噴焊

噴焊是對經預熱的自溶性合金粉末塗層再加熱至1000～1300℃，使顆粒熔化，造渣上浮到塗層表面，生成的硼化物和硅化物彌散在塗層中，使顆粒間和基體表面達到良好結合。最終沉積物是緻密的金屬結晶組織並與基體形成約0.05～0.1mm的冶金結合層，其結合強度約400MPa，抗衝擊性能較好、耐磨、耐腐蝕，外觀呈鏡面。

與噴塗層相比，噴焊層的優點顯著。但由於重熔過程中基體局部受熱後温度達900℃，會產生較大熱變形。因此，噴焊的使用範圍有一定侷限性。適於噴焊的零件和材料一般是：

①受衝擊載荷，要求表面硬度高，耐磨性好的易損零件，如拋砂機葉片，破碎機齒板，挖掘機剷鬥齒等；

②幾何形狀比較簡單的大型易損零件，如軸、柱塞、滑塊、液壓缸、溜槽板等；

③低碳鋼、中碳鋼（含碳0.4%以下）、含錳、鉬、釩總量<3%的結構鋼、鎳鉻不鏽鋼、鑄鐵等材料 ^[1]  。

自熔性合金粉末是以鎳、鈷、鐵為基材的合金，其中加入適量硼和硅元素，起脱氧造渣焊接熔劑的作用，同時能降低合金熔點，適於乙炔一氧焰對塗層進行重熔。

國產自熔性合金粉末品種較多，鎳基合金粉末有較強的耐蝕性，抗氧化性可達650°C，耐磨性強；鈷基合金粉末最大的特點是紅硬性好，可在700℃保持較好的耐磨性和耐蝕性；鐵基合金粉末耐磨粒磨損性優於其他兩類 ^[1]  。

噴焊的工藝程序基本與噴塗相同，所不同者在噴粉工序中增加了重熔程序。噴焊有一步噴焊法和二步噴焊法。施工前應注意：

①工件表面有滲碳層或氮化層，在預處理時必須清除；

②工件的預熱温度為一般碳鋼200～300℃，耐熱奧氏體鋼350～400℃。預熱火焰用中性或弱碳焰。此外，噴塗層重熔後，厚度減小25%左右，噴熔後在熱態測量時，應將此量考慮在內。

一步噴焊法。一步法即噴一段後即熔一段，噴、熔交替進行，使用同一支噴槍完成。可選用中、小型噴焊槍。在工件預熱後先噴塗0. 2mm的保護層，並將表面封嚴，以防氧化，噴熔從一端開始，噴距10～30mm，有順序地對保護層局部加熱到熔融開始濕潤（不能流淌）時再噴粉，與熔化反覆進行，直至達到預定厚度，表面出現“鏡面”反光，再向前擴展，達到表面全部覆蓋噴焊層。如一次厚度不足，可重複加厚。一步法適用於小型零件或小面積噴焊。

二步噴焊法。二步法即先完成噴塗層再對其重熔。噴塗與重熔均用大功率噴槍，例如SpH-E噴、焊兩用槍，使合金粉末充分在火焰中熔融，在工件表面上產生塑性變形的沉積層。噴鐵基粉末時用弱碳火焰，噴鎳基和鈷基粉末時用中性或弱碳火焰。

噴粉每層厚度<0.2mm，重複噴塗達到重熔厚度，一般可在0.5～0. 6 mm時重熔。如果噴焊層要求較厚，一次重熔達不到要求時，可分幾次噴塗和重熔。

重熔是二步法的關鍵工序，在噴塗後立即進行。用中性焰或弱碳化焰的大功率柔軟火焰，噴距約20 ～ 30mm，火焰與表面夾角為60°～ 75°，從距塗層約30mm處開始，適當掌握重熔速度，將塗層加熱，直至塗層出現“鏡面”反光為度，然後進行下一個部位的重熔。

重熔時應防止過熔（即鏡面開裂），塗層金屬流淌，或局部加熱時間過長使表面氧化。多層重熔時，前一層降温至700℃左右，清除表面熔渣後，再作二次噴熔。重熔宜不超過3次。

工件的冷卻。中低碳鋼、低合金鋼的工件和薄焊層、形狀簡單的鑄鐵件在空氣中自然冷卻。對於焊層較厚、形狀複雜的鑄鐵件，錳、銅、釩含量較大的合金鋼件，冷硬性高的零件，要埋在石灰坑中緩冷 ^[1]  。

噴塗層和噴焊層與基體金屬的結合形成不同,鎳包鋁通過噴塗焰束加熱時發生放熱化學反應,在經噴砂除鏽達Sa3級,RZ>50μm的碳鋼表面形成微冶金結合底層與工作層又產生“錨鈎”效應的機械結合塗層,而噴焊層與基體的結合純屬冶金結合塗層。

噴塗材料不同,噴焊要求使用自熔性合金粉末,而噴塗則對粉末的自熔性要求不高,且不一定是自熔性合金粉末,各種自熔性合金粉末既可用於噴焊又可用於噴塗,但噴塗粉末不具備自熔性只能用於噴塗而不能用於噴焊工藝。

工件受熱情況不同,噴塗與噴焊過程中,噴前預熱温度不同,工件受熱影響不同,噴後工件的組織、性能亦不同。

塗層的緻密性不同,噴焊層緻密,而噴塗層中有少量孔隙。

承受載荷的能力不同,噴塗層一般能承受大面積接觸,多在有潤滑條件的工作表面,配合面以及其它受力較小的工況條件下使用,噴焊層卻能承受較大的衝擊力,擠壓應力或接觸應力等 ^[2]  。

⑴ 各種碳鋼、低合金鋼的工件表面載荷大,特別是受衝擊載荷,要求塗層與基體結合強度在350—450N/mm²的工件,噴焊硬度HRC150≤65,塗層厚度從0.3至數毫米,噴焊層經磨削加工後表面粗糙度可達Ra0.4—0.1μm以上。

⑵在腐蝕介質中使用，要求塗層緻密,無孔隙。

⑶工件表面原設計採用淬火、滲碳、滲氮、鍍硬鉻等工藝,要求表面有很高的硬度。

⑷工件工作環境惡劣,如受強烈的磨粒磨損、沖蝕磨損、氣蝕等等。

⑸ 氧—乙炔焰合金粉末噴焊工藝適應各種碳鋼、低合金鋼零部件的表面強化或修復,但應注意到零件材質的一些特點,當基體材質的線脹係數與合金噴焊層的線脹係數差別較大時小於12×10^-6/℃大於12×10^-6/℃,則應慎用此工藝,以免造成裂紋,若基體金屬中與氧親合力大的元素含量較多如鎢和鉬的含量大於3%,鋁、鎂、鈷、鈦 、鉬等元素總含量大於0.5%或鋼中含硫量較多時,也會給噴焊帶來困難,這是因為這些材料與氧作用極易生成緻密而穩定的氧化膜,阻擋熔融合金對基體的潤濕作用,重熔時液態合金會呈珠狀象“汗珠”一樣地滾落，因此在採用噴焊工藝時,應該注意此工藝對於所噴基體材料的適應性。

⑹無需特殊處理就可噴焊的金屬材料：

①含碳量≤ 0.25% 的碳素結構鋼。

② Mh 、 Mo 、 V 、 Cr 、 Ni 總含量< 3% 的合金結構鋼。

③ 18 — 8 不鏽鋼、鎳不鏽鋼、灰鑄鋼、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、低碳純鐵、紫銅。

⑺ 需預熱 250 — 375 ℃噴焊後需緩冷的金屬材料。

①含碳量> 0.4% 的碳素結構鋼;

② 錳.鉬.釩.鎳 的總含量>3% 的合金結構鋼;

③含鉻量≤ 2% 的合金結構鋼 ;

⑻ 噴焊後需等温退火處理的金屬材料：

①含鉻量≥ 13% 的馬氏體不鏽鋼；

②含碳量≥ 0.4% 的鎳鉬合金結構鋼。

在確定採用噴焊工藝後,再根據下列情況選用一步法或二步法噴焊工藝:

⑴ 工件需局部修補,且噴焊處不允許熱輸入量很大,如各類機牀導軌局部傷痕的修補,宜用一步法噴焊工藝;

⑵ 工件表面複雜或無規則,如鏈輪、齒輪齒面、螺旋給料器等,宜用一步法噴焊工藝;

⑶ 大型工件整體加熱有困難,如機車、礦車輪子等,宜用一步法噴焊工藝;

⑷ 可在機牀旋轉的一般軸類零件宜用二步法噴焊工藝;

⑸ 所得塗層的硬度應儘量接近原設計的表面硬度,例如原設計採用淬火或化學處理工藝,使表面硬度達HRC≥ 55 左右的,則應選用所謂“硬麪塗層”粉末,如Ni₁₅、Ni₆₀、Fe₆₅或Wc複合粉;

⑹ 強烈磨損的非配合面,如泥沙泵的葉輪、殼體、裝岩機鏟齒,螺旋給料器的螺旋麪等,應選用高硬度如Ni₁₅ 、Ni₆₀、Fe₆₅或Wc複合粉;

⑺ 需要加工,但又無法上車牀、磨牀,只能靠手工用銼刀等工具進行加工的工件,如機牀導軌面局部傷痕的修補,只能採用低硬度噴焊粉如 SH、F₁₀₃ 、 Ni₁₅等;

⑻ 噴焊工藝與電弧堆焊的區別：噴焊層與基體之間的結合是溶解擴散冶金結合,而堆焊則是熔化冶金結合,在噴焊過程中基體是不熔化的,只是噴焊層與基體之間產生溶解作用,在兩者之間存在一個擴散互溶區.由於基體不溶物因而噴焊層就不會被基體材料所沖淡,因此稀釋率極低,能保證噴焊層的良好性能,堆焊基體熔化,堆焊層稀釋率高,需要堆焊很厚才有可能保證焊層的性能,而且零件輪廓稜角難以保證,常見咬邊,稜角塌陷,而噴焊則不會出現此類缺陷 ^[2]  。

⑴ 鑄鐵是含碳量大於2%的鐵碳合金,在工業中常用的鑄鐵,含碳量為2.5～4%,含硅量為1~3%,以及含有少量的錳、硫、磷等,其中用量最多的是灰口鑄鐵,由於鑄鐵含量高,強度低,對温度變化敏感,焊補時又多為局部受熱,温差較大,冷卻速度快,給鑄鐵焊補帶來困難,鑄鐵的可焊性較差,在焊補時易出現以下問題:

⑵ 焊補部位易出現白口組織,白口組織硬而脆,焊後很難進行機械加工,而且易引起裂紋;

⑶ 易產生裂紋,在焊補時由於不均勻加熱和冷卻速度快,易產生熱應力裂紋;另外鑄鐵中含硫、磷等雜質較多也 易在焊補處產生裂紋;

⑷ 氣孔與夾渣,正因為鑄鐵中含碳量高,含雜質較多,在焊補過程中又因冷卻速度快,氣體和一些氧化物來不及析出和上浮,便在焊縫區形成氣孔或夾渣,採用氧—乙炔焰合金粉末一步法噴焊,能較滿意地解決上述幾個問題;

⑸ 噴焊時使用合金粉末的熔點低於基體熔點,在重熔時,鑄鐵基體不熔化,沒有噴焊層的稀釋問題,也不存在半熔化區,所以正確地噴焊不會使焊補區產生白口組織,便於加工,而且由於基體不熔化,自然就控制了基體中所含 硫、磷等雜質熔入噴焊層,有利於防止裂紋的產生;

⑹ 採用一步法噴焊對基體的熱輸入量少,基體受熱影響小,有利於減少熱應力,從而有效地控制熱應力裂紋;熱輸入量少,對尺寸精度較高的零件做局部噴焊修補有獨到之處.同時,採用氧—乙炔焰加熱,相對於電焊冷卻緩慢,對防止裂紋和變形也有利;

⑺ 合金粉末中含有強烈的脱氧元素硼和硅,不僅保護了粉末中其它元素免於氧化燒損,而且基體表面的氧化物 也可被硼、硅元素還原,防止了氣孔和夾渣;

⑻ 噴焊層組織緻密平整,成型好,無咬邊現象,只需少量加工即可使用,材料省,效率高;噴焊鑄鐵零件常用的有SH · F₁₀₃ 、鎳基合金粉末 Ni₁₅等,鐵基合金粉末熔點高,脆性大,對基體影響也大,效果較差.

⑼ 噴焊時工件預熱的主要目的是去除工件表面濕氣,併產生一定的熱膨脹減少温差,從而減少熱應力有利於提高塗層結合強度,保證噴焊層質量,一般鋼材取250—300℃,奧氏體不鏽鋼取450—500℃,鎳—鉻不鏽鋼取350—400℃,低合金鋼、鑄鐵取250—300℃,一般小工件和易氧化的鋼材預熱温度要低些;噴焊層厚度根據工件噴塗後熱脹冷縮特性,重熔後的收縮量大約25—30% ,因此在確定噴塗層厚度時,除考慮加工餘量和工件噴前的直徑車小量外,必須將收縮量考慮在內,噴層的厚度計算,重熔前的塗層厚度=(噴焊層厚度+加工餘量)÷(1-0.3) ^[1]  。

⑴ 低於合金熔點的材料,如鋁及其合金、鎂及其合金,黃銅、青銅;

⑵ 工件是細長的軸類或是很薄的板材而又不允許變形的；

⑶ 工件原設計要求很高，金相組織不允許有任何改變的;

⑷ 可硬性高的鎳鉻鉬合金鋼；

⑸ 含鉻量> 18%的馬氏體高鉻鋼。

（PS：長軸類28毫米以上外徑，8米以內長度可以進行高精度噴焊） ^[1] 

① 在車輛及機械設備中有相當多的零件的用鑄鐵製造的,在製造或使用過程中難免出現各種問題,採用氧—乙 炔焰噴焊工藝不僅是強化鑄鐵件的有效方法,而且也是修復鑄件各種缺陷和損傷(如鑄造件的砂眼、氣孔或使用 中的磨損及其它損傷)的理想手段;

② 噴焊多用於鑄鐵件的局部缺陷的修補,而且缺陷大小不等,深淺不一,適合採一步法噴焊,根據工件和焊修的部位,應儘量使用小功率噴槍,這樣可減少對基體的熱輸入量,一般選用QH—1/h,QH—2/h,QH—4/h等;

③ 噴焊時,因鑄鐵零件的可焊性差,應優先選用鎳基合金粉末(Ni—B—Si系列),鎳基合金粉末熔點一般為950～ 1050℃,重熔時基體不致被熔化,同時,含碳量低的鎳基粉噴焊層硬度低，塑性好,可以鬆弛噴焊應力有利於防止 裂紋,這時操作不熟練者極為重要;

④ 選擇噴焊規範時,應考慮鑄鐵材質、缺陷部位大小,工況要求等因素,在保證必要火焰能量的前提下,儘量減少對基體的熱量輸入,氧氣、乙炔氣壓力取下限值為宜,噴粉、重熔時,適當調整噴、熔距離,控制熱輸入; ⑤ 焊補局部小缺陷,如氣孔、砂眼,噴焊前可不預熱,儘量減少噴焊層周圍受熱面積,使處於高温區域儘可能小'

⑥ 對局部小而深的缺陷噴焊修補適合連續噴焊,該方法粉末沉積率高,厚度增長快,效率高,但要求操作技術熟練,使送粉量和噴、熔速度協調,做到噴均、熔透;

⑦ 對面積較大且深的缺陷,為防止基體受熱過大而導致熱應力增大,可採用間歇法噴焊,必要時亦可採用電焊、噴焊複合工藝,用焊條填充底部,上部噴焊,如鑄件壁厚較大,可採用噴前栽絲,不僅能增加結合強度,防止噴焊層與母材剝離,而且可消除一部分噴焊熱應力;

⑧ 噴焊大型複雜鑄件熱應力較大,噴焊時要採取措施,減少應力積累,如採用加熱減應法、分段對稱法;焊前預熱,焊後緩冷等,均可取得良好效果;

⑨ 控制重熔温度,重熔温度過高,不僅合金元素燒損,基體過 熱,甚至基體被熔化,導致鑄鐵中的碳進入噴焊層,將使噴焊層中含碳量增加,硬度提高,塑性降低,而基體又因含碳量下降,容易出現白口,而且温度過高還會引起較大的熱應力,導致裂紋的產生,重熔温度也不能過低,否則,易形成夾灰或熔不透,影響結合強度,對於重熔温度的控制,主要靠操作者注意觀察重熔時塗層表面狀態的變化,藉助於重熔時的“鏡面反光”來控制,呈現“鏡面反光”,則表明粉末已熔融,熔渣已經上浮,此時重熔槍應立即移開,重熔過的部位應避免重複加熱 ^[2]  。