阀门密封面堆焊材料综述

阀门密封面堆焊材料综述魏巍（华东理工大学，上海）200237摘要从研究阀门密封面堆焊材料的必要性出发，对阀门密封面堆焊材料进行全面讨论对我国阀门密封面堆焊材料的发展史及研究现状进行了总结概括通过对阀门密封面时效机理与堆焊材料实验方法的分析，提出了堆焊材料的选择原则通过阐明需解决的关键问题，提出了堆焊材料研究的发展放向关键词阀门；密封面；堆焊；堆焊材料引言、阀门在国民经济各项领域中有着广泛的作用，有流体输送、的工况就有管道，有管道的地1方必然有阀门，在石油、天然气、化工、煤碳、给排水、供热、农田排灌、冶金、火电，核电以至军工等系统中都大量使用阀门因此阀门是国家经济建设和国防建设不可缺少的重要机械产品，为了实现阀门的有效控制，阀门的安全性和可靠性是十分重要的，阀门应具有选材合理，强度可靠，密封稳定，动作灵敏等基本要求与功能,只有选材合理，强度可靠，才能保证阀门耐工况介质的腐蚀和适用工作温度和压力,强度不可靠与动作不灵敏都可能会造成阀门本身或系统的破坏而产生重大事故以致人身伤亡，密封性能的不稳定将直接影响阀门的寿命而产生介质的内泄或外漏，会造成经济损失与环境污染、阀门密封面质量是影响阀门寿命的主要因素之一为了提高阀门产品的使用寿命，许多国2家都在密封面材料的研究方面狠下功夫、我国阀门密封面堆焊材料的发展史及研究现状3我国阀门密封面堆焊材料和堆焊工艺研究是从60年代初开始的随着大庆油田的开发，阀门需要量骤增油田用户普遍反映阀门存在两大质量问题一是密封面质量不高，表现为内漏，造成许多重大质量事故；二是阀门填料质量不好，表现为外漏短期报废的阀门堆积如山，给油田的开发造成了巨大损失70年代初，原第一机械工业部向有关研究单位和阀门厂下达了阀门基础件一一阀门密封面寿命攻关计划从此阀门堆焊材料，工艺性能试验方法的研究有了迅速发展阀门生产初期中温中压密封面多采用18—8不锈钢焊条堆焊，认为它抗腐蚀｝生能好，能满足阀门油、汽、水介质的使用需要据油田用户反映，密封面硬度太低，阀门使用寿命很短阀门制造厂参照国外文献报导开始选用2Cr13不锈钢作为阀门密封面材料，并认为2Cr13经淬火处理可以提高硬度硬度越高阀门使用寿命越长经过一段时间的实践后证实，2Crl3的闸阀密封副抗擦伤性能并不好，使用寿命不理想，只有密封副的硬度在13—15HRC之间，2Crl3材料的抗擦伤性能才较好但是堆焊这种材料需要预热，堆焊工艺复杂这期间我国有关单位成功地研究了一系列高寿命的铭镒系手工堆焊焊条和自动堆焊用的高合金粘结焊剂（旧称陶质焊剂），并迅速大批量地用于阀门堆焊生产同期有关研究单位和阀门生产厂先后研制成功几种高温、高压电站阀门密封面堆焊用的焊条，并迅速用于生产，填补了国内外的空白70年代末和80年代初，有关研究单位又对Crl3系材料不同硬度差配对的阀门密封副进行了擦伤试验研究；对阀门密封机理以及对影响阀门密封副使用寿命的各种因素进行了系统的研究在阀门密封理论研究方面，取得较大发展80年代，阀门密封面埋弧自动堆焊用高台金粘结焊剂的研究又取得了较大的进展新型的铝镒硼型高台金粘结焊剂的出现，使阀门密封面堆焊金属硬度稳定，阀门使用寿命进一步提高高寿命的铭镒型台金粉末和其他合金粉末的研制和推广，推动了阀门密封面等离子弧堆焊技术的迅速发展80年代是粉末等离子弧堆焊技术大发展的时期，阀门堆焊用粉末等离子弧堆焊机的机构和电控系统迅速完善在这期间，这种专用设备的电控系统发展很快，从继电器控制到晶体管控制，现在已向微机控制发展80年代中期到90年代是我国焊接材料行业迅速发展的时期，焊接材料品种数量增加较快粘结焊剂在我国阀门堆焊生产中已经应用了几十年，近年来，烧结焊剂在国内焊接生产中的应用也逐渐增多

2.阀门密封面擦伤机理与堆焊材料试验方法（钢制阀门3）擦伤、冲蚀与腐蚀等均会破坏阀门密封面密封副材料成分和金属组织、表面处理工艺硬度与硬度差、比压和吻合度等诸多因素，都能影响阀门密封面的质量研究密封面失效的主要形式，分析产生失效的原因，是研究提高质量与使用奉命的有效途径

2.1试验方法选择在直动式擦伤试验机上初选不同材料，进行擦伤试验选用阀门行业最常用的钻基合金材料（D802）和高硬度的2Crl3合金材料堆焊试块，做为对比试验的靶子，在相同条件下进行擦伤对比试验经过多次大量对比擦伤试验，选出堆焊材料再堆焊DN100闸阀密封面与堆焊钻基合金和2Crl3合金阀门，在相同口径、相同介质条件下进行大流量带压差的阀门寿命试验装置上进行寿命对比试验，将精选的阀门堆焊材料再做其他性能试验，最后将选出材料堆焊成阀门送往阀门用户进行工况运行对比考核如果研究的是高温材料，在试验室内先做高温擦伤对比试验和各种性能试验，最后将选出的材料堆焊成阀门，在相同口径、相同介质条件下进行工况考核

2.2失效形式分析通过大量试验结果证明，阀门密封面的磨损性质是以金属磨损为主兼有磨粒磨损阀门密封面的破坏有擦伤、划伤和垫伤三种失效形式堆焊材料抗擦伤性能取决于堆焊金属化学成分和金相组织抗划伤和垫伤的性能取决于堆焊材料的硬度，因此堆焊材料的化学成分和金相组织是关键的，堆焊材料的硬度次之，那种认为密封面材料硬度越高抗擦伤性能就越好的看法是不正确的应当指出，堆焊金属密封面的硬度不能太低，因为阀门工况介质中都含有一定量的杂质，硬度太低密封面抵抗划伤和垫伤的能力下降，一般密封面的硬度230HRC较为合适的硬度为3240HRC当硬度240HRC时，硬度偏高，给加工和堆焊工艺都带来相当的困难目前国内〜阀门大致分为11类即闸阀（包括平板闸阀）、截止阀、节流阀、球阀、蝶阀、隔膜阀、旋塞阀、止回阀、安全阀、减压阀和疏水阀阀门密封面采用合金材料堆焊的主要有闸阀、止回阀、球阀、蝶阀、截止阀、节流阀、安全阀和减压阀8大类阀门密封面的特点和失效型式有擦伤、划伤、垫伤等，冲蚀和冲击的失效形式见表8o表各类阀门密封面特点及失效型式8闸阀阀座、闸板平面主要擦伤、有冲蚀止回阀阀座、阀藩平面冲击与冲伸高温球阀阀座锥面主要擦伤、有冲蚀蝶阀阀座锥面冲蚀截止阀阀座、阀麻阀平面或锥面主要冲蚀有擦伤节流阀座、阀谣阀锥面冲蚀安全阀座、阀源阀平面冲击与冲蚀减压阀麻、网游平面或信面冲击与冲蚀阀门类别堆焊部位密封面形式失效形式

2.3影响密封面寿命的其他因素1比压对抗擦伤性能的影响比压对抗擦伤性能有着极大的影响因一对磨擦副,提高比压，抗擦伤性能显著降低2吻合度对抗擦伤性能的影响吻合度是影响密封面比压的重要因素之一，对抗擦伤性能也有直接的影响在介质压力相同的情况下，比压与吻合度成反比，吻合度越小，比压越大，越容易擦伤因此要提高阀门密封面的寿命，必须提高阀门密封面的吻合度,以降低比压国外阀门标准规定阀门密封面的吻合度为100%,即阀门关闭时，阀座密封面全部被闸板覆盖我国规定阀门密封面吻合度为60%70%〜、堆焊材料我国阀门密封面堆焊合金现状及发展

32.1在阀门密封面部位堆焊一层具有特殊性能的台金，其目的是提高阀门密封面的抗擦伤、抗腐蚀、抗冲蚀及抗高温等综合性能，不但降低了成本，而且提高了阀门的使用寿命每一种阀门都在不同工作参数下开启和关闭，因此不同的温度、压力、介质又对阀门密封面材料有不同的要求下面对常用的各种堆焊合金作简单介绍

3.1手工堆焊焊条

3.

1.1Crl3系堆焊焊条Crl3系焊条有D

502.D

507、D507M

0.D

512.D517,常用于压力低于16MPa,温度低于450o c的碳钢阀门密封面堆焊D

502.D

507、D507Mo属于Crl

3.lCrl3Mo型焊条，堆焊金属抗裂性较好D512,D517属于2Crl3型焊条，堆焊金属抗裂性不佳，为了防止裂纹，需采用复杂的堆焊工艺和焊后热处理

3.

1.2倍镒系堆焊焊条属于该系的焊条有D516M,D516MA,85号，137号D567,D577等，采用铭镒系统合金堆焊焊条，阀门焊前不需预热，堆焊工艺简单，与使用Crl3系统堆焊焊条相比，可大大延长阀门的使用寿命

3.

1.3倍银硅系堆焊焊条属于格银硅金属系统的堆焊焊条有D547,D547Mo,D557,9—6D,9—6DB,9—6D等,这些焊条常用于温度低于570oC,压力低于14MPa,介质为过热蒸汽的电站阀门密封面堆焊

3.

1.4钻基司太立台金焊条钻基合金堆焊焊条有D802,D812,D842等，这些焊条常用于深孔的阀门密封面堆焊

3.2自动堆焊焊剂

3.

2.118-8型台金自动堆焊粘结焊剂我国第一代阀门自动堆焊材料采用1Crl3Ni9Ti盘状焊丝及高碱度粘结焊剂.这种自动堆焊工艺方法使生产效率提高36倍；焊缝成型和脱渣〜性好，堆焊金属的抗裂性好，在交流电源自动堆焊的情况下，能保证堆焊金属铝元素烧损减少，是18-8型不锈钢大面积堆焊行之有效的工艺方法

3.

2.22Crl3MnSi自动堆焊高合金粘结焊剂这种高合金粘结焊剂自动堆焊时配用H08A盘状焊丝用这种焊剂堆焊时，在含碳量不变的情况下靠调整工艺参数改变铭元素的过渡量同时由于焊剂的碱度较高，降低了碳、磷含量，从而提高了堆焊金属的抗裂性,在不预热的情况下，可以堆焊DN600[tllrl的碳钢阀门密封面

3.

2.32Crl3MnSN（p85号）自动堆焊高合金粘结焊剂〜这种高合金焊剂自动堆焊时，配用H08A低碳钢盘状焊丝，靠电弧燃烧时，从焊剂向熔池中过渡所需合金这种合金系统的堆焊合金的抗裂性较好，对使用温度低于450℃,压力低于16MPa的碳钢阀门是较理想的堆焊材料

3.

2.43Crl5Mn9B（即137号）自动堆焊高台金粘结焊剂这种焊剂在自动堆焊时配用HO8A焊丝，同样是过渡合金型高合金粘结焊剂.137号堆焊合金用交流电源，含铭量在12%-18%范围内波动，堆焊密封面的硬度和阀门各种使用性能均稳定堆焊台金的抗裂性较好，在不预热的情况下，最大可以堆焊DN600mm的碳钢阀门密封面

3.3堆焊、喷焊用台金粉末

3.

3.1银基台金粉末这种台金系统主要分为银硼硅系统和银铭硼硅系统该台金熔点低，具有良好的抗磨、抗蚀、抗热和抗氧化等综合性能我国在引进国外成分的基础上发展了含铁高的银基舍金粉末，性能与低碳银基粉相近，在阀门上得到应用的有F102,NDG—2等

3.

3.2钻基舍金粉末钻基台金粉末比银基合金粉末有较高的热硬性、抗氧化性、抗磨性、抗擦伤性、抗腐蚀等性能，尽管价格高，仍为阀门工作者青睐

3.

3.3铁基合金粉末通用阀门仅用于水，汽、油等弱腐蚀介质中，没有必要采用价格昂贵的钻基、银基材料,针对我国国情研制了一批适合于阀门密封面堆焊用的铁基合金粉末其价格低，使用寿命比2Crl3成倍提高对阀门产品质量上等级、上水平起了巨大作用这些粉末主要有F326,F311,F312,F321,F322及Fe—3,Fe—4等

3.

3.4铜基合金粉末铜基合金粉末有良好的减磨作用，特别在输水系统中具有良好的耐擦伤、耐腐蚀性能,因此在中压平板闸阀、低压阀门中有广泛的使用前途，常用于阀门密封面堆焊的有F422等

3.5复合粉末

3.

4、将一定比例的钻包碳化鸨混入银基钻基自熔性合金中，采用等离子弧或氧乙快堆焊工艺用于阀门耐磨部位，可以解决高温下抗热、抗磨、抗冲蚀问题、堆焊材料的选择（钢制阀门）

53.4选择阀门密封面堆焊材料，首先应满足阀门的使用要求，寿命长、密封性能好，应根据阀门密封面的主要失效形试，注意材料的综合性能、工艺性、加工性和经济性选用堆焊合金材料根据使用温度、压力和介质选择密封面材料根据堆焊材料的焊接工艺适用性选择密封面材料，其中材料堆焊的抗裂性是极重要的指标根据堆焊材料的加工性选择密封面材料，因此对阀门密封面的粗糙度、吻合度及硬度，提出了严格要求,由于堆焊合金是高硬度的材料，难于加工，规定密封面硬度一般不应过高堆焊材料选择的原则（大型止回阀钢制阀门）

4.13+

3.4选择堆焊材料，最主要是正确选择堆焊合金类型，一般应遵循下列原则

（1）满足工件的使用条件零件的工作条件十分复杂，选择堆焊合金时，必须首先明确被堆焊零件的磨损类型，然后选取合适于该类磨损的堆焊合金⑵考虑堆焊零件的经济性当有几种堆焊合金都能满足使用要求时，应尽量选取价格低的堆焊合金以降低堆焊的总体成本但要注意高合金堆焊材料的使用寿命因此必须把合金的价格与使用寿命同时考虑才合理比如，碳化鸨合金虽然价格比低合金钢堆焊合金低，但是它在磨粒磨损条件下使用寿命很高因此碳化鸨堆焊零件的实际成本反而可能较低应按实际工况进行比较，选择最经济的堆焊合金⑶可焊性问题在满足使用条件和经济指标的前提下，应考虑采用可焊性较好的堆焊合金可焊性较差的材料容易产生焊接缺陷，并使工艺复杂化，这会降低堆焊合金的使用性能和提高堆焊成本焊接母材的属性（大型止回阀）

4.

23.1阀体的基体材料是灰铸铁，灰铸铁中碳的质分数通常为

2.

83.6,且以片状石墨的形态〜在灰铸铁几乎没有塑性及韧性其抗拉强度高，一般均低于400MPa但却有优良的切削加性0能，其良好的减震性和较低的缺口敏感性等，加价格低廉，因此被广泛应用于工业生产中主要于制造各种机床床身、箱体、壳体、导轨和缸体等在灰铸铁的显微组织中，除片状石墨外，基体织一般为铁素体、铁素体+珠光体和珠光体3种灰铸铁的力学性能主要取决于基体；其中铁素体基体的灰铸铁的强度、硬度和耐磨性较低，但塑性较好；珠光体基体的灰铸铁的强度、硬度较高，耐磨性较好，但塑性较差铁素体+珠光体基体的灰铸铁的性能介于两者之间灰铸铁焊接时的主要问题是白口问题和裂纹题

（1）白口问题在一般焊接条件下，由于焊缝及热影响区的冷却速度极快，如果焊缝金属与母材为相同成分，则焊缝组织往往会形成大量的共晶渗碳体和二次渗碳体这时焊缝相当于白口铁的组织形态，故称之为白口组织而热影响区由于冷却速度常常高于焊缝，则更容易形成白口组织这种白口组织的出现，经常会导致焊缝及热影响区出现焊缝裂纹而且，由于硬脆的渗碳体的存在，使焊缝附近很难进行机械加工和切削加工⑵裂纹问题在灰铸铁焊接时，由于片状石墨的存在，其尖端相当于先天的裂纹源而基体中由于大量淬硬组织的存在，塑性和韧性很差，裂纹很容易发生扩展即使焊缝中没有淬硬组织存在，在焊接拘束度较大时，由于片状石墨基本上没有强度，石墨片尖端和两侧也可能由于应力的作用而出现裂纹这种裂纹一般发生在400℃以下，称为淬硬脆化裂纹，属于冷裂纹的1种在铸铁焊接时，这种裂纹极易出现，甚至在焊接时就能听到开裂的声音这种裂纹一般为横向裂纹，有时可扩展到整个焊缝截面除以上问题外，在灰铸铁焊接时，焊缝中还可能出现大量的马氏体等淬硬组织，促使裂纹的产生，并使焊缝附近的加工性能变差焊接材料的选择大型止回阀

4.

33.2用焊丝作为焊接材料堆焊阀门密封面，可以得到熔深浅，堆焊金属成分稳定，稀释率低，质量容易保证的焊层一般堆焊阀门密封面用的焊丝应满足以下主要几个要求1堆焊金属应满足密封面性能要求，如抗擦伤，抗腐蚀，并具有一定的硬度和减磨作用等2从冶金角度考虑，要求堆焊金属对基体金属有较好的结合性能，也就是与基体金属互溶，形成固溶体、化合物、共晶体等结合形式，或与基体金属浸润，并在基体金属表面具有良好的铺展能力3具有一定的抗拉强度和塑性变形能力，可拉拔成丝或具有良好的脱模能力，不粘砂，可浇铸成丝，所含夹杂质最少常用的阀门堆焊焊丝有黄铜焊丝、钻基合金焊丝、铁基合金焊丝、银基合金焊丝、铝青铜焊丝黄铜焊丝只能用于温度较低的氧一乙快堆焊当采用氤弧或等离子弧作热源时，因为这类热源温度太高，使锌大量蒸发，造成电弧不稳，因而不能保证焊层质量铝青铜焊丝，由于在堆焊过程中产生氧化锅膜，不易与铸铁结合，一般只用在交流氮弧焊工艺中，利用交流氤弧的阴极破碎作用击穿氧化铝膜，才能使铝青铜焊丝熔敷在铸铁的表面钻基合金、银基合金焊丝可采用氤弧、等离子弧作热源，它们的氧化膜可被熔化,形成熔池这些材料即可与铸铁互熔，又可在铸铁的表面铺展，结合牢固钻基合金一直是作为国内外阀门密封面堆焊的王牌材料加以应用但是钻资源稀少加上近年来钻的价格不断上涨，国内外都已研制了钻基合金的代替材料银基合金成为代替钻基合金的最佳选择在各类堆焊合金中，银基合金的抗金属一金属间摩擦磨损性能最好，并具有很高的耐热性、抗氧化性、耐腐蚀性，而且易于熔化，有较好的工艺性能；相对于钻基合金又具有较好的经济性这些特点使它比其它金属更适合用于阀体密封面的堆焊选择采用的银基焊丝成分如表2所示焊丝直径

1.2mm表2银基合金焊丝成分%镣铁钛硅铜硫其他碳cNickel IronMn Si；Co Sther

90.00V

0.

43.

53.

52.5L.

151.

00、需要解决的司题（我国阀门密封面堆焊合金现状及发展）6I

3.1目前，国内焊接材料的种类远远不能满足阀门生产的需要，这在一定程度上限制了阀门使用寿命的提高每年仍有大量的阀门因密封面的破坏而报废在焊条方面，与工业发达国家相比，焊条品种与规格不全，尤其是与国家重大成套设备相配套的台金钢焊条及银基焊条还不能完全自给在焊剂方面，工业发达国家品种齐全，而我国在焊剂生产上却存在着弊端

①焊剂与焊丝配套生产及配套供应脱节；

②与新型焊剂配套的新型焊丝供应脱节；

③烧结焊剂只有23个企业可以生产，品种也不多这些都决定了我国〜焊剂生产无论在品种上还是应用质量上都与经济发达国家存在很大差距，跟不上国民经济发展的需要我国焊丝行业也存在很多问题目前虽然引进了大量焊丝生产线，但重复性投资严重，引进设备性能差，管理落后，在一定程度上影响了焊丝行业的健康发展另一方面，我国焊丝品种单一，埋弧焊丝主要为H08A,H08Mn,和H10Mn2等我国堆焊合金粉末也只有几种，且应用面不广、总结和展望（我国阀门密封面堆焊合金现状及发展）

73.2我国是发展中国家，科学技术水平和工业生产相对来说比较落后，焊接自动化水平只能逐渐提高，手工电弧焊仍占主要地位，预计在今后几年内，焊条的生产还会增高，但到2005年，焊条的比例可能由现在的83%下降到70%左右10年后大约达到40%50%,即美国目前的〜水平通过对工业发达国家埋弧焊的应用统计，其所占焊材总产量的比例，基本在10%—15%之间说明埋弧焊在目前所有的焊接方法中，所占分额已经达到稳定而我国埋弧焊目前所占比例距这个平衡点还有一定的差距，所以埋弧焊剂还有一定的发展前景,但发展重点应是烧结焊剂对于等离子弧堆焊用的合金粉末，性能较好的钻基和银基粉末由于其价格昂贵，不适应我国的国情，所以铁基合金粉末和复合粉末应该成为发展的重点同时随着现代科学技术的发展，焊接技术也在不断进步为了达到提高焊接质量，提高生产效率，降低焊接成本和满足国民经济建设需要除了研究和发展高效焊接方法和焊接工艺外，焊接材料领域也需要研究开发相应的新品种合理地设计与改进堆焊材料,是一项重要的安全的技术措施，实现堆焊材料的改进有两条途径大量研究应用自动化堆焊材料；降低堆焊材料的毒害因素参考文献

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