金属粉末火焰喷涂(焊)工艺通则

本文主要根据笔者从事热喷涂二十多年实践经验,对不同工件材质､涂层选择､涂层质量控制及工艺要点等起到“抛砖引玉”的作用｡

一､工艺选择

1､了解工件本身的性能:如材质､成份､表面状况､磨损部位及磨损面积､深度等｡

2､了解工件的使用条件:使用环境(工作温度､主要介质浓度及其它成份)､受力情况(冲击负荷还是滑动配合､静配合)､失效原因(加工超差､磨损､腐蚀等)等｡

3､下列情况宜采用喷涂工艺:

1)表面受静载荷或低速滑动负荷,要求耐磨但对涂层与基体抗拉结合强度要求不超过50N/mm2的工件,喷涂层硬度HV130-350 ,涂层厚度从0.3至数毫米,喷涂态表面粗糙度Ra10-25 μ m ,涂层经磨削加工后表面粗糙度可达Ra0.8-0.4 μ m ,如各种轴类的轴承部位｡

2)要求耐气蚀､水蚀而加工后粗糙度不超过Ra0.4 μ m的表面,如进口汽车曲轴,火车曲轴､船用曲轴等｡

3)材质为铜合金,铝或铝合金等有色金属,需要恢复尺寸或提高表面耐磨度的工件｡

4)在铜合金､铝或铝合金等有色金属工件上喷涂最好选用铜基粉或铝粉

5)在腐蚀介质中使用,要求涂层致密无孔隙,应根据工件的使用环境,工作温度,介质浓度及成份,选择可满足使｡

用条件的塑料､陶瓷或耐蚀金属喷涂后再采用合适的封孔剂对涂层进行封闭处理｡

6)喷涂层与基体的结合强度:传统火焰喷涂层抗拉结合强度一般为20-30N/mm 2,采用陕西中科表面工程有限公司最新研制生产的ZK8032型粉末多功能高速火焰喷涂枪,在球墨铸铁经过喷砂表面喷涂铝包镍复合涂层,其涂层剪切结合强度可达63.7N/mm 2;虽然喷涂层不如喷焊层结合强度高,但对于修复工作在有润滑的金属间摩擦耐失效的零件是足以满足需要｡经过科研单位计算,在解放牌CA141汽车满载运行时,对曲轴七个主轴颈的剪切应力集中在一个主轴颈上也仅有15N/mm 2;对东方红75拖拉机则仅有5.5N/mm2 ,这些数据远远低于喷涂层的抗剪强度｡

7)喷涂层耐磨性能:以汽车曲轴喷涂为例,喷涂的主轴颈与新品曲轴相比有更高的耐磨性,曾经我公司喷涂过日本产日野汽车曲轴,修复的主轴颈大修时经检查磨损量为0.022-0.03mm,而未经喷涂修复的主轴颈磨损量为0.2-0.25mm,其磨损量几乎相差十倍,从这个实例中可以说明喷涂层具有良好的耐磨性,甚至在发动机缺油的情况下仍能坚持运行数小时之久而不会烧瓦抱轴现象｡

8)喷涂与喷焊的工艺区别:

①喷涂层和喷焊层与基体金属的结合形成不同,镍包铝通过喷涂焰束加热时发生放热化学反应,在经喷砂除锈达Sa3级,RZ>50μm的碳钢表面形成微冶金结合底层与工作层又产生“锚钩”效应的机械结合涂层,而喷焊层与基体的结合纯属冶金结合涂层｡

②喷涂材料不同,喷焊要求使用自熔性合金粉末,而喷涂则对粉末的自熔性要求不高,且不一定是自熔性合金粉末,各种自熔性合金粉末既可用于喷焊又可用于喷涂,但喷涂粉末不具备自熔性只能用于喷涂而不能用于喷焊工

艺｡

③工件受热情况不同,喷涂与喷焊过程中,喷前预热温度不同,工件受热影响不同,喷后工件的组织､性能亦不同

④涂层的致密性不同,喷焊层致密,而喷涂层中有少量孔隙｡

⑤承受载荷的能力不同,喷涂层一般能承受大面积接触,多在有润滑条件的工作表面,配合面以及其它受力较小的工况条件下使用,喷焊层却能承受较大的冲击力,挤压应力或接触应力等｡

4､下列情况宜选用喷焊工艺:

⑴各种碳钢､低合金钢的工件表面载荷大,特别是受冲击载荷,要求涂层与基体结合强度在350-450N/mm2的工件,喷焊硬度HRC150≤65,涂层厚度从0.3至数毫米,喷焊层经磨削加工后表面粗糙度可达Ra0.4-0.1μm以上｡

⑵在腐蚀介质中使用,要求涂层致密,无孔隙;

⑶工件表面原设计采用淬火､渗碳､渗氮､镀硬铬等工艺,要求表面有很高的硬度｡

⑷工件工作环境恶劣,如受强烈的磨粒磨损､冲蚀磨损､气蚀等等｡

⑸氧-乙炔焰合金粉末喷焊工艺适应各种碳钢､低合金钢零部件的表面强化或修复,但应注意到零件材质的一些特点,当基体材质的线胀系数与合金喷焊层的线胀系数差别较大时小于12×10-6/℃大于12×10-6/℃,则应慎用此工艺,以免造成裂纹,若基体金属中与氧亲合力大的元素含量较多如钨和钼的含量大于3%,铝､镁､钴､钛､钼等元素总含量大于0.5%或钢中含硫量较多时,也会给喷焊带来困难,这是因为这些材料与氧作用极易生成致密而稳定的氧化膜,阻挡熔融合金对基体的润湿作用,重熔时液态合金会呈珠状象“汗珠”一样地滚落,因此在采用喷焊工艺时,应该注意此工艺对于所喷基体材料的适应性｡

⑹无需特殊处理就可喷焊的金属材料:

①含碳量≤0.25%的碳素结构钢｡

②Mh､Mo､V､Cr､Ni总含量< 3%的合金结构钢｡

③18-8不锈钢､镍不锈钢､灰铸钢､可锻铸铁､球墨铸铁､低碳纯铁､紫铜｡

⑺需预热250-375℃喷焊后需缓冷的金属材料:

①含碳量> 0.4%的碳素结构钢;②Mn.Mo.V.Ni的总含量>3%的合金结构钢;

③含铬量≤2%的合金结构钢;

⑻喷焊后需等温退火处理的金属材料:

①含铬量≥13%的马氏体不锈钢;②含碳量≥0.4%的镍钼合金结构钢｡

5､在确定采用喷焊工艺后,再根据下列情况选用一步法或二步法喷焊工艺:

⑴工件需局部修补,且喷焊处不允许热输入量很大,如各类机床导轨局部伤痕的修补,宜用一步法喷焊工艺;

⑵工件表面复杂或无规则,如链轮､齿轮齿面､螺旋给料器等,宜用一步法喷焊工艺;

⑶大型工件整体加热有困难,如机车､矿车轮子等,宜用一步法喷焊工艺;

⑷可在机床旋转的一般轴类零件宜用二步法喷焊工艺;

⑸所得涂层的硬度应尽量接近原设计的表面硬度,例如原设计采用淬火或化学处理工艺,使表面硬度达HRC≥55左右的,则应选用所谓“硬面涂层”粉末,如Ni15､Ni60､Fe65或Wc复合粉;

⑹强烈磨损的非配合面,如泥沙泵的叶轮､壳体､装岩机铲齿,螺旋给料器的螺旋面等,应选用高硬度如Ni15､Ni60､Fe65或Wc复合粉;

⑺需要加工,但又无法上车床､磨床,只能靠手工用锉刀等工具进行加工的工件,如机床导轨面局部伤痕的修补,只能采用低硬度喷焊粉如SH · F103､Ni15等;

⑻喷焊工艺与电弧堆焊的区别:喷焊层与基体之间的结合是溶解扩散冶金结合,而堆焊则是熔化冶金结合,在喷焊过程中基体是不熔化的,只是喷焊层与基体之间产生溶解作用,在两者之间存在一个扩散互溶区｡由于基体不溶物因而喷焊层就不会被基体材料所冲淡,因此稀释率极低,能保证喷焊层的良好性能,堆焊基体熔化,堆焊层稀释率高,需要堆焊很厚才有可能保证焊层的性能,而且零件轮廓棱角难以保证,常见咬边,棱角塌陷,而喷焊则不会出现此类缺陷｡

6､铸铁零件喷焊特点:

⑴铸铁是含碳量大于2%的铁碳合金,在工业中常用的铸铁,含碳量为2.5~4%,含硅量为1~3%,以及含有少量的锰､硫､磷等,其中用量最多的是灰口铸铁,由于铸铁含量高,强度低,对温度变化敏感,焊补时又多为局部受热,温差较大,冷却速度快,给铸铁焊补带来困难,铸铁的可焊性较差,在焊补时易出现以下问题:

⑵焊补部位易出现白口组织,白口组织硬而脆,焊后很难进行机械加工,而且易引起裂纹;

⑶易产生裂纹,在焊补时由于不均匀加热和冷却速度快,易产生热应力裂纹;另外铸铁中含硫､磷等杂质较多也易在焊补处产生裂纹;

⑷气孔与夹渣,正因为铸铁中含碳量高,含杂质较多,在焊补过程中又因冷却速度快,气体和一些氧化物来不及析出和上浮,便在焊缝区形成气孔或夹渣,采用氧-乙炔焰合金粉末一步法喷焊,能较满意地解决上述几个问题;

⑸喷焊时使用合金粉末的熔点低于基体熔点,在重熔时,铸铁基体不熔化,没有喷焊层的稀释问题,也不存在半熔化区,所以正确地喷焊不会使焊补区产生白口组织,便于加工,而且由于基体不熔化,自然就控制了基体中所含硫､磷等杂质熔入喷焊层,有利于防止裂纹的产生;

⑹采用一步法喷焊对基体的热输入量少,基体受热影响小,有利于减少热应力,从而有效地控制热应力裂纹;热输入量少,对尺寸精度较高的零件做局部喷焊修补有独到之处｡同时,采用氧-乙炔焰加热,相对于电焊冷却缓慢,对防止裂纹和变形也有利;

⑺合金粉末中含有强烈的脱氧元素硼和硅,不仅保护了粉末中其它元素免于氧化烧损,而且基体表面的氧化物也可被硼､硅元素还原,防止了气孔和夹渣;

⑻喷焊层组织致密平整,成型好,无咬边现象,只需少量加工即可使用,材料省,效率高;喷焊铸铁零件常用的有SH · F103､镍基合金粉末Ni15等,铁基合金粉末熔点高,脆性大,对基体影响也大,效果较差｡

⑼喷焊时工件预热的主要目的是去除工件表面湿气,并产生一定的热膨胀减少温差,从而减少热应力有利于提高涂层结合强度,保证喷焊层质量,一般钢材取250-300℃,奥氏体不锈钢取450-500℃,镍-铬不锈钢取350 - 400℃,低合金钢､铸铁取250-300℃,一般小工件和易氧化的钢材预热温度要低些;喷焊层厚度根据工件喷涂后热胀冷缩特性,重熔后的收缩量大约25-30% ,因此在确定喷涂层厚度时,除考虑加工余量和工件喷前的直径车小量外,必须将收缩量考虑在内,喷层的厚度计算,重熔前的涂层厚度=(喷焊层厚度+加工余量)÷(1-0.3);

7､下列情况不能采用喷焊工艺:

⑴低于合金熔点的材料,如铝及其合金､镁及其合金,黄铜､青铜;

⑵工件是细长的轴类或是很薄的板材而又不允许变形的;

⑶工件原设计要求很高,金相组织不允许有任何改变的;

⑷可硬性高的镍铬钼合金钢;⑸含铬量> 18%的马氏体高铬钢｡

二､典型表面的喷涂特点

零件的几何形状对于喷涂(焊)效果有一定影响,如外圆表面喷涂,当涂层冷却时,有收缩抱紧的趋势;内圆表面涂层冷却则有脱离工件的趋势,简单的表面喷涂粉末容易沉积;复杂表面某些曲折部位喷涂粉末则难于沉积｡因此研究和挖掘各种类型零件表面的喷涂(焊)特点,正确运用喷涂(焊)工艺,对保证喷涂质量很有实际意义｡

1､轴类表面的喷涂工艺要点:

⑴喷前表面准备要严格把关净化处理､粗化处理要按工艺要求去做,处理好的表面避免与潮气接触或用手触摸;

⑵严格掌握喷涂规范,控制工件的温升不能超过250℃,当涂层较厚,工件较小,连续喷涂温升可能超过250℃,应采用断续喷涂的方法降温,但停留时间不能过长,否则涂层会被污染造成层间结合不良;

⑶修磨好过度角及边棱,带孔或键槽的轴颈,应将孔堵好及键槽的边缘打磨成圆角,注意喷好的边缘｡

⑷外圆表面基体预热温度应取下限,喷涂过程中应控制基体温度,从而减少基体的收缩力｡

2､平面喷涂工艺要点:

⑴注意修好边缘､棱角;

⑵预热要求均匀,大件可采用两端预热;

⑶喷涂时要从四周边缘喷粉,然后引向平面,多次喷粉时,后一次应和前一次施喷方向相互垂直;

⑷为防止涂层边缘翘起,施喷前可在工件边缘开槽,并经喷砂粗化可减少应力｡

3､止口表面喷涂工艺要点:

⑴喷涂时应先喷止口圆柱部分,后喷平面部分;

⑵喷枪的喷粉方向顺工件圆周方向成45度角喷射为好,这样可能使粉末沉积率低,但却能喷出清晰的棱角,喷涂操作时注意不能将喷枪垂直于止口拐角处施喷,这样将造成拐角处涂层组织疏松或夹灰;

⑶喷涂时边缘如出现毛刺､翘边,应及时去掉再喷｡

4､局部严重损伤零件的喷涂工艺要点:

⑴将局部损坏处打磨干净,先喷补或用其它方法修补,然后再喷涂全部平面;

⑵对于较深､较宽的局部缺陷可视情况,也可先用电焊补平,再全面喷涂;

⑶对具有裂纹的局部缺陷先要找到裂纹的起､止端点,并在该处打好止裂孔,开坡口,将裂痕全部清理干净再喷补或焊补平缺陷部位,最后再喷涂待喷表面｡

5､大型设备导轨工艺要点:

①修复机床导轨,遇到大面积渗油问题,将机床导轨整体均匀加热除油难以实现,而且也难于将深部油污全部清除,如若加热温度,又易使机床导轨变形,为此可进行如下操作;

②用火焰进行低温局部烘烤,工件温度约在80-100℃,随烤随之揩去油渍,如此反复进行数次,然后使用大功率喷枪快速喷涂;

③采用溶剂清洗或刷镀处理,然后用火焰烘烤,再喷补;

④视导轨拉伤的具体情况,还可采用导轨修补胶或铸件缺陷修补机焊补工艺完成｡

6､外圆表面喷涂工艺要点:

与轴零件喷涂相同,涂层收缩力使涂层箍紧基体,有利于结合强度的提局,垂体坝热温度取下限,喷涂过程中,工件温度要超过250℃,还必须说明对于形状､体积和喷涂部位不同的零件,对工件温度控制也应有不同要求,当喷涂小型零件的外圆部位时,切忌工件温度过高,冷却时,工件收缩应力大,会导致涂层脱落或引起较大变形｡

7､内孔喷涂工艺要点:

①内孔与轴类不同,喷层在冷却时收缩力有使涂层脱离基体的倾向,不利于强度的提高;

②内孔浅而大时,可使用外圆喷枪,取一定的喷射角进行喷涂,对于内圆部位的喷涂,大多使用外圆喷枪,但喷前处理利用车螺纹时应注意引起的“遮盖效应”,防止涂层疏松;

③对于深孔的喷涂(孔径大于200mm),要使用接长管内孔喷枪,但孔深不宜超过孔径的2倍,否则对喷涂质量影响较大,为防止接长管内孔喷枪温度过高,应用0.4-0.6MPa压力的空气冷却;

④工件的转速应比喷外圆时稍快,以防止涂层过热,工件的旋转方向应使喷涂面向下转,避免散落的粉末带入待喷表面,火焰以稍高于工件中心线为好;

⑤喷涂过程中控制工件温度不高于250℃,对较厚涂层可采用断续喷的办法;

⑥喷涂零件的内孔表面因基体的收缩应力有使基体贴紧涂层的趋势,如工件预热温度不足,工件温度较低时,会由于涂层与基体收缩应力差过大,导致涂层脱落,所以预热温度可取上限,在工件变形条件允许的情况下可适当提高基体的预热温度,从而增加基体收缩力;

⑦采用两步法喷焊,重熔前与喷涂类似,可根据具体情况结合喷焊工艺要求确定各类零件的喷焊要点｡

8､铸铁件的喷焊工艺要点:

①在车辆及机械设备中有相当多的零件的用铸铁制造的,在制造或使用过程中难免出现各种问题,采用氧-乙炔焰喷焊工艺不仅是强化铸铁件的有效方法,而且也是修复铸件各种缺陷和损伤(如铸造件的砂眼､气孔或使用中的磨损及其它损伤)的理想手段;

②喷焊多用于铸铁件的局部缺陷的修补,而且缺陷大小不等,深浅不一,适合采一步法喷焊,根据工件和焊修的部位,应尽量使用小功率喷枪,这样可减少对基体的热输入量,一般选用QH-1/h,QH-2/h,QH-4/h等;

③喷焊时,因铸铁零件的可焊性差,应优先选用镍基合金粉末(Ni-B-Si系列),镍基合金粉末熔点一般为950~ 1050℃,重熔时基体不致被熔化,同时,含碳量低的镍基粉喷焊层硬度低,塑性好,可以松弛喷焊应力有利于防止裂纹,这时操作不熟练者极为重要;

④选择喷焊规范时,应考虑铸铁材质､缺陷部位大小,工况要求等因素,在保证必要火焰能量的前提下,尽量减少对基体的热量输入,氧气､乙炔气压力取下限值为宜,喷粉､重熔时,适当调整喷､熔距离,控制热输入;⑤焊补局部小缺陷,如气孔､砂眼,喷焊前可不预热,尽量减少喷焊层周围受热面积,使处于高温区域尽可能小'

⑥对局部小而深的缺陷喷焊修补适合连续喷焊,该方法粉末沉积率高,厚度增长快,效率高,但要求操作技术熟练,使送粉量和喷､熔速度协调,做到喷均､熔透;

⑦对面积较大且深的缺陷,为防止基体受热过大而导致热应力增大,可采用间歇法喷焊,必要时亦可采用电焊､喷焊复合工艺,用焊条填充底部,上部喷焊,如铸件壁厚较大,可采用喷前栽丝,不仅能增加结合强度,防止喷焊层与母材剥离,而且可消除一部分喷焊热应力;

⑧喷焊大型复杂铸件热应力较大,喷焊时要采取措施,减少应力积累,如采用加热减应法､分段对称法;焊前预热,焊后缓冷等,均可取得良好效果;

⑨控制重熔温度,重熔温度过高,不仅合金元素烧损,基体过热,甚至基体被熔化,导致铸铁中的碳进入喷焊层,将使喷焊层中含碳量增加,硬度提高,塑性降低,而基体又因含碳量下降,容易出现白口,而且温度过高还会引起较大的热应力,导致裂纹的产生,重熔温度也不能过低,否则,易形成夹灰或熔不透,影响结合强度,对于重熔温度的控制,主要靠操作者注意观察重熔时涂层表面状态的变化,借助于重熔时的“镜面反光”来控制,呈现“镜面反光”,则表明粉末已熔融,熔渣已经上浮,此时重熔枪应立即移开,重熔过的部位应避免重复加热.