现代材料表面技术-堆焊

表面技术概论－喷焊与堆焊技术

山东科技大学材料学院20155.1喷焊定义：采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间，涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙，这就是热喷焊技术。利用气体燃烧火焰为热源的喷焊方法为火焰喷焊。利用转移型等离子弧为热源的喷焊方法称为等离子喷焊。优点：热喷焊组织致密，冶金缺陷很少，与基材结合强度高（300-400MPa），抗冲击性能好，并可形成几毫米厚的涂层。局限性：喷焊材料必须和基材匹配，喷焊材料和基材比热喷涂窄得多。原因：浸润性、相容性（溶解度）、熔点匹配、不易产生热裂纹5.1.1工艺特点：冶金厂轧辊的堆焊5.1.2喷涂与喷焊的区别（1）工件受热不同喷涂无重熔过程，工件表面温度可始终控制在250℃以下，一般不产生变形和使工件的组织状态发生变化。喷焊要使涂层融化，重熔温度要达到900℃以上，不仅易引起工件变形，而且多数工件会发生退火或不完全退火。（2）与基材的结合状态不同喷涂层与基材表面的结合以机械咬合为主，涂层结合强度不高，一般为30~70MPa。喷焊通过涂层熔化与基材表面形成冶金结合，结合强度一般可达到300~400MPa。Ni60喷焊涂层电弧喷涂涂层（3）覆盖层结构不同喷焊层均匀致密，一般认为无孔隙而喷涂层有孔隙（4）所用粉末不同粉末火焰喷焊所用粉末必须是自熔性合金粉末（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复合粉末）喷涂所用的粉末不受限制（5）承载能力不同

喷涂层不能承受冲击载荷和较高的接触应力，适用于各种面接触工件的表面强化。喷焊层可承受冲击载荷和较高的接触应力，用于线接触场合。5.1.3火焰喷焊工艺喷焊的工艺程序基本与喷涂相同，所不同者在喷粉工序中增加了重熔程序。喷焊有一步喷焊法和二步喷焊法。表面预处理：①工件表面有渗碳层或氮化层，在预处理时必须清除；②工件的预热温度为一般碳钢200～300℃，耐热奥氏体钢350～400℃，预热火焰用中性或弱碳焰。（1）一步喷焊法。即喷一段后即熔一段，喷、熔交替进行，使用同一支喷枪完成。可选用中、小型喷焊枪。在工件预热后先喷涂0.2mm的保护层，并将表面封严，以防氧化喷熔从一端开始，有顺序地对保护层局部加热到熔融开始湿润（不能流淌）时再喷粉，与熔化反复进行，直至达到预定厚度，表面出现“镜面”反光，再向前扩展，达到表面全部覆盖喷焊层。一步法适用于小型零件或小面积喷焊。（2）二步喷焊法即先完成喷涂层再对其重熔。喷涂与重熔均用大功率喷枪，使合金粉末在充分燃烧的火焰中熔融，在工件表面上产生塑性变形的沉积层。喷铁基粉末时用弱碳火焰，喷镍基和钴基粉末时用中性或弱碳火焰。重熔是二步法的关键工序，在喷涂后立即进行。用中性焰或弱碳化焰的大功率柔软火焰。5.1.4等离子弧喷焊工艺属高能束，能量集中、热利用率高、熔敷速度高、电弧稳定、挺直度好，稀释率和焊层尺寸便于控制。稀释率（η）：在喷焊过程中，基材表面少量熔化，基材榕入喷焊层的重量百分比。FeCrCNiSiB涂层A：喷焊的金属质量，B：基材熔化的金属质量高稳定柔性等离子发生器剖视图

均压环槽等离子喷焊示意图通过喷焊电流、电压、送粉速度、枪-工件相对移动速度、焊枪摆幅的调节，可使喷焊层厚度、宽度在很大范围内变化。等离子弧的分类（1）非转移型电弧电弧燃烧在钨极与喷嘴之间，焊接时电源正极接水冷铜喷嘴，负极接钨极，工件不接到焊接回路上；依靠高速喷出的等离子气将电弧带出。（2）转移型电弧电弧直接燃烧在钨极与工件之间，焊接时首先引燃钨极与喷嘴间的非转移弧，然后将电弧转移到钨极与工件之间；在工作状态下，喷嘴不接到焊接回路中。（3）联合型电弧转移弧及非转移弧同时存在的电弧为联合型电弧。混合型电弧在很小的电流下就能保持稳定，因此特别适合于薄板及超薄板的焊接。非转移等离子喷涂用转移联合等离子喷焊用5.1.5热喷焊材料共性：一般为粉末材料材料熔点比基材熔点低，具有自脱氧造渣性（自熔性合金）分类：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粉末形态）5.1.6喷焊层质量评定评定指标：涂层厚度、硬度、稀释率、结合强度、界面和涂层显微结构。等离子熔敷NiCrBSi-WC涂层5.2堆焊堆焊：是用焊接的方法，即利用火焰、电弧、等离子弧等热源将堆焊材料熔化，在工件表面熔敷成耐磨、耐蚀、耐热涂层的工艺方法。用途：恢复工件尺寸抗磨损抗腐蚀堆焊异形轧辊堆焊（1）恢复工件尺寸堆焊由于磨损或加工失误造成工件尺寸不足，用堆焊方法修复后的工件不仅能正常使用，很多情况下还能超过原工件的使用寿命。如冷轧辊、热轧辊及异型轧辊的表面堆焊修复。据统计，用于修复旧工件的堆焊合金量占堆焊合金总量的72.2%。冷轧辊的修复（2）耐磨损、腐蚀堆焊在工件表面堆焊一层或几层耐磨或耐蚀层。就是将工件的基体与表面堆焊层选用具有不同性能的材料，制造出双金属工件。破碎辊的强化堆焊的特点：堆焊层与基体金属的结合是冶金结合，结合强度高，抗冲击性能好。堆焊材料与基体往往差别很大，因而具有异种金属焊接的特点。为保证堆焊层自身高性能，要求尽可能低的稀释率。堆焊层厚度大，一般堆焊层厚度可在2～30mm内调节，更适合于严重磨损的工况。影响堆焊的重要因素:结晶化学的差异

A焊层与基体材料的晶格类型、点阵常数、电子结构、电子浓度等差异，导致冶金学上的“不相容”性。

B不相容的金属不可直接堆焊，如：铁与铅；铁与镁等。

C相容好的金属才具有可焊性：Fe-Ni；Fe-V；Fe-Cr;等稀释率=堆焊层中基体金属总量/堆焊层金属总量；稀释率高，基体金属混入堆焊层中的量多,改变了堆焊合金的化学成分,将直接影响堆焊层的固有性能。因此，堆焊时，常希望获得较低的稀释率，以充分发挥堆焊合金性能，达到预期目的。堆焊的分类：气体保护堆焊氧-乙炔火焰堆焊手工电弧堆焊自动埋弧堆焊等等离子堆焊堆焊技术发展：工艺方法：手工电弧焊、氧乙炔堆焊－埋弧焊－气体保护焊－等离子弧焊焊接材料：碳钢、低合金钢－高合金钢－超硬的碳化钨金属陶瓷5.3熔焊金属结晶的一般规律5.3.1焊池的形成焊池是通过将基体材料部分熔化，同时加入熔化成液滴形式的焊条(焊丝或粉末)而形成。该过程中发生主要反应如下:⑴气体与金属的作用熔焊过程中，焊接区充满大量气体，这些气体不断地与熔化金属发生冶金反应，从而影响焊缝金属的成分和性能。气体的来源：A焊接材料；B焊接热源周围的气体介质；C焊接材料和母材表面的杂质；焊接区气体的成分主要有CO、CO2、H2、H2O、O2和N2⑵熔池成分改变焊缝中的金属成分分布非常不均匀,上部接近焊材成分,下部接近于金属基体成分,中间是混合成分。60μm5.3.2焊缝的结晶

熔池液体特点：

①火焰、电弧加热，固体冷却；

②周围固体温度不均匀，两侧高，底部低；

③结晶速度决定于焊接的热输入。焊接熔池的结晶主要是以非自发晶核进行的首先是在熔合区半熔化晶粒区域形成晶核，以柱状晶的形态向熔池中心生长。5.3.3焊缝的结晶组织（1）一次结晶近似与铸锭的结晶组织（2）二次结晶所得组织符合一般固体相变规律

等离子束表面冶金原位Fe-Cr-V-Ti-Ni-Nb-Si-B-C系涂层的显微组织涂层/基材结合界面组织特征涂层中部典型组织特征5.4异种金属熔焊（堆焊）理论5.4.1熔合区的形成与结构：⑴熔合区焊层与基体金属之间的界线称为焊缝边界或熔合线。熔合区是包括熔合线在内的具有结晶层和扩散层的熔化不均匀的过渡区域。⑵熔合区中的结晶过渡层因是异种材料焊接，在熔合区的焊缝边界上就会产生化学成分介于基体和焊缝之间的过渡层。20钢上堆焊中碳合金钢

45钢上堆焊Ni60/WC

5.4.2扩散过渡层的产生因合金元素扩散所形成的过渡层称为扩散过渡层。A扩散速度取决于温度、接触时间、浓度梯度、和原子的迁移率B扩散过渡层对焊层有害Ni60/35%WC堆焊涂层的显微组织5.5常用堆焊方法5.5.1氧—乙炔焰堆焊

温度较低(3000～3100℃)，小的稀释率(1％～10％)小于1mm厚的均匀薄堆焊层。该堆焊方法设备简单、使用方便、成本低。缺点是生产率低、工人的劳动强度大。主要用于要求表面光洁、质量高、精密的工件的堆焊，以及在批量不大的中、小型工件上进行小面积的堆焊。氧乙炔火焰堆焊滑动轴承合金5.5.2手工电弧堆焊手工电弧焊是将焊条和工件分别接到电源的两极，通过电弧引燃后焊条与工件表面层熔化组成熔池，冷却后形成堆焊层的一种堆焊方法。水泥厂粉碎配件焊条电弧堆焊应用实心堆焊焊条和管状焊条能获得范围较大的堆焊合金，应用很广稀释率较高、生产率较低、堆焊层不太平整，堆焊后的加工量较大，通常应用于零件的修复和强化。水泥厂粉碎配件埋弧堆焊的实质与一般埋弧焊没有区别。焊剂对电弧空间有可靠的保护作用，可减少空气对焊层的不良影响。熔渣的保温作用使熔池内的冶金作用比较完全焊层的化学成分和性能比较均匀，焊层表面也光洁平直。5.5.3埋弧自动堆焊埋弧堆焊主要应用于中大型零件表面的强化和修复，如轧辊、车轮轮缘、曲轴、化工容器和核反应堆压力容器衬里等。其中，应用最多的是轧辊表面堆焊。下夹送辊修复带钢自由辊HRC60带钢轧辊修复型钢轧辊修复堆焊修复的工艺流程：工件的准备——工件的预热——堆焊——冷却与消除内应力——表面加工。5.6堆焊材料及选择在实施堆焊前，有两个问题需要解决。一是堆焊材料的选择，二是堆焊工艺的制定。堆焊材料是堆焊时形成或参与形成堆焊合金层的材料，例如所用的焊条、焊丝、焊剂和气体等。每一种材料只有在