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喷焊

 应用 受热应力、磨损作用而损坏的零件 
    特点 厚度0.1～2mm 
    涂层致密性 致密 
    工种 有害工种
    承载能力 强
    材料 自熔性合金粉末 
 
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　　喷焊是对经预热的自溶性合金粉末涂层再加热至1000～1300℃，使颗粒熔化，造渣 上浮到涂层表面，生成的硼化物和硅化物弥散在涂层中，使颗粒间和基体表面达到良好结合。最终沉积物是致密的金属结晶组织并与基体形成约0.05～0.1mm的冶金结合层，其结合强度约400MPa，抗冲击性能较好、耐磨、耐腐蚀，外观呈镜面。

　　与喷涂层相比，喷焊层的优点显著。但由于重熔过程中基体局部受热后温度达900℃，会产生较大热变形。因此，喷焊的使用范围有一定局限性。适于喷焊的零件和材料一般是：①受冲击载荷，要求表面硬度高，耐磨性好的易损零件，如抛砂机叶片，破碎机齿板，挖掘机铲斗齿等；②几何形状比较简单的大型易损零件，如轴、柱塞、滑块、液压缸、溜槽板等；③低碳钢、中碳钢（含碳0.4％以下）、含锰、钼、钒总量＜3％的结构钢、镍铬不锈钢、铸铁等材料。
　　

　　自熔性合金粉末是以镍、钴、铁为基材的合金，其中加入适量硼和硅元素，起脱氧造渣焊接熔剂的作用，同时能降低合金熔点，适于乙炔一氧焰对涂层进行重熔。
　　国产自熔性合金粉末品种较多，镍基合金粉末有较强的耐蚀性，抗氧化性可达650°C，耐磨性强；钴基合金粉末最大的特点是红硬性好，可在700℃保持较好的耐磨性和耐蚀性；铁基合金粉末耐磨粒磨损性优于其他两类。

 　　喷焊的工艺程序基本与喷涂相同，所不同者在喷粉工序中增加了重熔程序。喷焊有一步喷焊法和二步喷焊法。施工前应注意：①工件表面有渗碳层或氮化层，在预处理时必须清除；②工件的预热温度为一般碳钢200～300℃，耐热奥氏体钢350～400℃。预热火焰用中性或弱碳焰。此外，喷涂层重熔后，厚度减小25％左右，喷熔后在热态测量时，应将此量考虑在内。
　　一步喷焊法。一步法即喷一段后即熔一段，喷、熔交替进行，使用同一支喷枪完成。可选用中、小型喷焊枪。在工件预热后先喷涂0. 2mm的保护层，并将表面封严，以防氧化，喷熔从一端开始，喷距10～30mm，有顺序地对保护层局部加热到熔融开始湿润（不能流淌）时再喷粉，与熔化反复进行，直至达到预定厚度，表面出现“镜面”反光，再向前扩展，达到表面全部覆盖喷焊层。如一次厚度不足，可重复加厚。一步法适用于小型零件或小面积喷焊。
　　二步喷焊法。二步法即先完成喷涂层再对其重熔。喷涂与重熔均用大功率喷枪，例如SpH-E喷、焊两用枪，使合金粉末充分在火焰中熔融，在工件表面上产生塑性变形的沉积层。喷铁基粉末时用弱碳火焰，喷镍基和钴基粉末时用中性或弱碳火焰。
　　喷粉每层厚度＜0.2mm，重复喷涂达到重熔厚度，一般可在0.5～0. 6 mm时重熔。如果喷焊层要求较厚，一次重熔达不到要求时，可分几次喷涂和重熔。
　　重熔是二步法的关键工序，在喷涂后立即进行。用中性焰或弱碳化焰的大功率柔软火焰，喷距约20 ～ 30mm，火焰与表面夹角为60°～ 75°，从距涂层约30mm处开始，适当掌握重熔速度，将涂层加热，直至涂层出现“镜面”反光为度，然后进行下一个部位的重熔。
　　重熔时应防止过熔（即镜面开裂），涂层金属流淌，或局部加热时间过长使表面氧化。多层重熔时，前一层降温至700℃左右，清除表面熔渣后，再作二次喷熔。重熔宜不超过3次。
　　工件的冷却。中低碳钢、低合金钢的工件和薄焊层、形状简单的铸铁件在空气中自然冷却。对于焊层较厚、形状复杂的铸铁件，锰、铜、钒含量较大的合金钢件，冷硬性高的零件，要埋在石灰坑中缓冷。

 　　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。

　　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。

　　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。

　　涂层的致密性不同,喷焊层致密,而喷涂层中有少量孔隙。

　　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。

    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. ② Mh 、 Mo 、 V 、 Cr 、 Ni 总含量＜ 3% 的合金结构钢。

　　③ 18 — 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; ② Mn.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。

　　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。

　　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);

   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。

　　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。