材料表面工程技术-3堆焊技术

第三章堆焊技术材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]§1概述堆焊与堆焊技术堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一层金属的工艺过程。一方面可以恢复零件因磨损或加工过程中的失误而造成的尺寸不足，即恢复零件的尺寸另一方面可以对零件表面进行改性，以获得所需要的特殊性能，即赋予零件表面特殊的性能。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]堆焊的特点必须尽量控制稀释率合理地选择堆焊层的合金系统综合考虑堆焊方法%100BAB稀释率＝材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]堆焊方法的分类材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]常用堆焊方法的主要特点氧—乙炔焰堆焊温度较低(3050～3100℃)，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。一般适用于堆焊较小的零件，如内燃机排气阀阀面、农机零件等。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]手工电弧堆焊设备简单、机动灵活、成本低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，通常应用于少量零件的修复和强化。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]埋弧堆焊单丝、多丝和带极埋弧堆焊等多种。单丝埋弧堆焊的熔深大、稀释率高(30％～60％)、生产率中等。采用焊丝摆动法、加入填充丝(冷丝或热丝)等，以增加熔敷率和降低稀释率。双丝、三丝及多丝埋弧堆焊，电弧将周期性地从一根焊丝移向另一根焊丝，使熔敷率大大提高，而稀释率大为降低，带极埋弧堆焊是用金属带来代替焊丝作电极，其熔深浅、稀释率低，而熔敷率很高。多丝埋弧堆焊和带极埋弧堆焊在机车轮缘堆焊、轧辊表面堆焊、化工设备不锈钢衬里堆焊等方面得到了广泛的应用。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]气体保护和自保护明弧堆焊气体保护堆焊分熔化极气体保护堆焊和非熔化极惰性气体保护堆焊两种。熔化极气体保护推焊是用CO2、Ar或混合气体作为保护气体，它有较高的熔敷率，但稀释率也较高(大约15％～25％)。非熔化极惰性气体保护堆焊，主要是以手工送进各种合金焊丝进行堆焊。这种方法的保护效果好，合金元素的过渡系数高，稀释串比熔化极气体保护堆焊低；但生产率低，保护气体昂贵。不加保护气体的自保护药芯焊丝的明弧堆焊的设备简单、方便灵活，但堆焊时的飞溅较大。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]电渣堆焊电渣堆焊的熔敷率最高，板极电渣堆焊的熔敷率可达：150kg/h，堆焊的厚度大，稀释率不高。缺点是堆焊层严重过热，堆焊后需进行热处理，堆焊层一般不能太薄。适用于需要较厚堆焊层、堆焊表面形状比较简单的大中型零件，例如热锻模堆焊等。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]等离子弧堆焊等离子弧堆焊包括冷丝、热丝堆焊，合金粉末堆焊。由于等离子弧的温度很高，因此能堆焊难熔材料，有高的堆焊速度和高的熔敷率，稀释率很低(最低可达5％左右)。缺点是设备成本较高，堆焊时有很强的紫外线辐射和臭氧污染，需进行有效的保护。如发动机排气阀的阀面堆焊等。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]§2堆焊材料及选择堆焊合金的类型和特点铁基堆焊合金性能范围广，韧性与抗磨性配合好，能满足许多不同的要求；而且价格较低，品种也最多，所以应用最广。镍基、钴基堆焊合金价格较高，由于高温性能好、耐腐蚀，主要用于要求耐高温磨损、耐高温腐蚀等场合。铜基材料的耐蚀性好，有时也用于堆焊材料。碳化钨堆焊合金的耐磨料磨损性能最好，虽然其价格较贵，但在耐严重磨料磨损部位堆焊和工具堆焊中占重要地位。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]1．铁基堆焊合金珠光体类的堆焊材料及特点碳含量0.5％，合金元素总量5％，以Mn、Cr、Mo、Si为主要合金元素。在堆焊后自然冷却时，堆焊层的组织以珠光体为主(包括索氏体和托氏体)，其硬度为20～38HRC。特点是堆焊性能优良，具有中等的硬度和一定的耐磨性，冲击韧度好，易机械加工，价格便宜。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]马氏体类的堆焊材料及特点碳含量：0.1～1.0％，个别达1.5%，低或中等含量的合金元素。加入Mo，Mn、Ni能提高淬硬性。加入Cr、Mo、W、V可形成抗磨的碳化物。Mn、Si能改进焊接性能。组织为马氏体，有时也会出现少量的珠光体、贝氏体和残余奥氏体。堆焊层的硬度为25～65HRC，主要决定于碳含量和转变成马氏体的数量。低碳合金的碳含量0.30％，堆焊层的组织为低碳马氏体，硬度为25～55HRC。特点是抗裂性好，不需预热，硬度较高，有一定的耐磨性，能用碳化钨刀具加工，能承受中度冲击，线膨胀系数较小，变形和开裂倾向较小。中碳合金的碳含量在0.30％～0.60％之间，堆焊层的组织为片状马氏体，有时也有少量板条状马氏体、珠光体和残余奥氏体。其硬度为38～53HRC，具有较好的耐磨性和中等抗冲击能力。开裂倾向比低碳马氏体堆焊合金大；因此堆焊前应预热到250～350℃。高碳马氏体堆焊合金的碳含量在0.60％～1.0％之间，有时高达1.5％．堆焊层的组织是片状马氏体和残余奥氏体，其硬度高达60HRC左右，具有良好的抗磨料磨损性能，但抗冲击性能较差，堆焊时易产生裂纹，因此一般应预热到350～400℃。堆焊后只能用磨削加工。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]高速钢及工具钢堆焊合金高速钢堆焊合金的碳含量在0.70％～1.0％之间，W、Mo的含量较高。堆焊层的组织为马氏体加碳化物，还有残余奥氏体，其硬度高于55HRC，具有良好的红硬性(达600℃)。热工具钢堆焊合金主要用于热锻模和热轧辊的堆焊。这类堆焊合金除有较高的高温硬度外，还要有较高的强度和冲击韧度。因此，它的碳含量较高速钢堆焊合金低些，这类合金还应具有较高的抗冷热疲劳性能以及高的抗高温氧化性能、耐磨性能。冷加工工具钢堆焊合金具有较高的常温硬度和抗金属间磨损的性能。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]奥氏体堆焊合金奥氏体锰钢堆焊合金、铬锰奥氏体钢堆焊合金；奥氏体锰钢堆焊合金：C%=1.0％～1.4％，Mn%=10%～14%。用于ZGMnl3零件的堆焊，堆焊层应为单一的奥氏体组织，具有良好的冲击韧性和加工硬化特点。为了改善其焊接性，堆焊合金中还加入少量的Cr、Ni、Mo合金元素，并严格控制S、P的含量。铬锰奥氏体钢堆焊合金又分为低铬和高铬两类。低铬的含Cr4％，Mn=12％～15％，还有少量的Ni和Mo。高铬的含Cr=l2％～17％，Mn=l5％。铬锰奥氏体钢堆焊合金的特点与奥氏体锰钢堆焊合金相似，只是焊接性更为优良。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]耐腐蚀堆焊合金铬镍奥氏体不锈钢、高铬马氏体不锈钢型堆焊合金。特点是具有优良的耐腐蚀性和一定的抗高温氧化性能。若含有Si、C、B等元素，则还兼有优良的耐磨性、耐冷热疲劳性、耐气蚀性等特点。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]合金铸铁堆焊合金碳含量大于2％的铁基堆焊合金均属于铸铁类型。为了进一步提高耐磨性，通常加入一种或几种合金元素，如Cr、W、Mo、V、Ti，Ni、B等，从而获得具有优良抗磨损性能的合金铸铁堆焊层。种类：马氏体合金铸铁、奥氏体合金铸铁、高铬合金铸铁。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]2.镍基堆焊合金高镍合金用于铸铁堆焊时作过渡层镍铬硼硅合金镍铬钼钨合金。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]镍铬硼硅系列堆焊合金C:1％，Cr:0％～18％，B:1％～4.5％。熔点:1040℃，润湿性、流动性较好主要用于等离子粉末堆焊和氧-乙炔火焰喷熔。堆焊层的组织是奥氏体+硼化物+碳化物。具有优良的抗低应力磨料磨损性和抗金属间磨损性能，好的耐腐蚀、耐热和高温(最高可达950℃)抗氧化性能，但抗高应力磨料磨损性和耐冲击性都不好。这类合金堆焊层只能磨削加工，主要用于腐蚀或高温环境中受到低应力磨料磨损的场合，但高镍合金易受硫和硫化氢的腐蚀，因而不适于在含硫的还原性气氛中工作。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]镍铬钼钨合金硬度低，机加工性好，能用碳化钨刀具加工，主要用采抗腐蚀。同时，它还有很好的热抗力，也可用作高温耐磨堆焊材料。组织是奥氏体+金属间化合物。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]3．钴基堆焊合金CoCrW堆焊合金，即斯大立合金。Cr:25%～33%，W:3%～21%。铬主要是提高抗氧化性，钨主要是提高高温（540～650℃）蠕变强度。在650℃左右仍能保持较高的硬度，是该合金区别于铁基、镍基堆焊合金的主要特点，也是该合金应用较多的主要原因。此外，该合金具有一定的抗腐蚀性和良好的抗粘着磨投性能。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]4．铜及铜合金堆焊材料铜及铜合金堆焊材料有紫铜、黄铜、青铜和白铜5．碳化钨堆焊材料铸造碳化钨含碳3.7％～4.0%，钨95％～96％，它是WC-W2C的混合物。这类合金硬度高，耐磨性好，但脆性大，易在工作过程中碎裂并脱落。烧结碳化钨大多是用钴作粘结金属的，随着钴含量的提高，硬度下降，韧性提高，同时碳化钨晶粒越细，其耐磨性就越高。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]堆焊合金的选择原则满足零件堆焊的使用条件从经济角度选择堆焊合金：从堆焊合金的工艺性能来选择材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]§3手工电弧堆焊及应用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材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]手工电弧焊堆焊设备与焊条手工电弧堆焊设备，主要有手弧焊电源、焊钳及其它辅助用具、量具等(如小鎯头、火钳、钢丝刷、钢板尺、卡钳等)，其中最主要的为焊接电源。手工电弧堆焊电源应满足下列要求：具有一定的空载电压具有下降外特性具有适当的短路电流能方便地调节焊接电流。具有良好的动态品质材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]堆焊焊条一种是采用合金焊芯，以此获得堆焊层的成分，而药皮的作用是保护并获得良好的堆焊工艺性能；另—种是采用H08或H08A作焊芯，由药皮实现合金元素的过渡，并获得良好的堆焊工艺性能。材料表面工程技术-堆焊技术江苏科技大学材料科学与工程学院[e-mail]手工电弧堆焊的要点特点设备简单、成本低，通过实心焊条和管状焊芯焊条能获得几乎所有的堆焊合金，能满足各类零件表面强化和修复的需要。同时，手工电弧堆焊