現(xiàn)代材料表面技術(shù)-堆焊

表面技術(shù)概論－噴焊與堆焊技術(shù)

山東科技大學(xué)材料學(xué)院20155.1噴焊定義：采用熱源使涂層材料在基體表面重新熔化或部分熔化，實現(xiàn)涂層與基體之間，涂層內(nèi)顆粒之間的冶金結(jié)合，消除孔隙，這就是熱噴焊技術(shù)。利用氣體燃燒火焰為熱源的噴焊方法為火焰噴焊。利用轉(zhuǎn)移型等離子弧為熱源的噴焊方法稱為等離子噴焊。優(yōu)點：熱噴焊組織致密，冶金缺陷很少，與基材結(jié)合強(qiáng)度高（300-400MPa），抗沖擊性能好，并可形成幾毫米厚的涂層。局限性：噴焊材料必須和基材匹配，噴焊材料和基材比熱噴涂窄得多。原因：浸潤性、相容性（溶解度）、熔點匹配、不易產(chǎn)生熱裂紋5.1.1工藝特點：冶金廠軋輥的堆焊5.1.2噴涂與噴焊的區(qū)別（1）工件受熱不同噴涂無重熔過程，工件表面溫度可始終控制在250℃以下，一般不產(chǎn)生變形和使工件的組織狀態(tài)發(fā)生變化。噴焊要使涂層融化，重熔溫度要達(dá)到900℃以上，不僅易引起工件變形，而且多數(shù)工件會發(fā)生退火或不完全退火。（2）與基材的結(jié)合狀態(tài)不同噴涂層與基材表面的結(jié)合以機(jī)械咬合為主，涂層結(jié)合強(qiáng)度不高，一般為30~70MPa。噴焊通過涂層熔化與基材表面形成冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度一般可達(dá)到300~400MPa。Ni60噴焊涂層電弧噴涂涂層（3）覆蓋層結(jié)構(gòu)不同噴焊層均勻致密，一般認(rèn)為無孔隙而噴涂層有孔隙（4）所用粉末不同粉末火焰噴焊所用粉末必須是自熔性合金粉末（Fe基自熔性合金粉末、Ni基自熔性合金粉末，Co基自熔性合金粉末及陶瓷復(fù)合粉末）噴涂所用的粉末不受限制（5）承載能力不同

噴涂層不能承受沖擊載荷和較高的接觸應(yīng)力，適用于各種面接觸工件的表面強(qiáng)化。噴焊層可承受沖擊載荷和較高的接觸應(yīng)力，用于線接觸場合。5.1.3火焰噴焊工藝噴焊的工藝程序基本與噴涂相同，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。表面預(yù)處理：①工件表面有滲碳層或氮化層，在預(yù)處理時必須清除；②工件的預(yù)熱溫度為一般碳鋼200～300℃，耐熱奧氏體鋼350～400℃，預(yù)熱火焰用中性或弱碳焰。（1）一步噴焊法。即噴一段后即熔一段，噴、熔交替進(jìn)行，使用同一支噴槍完成?？蛇x用中、小型噴焊槍。在工件預(yù)熱后先噴涂0.2mm的保護(hù)層，并將表面封嚴(yán)，以防氧化噴熔從一端開始，有順序地對保護(hù)層局部加熱到熔融開始濕潤（不能流淌）時再噴粉，與熔化反復(fù)進(jìn)行，直至達(dá)到預(yù)定厚度，表面出現(xiàn)“鏡面”反光，再向前擴(kuò)展，達(dá)到表面全部覆蓋噴焊層。一步法適用于小型零件或小面積噴焊。（2）二步噴焊法即先完成噴涂層再對其重熔。噴涂與重熔均用大功率噴槍，使合金粉末在充分燃燒的火焰中熔融，在工件表面上產(chǎn)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。重熔是二步法的關(guān)鍵工序，在噴涂后立即進(jìn)行。用中性焰或弱碳化焰的大功率柔軟火焰。5.1.4等離子弧噴焊工藝屬高能束，能量集中、熱利用率高、熔敷速度高、電弧穩(wěn)定、挺直度好，稀釋率和焊層尺寸便于控制。稀釋率（η）：在噴焊過程中，基材表面少量熔化，基材榕入噴焊層的重量百分比。FeCrCNiSiB涂層A：噴焊的金屬質(zhì)量，B：基材熔化的金屬質(zhì)量高穩(wěn)定柔性等離子發(fā)生器剖視圖

均壓環(huán)槽等離子噴焊示意圖通過噴焊電流、電壓、送粉速度、槍-工件相對移動速度、焊槍擺幅的調(diào)節(jié)，可使噴焊層厚度、寬度在很大范圍內(nèi)變化。等離子弧的分類（1）非轉(zhuǎn)移型電弧電弧燃燒在鎢極與噴嘴之間，焊接時電源正極接水冷銅噴嘴，負(fù)極接鎢極，工件不接到焊接回路上；依靠高速噴出的等離子氣將電弧帶出。（2）轉(zhuǎn)移型電弧電弧直接燃燒在鎢極與工件之間，焊接時首先引燃鎢極與噴嘴間的非轉(zhuǎn)移弧，然后將電弧轉(zhuǎn)移到鎢極與工件之間；在工作狀態(tài)下，噴嘴不接到焊接回路中。（3）聯(lián)合型電弧轉(zhuǎn)移弧及非轉(zhuǎn)移弧同時存在的電弧為聯(lián)合型電弧。混合型電弧在很小的電流下就能保持穩(wěn)定，因此特別適合于薄板及超薄板的焊接。非轉(zhuǎn)移等離子噴涂用轉(zhuǎn)移聯(lián)合等離子噴焊用5.1.5熱噴焊材料共性：一般為粉末材料材料熔點比基材熔點低，具有自脫氧造渣性（自熔性合金）分類：Fe基自熔性合金：FeNiCrBSi系列（Fe60、Fe55等）Ni基自熔性合金：NiCrBSi系列、NiCrBSi-WC等。Co基自熔性合金：CoCrBSi、CoCrBSi+WC等。Ni60粉末形態(tài)）5.1.6噴焊層質(zhì)量評定評定指標(biāo)：涂層厚度、硬度、稀釋率、結(jié)合強(qiáng)度、界面和涂層顯微結(jié)構(gòu)。等離子熔敷NiCrBSi-WC涂層5.2堆焊堆焊：是用焊接的方法，即利用火焰、電弧、等離子弧等熱源將堆焊材料熔化，在工件表面熔敷成耐磨、耐蝕、耐熱涂層的工藝方法。用途：恢復(fù)工件尺寸抗磨損抗腐蝕堆焊異形軋輥堆焊（1）恢復(fù)工件尺寸堆焊由于磨損或加工失誤造成工件尺寸不足，用堆焊方法修復(fù)后的工件不僅能正常使用，很多情況下還能超過原工件的使用壽命。如冷軋輥、熱軋輥及異型軋輥的表面堆焊修復(fù)。據(jù)統(tǒng)計，用于修復(fù)舊工件的堆焊合金量占堆焊合金總量的72.2%。冷軋輥的修復(fù)（2）耐磨損、腐蝕堆焊在工件表面堆焊一層或幾層耐磨或耐蝕層。就是將工件的基體與表面堆焊層選用具有不同性能的材料，制造出雙金屬工件。破碎輥的強(qiáng)化堆焊的特點：堆焊層與基體金屬的結(jié)合是冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，抗沖擊性能好。堆焊材料與基體往往差別很大，因而具有異種金屬焊接的特點。為保證堆焊層自身高性能，要求盡可能低的稀釋率。堆焊層厚度大，一般堆焊層厚度可在2～30mm內(nèi)調(diào)節(jié)，更適合于嚴(yán)重磨損的工況。影響堆焊的重要因素:結(jié)晶化學(xué)的差異

A焊層與基體材料的晶格類型、點陣常數(shù)、電子結(jié)構(gòu)、電子濃度等差異，導(dǎo)致冶金學(xué)上的“不相容”性。

B不相容的金屬不可直接堆焊，如：鐵與鉛；鐵與鎂等。

C相容好的金屬才具有可焊性：Fe-Ni；Fe-V；Fe-Cr;等稀釋率=堆焊層中基體金屬總量/堆焊層金屬總量；稀釋率高，基體金屬混入堆焊層中的量多,改變了堆焊合金的化學(xué)成分,將直接影響堆焊層的固有性能。因此，堆焊時，常希望獲得較低的稀釋率，以充分發(fā)揮堆焊合金性能，達(dá)到預(yù)期目的。堆焊的分類：氣體保護(hù)堆焊氧-乙炔火焰堆焊手工電弧堆焊自動埋弧堆焊等等離子堆焊堆焊技術(shù)發(fā)展：工藝方法：手工電弧焊、氧乙炔堆焊－埋弧焊－氣體保護(hù)焊－等離子弧焊焊接材料：碳鋼、低合金鋼－高合金鋼－超硬的碳化鎢金屬陶瓷5.3熔焊金屬結(jié)晶的一般規(guī)律5.3.1焊池的形成焊池是通過將基體材料部分熔化，同時加入熔化成液滴形式的焊條(焊絲或粉末)而形成。該過程中發(fā)生主要反應(yīng)如下:⑴氣體與金屬的作用熔焊過程中，焊接區(qū)充滿大量氣體，這些氣體不斷地與熔化金屬發(fā)生冶金反應(yīng)，從而影響焊縫金屬的成分和性能。氣體的來源：A焊接材料；B焊接熱源周圍的氣體介質(zhì)；C焊接材料和母材表面的雜質(zhì)；焊接區(qū)氣體的成分主要有CO、CO2、H2、H2O、O2和N2⑵熔池成分改變焊縫中的金屬成分分布非常不均勻,上部接近焊材成分,下部接近于金屬基體成分,中間是混合成分。60μm5.3.2焊縫的結(jié)晶

熔池液體特點：

①火焰、電弧加熱，固體冷卻；

②周圍固體溫度不均勻，兩側(cè)高，底部低；

③結(jié)晶速度決定于焊接的熱輸入。焊接熔池的結(jié)晶主要是以非自發(fā)晶核進(jìn)行的首先是在熔合區(qū)半熔化晶粒區(qū)域形成晶核，以柱狀晶的形態(tài)向熔池中心生長。5.3.3焊縫的結(jié)晶組織（1）一次結(jié)晶近似與鑄錠的結(jié)晶組織（2）二次結(jié)晶所得組織符合一般固體相變規(guī)律

等離子束表面冶金原位Fe-Cr-V-Ti-Ni-Nb-Si-B-C系涂層的顯微組織涂層/基材結(jié)合界面組織特征涂層中部典型組織特征5.4異種金屬熔焊（堆焊）理論5.4.1熔合區(qū)的形成與結(jié)構(gòu)：⑴熔合區(qū)焊層與基體金屬之間的界線稱為焊縫邊界或熔合線。熔合區(qū)是包括熔合線在內(nèi)的具有結(jié)晶層和擴(kuò)散層的熔化不均勻的過渡區(qū)域。⑵熔合區(qū)中的結(jié)晶過渡層因是異種材料焊接，在熔合區(qū)的焊縫邊界上就會產(chǎn)生化學(xué)成分介于基體和焊縫之間的過渡層。20鋼上堆焊中碳合金鋼

45鋼上堆焊Ni60/WC

5.4.2擴(kuò)散過渡層的產(chǎn)生因合金元素擴(kuò)散所形成的過渡層稱為擴(kuò)散過渡層。A擴(kuò)散速度取決于溫度、接觸時間、濃度梯度、和原子的遷移率B擴(kuò)散過渡層對焊層有害Ni60/35%WC堆焊涂層的顯微組織5.5常用堆焊方法5.5.1氧—乙炔焰堆焊

溫度較低(3000～3100℃)，小的稀釋率(1％～10％)小于1mm厚的均勻薄堆焊層。該堆焊方法設(shè)備簡單、使用方便、成本低。缺點是生產(chǎn)率低、工人的勞動強(qiáng)度大。主要用于要求表面光潔、質(zhì)量高、精密的工件的堆焊，以及在批量不大的中、小型工件上進(jìn)行小面積的堆焊。氧乙炔火焰堆焊滑動軸承合金5.5.2手工電弧堆焊手工電弧焊是將焊條和工件分別接到電源的兩極，通過電弧引燃后焊條與工件表面層熔化組成熔池，冷卻后形成堆焊層的一種堆焊方法。水泥廠粉碎配件焊條電弧堆焊應(yīng)用實心堆焊焊條和管狀焊條能獲得范圍較大的堆焊合金，應(yīng)用很廣稀釋率較高、生產(chǎn)率較低、堆焊層不太平整，堆焊后的加工量較大，通常應(yīng)用于零件的修復(fù)和強(qiáng)化。水泥廠粉碎配件埋弧堆焊的實質(zhì)與一般埋弧焊沒有區(qū)別。焊劑對電弧空間有可靠的保護(hù)作用，可減少空氣對焊層的不良影響。熔渣的保溫作用使熔池內(nèi)的冶金作用比較完全焊層的化學(xué)成分和性能比較均勻，焊層表面也光潔平直。5.5.3埋弧自動堆焊埋弧堆焊主要應(yīng)用于中大型零件表面的強(qiáng)化和修復(fù)，如軋輥、車輪輪緣、曲軸、化工容器和核反應(yīng)堆壓力容器襯里等。其中，應(yīng)用最多的是軋輥表面堆焊。下夾送輥修復(fù)帶鋼自由輥HRC60帶鋼軋輥修復(fù)型鋼軋輥修復(fù)堆焊修復(fù)的工藝流程：工件的準(zhǔn)備——工件的預(yù)熱——堆焊——冷卻與消除內(nèi)應(yīng)力——表面加工。5.6堆焊材料及選擇在實施堆焊前，有兩個問題需要解決。一是堆焊材料的選擇，二是堆焊工藝的制定。堆焊材料是堆焊時形成或參與形成堆焊合金層的材料，例如所用的焊條、焊絲、焊劑和氣體等。每一種材料只有在