阀门密封面堆焊材料概述.doc

阀门密封面堆焊材料概述-作者：-日期：阀门密封面堆焊材料综述魏巍（华东理工大学，上海200237）摘要：从研究阀门密封面堆焊材料的必要性出发，对阀门密封面堆焊材料进行全面讨论。对我国阀门密封面堆焊材料的发展史及研究现状进行了总结概括。通过对阀门密封面时效机理与堆焊材料实验方法的分析，提出了堆焊材料的选择原则。通过阐明需解决的关键问题，提出了堆焊材料研究的发展放向。关键词：阀门；密封面；堆焊；堆焊材料引言阀门在国民经济各项领域中有着广泛的作用，有流体输送、的工况就有管道，有管道的地方必然有阀门，在石油、天然气、化工、煤碳、给排水、供热、农田排灌、冶金、火电，核电以至军工等系统中都大量使用阀门。因此阀门是国家经济建设和国防建设不可缺少的重要机械产品，为了实现阀门的有效控制，阀门的安全性和可靠性是十分重要的，阀门应具有选材合理，强度可靠，密封稳定，动作灵敏等基本要求与功能，只有选材合理，强度可靠，才能保证阀门耐工况介质的腐蚀和适用工作温度和压力，强度不可靠与动作不灵敏都可能会造成阀门本身或系统的破坏而产生重大事故以致人身伤亡，密封性能的不稳定将直接影响阀门的寿命而产生介质的内泄或外漏，会造成经济损失与环境污染。阀门密封面质量是影响阀门寿命的主要因素之一。为了提高阀门产品的使用寿命，许多国家都在密封面材料的研究方面狠下功夫。1、 我国阀门密封面堆焊材料的发展史及研究现状我国阀门密封面堆焊材料和堆焊工艺研究是从60年代初开始的。随着大庆油田的开发，阀门需要量骤增。油田用户普遍反映阀门存在两大质量问题。一是密封面质量不高，表现为内漏，造成许多重大质量事故；二是阀门填料质量不好，表现为外漏。短期报废的阀门堆积如山，给油田的开发造成了巨大损失。70年代初，原第一机械工业部向有关研究单位和阀门厂下达了阀门基础件阀门密封面寿命攻关计划。从此阀门堆焊材料，工艺性能试验方法的研究有了迅速发展。阀门生产初期中温中压密封面多采用 188不锈钢焊条堆焊，认为它抗腐蚀生能好，能满足阀门油、汽、水介质的使用需要。据油田用户反映，密封面硬度太低，阀门使用寿命很短。阀门制造厂参照国外文献报导。开始选用2Cr13不锈钢作为阀门密封面材料，并认为2Cr13经淬火处理可以提高硬度 硬度越高 阀门使用寿命越长。经过一段时间的实践后证实，2Crl 3的闸阀密封副抗擦伤性能并不好，使用寿命不理想，只有密封副的硬度在 l315HRC之间，2Cr13材料的抗擦伤性能才较好。但是堆焊这种材料需要预热，堆焊工艺复杂。 这期间我国有关单位成功地研究了一系列高寿命的铬锰系手工堆焊焊条和自动堆焊用的高合金粘结焊剂(旧称陶质焊剂)，并迅速大批量地用于阀门堆焊生产。同期有关研究单位和阀门生产厂先后研制成功几种高温、高压电站阀门密封面堆焊用的焊条，并迅速用于生产，填补了国内外的空白。70年代末和 8O年代初，有关研究单位又对Crl3系材料不同硬度差配对的阀门密封副进行了擦伤试验研究；对阀门密封机理以及对影响阀门密封副使用寿命的各种因素进行了系统的研究。在阀门密封理论研究方面，取得较大发展。8O年代，阀门密封面埋弧自动堆焊用高台金粘结焊剂的研究又取得了较大的进展 新型的铬锰硼型高台金粘结焊剂的出现，使阀门密封面堆焊金属硬度稳定，阀门使用寿命进一步提高。高寿命的铬锰型台金粉末和其他合金粉末的研制和推广，推动了阀门密封面等离子弧堆焊技术的迅速发展 。8O年代是粉末等离子弧堆焊技术大发展的时期，阀门堆焊用粉末等离子弧堆焊机的机构和电控系统迅速完善。在这期间，这种专用设备的电控系统发展很快，从继电器控制到晶体管控制，现在已向微机控制发展。80年代中期到 9O年代是我国焊接材料行业迅速发展的时期，焊接材料品种数量增加较快。粘结焊剂在我国阀门堆焊生产中已经应用了几十年，近年来，烧结焊剂在国内焊接生产中的应用也逐渐增多。2、阀门密封面擦伤机理与堆焊材料试验方法(钢制阀门3)擦伤、冲蚀与腐蚀等均会破坏阀门密封面。密封副材料成分和金属组织、表面处理工艺、硬度与硬度差、比压和吻合度等诸多因素，都能影响阀门密封面的质量。研究密封面失效的主要形式，分析产生失效的原因，是研究提高质量与使用奉命的有效途径。 2.1试验方法选择在直动式擦伤试验机上初选不同材料，进行擦伤试验。选用阀门行业最常用 的钴基合金材料 (D802)和高硬度的 2Cr13合金材料堆焊试块，做为对比试验的靶子，在相同条件下进行擦伤对比试验 。经过多次大量对比擦伤试验，选出堆焊材料再堆焊 DN100闸 阀密封面与堆焊钴基合金和 2Cr13合金阀门，在相同 口径、相同介质条件下进行大流量带压差的阀门寿命试验装置上进行寿命对比试验，将精选的阀门堆焊材料再做其他性能试验，最后将选出材料堆焊成阀门送往阀门用户进行工况运行对比考核。如果研究的是高温材料，在试验室内先做高温擦伤对比试验和各种性能试验，最后将选出的材料堆焊成阀门，在相同口径、相同介质条件下进行工况考核。2.2 失效形式分析 通过大量试验结果证明，阀门密封面的磨损性质是以金属磨损为主兼有磨粒磨损。阀门密封面的破坏有擦伤、划伤和垫伤三种失效形式。堆焊材料抗擦伤性能取决于堆焊金属化学成分和金相组织。抗划伤和垫伤的性能取决于堆焊材料的硬度，因此堆焊材料的化学成分和金相组织是关键的，堆焊材料的硬度次之，那种认为密封面材料硬度越高抗擦伤性能就越好的看法是不正确的。应当指出，堆焊金属密封面的硬度不能太低，因为阀门工况介质中都含有一定量的杂质，硬度太低密封面抵抗划伤和垫伤的能力下降，一般密封面的硬度30HRC。较为合适的硬度为 3240HRC。当硬度40HRC时，硬度偏高，给加工和堆焊工艺都带来相当的困难。目前国内阀门大致分为 11类 ：即闸阀 (包括平板闸阀)、截止阀、节流阀、球阀、蝶阀、隔膜阀、旋塞 阀、止 回阀、安全 阀、减压阀和疏水阀。阀门密封面采用合金材料堆焊的主要有闸阀、止回阀、球阀、蝶阀、截止阀、节流阀、安全阀和减压阀8大类。阀门密封面的特点和失效型式有擦伤、划伤、垫伤等，冲蚀和冲击的失效形式见表8。2.3 影响密封面寿命的其他因素 (1)比压对抗擦伤性能的影响 比压对抗擦伤性能有着极大 的影响。因一对磨擦副，提高比压，抗擦伤性能显著降低。(2)吻合度对抗擦伤性能的影响 吻合度是影响密封面比压的重要因素之一，对抗擦伤性能也有直接 的影响。在介质压力相同的情况下，比压与吻合度成反比，吻合度越小，比压越大，越容易擦伤。因此要提高阀门密封面的寿命，必须提高阀门密封面的吻合度，以降低比压。国外阀门标准规定阀门密封面的吻合度为 100，即阀门关闭时，阀座密封面全部被闸板覆盖。我国规定阀门密封面吻 合度为 6070。3、 堆焊材料（我国阀门密封面堆焊合金现状及发展2.1）在阀门密封面部位堆焊一层具有特殊性能的台金，其目的是提高阀门密封面的抗擦伤、抗腐蚀、抗冲蚀及抗高温等综合性能，不但降低了成本，而且提高了阀门的使用寿命。每一种阀门都在不同工作参数下开启和关闭，因此不同的温度、压力、介质又对阀门密封面材料有不同的要求下面对常用的各种堆焊合金作简单介绍。3.1手工堆焊焊条 3.1.1 Cr13系堆焊焊条：Crl3系焊条有D502、D507、D507M0、D512、D517，常用于压力低于 l6MPa，温度低于 450。c的碳钢阀门密封面堆焊D502、D507、D507Mo属于Crl 3、1Crl3Mo型焊条，堆焊金属抗裂性较好。D512，D517属于 2Cr13型焊条，堆焊金属抗裂性不佳，为了防止裂纹，需采用复杂的堆焊工艺和焊后热处理。3.1.2 铬锰系堆焊焊条属于该系的焊条有 D516M，D516MA，85号，l37号。D567，D577等，采用铬锰系统合金堆焊焊条，阀门焊前不需预热，堆焊工艺简单，与使用Crl3系统堆焊焊条相比，可大大延长阀门的使用寿命。3.1.3铬镍硅系堆焊焊条 属于铬镍硅金属系统的堆焊焊条有 D547，D547Mo，D557，96D，96DB ，96D等，这些焊条常用于温度低于570 oC，压力低于 14MPa，介质为过热蒸汽的电站阀门密封面堆焊。3.1.4钴基司太立台金焊条钻基合金堆焊焊条有D802，D812，D842等，这些焊条常用于深孔的阀门密封面堆焊。 3.2 自动堆焊焊剂3.2.1 1 88型台金自动堆焊粘结焊剂我国第一代阀门自动堆焊材料采用1 Crl 3Ni9Ti盘状焊丝及高碱度粘结焊剂 这种自动堆焊工艺方法使生产效率提高 36倍；焊缝成型和脱渣性好，堆焊金属的抗裂性好，在交流电源自动堆焊的情况下，能保证堆焊金属铬元素烧损减少，是 1 88型不锈钢大面积堆焊行之有效的工艺方法。3.2.2 2Crl3MnSi自动堆焊高合金粘结焊剂这种高合金粘结焊剂 自动堆焊时配用 H08A盘状焊丝。用这种焊剂堆焊时，在含碳量不变的情况下。靠调整工艺参数改变铬元素的过渡量。同时由于焊剂的碱度较高，降低了碳、磷含量，从而提高了堆焊金属的抗裂性，在不预热的情况下，可以堆焊DN600tllrl的碳钢阀门密封面。3.2.3 2Crl 3MnSN(p 85号)自动堆焊高合金粘结焊剂 这种高合金焊剂 自动堆焊时，配用 H08A低碳钢盘状焊丝，靠电弧燃烧时，从焊剂向熔池中过渡所需合金。这种合金系统的堆焊合金的抗裂性较好，对使用温度低于450，压力低于 16MPa的碳钢阀门是较理想的堆焊材料。3.2.4 3Crl5Mn9B(即 137号)自动堆焊高台金粘结焊剂 这种焊剂在自动堆焊时配用 H08A焊丝，同样是过渡合金型高合金粘结焊剂 137号堆焊合金用交流电源，含铬量在 12 一18范围内波动，堆焊密封面的硬度和阀门各种使用性能均稳定。堆焊台金的抗裂性较好，在不预热的情况下，最大可以堆焊 DN600 mm的碳钢阀门密封面。3.3堆焊、喷焊用台金粉末 3.3.1 镍基台金粉末这种台金系统主要分为镍硼硅系统和镍铬硼硅系统 该台金熔点低，具有良好的抗磨、抗蚀、抗热和抗氧化等综合性能。我国在引进国外成分的基础上发展了含铁高的镍基舍金粉末，性能与低碳镍基粉相近，在阀门上得到应用的有 F102， NDG一2等。 3.3.2 钴基舍金粉末 钴基台金粉末比镍基合金粉末有较高的热硬性、抗氧化性、抗磨性、抗擦伤性、抗腐蚀等性能，尽管价格高，仍为阀门工作者青睐。3.3.3铁基合金粉末 通用阀门仅用于水，汽、油等弱腐蚀介质中，没有必要采用价格昂贵的钴基、镍基材料，针对我国国情研制了一批适合于阀门密封面堆焊用的铁基合金粉末 其价格低，使用寿命比2Cr13成倍提高。对阀门产品质量上等级、上水平起了巨大作用。这些粉末主要有 F326，F31 1，F312，F321，F322及 Fe一3，Fe一4等。 3.3.4 铜基合金粉末 铜基合金粉末有良好的减磨作用，特别在输水系统中具有良好的耐擦伤、耐腐蚀性能，因此在中压平板闸阀、低压阀门中有广泛的使用前途，常用于阀门密封面堆焊的有 F422等。3.3.5复合粉末 将一定比例的钴包碳化钨混入镍基、钴基自熔性合金中，采用等离子弧或氧乙炔堆焊工艺用 于阀门耐磨部位，可以解决高温下抗热、抗磨、抗冲蚀问题。4、 堆焊材料的选择（钢制阀门3.4）选择阀门密封面堆焊材料，首先应满足阀门的使用要求，寿命长、密封性能好，应根据阀门密封面的主要失效形试，注意材料的综合性能、工艺性、加工性和经济性选用堆焊合金材料。 根据使用温度、压力和介质选择密封面材料。根据堆焊材料的焊接工艺适用性选择密封面材 料，其中材料堆焊的抗裂性是极重要的指标。根据堆焊材料的加工性选择密封面材料，因此对阀门密封面的粗糙度、吻合度及硬度，提出了严格要求， 由于堆焊合金是高硬度的材料，难于加工，规定密封面硬度一般不应过高。4.1堆焊材料选择的原则（大型止回阀3+钢制阀门3.4）选择堆焊材料，最主要是正确选择堆焊合金类型，一般应遵循下列原则：(1)满足工件的使用条件。零件的工作条件十分复杂，选择堆焊合金时，必须首先明确被堆焊零件的磨损类型，然后选取合适于该类磨损的堆焊合金。(2)考虑堆焊零件 的经济性。当有几种堆焊合金都能满足使用要求时，应尽量选取价格低的堆焊合金以降低堆焊的总体成本。但要注意高合金堆焊材料的使用寿命。因此必须把合金的价格与使用寿命同时考虑才合理。比如，碳化钨合金虽然价格 比低合金钢堆焊合金低 ，但 是它在磨粒磨损条件下使用寿命很高。因此碳化钨堆焊零件的实际成本反而可能较低。应按实际工况进行比较，选择最经济的堆焊合金。(3)可焊性问题。在满足使用条件和经济指标的前提下，应考虑采用可焊性较好的堆焊合金 。可焊性较差的材料容易产生焊接缺陷，并使工艺复杂化，这会降低堆焊合金的使用性能和提高堆焊成本。4.2焊接母材的属性（大型止回阀3.1）阀体的基体材料是灰铸铁 ，灰铸铁 中碳的质分数通常为2836，且以片状石墨的形态在。灰铸铁几乎没有 塑性及韧性 。其抗拉强度高，一般均低于400 MPa。但却有优 良的切削加性能，其良好的减震性和较低的缺口敏感性等，加价格低廉，因此被 广泛应用于工业生产中。主要于制造各种机床床身、箱体、壳体、导轨和缸体等。 在灰铸铁的显微组织中，除片状石墨外，基体织一般为铁素体、铁素体+珠光体和珠光体3种灰铸铁的力学性能主要取决于基体；其中铁素体基体的灰铸铁的强度、硬度和耐磨性较低，但塑性较好；珠光体基体的灰铸铁的强度、硬度较高，耐磨性较好，但塑性较差。铁素体+珠光体基体的灰铸铁的性能介于两者之间。灰铸铁焊接时的主要问题是白口问题和裂纹题。(1)白口问题。在一般焊接条件下，由于焊缝及热影响区的冷却速度极快，如果焊缝金属与母材为相同成分，则焊缝组织往往会形成大量的共晶渗碳体和二次渗碳体。这时焊缝相当于白口铁的组织形态，故称之为白口组织。而热影响区由于冷却速度常常高于焊缝，则更容易形成白口组织。这种白口组织的出现，经常会导致焊缝及热影响区出现焊缝裂纹。而且，由于硬脆的渗碳体的存在，使焊缝附近很难进行机械加工和切削加工。(2)裂纹问题。在灰铸铁焊接时，由于片状石墨的存在，其尖端相当于先天的裂纹源。而基体中由于大量淬硬组织的存在，塑性和韧性很差，裂纹很容易发生扩展。即使焊缝中没有淬硬组织存在，在焊接拘束度较大时，由于片状石墨基本上没有强度，石墨片尖端和两侧 也可能由于应力的作用而出现裂纹。这种裂纹一般发生在 400以下，称为淬硬脆化裂纹 ，属于冷裂纹的1种。在铸铁焊接时，这种裂纹极易出现，甚至在焊接时就能听到开裂的声音。 这种裂纹一般为横向裂纹，有时可扩展到整个焊缝截面。除以上问题外，在灰铸铁焊接时，焊缝中还可能出现大量的马氏体等淬硬组织，促使裂纹的产生，并使焊缝附近的加工性能变差。4.3焊接材料的选择（大型止回阀3.2）用焊丝作为焊接材料堆 焊阀门密封面，可以得到熔深浅，堆焊金属成分稳定，稀释率低，质量容易保证的焊层。一般堆焊阀门密封面用的焊丝应满足以下主要几个要求： (1)堆焊金属应满足密封面性能要求，如抗擦伤，抗腐蚀，并具有一定的硬度和减磨作用等。 (2)从冶金角度考虑，要求堆焊金属对基体金属有较好的结合性能，也就是与基体金属互溶 ，形成固溶体、化合物、共晶体等结合形式，或与基体金属浸润，并在基体金属表面具有良好的铺展能力。 (3)具有一定的抗拉强度和塑性变形能力，可拉拔成丝或具有良好的脱模能力，不粘砂，可浇铸成丝，所含夹杂质最少。 常用的阀门堆焊焊丝有黄铜焊丝、钴基合金焊丝、铁基合金焊丝、镍基合金焊丝、铝青铜焊丝。 黄铜焊丝只能用于温度较低的氧一乙炔堆焊。当采用氩弧或等离子弧作热源时，因为这类热源温度太高，使锌大量蒸发，造成电弧不稳，因而不能保证焊层质量。 铝青铜焊丝，由于在堆焊过程中产生氧化锅膜，不易与铸铁结合，一般只用在交流氩弧焊工艺中，利用交流氩弧的阴极破碎作用击穿氧化铝膜，才能使铝青铜焊丝熔敷在铸铁的表面。 钴基合金、镍基合金焊丝可采用氩弧、等离子弧作热源，它们的氧化膜可被熔化，形成熔池。这些材料即可与铸铁互熔，又可在铸铁的表面铺展，结合牢固。钴基合金一直是作为国内外阀门密封面堆焊的王牌材料加以应用。但是钴资源稀少。加上近年来钴的价格不断上涨 ，国内外都已研制了钴基合金的代替材料。镍基合金成为代替钴基合金的最佳选择。在各类堆焊合金中，镍基合金的抗金属一金属间摩擦磨损性能最好，并具有很高的耐热性、抗氧化性、耐腐蚀性，而且易于熔化，有较好的工艺性能；相对于钴基合金又具有较好的经济性。这些特点使它比其它金属更适合用于阀体密封面的堆焊。 选择采用的镍基焊丝成分如表 2所示。焊丝直径1.2 mm。5、 需要解决的问题（我国阀门密封面堆焊合金现状及发展3.1）目前，国内焊接材料的种类远远不能满足阀门生产的需要，这在一定程度上限制了阀门使用寿命的提高。每年仍有大量的阀门因密封面的破坏而报废。在焊条方面，与工业发达国家相比，焊条品种与规格不全，尤其是与国家重大成套设备相配套的台金钢焊条及镍基焊条还不能完全自给。在焊剂方面，工业发达国家品种齐全，而我国在焊剂生产上却存在着弊端：焊剂与焊丝配套生产及配套供应脱节；与新型焊剂配套的新型焊丝供应脱节；烧结焊剂只有 23个企业可以生产，品种也不多。这些都决定了我国焊剂生产无论在品种上还是应用质量上都与经济发达国家存在很大差距，跟不上国民经济发展的需要。我国焊丝行业也存在很多问题。目前虽然引进了大量焊丝生产线，但重复性投资严重，引进设备性能差，管理落后，在一定程度上影响了焊丝行业的健康发展。另一方面，我国焊丝品种单一，埋弧焊丝主要为H08A，H08 Mn，和 H10 Mn2等我国堆焊合金粉末也只有几种，且应用面不广。6、 总结和展望（我国阀门密封面堆焊合金现状及发展3.2）我国是发展中国家，科学技术水平和工业生产相对来说比较落后，焊接自动化水平只能逐渐提高，手工电弧焊仍占主要地位，预计在今后几年内，焊条的生产还会增高，但到2005年，焊条的比例可能由现在的83下降到70左右。10年后大约达到40 50，即美国目前的水平。通过对工业发达国家埋弧焊的应用统计，其所占焊材总产量的比例，基本在1015之间。说明埋弧焊在目前所有的焊接方法中，所占分额已经达到稳定。而我国埋弧焊目前所占比例距这个平衡点还有一定的差距，所以埋弧焊剂还有一定的发展前景，但发展重点应是烧结焊剂。 对于等离子弧堆焊用的合金粉末，性能较好的钴基和镍基粉末由于其价格昂贵，不适应我国的国情，所以铁基合金粉末和复合粉末应该成为发展的重点。同时随着现代科学技术的发展，焊接技术也在不断进步。为了达到提高焊接质量，提高生产效率，降低焊接成本和满足国民经济建设需要。除了研究和发展高效焊接方法和焊接工艺外，焊接材料领域也需要研究开发相应的新品种合理地设计与改进堆焊材料，是一项重要的安全的技术措施，实现堆焊材料的改进有两条途径：大量研究应用自动化堆焊材料；降低堆焊材料的毒害因素。参考文献:1苏志东.核级阀门密封面堆焊J.中国核电，2010，3（1）：39-492赵广宇，王水平. 大型止回阀阀体密封面堆焊工艺研究J.电站辅机，2008，6（2）：43-483曹华仙. 电站阀门阀体密封面深孔堆焊工艺分析J.阀门，2008,6：21-224杨根喜，石端虎，印有胜，黄传辉. 电站阀门密封面高温耐磨堆焊焊条的研制J. 合肥工业大学学报.2010，33（2）：254-2585高清宝，于德纯. 钢制阀门密封面堆焊材料的研究与分析J.阀门，2006,5：9-186万宇杰，熊顺源，童幸生. 阀门密封面表面处理技术的探讨与展望J. 江汉大学学报.2004,32(4)：81-857 Inert-gas arc surfacing of a valve in a shielding medium of N2 + CO2J. 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