r b c 3 纵截面的显微硬度值。随着喷焊层 数的增加，喷焊层顶部组织中初生碳化物及共晶碳化物增多，喷焊层表面的宏观硬度升 高。喷焊层熔敷金属中的( f e ，c r ) 7 c 3 型碳化物主要沿着晶面( 4 2 d 及晶面( 7 5 0 ) 方向生长， 随着喷焊层数的增加，( f e ，c 0 7 c 3 型碳化物沿晶面( 7 5 0 ) 方向的生长取向减小，沿晶面( 4 2 1 ) 方向的生长趋势增大。 转移弧电流对喷焊层影响的研究结果表明：转移弧电流在1 0 0 a 1 4 0 a 范围内增大 时，初生碳化物的晶粒尺寸变大，其横截面及纵截面的硬度值均有所升高，初生碳化物 横截面显微硬度可达1 6 0 0 h v ，初生碳化物纵截面显微硬度达1 3 0 0 h v 。其喷焊层的表 面宏观硬度变化不大。随着转移弧电流从1 0 0 a 增大到1 4 0 a ，粉末等离子弧喷焊层熔敷 金属的x 射线衍射峰向左偏移。喷焊层内部无裂纹、气孔、夹渣等缺陷出现，内部质量 优良。 关键诃：灰口铸铁；等离子喷焊；组织；硬度 灰口铸铁表面等离子喷焊铁基合金层组织与性能研究 a b s t r a c t w i lt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , h i g h e ra n dh i g h e rd e m a n d so nm a t e r i a l p e r f o r m a n c e g r a yc a s ti r o np r o d u c t i o np r o c e s si ss i m p l e ，l o wc o s t , w i d e l yu s e di nm a c h i n e r y m a n u f a c t u r i n g , m e t a l l u r g y , m i n i n g , p e t r o c h e m i c a la n do t h e ri n d u s t r i a ls e c t o r s i no r d e rt o i m p r o v et h eq u a l i t yo fp e r f o r m a n c ea n ds e r v i c el i f eo fg r a yc a s ti r o n , t h et e s tu s i n gt h e m e t h o do ft h ep o w d e rp l a s m aa r cs p r a y , s p r a yi nt h eg r a yc a s ti r o nm a t r i xm u l t i - s t o r e y i r o n - b a s e da l l o yp o w d e r , s u c ht h eh a m m e r h e a do fc r u s h e rh a m m e rs u r f a c es t r e n g t h e n i n ga n d r e p a i rt op r o v i d ee x p e r i m e n t a lb a s i s t k s s t u d yi n v e s t i g a t e dt h em u l t i - c o a t i n g sp o w d e rp l a s m as p r a yw e l d i n gf o r m i n gp r o c e s s a n dm e c h a n i s m ，a n a l y s i so ft h ei m p a c to ft h es p r a yp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h es p r a yc o a t i n g s m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s ，l l i l em u l t i c o a t i n g ss p r a y , u s e dt h eo p t i c a lm i c r o s c o p e 、s e m 、 x r d a n do t h e rd e t e c t i o nm e t h o d s ，r e s e a r c h e r sm i c r o s t m c t u r ea n dp h a s ec h a n g eo fb e t w e e n s p r a yc o a t i n g s ，u s e dv i c k e r sh a r d n e s st e s t e ra n dt h er o c k w e l lh a r d n e s st e s t e rm e a s u r e m e n t s p r a yc o a t i n g sm i c r o h a r d n e s sa n dm a c r o h a r d n e s s ，a n a l y s i sh a r d n e s sc h a n g eo fb e t w e e ns p r a y c o a t i n g s u s e dm i c r o s c o p e ，s e m ，x r d ，h a r d n e s sd e t e c t i o nm e t h o dr e s e a r c h e r so r g a n i z a t i o n a n dp r o p e r t yo fm u l t i - c o a t i n g sp o w d e rp l a s m as p r a yw e l d i n gc o a t i n g sb yu s ed i f f e r e n t t r a n s f e rc u r r e n t d e t e c t e ds p r a yc o a t i n g si n t e r n a ld e f e c t sb yx - r a yd e t e c t i o n n er e s e a r c h e rr e s u l t so fm u l t i - c o a t i n g sp o w d e rp l a s m as p r a yw e l d i n g ：t h em a i np h a s e w a sal a r g en u m b e ro f p r i m a r yc a r b i d e sa n de u t e c t i cc a r b i d e sw h i c hd i s t r i b u t e do nt h em a t r i x o r g a n i z a t i o n , p r i m a r yc a r b i d e sa n de u t e c t i cc a r b i d e sa r e ( f e ，c r ) 7 c 3t y p ec a r b i d e s a f t e rt h e n e x tc o a t i n g sw a ss p r a y e d n 地c a r b i d e ss i z ea n dt h em i c r o h a r d n e s so fc a r b i d e si nt h el a s t s p a r ) , w e l d i n gc o a t i n gw a sd e c r e a s e d w k l ep r i m a r yc a r b i d e s ( f e ，c o7 c 3t e n dt ob em o r e p e r p e n d i c u l a rt ot h es u r f a c eo ft h es p r a yc o a t i n g sg r o w t h h o r i z o n t a ls e c t i o no ft h ep r i m a r y c a r b i d e s ( f e ，c r ) 7 c 3m i c r o h a r d n e s ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h em i c r o h a r d n e s so ft h ep r i m a r y c a r b i d e s ( f e ，c r ) 7 c 3i nl o n g i t u d i n a ls e c t i o n w i t ht h ei n c r e a s eo fs p r a yc o a t i n g s ，t h ep r i m a r y c a r b i d e sa n de u t e c t i cc a r b i d e si nt h es p r a yl a y e ra tt h et o po ft h eo r g a n i z a t i o ni n c r e a s e d , t h e m a c r o h a r d n e s so ft h es p r a yc o a t i n g ss u r f a c ew a si n e r e a s e d ( f e ，c r ) 7 c 3c a r b i d e so fs p r a y w e l d i n gd e p o s i t e dm e t a lg r o w t ha l o n gt h ed i r e c t i o no ft h ec r y s t a lf a c e ( 4 21 ) a n dc r y s t a lf a c e ( 7 5 0 1w i t ht h ei n c r e a s eo fs p r a yc o a t i n g s ，( f e ，c r ) 7 c 3t y p ec a r b i d eg r o w t ht r e n do ft h e d i r e c t i o no ft h ec r y s t a lf a c e ( 7 5 0 ) w a sd e c r e a s e d , t h ed i r e c t i o no ft h eg r o w t ht r e n do ft h e d i r e c t i o no ft h ec r y s t a lf a c e ( 4 21 ) w a si n c r e a s e d r e s e a r c h e r so r g a n i z a t i o na n dp e r f o r m a n c eo fm u l t i c o a t i n g sp o w d e rp l a s m as p r a y w e l d i n gc o m i n g sb yb s ed i f f e r e n tt r a n s f e rc u r r e n t , t h er e s u l ts h o w e d ：t r a n s f e r r e dc u r r e n ti n io o a 14 0 ar a n g ei n c r e a s e s ，t h ep r i m a r yc a r b i d e g r a i ns i z e ，i t s h o r i z o n t a ls e c t i o na n d l o n g i t u d i n a ls e c t i o nm i c r o h a r d n e s sa r ei n c r e a s e d , h o r i z o n t a ls e c t i o no ft h ep r i m a r yc a r b i d e s i i 西华大学硕士学位论文 m i c r o h a r d n e s su pt o16 0 0 h v , l o n g i m d i n a ls e c t i o no ft h ep r i m a r yc a r b i d em i c r o h a r d n e s sw a q a b o m13 0 0 h v t h em a c r o h a r d n e s sc h a n g eu n o b v i o u s w i t ht h et r a n s f e rc u r r e n ti n c r e a s e d f r o m10 0 at o14 0 a ，p o w d e r p l a s m as p r a yw e l d i n gc o a t i n g sd e p o s i t e dm e t a lx - r a yd i f f r a c t i o n p e a k ss h i f t e dt ot h el e f t w i t h i nt h es p r a yc o a t i n g sf r e eo fc r a c k s ，p o r o s i t y , s l a ga n do t h e r d e f e c t s ，t h ei n t e r n a lq u a l i t yi se x c e l l e n t k e yw o r d s ：g r e yc a s ti r o n ；p l a s m as p r a yw e l d i n g ；m i c r o s l r u c t u r e ；m i c r o h a r d n e s s m 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 表面工程技术概况 表面工程是对表面及近表面区域进行预处理后，进行表面改性、表面涂覆及多种表 面工程技术复合处理，通过改变固体材料表面的形貌、组织结构、化学成分和力学性能， 使表面获得所要求性能的一种系统工程【m 】。因此，表面工程也就是表面技术的工程化， 采用表面工程技术的目的主要为【3 1 ：( 1 ) 提高材料表面耐磨损、耐腐蚀、耐氧化等方面的 性能；( 2 ) 使材料表面获得某种特殊的物理或化学性能，如光、磁、热、电等；( 3 ) 进行 特定表面的处理来制造工件，元器件及零部件。因此，在资源日益短缺与材料价格不断 上涨的情况下，使用昂贵的高性能材料制造零件和整体设备以获得所要求的性能是不经 济、不科学的。所以，对改善材料的表面性能，加强材料的表面保护，发展材料的表面 工程技术都具有非常重要的意义。 1 2 表面强化技术 表面强化技术是决定强化层的化学成分、组织结构、力学性能的关键，是表面工程 技术的核心内容。它是提高材料表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性、耐氧化性等表面处理方 法的总称【3 】。表面强化技术可以归纳为以下五个方面： ( 1 ) 表面形变强化。主要是利用机械方法使金属表面发生塑性变形，从而形成高强 度，高硬度的硬化层，主要的方法为喷丸及滚压工艺。表面形变强化方法简单，但对耐 磨性能影响较小。 ( 2 ) 表面热处理强化。是利用固态相变，通过快速加热的方法对零件进行表面淬火， 如感应淬火、火焰淬火、激光淬火等，可提高材料的耐磨性和抗疲劳强度。 ( 3 ) 化学热处理强化。是利用外来元素的固态扩散渗入，来改变金属表面层的化学 成分以实现表面强化。化学处理需要专门的设备，处理周期长、成本高。 ( 4 ) 表面熔融强化。一般是指利用工件表层金属或涂覆在表面上的合金材料熔化和 凝固，以得到预期成分或组织的一种表面技术。属于液相固相转变。常用的方法包括： 堆焊、熔敷、热喷涂、表面合金化等。 ( 5 ) 表面薄膜强化。是通过物理的或化学的方法在基体材料表面结合或凝固成与基 体材料不同的膜层，形成耐磨膜，抗蚀膜等。主要方法有电镀、气相沉积、离子注入等。 需要有专门的设备，技术性高，成本高，形成的薄膜很薄，不宜长期使用。 灰口铸铁表面等离子喷焊铁基合金层组织与性能研究 1 2 1 表面堆焊技术 表面堆焊技术是采用焊接的方法在工件表面堆敷具备一定使用性能的合金材料的 工艺方法。其目的是使工件表面具有耐磨损、耐腐蚀、耐热等特定性能，或是使工件增 加或恢复原有形状尺寸。堆焊技术是焊接领域的一个重要分支，它广泛的应用于矿山、 石油化工、冶金、农机、航天、车辆等工业部f i t 5 1 。 1 2 2 表面堆焊的方法 手弧焊堆焊通过药芯焊条或者实心焊条，可以获得基本全部的堆焊合金成分，同时 由于其成本低、机动灵活、设备简单，目前仍是一种主要的堆焊工艺。但手弧焊堆焊存 在稀释率偏高、生产率低、不容易获得均匀而薄的堆焊层、工作环境较差等缺点。 氧乙炔焰堆焊的火焰温度较低，约为3 0 5 0 3 1 0 0 在堆焊过程中，由于可以调节 火焰能率，能够获得很小的稀释率及厚度低至l m m 以下的薄堆焊层。同时该方法简单 灵活、成本低，因此获得广泛应用。缺点为劳动强度大，生产率低。 埋弧堆焊与一般埋弧焊在实质上没有区别。该方法因堆焊金属成分稳定、劳动条件 好、生产率高而得到大量应用。它是曲轴、轧辊、压力容器及化工容器等大中型零部件 经常采用的堆焊方法。 等离子弧堆焊是一种同时具备高熔敷率和低稀释率的堆焊方法，堆焊层致密且冶金 连续。它采用各种渗合金方式进行堆焊。但等离子弧堆焊设备成本较高，堆焊时会存在 臭氧污染及紫外线辐射，所以需要采取防护措施。 电渣堆焊熔敷速率高，可一次性堆焊大厚度堆焊层且稀释率不高，由于堆焊层低于 1 4 , 1 6 m m 时无法建立稳定的电渣过程，所以电渣堆焊主要应用于较厚的堆焊层、表面 形状较简单的大中型零部件。 激光堆焊由于可以准确控制热输入，稀释率和成分可控性好，热畸变小。可获得组 织致密且性能优越的堆焊层。可靠性高，易实现自动化。 1 3 等离子弧堆焊技术 1 3 1 等离子弧的形成及特性 等离子弧是拥有较高的能量密度，是非自由电弧的一种，受到下面三种压缩作用形 成的旧。因此，也被称为压缩电弧。 ( 1 ) 机械压缩作用通过等离子弧发生器喷嘴孔道对电弧进行压缩，将气体的导电 通路控制在喷嘴孔道里面，该压缩作用称为机械压缩作用 ( 2 ) 热压缩作用在喷嘴周围通入冷却水，从而降低喷嘴的温度。当弧柱在喷嘴孔 2 西华大学硕士学位论文 道内通过时，由于喷嘴温度较低，喷嘴内壁会形成一层冷气膜使得弧柱的导电面积减小， 称为热压缩作用。 ( 3 ) 磁压缩作用由于电弧电流本身会产生磁场，电流密度越大，磁场的作用力也 越强，在这种磁场的作用下，弧柱会向其中心方向压缩，造成弧柱的截面积变小。这种 由电弧电流本身产生的磁场而引起的电弧压缩称为磁压缩效应。 经过上面三种压缩作用，电弧的等离子流速、能量密度、温度得到明显的加强，这 种电弧被称为等离子弧。 等离子弧具有以下特性： ( 1 ) 等离子弧温度高、能量密度集中 普通的钨极氩弧最高温度是1 0 0 0 0 - 2 4 0 0 0 k ，能量密度低于1 0 4 w c m 2 。等离子弧 温度可达2 4 0 0 0 - - 5 0 0 0 0 k ，能量密度高达1 0 5 1 0 6 w c m 2 。因为等离子弧的温度高，所 以被1 j a - r 材料通常不受熔点高低的限制。另外，等离子弧的能量密度集中，因此工作效 率高，热影响区小，与常规工艺相比，工件所产生的变形与残余应力减少。 ( 2 ) 等离子弧的热稳定性好 电弧的稳定性与电弧气氛导电性有关，导电性越好，电弧越稳定。因为等离子弧当 中的气体是完全电离的，所以其电弧稳定性好。等离子弧电压与电流在一定区域内相对 于弧长的变化并不敏感，也就是说在弧柱较长时，电弧依然可以保持稳定的燃烧，不会 出现自由电弧不稳的缺点。 ( 3 ) 等离子弧具备可控性 等离子弧能够在很大的范围内调整热效应，不仅可以改变输入功率，还可以通过改 变气体的流量、种类和改变喷嘴结构尺寸来调整等离子弧的温度和热能：等离子弧的工 作气氛可以通过选择不同的离子气种类来调节；可以通过改变喷嘴结构、电弧电流、离 子气种类和流量来调节等离子弧的刚度【7 1 。 1 3 2 等离子弧的分类 根据电源供电方式的不同，等离子弧可以分为三种类型。 ( 1 ) 非转移型等离子弧非转移型等离子弧是在电极和喷嘴之间建立的，电极接负 极，喷嘴接正极。非转移型等离子弧能量密度小、温度低。主要用于切割、焊接比较薄 的金属或非金属材料；喷涂金属表面。 ( 2 ) 转移型等离子弧转移型等离子弧是在电极与工件之间建立的，电极接负极， 工件接正极。转移弧的产生必须靠非转移弧引燃。转移型等离子弧能量密度高、温度高。 主要用于切割、焊接、堆焊金属材料。 3 灰口铸铁表面等离子喷焊铁基合金层组织与性能研究 ( 3 ) 联合型等离子弧联合型等离子弧是非转移型等离子弧与转移型等离子弧同时 存在。非转移弧用于稳定转移弧燃烧，对填充材料预热。转移弧用于加热填充材料和母 材。主要用于粉末等离子弧喷焊及微束等离子弧焊接。 1 3 3 等离子弧在焊接领域的应用 等离子弧因为其能量密度高、温度高的特点，能够对各种金属材料进行焊接、喷涂、 堆焊。甚至可以利用等离子焰流对一些非金属材料进行加工。表1 1 为等离子弧在焊接 领域的应用分类【8 】。 表1 1 等离子弧焊接的应用 t a b l 1a p p l i c a t i o n so f p l a s m aa r cw e l d i n g 1 3 4 等离子弧堆焊方法的分类 根据焊层材料送给状态的不同，等离子弧堆焊方法主要包括以下几种： ( 1 ) 冷丝等离子弧堆焊它是将焊丝直接送入等离子弧区进行堆焊，有自动送丝与 手工送丝两种方式，凡是能够进行拔制成丝的堆焊合金均可采用自动送丝，对于铸造成 棒状的堆焊合金，如钴基合金一般采用手工送丝。 ( 2 ) 热丝等离子弧堆焊它是将经过自身电阻热预热后的焊丝送入等离子弧区进行 堆焊，有单热丝或双热丝自动送进两种方式。对焊丝进行预热，不但可以降低稀释率， 还可以提高焊丝的熔敷速率。同时，由于焊丝预热可以有助于减少焊丝表面氢的存在， 从而降低堆焊层产生气孔的可能性。 ( 3 ) 预制型等离子弧堆焊它是将堆焊合金预制成一定形状平铺在焊件表面，采用 等离子弧作为热源进行堆焊。该堆焊方法适用于大批量、形状简单的零件，如柴油机的 排气阀。 ( 4 ) 粉末等离子弧喷焊将堆焊合金加工成粉末状，将合金粉末送入等离子弧区进 4 西华大学硕士学位论文 行堆焊。该方法在我国发展迅速，目前已在各个工业部门得到广泛应用。其特点为：不 受喷焊材料延展性的限制【9 】，可以制成含有各种化学成分的喷焊合金粉末进行喷焊；喷 焊质量好，易于实现自动化生产。 1 4 粉末等离子弧喷焊技术 1 4 1 粉末等离子弧喷焊的原理 粉末等离子弧喷焊的原理如图1 1 所示，采用两台直流弧焊电源，将其中一台接在 焊枪的钨极与喷嘴之间，钨极接负极，喷嘴接正极，称为非转移弧电源。另一台接在钨 极与工件之间，钨极接负极，工件接正极，称为转移弧电源。粉末等离子弧喷焊以转移 弧作为主要热源。等离子弧喷枪作为等离子弧发生器，焊枪的电极和喷嘴通入冷却水进 行冷却，采用氩气或者氦气作为工作气体，堆焊时，在钨极与喷嘴之间采用高频击穿工 作气体，产生非转移弧，非转移弧的产生使得钨极与工件之间出现导电通路，从而引燃 转移弧。合金粉末借助送粉气进入焊枪，在等离子弧中被加热至半熔化及熔化状态从而 进入工件表面的熔池中。随着焊枪的移动，在工件表面形成高强度、高致密性的合金喷 焊层。 图1 1 等离子弧喷焊原理示意图 f i 9 1 1p r i n c i p l eo f p l a s m as p r a yw e l d i n g 1 4 2 粉末等离子弧喷焊的特点 ( 1 ) 稀释率低1 川因为喷焊工艺中可供调节的规范参数多，所以能对热输入量进行 5 灰口铸铁表面等离子喷焊铁基合金层组织与性能研究 严格的控制。合金粉末在等离子弧柱中被提前加热后喷射过渡到熔池中，对电弧吹力起 到缓冲作用，熔池均匀受热，因此能够控制母材本身的熔深，降低母材对喷焊层的影响， 从而可将稀释率控制在5 左右。 ( 2 ) 生产率高粉末等离子弧喷焊易于实现自动化，获得高的熔敷率，熔敷率可以 达到1 2 k g h 。 ( 3 ) 合金粉末制备简单、可用材料范围广由于等离子弧柱区温度可高达( 1 0 5 0 ) 1 0 4 k ，可喷焊各种合金。可以根据需要配置不同配比的合金粉末，获得各种性能的合 金喷焊层。合金种类众多，包括铁基、镍基、钴基、铜基等。 ( 4 ) 喷焊工艺稳定、喷焊层质量好由于等离子弧抗外界因素干扰的能力强，等离 子弧稳定性高，因此粉末等离子弧喷焊工艺稳定。因为等离子弧具有能量密度集中、温 度高的特点，喷焊的熔敷速率快。所以喷焊层组织均匀、晶粒细小、硬度变化不大、喷 焊层质量好 ( 5 ) 被焊工件温度较低不易发生变形。另外可以对工件使用冷却气体进行冷却， 进一步降低被焊工件的温度 1 l - 1 3 】。 ( 6 ) 可控性好，易于实现自动化生产。 ( 7 ) 堆焊层外观成形好由于粉末等离子弧喷焊采用氩气或氦气保护，喷焊层光滑 平整。通过改变喷焊工艺参数，可以准确控制喷焊层成形尺寸。 1 4 3 粉末等离子弧喷焊研究现状 目前，对粉末等离子弧喷焊的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 粉末等离子弧喷焊最优工艺参数及粉末配比的制定由于喷焊工艺参数及粉末 配比会直接影响到喷焊层的质量，因此在工件表面进行喷焊时，若想获得具备高耐磨、 耐腐蚀、耐高温、抗氧化等特殊性能的优良喷焊层，需要选用最合适的喷焊参数及粉末 配比 1 4 - 1 5 。通过对等离子弧喷焊的工艺参数及粉末配比进行正交设计来确定最优的喷焊 工艺参数及粉末配比，从而达到降低工作量，节约成本的效果。 ( 2 ) 建立高质高效等离子弧喷焊系统目前与国外相比，国内等离子喷焊系统方面 的研究起步较晚。西北工业大学的李振民等人对脉动等离子弧喷焊系统进行改造，通过 在工件与喷嘴之间接入高频的i g b t 无触点开关，成功实现了非转移弧与转移弧之间的 高频交替工作，在单一电源的条件下完成了等离子弧喷焊【阍。同时研究表明，通过减小 焊枪喷嘴压缩孔径，提高压缩比可以提高熔敷率，减小稀释率，有助于实现高质高效的 等离子弧喷焊。在等离子弧喷焊系统中采用可编程逻辑控制器p l c 在控制方面可以解 决等离子弧喷焊程序复杂的缺点。 6 西华大学硕士学位论文 ( 3 ) 粉末等离子弧喷焊复合合金粉末【1 7 】在进行复合合金粉末等离子弧喷焊时，为 了保证碳化物、氧化物或硼化物硬质相颗粒在喷焊层均匀分布，喷焊层质量可靠稳定， 不出现裂纹、气孔及硬质相颗粒烧损等现象，要求等离子弧喷焊系统和喷焊粉末完全匹 配，实现较困难。同时有研究表明，通过向合金成分里添加合金纤维有利于提高喷焊层 的断裂韧性。 ( 4 ) 等离子转移弧中粉末的热行为天津大学的张文钺、王惜宝等人对粉末离子弧 喷焊时，转移弧中粉末的热行为及影响因素进行了研究【1 8 】，推算了碳化硼粉末与铁基合 金粉末在不同的工艺参数下在等离子弧柱区运输速度的分布规律和粉末沿等离子弧柱 横截面流通量的大小。该研究为研发和选择合适的堆焊合金粉末，制定合理完善的喷焊 工艺提供了有力的理论依据。 1 4 4 粉末等离子弧堆焊存在的主要问题 ( 1 ) 粉末利用率低粉末等离子弧喷焊时，合金粉末在工作气体的作用下，运动速 度变快，造成合金粉末在喷焊时容易飞离了等离子弧柱区域。使得合金粉末利用率下降， 喷焊成本增加。 ( 2 ) 双弧问题正常的等离子转移弧应该稳定的在钨极与工件之间燃烧，但有时会 在钨极喷嘴工件之间产生一个串联电弧，从而产生双弧问题。焊枪喷嘴孔道容易吸附 合金粉末，这部分合金粉末受热形成熔滴是引起双弧问题的直接原因。双弧现象会造成 转移弧电流降低，焊枪喷嘴过热，正常的堆焊遭到破坏。 ( 3 ) 能量方面认知不足通常只认识到等离子弧提供的热能对合金粉末与母材在堆 焊过程中的作用，而忽视了其他类型的能量。同时，对能量消耗方面的研究较少。 1 4 5 粉末等离子弧喷焊的发展趋势 提高生产率，降低生产成本，获取所需要的高性能喷焊层，在最大限度上提高工件 的使用寿命是等离子弧喷焊的发展趋势。日后，粉末等离子弧喷焊技术的发展可以归纳 为以下几个方面： ( 1 ) 高性能复合合金粉末的研发为了满足对工件表面性能日益提高的要求，需要 根据工件不同的工作环境、不同的性能要求，研发高性能的等离子弧喷焊复合合金粉末， 从而获得高性能的喷焊层。 ( 2 ) 新型等离子弧堆焊方法的研究采用复合喷焊的方法，解决采用单一等离子弧 喷焊时可能出现的问题，从而提高喷焊层质量。等离子激光复合喷焊方法如图1 2 所示， 激光束的加入可以使等离子弧更加稳定，能力更加集中，减小等离子弧影响区域，同时 可以起到优化组织结构、细化晶粒的作用，从而提高喷焊层性能【1 9 - 3 1 | 。 7 灰口铸铁表面等离子喷焊铁基合金层组织与性能研究 图1 2 等离子激光复合堆焊技术示意图 f i 9 1 2p r i n c i p l eo f p l a s m al a s e rh y b r i ds u r f a c i n g ( 3 ) 改善等离子弧喷焊设备【l o 】目前等离子弧喷焊与其他喷焊技术相比，设备成本 高。为了进一步提升等离子弧喷焊效率，获得更加优良的喷焊层质量，降低生产成本， 就必须对等离子弧堆焊设备进行进一步研究，特别是对高性能堆焊焊枪及其配套系统的 研发，同时进一步提高p l c 控制元件的功能。 ( 4 ) 等离子弧喷焊理论研究。为了使等离子弧喷焊技术在更多的领域得到运用，就 必须对等离子弧喷焊的基础理论进行更加深入的研列3 2 羽】。为等离子弧喷焊新材料、新 方法、新设备提供强有力的理论依据。 1 5 粉末等离子弧喷焊合金 1 5 1 粉末等离子弧喷焊合金的分类 只有采取与工件工作条件及磨损类型相匹配的喷焊合金才可以有效的提高工件的 使用寿命，目前在堆焊领域存在大量的喷焊合金，按照喷焊合金的化学成分，下面对常 用的喷焊合金进行分类【5 】。 ( 1 ) 铁基喷焊合金 奥氏体铬镍钢喷焊合金 1 8 8 型奥氏体铬镍堆焊合金具有很强的耐腐蚀性、热强性和抗高温氧化的能力、因 此，奥氏体铬镍钢堆焊合金被广泛的应用于石油、化工、原子能等部门的耐热、耐腐蚀 设备的喷焊中。低的含碳量及生成铁素体奥氏体双相组织有利于提高这类喷焊合金的 抗晶间腐蚀的能力。该类喷焊合金的缺点是喷焊层硬度低、耐磨性较差。所以，常在1 8 8 3 西华大学硕士学位论文 型喷焊合金的基础上加入s i 、w 、m n 、v 、m o 等合金元素，通过析出强化与固溶强化 等方式，增加该类合金的红硬性，提高耐磨性能。如c r l 8 n i 8 s i 5 m n 、c r l 8 n i 8 s i 7 m n 2 等喷焊合金，已在要求耐热、耐磨、耐蚀的阀门密封面的喷焊中得到应用。在1 8 8 型 喷焊合金中加入较多的m n ，有利于奥氏体的形成，从而提高喷焊合金抗气蚀的能力， 常被用于水轮机叶片的喷焊，如o c r 2 0 n i l 0 m n 6 、c r 2 5 n i 6 m n 7 等。 在用于粉末等离子弧喷焊的合金粉末中，我国目前已发展了多种新的奥氏体铬镍钢 铁基合金粉末，如c r l8 n i 8 8 2 s i 3 m o m n v 、c r l 8 n i l1 8 2 s i 3 m o m n v、 c r 2 3 n i l 3 8 2 s i 4 m 0 2 w 等。他们常被用于中温中压及高压阀门密封面的喷焊。其化学成 分与d 5 4 7 m o 焊条类似。在喷焊合金粉末中加入硼、硅等元素是为了改善喷焊时合金粉 末的焊接工艺性能，使其成为自熔性合金。自熔性合金是指合金粉末在熔化过程中合金 成分将脱氧而去除氧化膜，在熔池表面形成低熔点的硼硅酸盐熔渣，有利于防止合金被 氧化，同时改善与母材的浸润性。但是b 元素的加入会生成具有高硬度的硼化铬，从而 造成喷焊合金脆性增加、硬度提高、裂纹倾向变大。 高铬钢喷焊合金 这类合金含碳量约为0 1 2 ，含铬量为1 3 左右。粉末等离子弧喷焊中常用的 1 c r l 3 型喷焊合金就属于此类。它们属于高铬半马氏体或马氏体不锈钢。当含碳量约为 0 1 ，c r 含量在1 3 左右时，高铬钢喷焊金属组织是马氏体和铁素体，硬度为4 0 - - - 5 0 h r c ，经7 8 0 - 8 0 0 c 退火处理后硬度越为2 5 h r c ，经7 8 0 8 0 0 淬火处理后硬度为 5 0 h r c 左右；含碳量在0 2 - 0 3 ，c r 含量在1 3 左右时，喷焊金属组织为马氏体，存 在碳化物析出，硬度约为5 0 h r c 。该类合金的脆性较大，喷焊时易于产生裂纹，因此 需要预热3 0 0 - , 4 0 0 。它们主要用于耐气蚀、耐腐蚀、耐磨等工件的喷焊，如水轮机叶 片、阀门密封面等。 当含碳量大于1 时，高铬钢喷焊合金属于莱氏体钢。其组织为残余奥氏体+ 莱氏体。 由于碳化铬的存在，合金硬度高、耐磨性好，但脆性变大，极易产生裂纹，因此要求预 热温度不能低于5 0 0 ，焊后硬度可达6 0 - 6 2 h r c 。他们主要用于拉伸模、冷冲模及边 切模等冷变形模具的喷焊。 高铬铸铁型喷焊合金 高铬铸铁型喷焊合金通常在c 含量1 5 5 、c r 含量1 5 3 5 的基础上适当加 入其他合金元素，如m n 、b 、n i 、w 、s i 、v 等，从而更加提高它的耐蚀性、耐磨性及 耐高温性能等。高铬铸铁型喷焊合金组织一般为大量的c r 7 c 3 型碳化物分布在是残余奥 氏体及共晶碳化物的基体上。c r 7 c 3 的显微硬度最高可达1 7 0 0 h v 左右。大量c r 7 c 3 型硬 质相的存在，使该类合金具备很强的抗磨粒磨损的能力。高的铬含量使合金具备优良的 9 灰口铸铁表面等离子喷焊铁基合金层组织与性能研究 耐磨性、耐高温及耐腐蚀的能力。基体为奥氏体的高铬铸铁型喷焊合金具有很强的抗低 应力磨粒磨损的性能，可以抵抗中度冲击，常用于农业机械零件的喷焊中。基体为马氏 体的高铬铸铁型喷焊合金除具有很强的抗低应力磨粒磨损的能力外，还具有较强的抗高 应力磨粒磨损的能力。常被用于矿山机械工件的喷焊。因为该合金也具备耐气蚀的能力， 所以也可用于水轮机叶片等零件的喷焊。高铬铸铁型喷焊合金在喷焊前需要预热4 0 0 - - 6 0 0 ，焊后需要进行包围，从而避免或减少裂纹的产生。 ( 2 ) 镍基喷焊合金 用于喷焊的镍基合金，通常分为n i c r - m o w 、n i c r - b s i 、n i c r 、n i c u 、等类型 【翊。与其他喷焊合金相比，镍基喷焊合金抗金属与金属间摩擦磨损的能力最强，同时具 有很强的抗氧化性、耐蚀性、耐热性。由于它们易于熔化，具有较好的喷焊工艺性能， 因此得到了广泛的应用，但镍基喷焊合金与铁基喷焊合金相比，价格较贵。通常用于化 工设备、锅炉零件、阀门密封面【3 副等工件的喷焊工作中。 ( 3 ) 钴基喷焊合金 钴基喷焊合金主要指c o c r - w 喷焊合金，它是在c o 成分的基础上加入c r 、c 、w 等元素组成的合金【3 6 】。其成分通常为c 含量o 4 3 0 、c o 含量3 0 - - 7 0 、c r 含量 2 5 - - 3 3 、w 含量3 - - 2 0 。c o 在合金中的作用是提高合金的抗腐蚀的能力，同时 得到具有高韧性的固溶体基体；大量c r 元素的存在使合金具有很强的抗氧化的能力； w 可以加强合金的高温蠕变强度与硬度；c 元素的存在使得喷焊合金金属中形成碳化钨 及碳化铬，其具有很高的硬度，从而使合金具备良好的耐磨性。 含碳量及合金成分决定了钴基喷焊合金的显微组织。当含碳量较低时，组织由呈树 枝状结晶的钴铬钨合金固溶体初晶和固溶体和铬钨复合碳化物的共晶体底层组成。当含 碳量增加时，奥氏体数量变少，共晶体变多。该组织属于亚共晶组织：当含碳量较高时， 喷焊合金为过共晶组织。由粗大的一次铬钨复合碳化物，其显微硬度为1 2 7 0 1 7 2 0 h v 和碳化物与固溶体的共晶体，其显微硬度为1 0 5 0 - - 一1 3 0 0 h v 组成。喷焊金属的硬度与韧 性可以通过调整碳与钨的含量来改变，从而可以用于不同的方面。 与其他喷焊合金相比，钴基合金的综合性能最优：具有很高的红硬性，其在5 0 0 - 7 0 0 工作时，仍可以保持3 5 0 - - 5 0 0 h v 的高硬度，同时具备良好的抗磨粒磨损、抗冲 击、抗氧化、抗腐蚀及抗金属与金属间摩擦磨损等能力。因此，虽然钴基喷焊合金价格 昂贵。但仍被广泛运用。碳与钨含量较低的钴基喷焊合金，主要用于受高温、冲击、腐 蚀、磨粒磨损的工件上喷焊，如热轧孔型、热剪切刀刃、高温高压阀门、热锻模等。碳 与钨含量较高的钴基喷焊合金主要用于受强磨粒磨损、受高温、受腐蚀、受冲击较小的 工件喷焊，如螺旋送料机、粉碎机刃口、牙轮钻头等工件。同时，粉末等离子弧喷焊喷 l o 西华大学硕士学位论文 焊粉末有相应的c o 基合金系列喷焊粉末提供。 ( 4 ) 铜基喷焊合金 该类喷焊合金具备优良的耐腐蚀性能及低的摩擦系数，通常用于喷焊耐腐蚀的工件 及轴承等金属与金属间摩擦磨损的工件，也可用于对材质为铸铁或钢的工件进行修复及 表面改性。但是铜基喷焊合金不能在2 0 0 c 以上的环境下工作，同时铜基喷焊合金的抗 磨粒磨损的能力较差。常用铜基喷焊合金有硅青铜、锡青铜、铝青铜等。另外也可以用 紫铜、黄铜及白铜进行喷焊。 ( 5 ) 复合喷焊合金 由两种或两种以上不同成分的合金粉末所组成的喷焊合金称为复合喷焊合金。复合 喷焊合金不同于将多种合金粉末机械混合，复合喷焊合金要求保证粉末整体的均匀性与 单个粉末颗粒的非均质性的统一【3 7 4 1 1 。 由于目前对工件性能的要求越来越高，因此采用一种成分的合金粉末进行喷焊，很 难达到所需的要求，因此通过将几种合金粉末复合在一起，通过相互间的配合，使性能 得到提升。 复合喷焊合金的研究现状，美国k o p p e r s 公司将碳化钨粉末与钴基粉末、镍基合金 粉末与复合合金粉末按照一定的比例复合制各出新的活塞环涂层；美国低共熔合金公司 在镍基合金粉末中加入碳化钨粉末，从而使喷焊层的耐磨性能得到进一步提升：英国公 司通过在铁基、镍基、钴基合金粉末中加入不同比例的碳化钛来增强喷焊层的耐磨性【4 2 1 。 我国目前研究出一批复合喷焊合金粉末，昆明理工大学利用粉末等离子弧喷焊技术制备 了a 1 2 0 3 一m x o v 复合喷焊层，其抗磨损及抗腐蚀的能力是1 8 8 型不锈钢的7 4 6 倍；采用 粉末等离子弧喷焊技术在煤矿道中所使用的1 6 m n 衬板的基体上制备铁基合金粉末与 3 0 碳化钨复合喷焊层，使其使用寿命提升了1 5 倍左右，降低了成本，提高了经济效 益”m 。复合喷焊合金粉末的研发及运用有助于降低合金粉末的成本，提高工件的使用寿 命。有利于推动机械设备的改善及工业技术进步。 1 5 2 高铬铸铁型喷焊合金的研究 目前，高铬铸铁型喷焊合金的研究主要集中在高铬铸铁型喷焊合金的组织性能上。 由于高铬铸铁型喷焊合金的过共晶组织中含有大量的初生碳化物耐磨硬质相，使其具有 优良的耐低磨粒磨损的能力及高硬度。高铬铸铁型喷焊合金的成分一般是在c = i 5 5 o 、c r = 1 5 3 2 的基础上适当添加其他合金元素，如m n 、s i 、n i 、c u 、b 、m o 、w 等。表1 2 是高铬铸铁型堆焊焊条熔敷金属成分表【们。高铬铸铁型喷焊合金组织一般 为在残余奥氏体或珠光体、铁素体基体上分布着大量的初生碳化物。 灰口铸铁表面等离子喷焊铁基合金层组织与性能研究 表1 2 高铬铸铁型堆焊焊焊条熔敷金属成分( 质量分数) t a b 1 2c h e m i c a lc o n s t i t u t i o no ft h ed e p o s i tm e t a la b o u ts u r f a c i n ge l e c t r o d ew i t hh i g hc h r o m i u mc a s ti r o n ( w t ) 高铬铸铁型铁基合金组织中，初生碳化物主要以( c r ，f e ) 7 c 3 形式存在