专利名称：一种核二级泵水润滑轴承表面强化的方法
—种核二级泵水润滑轴承表面强化的方法技术领域
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水润滑轴承表面强化 的方法。
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 滑轴承又是核泵中的关键部件。水润滑轴承具有不燃烧，降低摩擦副的摩擦振动、噪声和由 摩擦引起的对轴承的磨损等优点。由于其较为苛刻的工况条件，水润滑的内表面和轴套的 外表面易受到摩擦、损伤，是一种典型的易耗损零件。因为水润滑轴承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 对轴承表面性能的要求。
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(N1、Fe等)，利用等离子弧堆焊技术在轴承的水润滑内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承内表面。发明内容
本发明的目的是提供一种核二级泵水润滑轴承表面强化方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案
—种核二级泵水润滑轴承表面强化的方法在水润滑轴承内孔表面堆焊强化合金 粉末Ni50的合金层。所述Ni50合金层厚度为O. 5-3. 5毫米。
所述水润滑轴承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 理和轴承焊前热处理；其次进行焊接；最后进行焊后热处理，即将轴承焊接件在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为将Ni50合金粉末在150-200°C下保 温1-3小时后，缓冷至室温，待用。所述轴承焊前热处理将轴承在350-450°C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150-210A、焊接电压20-35V、送粉速度15_30g/min、焊 接频率30_40Hz、焊接速度40-55mm/min、摆动幅度20_30mm。
本发明所具有的优点
1.本发明利用了轴承基体不锈钢较好的焊接性，将等离子弧堆焊技术用于轴承表 面的强化，根据水润滑轴承实际的使用工况和要求，通过选择镍基合金粉末Ni50，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。
2.本发明中采用单道连续自动焊接，直至焊满整个轴承表面。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°C。3.力学性能高经等离子弧堆焊技术强化后的轴承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。同时轴承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。另外轴承基体的稀释率较低，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10 倍，另外可以节省超过60%的合金用量。
5.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。
6.本发明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水润滑轴承的表面强化，所得的强化后的轴承材料具有良好的性能。
图1为本发明实施例提供的核泵水润滑轴承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为本发明实施例提供的中轴承内表面焊接示意图。
图4为本发明实施例提供的处理后中轴承的效果实验图。
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水润滑轴承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。是在核二级泵水润滑轴承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，进行干燥处理，随后炉冷至室温，增加合金粉末的流动性。为了减小焊接应力、降低冷却速度，水润滑轴承需进行焊前热处理，具体为 400°C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，即将轴承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。进行轴承内表面焊接时，采用内圆枪焊接，之后进行焊后热处理，即轴承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水润滑轴承表面强化方法，其采用等离子弧堆焊技术。
焊前处理
I)强化合金粉末干燥处理选用Ni50作为强化合金粉末，其元素含量为 Fe3. 05%, CrlO. 47%, CO. 48%, B2. 35%, Si3. 87%, Ni79. 78%，粒度在 45-150 μ m 之间。 焊前将Ni50合金粉末在200°C下保温I个小时后，缓冷至室温。
2)轴承焊前热处理将轴承在400°C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。
焊接本实施例利用等离子弧焊枪焊接，如图2所示，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150A、焊接电压20V、送粉速度15g/min、焊接频率30Hz、焊接速度40mm/min、摆动幅度20mm。使用内圆枪，单道连续自动焊接，直至焊满整个工件后停弧。焊接过程中控制层间温度不超过400°C。
焊后热处理将上述焊接后的轴承置于20-40目的蛭石粉中缓冷至室温，之后取出轴承，经PT检验并未出现有裂纹和夹渣等缺陷。而后采用精密切削至最终尺寸(参见图 3)。
切取上述轴承部分试块进行硬度和金相检验(按照《GB/T230. 2-2002金属洛氏硬度试验国家标 准》；《GB/T13298-1991 :金属显微组织检验方法》)堆焊层的洛氏硬度在 45-55HRC之间，平均硬度为47. 3HRC。
维氏硬度计对堆焊层剖面进行硬度检测，可见上述处理后轴承堆焊层的硬度相对于衬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 (参见图4)。
实施例2
当水润滑轴承的基材为奥氏体-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
I)强化合金粉末干燥处理选用Ni50作为强化合金粉末，其兀素含量为 Fe3. 05%, CrlO. 47%, CO. 48%, B2. 35%, Si3. 87%, Ni79. 78%，粒度在 45-150 μ m 之间。 焊前将Ni50合金粉末在200°C下保温I个小时后，缓冷至室温。
2)轴承焊前热处理将轴承在350°C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。
焊接本实施例利用等离子弧焊枪焊接，如图2所示，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30g/min、焊接频率45Hz、焊接 速度55mm/min、摆动幅度30mm。使用内圆枪，单道连续自动焊接，直至焊满整个工件后停 弧。焊接过程中控制层间温度不超过350°C。
焊后热处理将上述焊接后的轴承置于蛭石粉(20-40目)中缓冷至室温，之后取 出轴承，经PT检验并未出现有裂纹和夹渣等缺陷。而后采用精密切削至最终尺寸(参见图 3)。
切取上述轴承部分试块进行硬度和金相检验(按照《GB/T230. 2-2002金属洛氏 硬度试验国家标准》；《GB/T13298-1991 :金属显微组织检验方法》)堆焊层的洛氏硬度在 45-55HRC之间，平均硬度为50. 4HRC。
维氏硬度计对堆焊层剖面进行硬度检测，可见上述处理后轴承堆焊层的硬度相对 于衬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承焊前热处理；其次进行焊 接；最后进行焊后热处理，即将轴承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为将Ni50合金粉末在150°C下保温3小时后，缓冷至室温，待用。
所述轴承焊前热处理将轴承在450°C下，保温2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200A、焊接电压35V、送粉速度15g/min、焊接频率35Hz、 焊接速度50mm/min、摆动幅度20mm。
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承焊前热处理；其次进行焊 接；最后进行焊后热处理，即将轴承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为将Ni50合金粉末在180°C下保温2小时后，缓冷至室温，待用。
所述轴承焊前热处理将轴承在400°C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210A、焊接电压20V、送粉速度15g/min、焊接频率30Hz、 焊接速度55mm/min、摆动幅度30mm。
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。
权利要求
1.一种核二级泵水润滑轴承表面强化的方法，其特征在于在水润滑轴承内孔表面堆焊强化合金粉末Ni50的合金层。
2.按权利要求1所述的核二级泵水润滑轴承表面强化的方法，其特征在于所述Ni50合金层厚度为O. 5-3. 5毫米。
3.按权利要求1所述的核二级泵水润滑轴承表面强化的方法，其特征在于所述水润滑轴承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承焊前热处理；其次进行焊接；最后进行焊后热处理，即将轴承焊接件在蛭石粉中缓冷至室温。
4.按权利要求3所述的核二级泵水润滑轴承表面强化的方法，其特征在于所述强化合金粉末干燥处理为将Ni50合金粉末在150-200°C下保温1_3小时后，缓冷至室温，待用。
5.按权利要求3所述的核二级泵水润滑轴承表面强化的方法，其特征在于所述轴承焊前热处理将轴承在350-450°C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所述的核二级泵水润滑轴承表面强化的方法，其特征在于所述焊接参数为焊接电流150-210A、焊接电压20-35V、送粉速度15_30g/min、焊接频率30_40Hz、焊接速度40-55mm/min、摆动幅度20_30mm。
全文摘要
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水润滑轴承表面强化的方法。在水润滑轴承内孔表面堆焊强化合金粉末Ni50的合金层。本发明利用了轴承基体不锈钢较好的焊接性，将等离子弧堆焊技术用于轴承表面的强化，根据水润滑轴承实际的使用工况和要求，通过选择镍基合金粉末Ni50，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。
文档编号B23K10/02GK103008859SQ20111030096
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者邓德伟, 王学军 申请人:沈阳透平机械股份有限公司