合金粉末在空心阀杆喷焊中的应用论文

　　摘要：电压控制塞阀属于是提升管流化催化裂化装置的一个重要设备，塞阀阀杆则是其重要组成部分之一。在空心阀杆制作中为提升外表面耐磨性和密封效果，需要对其表面实施喷焊硬化处理。通过合金粉末在空心阀杆喷焊中的应用效果分析发现，喷焊涂层和基体具有良好冶金结合，同时显微硬度计和磨粒磨损试验机测试结果显示镍基合金自熔性粉末喷焊层耐磨性能具有显著优势。

 

　　关键词：合金粉末；空心阀杆；喷焊

 

　　在现代工程机械领域中，液压多路阀应用也越来越广泛，与之同时作用也有显著提升。其中在液压系统中，液压多路阀作为一个重要元件，主要是实现对液体流通方向、流量大小以及压力大小实施控制。简而言之液压主控制阀性能对于工程机械液压系统操控性、节能性以及平稳性等具有直接影响。塞阀阀杆作为电液控制塞阀的一个主要组成零件，在塞阀节流锥口径为≤DN250mm情况下选择的是实心阀杆，若是在＞DN250mm情况下选择的是空心阀杆。通常情况下为能够进一步提升阀杆表面耐磨性以及密封性能，会对其实施喷焊硬质合金硬化处理。一般在制造厂组装完成电液控制塞阀后，使用中不会对其进行拆卸。塞阀阀杆的主要特点为：长度长、外径小，同时相对壁厚，在加工过程中具有较高精度要求，同时难度大。在针对塞阀阀杆使用中，是处于苛刻环境下，工作温度是在700℃，与此同时也需要长期承受高流速催化剂冲刷、腐蚀介质等影响，因此对于表面硬度具有较高要求。

 

　　在空心阀杆制造中，阀杆为中空结构，阀杆整体是在阀套内安装，且可以在阀套内实施左右滑动。曾经有制造厂对其实施空心加砂喷焊处理，即为先采用砂浆阀杆空心部分填满，之后在机床上装夹，进而实施整体600℃-700℃预热处理后实施表面打磨处理，以彻底清理工件表面的氧化层的等杂物，之后对于实施二步法喷焊合金粉末，在确保合金层厚度能够达到设计要求情况下停止，并再次采用火焰枪对其实施重熔，完成后在机床上将其空转恢复到室温即可。这一工艺在使用中，通过填砂不但可以对工件散热面积起到减少作用，由此储备热能，同时也有助于减少工件变形。因为通过填砂处理也能够提升工件体积，砂子本身的热传导系统不高，预热过程中时间比较长，也需要具备较高温度，这一情况也导致在针对工件预热中难度较大。最后填砂工序对于整个生产周期也有所延长，容易受到工作现场的不利影响。由此可见，这一工艺在应用中强度高，工人操作强度也比较大，在长期生产中并不使用，进而可以采用空心喷焊工艺，降低工作难度的同时，也可以提升空心阀杆外表面耐磨性和美观性。

 

 

　　在近些年我国重油催化裂化技术发展中，在耐高温以及耐磨损方面进一步提升了对塞阀结构以及执行结构设计提出了新的要求，另外也需要进一步提升塞阀结构设计的调节性能和使用寿命。在其组成部分主要包括有三部分，分别为：

 

　　(1)阀头和阀座，这一部分和催化剂直接接触，同时还需要在配合下实现对催化剂流量的控制。在其设计中通常会设置单层龟甲网耐磨衬里，同时也会在受到催化剂冲刷作用最严重的阀头位置实施7mm以上钴硬质合金堆焊处理，以能够进一步提升这一位置的耐磨能力，确保其使用寿命在3年以上。

 

　　(2)阀杆，这一部位的组成包括有三部分，分别为上、中、下，上段阀杆即为空心阀杆，和阀头位置直接焊接而成。在应用中可以提升风从中间流过，进而提升催化剂作用。为实现对催化剂倒流进入到空心阀杆情况实施预防，通常会在阀头内部设置单向阀，以便于实施控制。在空心阀杆外部也会设置有导向管以及阀杆保护器，前者的作用实现对阀杆垂直上下移动且不能够出现摆动实施控制，后者犹如一个套子实现对空心阀杆起到保护作用，以免催化剂对其直接产生冲刷作用。想要有效防范催化剂进入到空心阀杆和导向管存在的空隙，进而导致出现阀杆卡住，可以在其中设置吹扫风。下段阀杆即为丝杆，在其应用中可以配合涡轮2蜗杆机构实施对手动机械传动的控制。中级阀杆可以实现对上、下段阀杆的连接。

 

　　(3)填料箱，这一部位作用主要是密封提升空气，主要是在和提升管中形成差压，因此一定要具备稳定、可靠的性能。在其结构设计中可以是在内、中、外三套独立填料组串联，进而将其建构成为轴封结构。现在内部填料组密封，如果出现外部填料组泄露即可以起到显著作用，能够立即在中部填料中注入密封胶，主要承担的是密封任务。之后能够将格兰打开且对外部填料组进行更换，在此过程中能够实现填料不停车更换。想要能够实现对内、外调料组泄露问题随时进行检查，也可以设置填料吹扫风，一旦发生内部填料组泄露问题，吹扫风能够直接起到吹扫作用，对热的提升风起到阻挡作用。如果出现外部填料组泄露问题，若紧不住，可以对其实施不停车更换。

 

 

　　针对0Grl9Ni9空心阀杆喷焊工艺要求，可以在氧-乙炔火焰的应用下在阀杆表面喷焊一层镍基合金自熔性粉末。为能够阀杆基材表面喷焊层硬度、耐磨性以及耐腐蚀性等，在喷焊过程中熔点选择应该和基体金属相比略低，因此在合金粉末选择中选择的是结合强度高的镍基合金自熔性粉末，另外适当在粉末中加入硼、硅元素，以此确保可以实现自行脱氧还原造渣，提升焊层牢固性，硼元素的加入主要作用是弥散强化，其中仅有少部分会溶于镍的奥氏体中，剩下的均会采用Ni3B等金属间化合物形式在合金中实施弥散分布。硅的加入作用主要为固溶强化，如果是在常温情况下镍基合金自熔性粉末中硅的溶解度为6%，想要实现对喷焊层红硬性、耐冲刷性以及耐高温性的提升，可以适当的在粉末中加入15%碳化钨粉末，这一粉末特征主要为硬度高，耐腐蚀作用强，与之同时抗氧化性能能够达到850℃，以此满足合金粉末在空心阀杆喷焊工艺中的应用价值。

 

　　与之同时因为空心阀杆壁薄，喷焊工艺中容易出现严重热损失，容易出现变形问题，因此作业过程中难度较大。为能够有效保障加工质量，空心喷焊中对于合金粉末的喷焊层厚度半径要求为0.75mm，以此保障合金可以和基体实现良好的融合，且可以预留一定磨削余量，保障产品加工质量。

 

 

　　3.1工件加工工艺

 

　　阀杆加工。在针对阀杆实施喷焊前，需要完成相应的加工工作，即为保障完成喷焊处理后的工件具备足够的加工余量。主要是阀杆实施喷焊后，容易出现变形问题，想要再次对其实施校直难度较大，所以需要确保加工后具备足够余量，适当提升喷焊层厚度。另外还需要对喷焊过程中的装夹问题以及喷焊变形量等问题实施考虑；阀杆组焊，针对阀杆完成组焊后，还需要对其实施除应力处理，以此减少变形量；确定喷焊工艺台阶，在喷焊台阶位置可以采用30度角，以免喷焊冷却情况下出现收缩翘边；工件表面清洗和检查。在实施喷焊工作中，对于工件表面具有非常高的要求，不能出现油污、砂眼、裂纹以及锈斑等问题，必须要对其实施彻底清理，确保基体材料可以暴露出来即可，在此基础上才能够有效保障喷焊层可以实现和基体材料的良好结合，以此保障具备良好的焊接性能以及表面质量。表面净化方式主要有蒸气除油及吹洗，液体清洗，超声波清洗，烘烤和表面预加工等方法。在实际应用过程中，烘烤是较为普遍使用的方法。在粗化阶段可以采用喷砂或者机械打磨等办法进行。如果针对阀杆喷焊层实施粗加工后，发现表面存在有裂纹等情况，可以采用砂轮对其轻微打磨，清除后可以实施补焊、返修处理，之后对其表面实施汽油清洗，以此满足喷焊工艺需求。

 

　　3.2设备和用具

 

　　本次工艺中采用的设备为C630车床，QHT-7/hA型氧-乙炔火焰枪、SCR-200型重熔枪、手提砂轮，另外还有用于固定砂轮的拖架，并准备足量的氧气以及乙炔气等，以满足工艺实施需求。3.3喷粉工艺

 

　　经过整体评估后，相应的工件喷焊方法为分段、二步法开展，具体实施流程为工件预制备——预热——喷粉——重熔——二步法——缓冷处理，具体如下。

 

　　3.3.1工件预制备

 

　　在完成工件基本制造后，对其表面实施喷砂粗化处理，并实施简单的打磨，处理完工后工件粗糙度＞12.5。

 

　　3.3.2预热

 

　　针对预制备工件采用氧-乙炔火焰枪对其实施整体预热处理，预热温度确保是在400℃。结合喷焊现场经验，针对工件表面颜色变化实现对预热温度变化的判断，如果工件表面出现了发蓝即表明达到了预热温度要求。在针对工件实施预热过程中，因为工件表面存在较大面积，可以采用4个喷焊枪同时对其实施加热处理，不但有助于加快预热速度，同时也有助于保障预热均匀性。在完成预热处理后，可以采用手提砂轮机对其表面实施打磨处理，以能够对其表面氧化物实施清理。

 

　　3.3.3喷粉

 

　　完成预热处理后的工件A段，通常为喷粉处理总长度的1/2-2/3情况，也就需要对其实施喷粉处理，采用镍基合金自熔性粉末实施喷焊，达到总体设计尺寸即可。其中喷涂层厚度计算公式为：喷涂层厚度=技术要求厚度+工艺+预留加工量，本次即为：

 

　　0.75mm+0.75mm+1mm=2.5mm

 

　　在喷粉过程中，一定要对喷嘴和阀杆距离实施合理调整，有效掌握枪距、送粉量和火焰功率大小，以此显著提升合金粉末使用率，进而有效保障喷粉效果。为确保送粉量的均匀性，可以采用自动走刀方式，送粉过程中先小后打，可以首先实施少量送粉，在保障喷焊面已经存在一层粉末情况下可以适当的加大送粉量，以免突然增加送粉量导致粉层出现脱壳情况。

 

　　3.3.4重熔

 

　　针对工件A段完成喷粉处理后，需要对其重熔处理，直到工件表面出现镜面反射现象。这一工序为喷焊工艺的重要环节，重熔过程中需要将工件粉层温度加热到1000℃，以此确保粉粒之间、粉粒和基体间出现相互熔融，进而可以确保能够形成坚实细密合金喷焊层，同时也能够保障喷焊层可以和基体之间形成牢固的冶金结合。通常情况下重熔中枪距要求为15-30mm，喷嘴和工件表面可以保持75度-85度角。因此本次加工的阀杆直径较大，重熔中具备一定难度，通过生产实践总结出了二元重熔法，以此可以实现快速重熔，即为等待重熔表面连续升温以及气体压力控制方式，不但可以实施良好的流速控制，与之同时也可以有效保障喷焊层表面的平整度以及光滑性，进而有效减少因为速度控制不佳或送粉量均匀性不足，从而导致出现喷焊层凹坑情况。

 

　　重熔过程中，在工件表面出现镜面反光后，可以逐渐对其熔融位置实施移动，以能够保障合金粉末和工件基体母材之间相互熔敷、相互扩散，以此也就能够形成牢固的结合层，即为完成此点重熔。之后也就可以立即开始下一个位置的重熔。一般情况下，在生产实践中如果粉层已经堆积到1.25mm厚度情况下也就可以实施重熔。

 

　　3.3.5二步法

 

　　完成工件A段处理后，针对工件B段实施以上各个流程处理，B段预热温度为600℃-700℃；针对B段采用砂轮机以及角磨机实施表面氧化物打磨处理，实施粗化处理；依照设计尺寸完成喷粉处理；最后重熔。在此过程中也需要注意到，需要合理控制工件A段降温速度，即为如果温度降低速度过快，可以采用火焰枪对其加热，以此降低温度下降速度，注意在整个喷焊过程中需要确保温度在300℃以上。

 

　　3.3.6缓冷处理

 

　　在完成整个工件喷焊处理后，采用火焰枪对其阀杆整体实施缓冷处理，即为持续加热后将其缓慢冷却约为300℃后，在机床上对其实施空转，直到自然冷却到室温即可。在此过程中要注意，空气自然冷却过程中容易出现变形和弯曲情况，这些因素均加大了加工难度，因此可以在车床上装夹工件，以此确保工件在车床上进行旋转冷却，温度恢复到室温情况下皆可以取下阀杆。完成阀杆冷却处理后，可以采用碳化硅砂轮实施喷焊层磨削处理，具体方法为小背吃刀量、小进给量方法，不但要保障砂轮锋利性，也可以有效防范在磨削加工中出现弯曲变形问题。对工件实施磨削加工处理后，在喷焊层尺寸已经达到设计尺寸后，即可以实施完工处理。

 

 

　　4.1表面效果评估

 

　　在阀门工件完工后，在车床上对其实施找正、重打中心孔，同时上磨床两顶尖装夹工件，进而对其实施百分百找正，最终结果显示跳动误差在0.1mm-0.2mm。通过变形角度能够看出，这一工艺结束后没有出现较大变形问题，外观可以看出整体美观光滑，可以满足设计要求，具有比较高喷焊质量。

 

　　4.2涂层显微组织

 

　　采用XJL-02A立式金相显微镜针对工件涂层组织实施观察分析，发现空心喷焊过程中，喷焊层和基体结合面存在比较高的温度梯度，温度下降速度比较小，在金属温度迅速加热升高以及热金属凝固过程中出现的收缩作用，导致最终成品的中间位置和底层存在一个隔离带，由此在涂层和基体之间的结合面出现了连续的平面晶带，熔覆层和基体之间的结合为冶金结合，有助于实现对长期承受高流速催化剂冲刷使用要求的满足。在固液界面推进以及热量累积过程中，在外部环境散热作用下，熔覆层趋势有所增大，随着冷却速度的加快，顶部形核率会有所提升，且向不同方向实施增长，在工件表面也就形成了较细密的晶粒组织。

 

　　4.3涂层硬度分布

 

　　本次研究采用D71型显微硬度测定仪针对涂层横截面的硬度分布实施测量分析。其中本次涂层整体厚度为0.75mm，测量结果显示整体硬度和基体硬度相比略高，通过显微硬度变化趋势可以看出和喷焊层规模相符，涂层和基体间硬度实现了平稳过渡。其中具体为最表层硬度比较小，这一原因可能是在喷焊过程中，涂层表面出现了少量缺陷，或者是高温喷焊过程中合金粉末出现了部分烧结情况，对其实施后期加工处理即可满足使用要求。通过关于涂层和基体结合区域分析发现，在高温重熔情况下出现了一定的合金元素扩散情况，这一区域是在基体和涂层过渡区，硬度即为基体和涂层硬度之间，与之同时也促进了基层和涂层之间的良好结合。

 

　　4.4涂层耐磨性分析

 

　　采用ML-100型磨粒磨损试验机针对本次喷焊工艺实施耐磨性试验，相关试验参数为荷载为4N、180号水磨砂纸、转速设置为60r/min以及磨损行程为80mm。试验结果发现，同等磨损情况下，镍基合金自熔性粉末涂层随着时间的增加磨损量也会有所提升，但是整体磨损量可以满足设计要求。同时观察发现这一涂层磨损后整体上划痕比较窄，涂层没有出现划坑和脱落情况，对于空心阀杆整体质量影响偏小，可以满足设计要求。

 

 

　　通过以上研究所得结论为：

 

　　第一，传统空心阀杆采用空心加砂喷焊工艺中，会导致预热时间长，难度大，同时也会导致生产周期比较长。针对此情况可以采用镍基合金自熔性粉末空心喷焊工艺，以此实现对传统问题的改善；

 

　　第二，在合金粉末应用下，空心阀杆空心喷焊工艺下跳动误差在0.1mm-0.2mm范围内，变形不大，同时外观美观光滑，可以满足加工要求；

 

　　第三，采用XJL-02A立式金相显微镜针对工件涂层组织实施观察分析，发现涂层和基体之间具有良好结合，可以满足工件长期承受高流速催化剂冲刷使用要求的满足；

 

　　第四，采用D71型显微硬度测定仪针对涂层横截面的硬度分布实施测量分析，发现涂层硬度和基体硬度相比略高，可以满足设计要求；

 

　　第五，采用ML-100型磨粒磨损试验机针对本次喷焊工艺实施耐磨性试验分析，发现工件整体磨损量可以满足设计要求；划痕比较窄，涂层没有出现划坑和脱落情况，可以满足设计要求。

 

　　通过以上研究可以看出，合金粉末在空心阀杆喷焊工艺中的应用，可以取得良好的耐磨性和密封性能，表面强度比较高、同时美观光滑，能够实现对其使用环境需求的满足，进而有助于延长工件使用寿命以及使用质量。