CN103028825A - 一种核二级泵轴套表面强化处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于表面强化技术领域，主要涉及的是一种核二级泵轴套表面强化处理方法。在轴套外表面堆焊强化合金粉末Ni60合金层。本发明利用了轴套基体不锈钢较好的焊接性，将等离子弧堆焊技术用于轴套表面的强化，根据轴套实际的使用工况和要求，通过选择合适的强化合金粉末和参数，等离子弧堆焊层和基体之间有很好的冶金结合，并且堆焊合金层具有较高硬度、耐磨性、耐腐蚀性，因而特别适合于核泵轴套的表面强化，另外选择适当的焊接参数，堆焊层的厚度、性能、结构可以进行变化，得到强化后的轴套材料具有良好的性能。
Description
技术领域
本发明属于表面强化技术领域，主要涉及的是一种核二级泵轴套表面强化处理方法。
背景技术
核泵是核电站中的重要设备之一，核主泵及其核二级泵在保证核电站的高效、安全运行方面起着重要作用。核二级泵包括上充泵、安注泵及余热排出泵等，各种动静压水润滑轴套又是核泵中的关键部件。水润滑轴套具有不燃烧，降低摩擦副的摩擦振动、噪声和由摩擦引起的对轴套的磨损等优点。由于其较为苛刻的工况条件，轴套的内表面和轴套的外表面易受到摩擦、损伤，是一种典型的易耗损零件。因为水润滑轴套工作表面和心部在状态、结构和性能要求方面有较大的差别，而传统的整体热处理往往使二者不能兼顾，材料的潜力也得不到充分发挥。材料表面强化技术不仅可以较好地解决表面和心部在结构和性能上的差异，而且还可以进一步使表面获得某些特殊的工作性能，以满足在特定使用条件下对轴套表面性能的要求。
等离子弧堆焊技术具有电弧稳定、温度高、热量集中、电弧可控性好、焊道成形好、热影响区小、稀释率低、生产效率高、工艺稳定等优点。所以可以通过选择合适的堆焊合金材料(Ni、Fe等)，利用等离子弧堆焊技术在轴套的外表面堆焊一层强化合金层，进而满足特定使用条件下对其表面性能的要求。
目前在现有的技术中还没有采用等离子弧堆焊技术强化轴套外表面。
发明内容
本发明的目的是提供一种核二级泵轴套表面强化处理方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种核二级泵轴套表面强化处理方法：在轴套外表面堆焊强化合金粉末Ni60合金层。
所述Ni60合金层厚度为0.5-3.5毫米。所述轴套表面强化方法为：首先进行焊前热处理，即强化合金粉末干燥处理和轴套焊前热处理；其次进行焊接；最后进行焊后热处理，即将轴套焊接件在20-40目的蛭石粉中缓冷至室温。所述强化合金粉末干燥处理：焊前将Ni60合金粉末在200-250℃下保温1-3小时后，缓冷至室温。所述轴套焊前热处理：将轴套在200-350℃下，保温2-4小时，进而减少内部应力，避免焊接过程中产生开裂。所述焊接参数为焊接电流160-190A、焊接电压30-35V、送粉速度25-35g/min、焊接频率20-30Hz、焊接速度30-50mm/min、摆动幅度27-35mm。
本发明所具有的优点：
1.本发明利用了轴套基体不锈钢较好的焊接性，将等离子弧堆焊技术用于轴套表面的强化，根据轴套实际的使用工况和要求，通过选择合适的强化合金粉末和参数，等离子弧堆焊层和基体之间有很好的冶金结合，并且堆焊合金层具有较高硬度、耐磨性、耐腐蚀性，因而特别适合于核泵轴套的表面强化，另外选择适当的焊接参数，堆焊层的厚度、性能、结构可以进行变化，得到强化后的轴套材料具有良好的性能。
2.本发明采用单道连续自动焊接，直至焊满整个轴套表面。并且焊道与焊道之间要连续，不能有缝隙和未搭接现象。在进行前一道焊接时，相当于对相邻区域进行热处理，所以在焊接过程中需严格控制层间温度不超过400℃。
3.力学性能高：本发明经等离子弧堆焊技术强化后的轴套表面除了具有较高的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能之外，还具有良好的高温性能。同时轴套不锈钢基体和强化堆焊层之间冶金结合良好，无未熔合、气孔、夹渣等缺陷。另外轴套基体的稀释率较低，变形较小，强化合金层组织致密均匀，性能稳定。
4.生产效率高：本发明等离子弧堆焊技术的生产效率高，是传统的手工堆焊技术的5倍，另外可以节省超过60％的合金用量。
5.本发明制造过程中机加工量大幅度较少：可以选择合适的焊接参数获得所需的堆焊层厚度，需要磨削加工的量减少，大大提高生产效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的核泵水润滑轴套表面强化工艺流程图。
图2为本发明实施例提供的粉末等离子弧堆焊原理示意图。
图3本发明实施例提供的中轴套外表面焊接示意图。
图4本发明实施例提供的处理后轴套效果实验图。
具体实施方式
结合附图，对本发明的实施例做进一步详细说明。
本发明实施例中所述的核二级泵轴套表面强化是表面强化的一种，是表面焊接、表面合金化、表面改性三者的结合。是在核二级泵轴套不锈钢基体上堆焊一层强化合金层。首先选择合适的强化合金粉末，将选择的合适的强化合金粉末进行干燥处理，随后炉冷至室温，增加合金粉末的流动性，再将轴套试件进行焊前热处理，为了减小焊接应力、降低冷却速度，轴套需进行焊前热处理，具体为400℃下，保温2个小时。接着经等离子弧堆焊机进行单道连续焊接直至焊满整个表面，即之后将轴套安装在等离子弧堆焊机对应的卡盘工装上，选择调整合适的参数进行焊接，采用外圆枪焊接。之后进行焊后热处理，即轴套焊接件在蛭石粉中缓冷至室温，而后经精密切削加工。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种核二级泵轴套表面强化处理方法，其采用等离子弧堆焊技术。
焊前处理：
1)强化合金粉末干燥处理：选用Ni60作为强化合金粉末，其元素含量为Fe3.69％、Cr14.85％、C0.76％、B3.11％、Si4.45％、Ni73.14％，粒度在45-150μm之间。焊前将Ni50合金粉末在250℃下保温1个小时后，缓冷至室温。
2)轴套焊前热处理：将轴套在350℃下，保温2个小时以减少内部应力，避免焊接过程中产生开裂。
焊接：本实施例中利用等离子弧焊枪，在阴极和水冷紫铜喷嘴之间、阴极和工件之间，气体电离成电弧，通过压缩电弧转变为等离子弧阴极和喷嘴之间产生的电弧叫非转移弧，阴极和工件之间产生的电弧叫转移型弧。弧柱直径变细，电流密度变大，电弧温度高，能量集中。等离子弧堆焊的主要热源是转移型等离子弧。工作时采用非转移弧(非弧)和转移型弧(转弧)联合堆焊，需独立的两台直流弧焊机作电源。两个电源的负极并联接至焊枪的阴极(钨电极)。非弧电源的正极与喷嘴相连，转弧电源的正极与工件相接。氩气通过电磁气阀和流量调节器进入焊枪。循环冷却水主要是用来冷却喷嘴和电极。非弧电源接通后，借助在电极和喷嘴之间产生的高频火花引燃非转移弧。转弧电源接通后，借助非转移弧在钨极和工件间造成的导电通道，引燃转移弧。转移弧引燃后，可保留或切断非转移弧，主要利用转移弧的热量在工件表面产生熔池和熔化合金粉末。合金粉末按需要量连续供给，借助送粉气流送入焊枪，并吹入电弧中。粉末在弧柱中被预先加热，呈熔化或半熔化状态落入熔池，在熔池里充分熔化，并排出气体和浮出熔渣。通过调节转移弧电流来控制熔化合金粉末和传递给工件的热量，合金和工件表层熔合。随着焊枪和工件的相对移动，合金熔池逐渐凝固，便在工件上获得所需要的合金堆焊。
焊接参数为焊接电流190A、焊接电压35V、送粉速度25g/min、焊接频率20Hz、焊接速度30mm/min、摆动幅度27mm。使用外圆枪，单道连续自动焊接，直至焊满整个工件后停弧。
焊后热处理：取出轴套，立即投入蛭石粉(20-40目)中缓冷至室温，之后取出轴套，经PT检验并未出现有裂纹和夹渣等缺陷。采用精密切削至最终尺寸。
切取上述轴套部分试块进行硬度和金相检验(按照《GB/T 230.2-2002金属洛氏硬度试验国家标准》；《GB/T 13298-1991：金属显微组织检验方法》)：堆焊层的洛氏硬度在55-59HRC之间，平均硬度为56.9HRC。
维氏硬度计对堆焊层剖面进行硬度检测，可见堆焊层的硬度相对于轴套不锈钢基体有明显提高，并且在熔合区域有明显的硬度过渡区。通过金相检验，可知堆焊层与基体没有出现有未熔合、气孔等缺陷。堆焊层和基体之间实现了良好的冶金结合，详见图5。
实施例2
当核二级泵轴套基材为奥氏体-铁素体双相不锈钢时，通过该发明对焊接过程中的热输入量进行更精确的控制。
焊前处理：
1)强化合金粉末干燥处理：选用Ni60作为强化合金粉末，其元素含量为Fe3.69％、Cr14.85％、C0.76％、B3.11％、Si4.45％、Ni73.14％，粒度在45-150μm之间。焊前将Ni 50合金粉末在200℃下保温1个小时后，缓冷至室温。
2)轴套焊前热处理：将轴套在200℃下，保温2个小时以减少内部应力，避免焊接过程中产生开裂。
焊接：本实施例中利用等离子弧焊枪，在阴极和水冷紫铜喷嘴之间、阴极和工件之间，气体电离成电弧，通过压缩电弧转变为等离子弧阴极和喷嘴之间产生的电弧叫非转移弧，阴极和工件之间产生的电弧叫转移型弧。弧柱直径变细，电流密度变大，电弧温度高，能量集中。等离子弧堆焊的主要热源是转移型等离子弧。工作时采用非转移弧(非弧)和转移型弧(转弧)联合堆焊，需独立的两台直流弧焊机作电源。两个电源的负极并联接至焊枪的阴极(钨电极)。非弧电源的正极与喷嘴相连，转弧电源的正极与工件相接。氩气通过电磁气阀和流量调节器进入焊枪。循环冷却水主要是用来冷却喷嘴和电极。非弧电源接通后，借助在电极和喷嘴之间产生的高频火花引燃非转移弧。转弧电源接通后，借助非转移弧在钨极和工件间造成的导电通道，引燃转移弧。转移弧引燃后，可保留或切断非转移弧，主要利用转移弧的热量在工件表面产生熔池和熔化合金粉末。合金粉末按需要量连续供给，借助送粉气流送入焊枪，并吹入电弧中。粉末在弧柱中被预先加热，呈熔化或半熔化状态落入熔池，在熔池里充分熔化，并排出气体和浮出熔渣。通过调节转移弧电流来控制熔化合金粉末和传递给工件的热量，合金和工件表层熔合。随着焊枪和工件的相对移动，合金熔池逐渐凝固，便在工件上获得所需要的合金堆焊。
焊接参数为焊接电流160A、焊接电压30V、送粉速度35g/min、焊接频率30Hz、焊接速度50mm/min、摆动幅度35mm。使用外圆枪，单道连续自动焊接，直至焊满整个工件后停弧。
焊后热处理：取出轴套，立即投入蛭石粉(20-40目)中缓冷至室温，之后取出轴套，经PT检验并未出现有裂纹和夹渣等缺陷。采用精密切削至最终尺寸。
切取上述轴套部分试块进行硬度和金相检验(按照《GB/T 230.2-2002金属洛氏硬度试验国家标准》；《GB/T 13298-1991：金属显微组织检验方法》)：堆焊层的洛氏硬度在55-59HRC之间，平均硬度为57.6HRC。
维氏硬度计对堆焊层剖面进行硬度检测，可见堆焊层的硬度相对于轴套不锈钢基体有明显提高，并且在熔合区域有明显的硬度过渡区。通过金相检验，可知堆焊层与基体没有出现有未熔合、气孔等缺陷。堆焊层和基体之间实现了良好的冶金结合。
实施例3
首先进行焊前热处理，即强化合金粉末干燥处理和轴套焊前热处理；其次进行焊接；最后进行焊后热处理，即将轴套焊接件在蛭石粉中缓冷至室温。
所述强化合金粉末干燥处理：焊前将Ni60合金粉末在200℃下保温3小时后，缓冷至室温。
所述轴套焊前热处理：将轴套在200℃下，保温4小时，进而减少内部应力，避免焊接过程中产生开裂。
所述焊接参数为焊接电流170A、焊接电压32V、送粉速度30g/min、焊接频率25Hz、焊接速度40mm/min、摆动幅度30mm。
实施例4
首先进行焊前热处理，即强化合金粉末干燥处理和轴套焊前热处理；其次进行焊接；最后进行焊后热处理，即将轴套焊接件在蛭石粉中缓冷至室温。
所述强化合金粉末干燥处理：焊前将Ni60合金粉末在220℃下保温2小时后，缓冷至室温。
所述轴套焊前热处理：将轴套在300℃下，保温3小时，进而减少内部应力，避免焊接过程中产生开裂。
所述焊接参数为焊接电流180A、焊接电压30V、送粉速度25g/min、焊接频率30Hz、焊接速度50mm/min、摆动幅度27mm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种核二级泵轴套表面强化处理方法，其特征在于：在轴套外表面堆焊强化合金粉末Ni60合金层。
2.按权利要求1所述的核二级泵轴套表面强化处理方法，其特征在于：所述Ni60合金层厚度为0.5-3.5毫米。
3.按权利要求1所述的核二级泵轴套表面强化处理方法，其特征在于：所述轴套表面强化方法为：首先进行焊前热处理，即强化合金粉末干燥处理和轴套焊前热处理；其次进行焊接；最后进行焊后热处理，即将轴套焊接件在蛭石粉中缓冷至室温。
4.按权利要求3所述的核二级泵轴套表面强化处理方法，其特征在于：所述强化合金粉末干燥处理：焊前将Ni60合金粉末在200-250℃下保温1-3小时后，缓冷至室温。
5.按权利要求3所述的核二级泵轴套表面强化处理方法，其特征在于：所述轴套焊前热处理：将轴套在200-350℃下，保温2-4小时，进而减少内部应力，避免焊接过程中产生开裂。
6.按权利要求3所述的核二级泵轴套表面强化处理方法，其特征在于：所述焊接参数为焊接电流160-190A、焊接电压30-35V、送粉速度25-35g/min、焊接频率20-30Hz、焊接速度30-50mm/min、摆动幅度27-35mm。
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| C06 | Publication | ||
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20130410 |