馬世輝

(承德石油高等?？茖W校機械工程系，河北 承德 067000)

平行閘板閥通過其開關(guān)可控制鉆井液的流向?qū)崿F(xiàn)管匯的功能，是壓井節(jié)流管匯的關(guān)鍵部件。平行閘板閥在工作時鉆井液、原油、天然氣等工作介質(zhì)，對閥座有一定的腐蝕和磨損。另外。閥啟閉時閥板與閥座相接觸的兩密封面之間有相對滑動，在介質(zhì)力作用下易產(chǎn)生擦傷，從而破壞密封性能，影響使用壽命。本文研究等離子噴焊技術(shù)強化閘板閥座耐磨性，在35CrMo上噴焊合金粉末，形成熔敷層。并對熔敷層及噴焊層的組織成分和力學性能進行分析。進一步證明，等離子噴焊在改善機械零件的表面性能、提高零件表面的耐磨性能具有重要的意義。

1 實驗方法

試驗是在規(guī)格包括Φ180×20、Φ133×25、Φ106×23(單位為mm)，材質(zhì)為35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼的平行閘板閥閥座上用等離子轉(zhuǎn)移弧焊機進行噴焊Ni60A粉末，噴焊工藝流程如下:工件的預處理(清洗、除油)→工件的表面噴砂處理→工件預熱(400℃，保溫30 min)→等離子弧噴焊→焊后冷卻→工件的焊后處理。

1.1 基體材料

平行閘板閥閥座采用35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，其具有很高的靜載強度、沖擊韌性及較高的疲勞極限，其化學成分見表1。

表1 35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼的化學成分(Wt%)

1.2 噴焊材料

針對基材是35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，選擇的噴焊材料是流動性和熱穩(wěn)定性良好，粒子尺寸(－140～+320目)和粘度都適合的Ni60A合金粉末作為噴焊材料，其化學成分見表2。

表2 Ni60A合金粉末的化學成分(Wt%)

1.3 工藝參數(shù)

本試驗選取對噴焊層影響較大的焊接電流、送粉速度等焊接參數(shù)作為變量來分析焊接參數(shù)對噴焊層質(zhì)量以及性能的影響。試驗所采用的等離子噴焊焊接工藝參數(shù)如表3所示，其中等離子氣為Ar，保護氣和送粉氣體為97%Ar+3%H2。

表3 等離子噴焊焊接工藝參數(shù)

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 噴焊層的微觀組織特點

試驗采用Ni60A粉末在基體組織為35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼上噴焊，但是Ni60A粉末在成分上與35CrMo的成分不同，存在一定的差異，同時，由于粉末中合金元素含量較高(含Cr、Ni、B、Si、Fe、C 等元素)，合金元素相互擴散，發(fā)生物理化學反應，而且焊后冷卻速度快，會形成許多復雜的固溶體或化合物相。

圖1為鎳基噴焊層顯微組織，可以看出，噴焊層組織是以亞共晶方式結(jié)晶，先析出初生的樹枝晶，再繼續(xù)冷卻到共晶轉(zhuǎn)變后，在初生枝晶間形成細小的共晶體，共晶體也是由更細小枝晶及各種化合物相所組成。由于等離子弧所產(chǎn)生的溫度很高，能夠使自熔性合金粉末完全熔化，在快速凝固過程中，形成了過飽和的固溶體和一些共晶化合物。對比b)與a)，b)采用的焊接電流是135A，由于電流過大導致等離子弧溫度過高形成較為粗大的樹枝晶;相反，a)采用的焊接電流是125A，弧溫度較低，產(chǎn)生細小的樹枝晶。d)與c)主要是送粉速度的變化，d)為18%的送粉速度，噴焊粉末不能完全熔敷到母材表面;而c)為10%的送粉速度，合金粉末能夠完全熔敷在母材表面，但是稀釋率增加，噴焊層的力學性能降低。

圖2是Ni60A合金粉末等離子弧噴焊層X射線衍射圖譜。結(jié)果表明，噴焊層的組成相有γ-Ni固溶體，Cr2B型化合物以及碳化物M7C3和M23C6。于噴焊粉末中Ni(70%左右)為主要元素且是奧氏體形成元素，所以噴焊層基體為γ-Ni固溶體是由。此外合金粉末中較多的 C、B和 Cr元素，生成 Cr2B，M7C3，而M7C3屬于亞穩(wěn)相，在冷卻過程中部分M7C3轉(zhuǎn)化為M23C。

2.2 噴焊層硬度分析

試驗從焊接電流和送粉速度兩個參數(shù)的變化來分析噴焊層宏觀洛氏硬度值，以表征材料的力學性能。

1)送粉速度改變，電流不變。從表4中數(shù)據(jù)可以分析，焊接電流為135 A時，測得的洛氏硬度先呈一定的上升趨勢，達到一定值時開始呈下降趨勢。初步推斷:由于前期送粉速度的增加，噴焊層變厚而增加了熔合比，降低了材料的稀釋度。由于噴焊層合金含量逐漸增高，形成的硬質(zhì)相的量也同時增加，導致硬度值增高。而當送粉速度繼續(xù)增加時，電源輸出的功率不足以使合金粉末完全熔化而噴到了噴焊層，使粉末顆粒之間的熔化結(jié)合變成了表面之間的簡單相互結(jié)合，甚至粉末顆粒未能熔化就直接噴到了噴焊層，造成缺陷，破壞了噴焊層原有的組織，硬度下降。

表4 焊接電流不變，送粉速度改變測得的平均洛氏硬度值

2)改變焊接電流，送粉速度不變。從表5中數(shù)據(jù)可以分析，當送粉速度為12%不變時，焊接電流的增加使洛氏硬度值先呈上升趨勢，然后達到一定數(shù)值時又呈現(xiàn)下降趨勢。初步推斷:隨著焊接電流的增加，輸出功率變大，產(chǎn)生強有力的等離子束，因而粉末熔化效果好，使合金粉末與母材之間冶金結(jié)合良好，形成優(yōu)質(zhì)的硬質(zhì)相，而且氣孔等缺陷少，所以導致噴焊層硬度增加且呈上升趨勢;當電流繼續(xù)增加，母材的熔化量使焊縫的熔合比變大，材料的稀釋率也增加，則噴焊層的合金含量降低，合金粉末產(chǎn)生的硬質(zhì)相減少，噴焊層的宏觀洛氏硬度值減小。

表5 送粉速度不變，改變焊接電流測得的平均洛氏硬度

2.3 噴焊層的耐磨性能

試驗加載載荷為5Kg，轉(zhuǎn)速為675轉(zhuǎn)/min，轉(zhuǎn)數(shù)為3 000。測得磨損體積如表6所示。

表6 噴焊層和基體磨損體積

從表6中的數(shù)據(jù)可以看出，噴焊層的耐磨性遠優(yōu)于基材的耐磨性，這是由于噴焊層中鉻化物和硼化物硬質(zhì)相對提高材料的耐磨性起到了至關(guān)重要的作用。

3 結(jié)論

等離子弧噴焊層冶金結(jié)合較好，組織致密，而且稀釋率低。噴焊層主要有γ-Ni固溶體，Cr2B型化合物以及碳化物M7C3和M23C6等組成。其中，噴焊層中的鉻化物和硼化物使其具有較高的硬度和耐磨性，使得噴焊層擁有較高的宏觀硬度，在實際生產(chǎn)應用中具有重要的意義。

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