现代表面工程技术(第二部分-堆焊)

现代表面工程技术（第二部分-堆焊）高原2010.2.28•6堆焊•它是在金属零件表面或边缘，熔焊上耐磨、耐蚀或特殊性能的金属层，修复外形不合格的金属零件及产品，提高使用寿命，降低生产成本，或者用它静造双金属零部件。•堆焊是在金属材料或零件表面熔焊上耐磨、耐蚀等特殊性能的金属层的一种工艺方法。通过堆焊可以修复外形不合格的金属零部件及产品，或制造双金属零部件。采用堆焊可以延长零部件的使用寿命，降低成本，改进产品设计，尤其对合理使用材料(特别是贵重金属)具有重要意义。•堆焊工艺技术已被广泛地用于航天、兵器、能源、冶金、电站、矿山、石油、化工设备、建筑、农机、纺织，以及工模具的制造与修复领域。一、堆焊材料的分类•所有堆焊材料可归纳为铁基、镍基、钴基、碳化钨基和铜基等几种类型。铁基堆焊材料性能变化范围广，韧性和耐磨性匹配好，能满足许多不同的要求，而且价格低，所以应用最广泛。镍基、钴基堆焊材料价格较高，但高温性能好，耐腐蚀，主要用于要求耐高温磨损、耐高温腐蚀的场合。铜基堆焊材料耐蚀性好，并能减少金属间的磨损。碳化钨基堆焊材料价格较高，但在耐严重磨料磨损的条件下，堆焊仍然占有重要地位。二、常用堆焊材料及堆焊工艺•(一)铁基堆焊材料及堆焊工艺•铁基堆焊材料按合金元素含量分为：低合金、中合金和高合金三种。为防止堆焊层开裂(高铬铸铁允许堆焊裂纹存在)，工件通常需焊前预热和焊后缓冷。低、中、高碳钢和低合金钢的预热温度可根据下列公式求得碳当量后估算：式中：W(C)eq表示碳当量；W(C)、W(Mn)、…表示碳、锰、…等合金元素的质量分数。预热温度一般确定如下：碳当量为0.4％，预热温度≥100℃；碳当量为0.5％，预热温度≥150℃；碳当量为0.6％，预热温度≥200℃；碳当量为0.7％，预热温度≥250℃；碳当量为0.8％，预热温度≥300℃。通常，预热温度可略高些。•1．低合金钢堆焊材料•其合金元素总量小于5％，根据堆焊金属金相组织又可分为珠光体和马氏体二类。•(1)珠光体钢堆焊材料的成分、性能、用途和堆焊工艺。•常用珠光体钢堆焊材料碳的质量分数一般小于0.5％，主要合金元素有Mn、Cr、Mo、si等。焊后自然冷却时，堆焊层主要是珠光体类组织，硬度为20HRC～38HRC。当合金元素含量偏高或冷却较快时，可能产生部分马氏体。•珠光体钢堆焊材料焊接性能优良，这类堆焊层金属多在焊态使用，热处理可改善堆焊层性能。该堆焊层硬度中等，具有一定的耐磨性、良好的韧性和切削加工性能，价格便宜。主要用于堆焊耐磨层之前恢复母材尺寸的堆焊、过渡层的堆焊，也可用于不要求高硬度的零件表面的堆焊，如车轮、齿轮、轴类、拖拉机辊子、链轮牙、履带板、连铸机夹送辊、送料台辊子及离心铸造模的堆焊。•堆焊主要方法是焊条电弧堆焊和熔化极自动堆焊，包括药芯焊丝埋弧堆焊和带极埋弧堆焊、药芯焊丝熔化极气体保护堆焊和药芯焊丝自保护堆焊，个另Ⅱ情况下采用电渣堆焊。堆焊时焊接参数应严格控制，层间温度不宜过高。•MAG药芯焊丝堆焊时，焊丝直径一般为1.2mm～3.2mm，保护气体采用C02，流量大于20L/min.焊丝使用前在200℃～300℃烘干1h～2h。焊接规范：焊丝直径1.2mm时，电流120A～300A(平焊)，120A～260A(立焊)；焊丝直径1.6mm时，电流200A～450A(平焊)，180A～270A(立焊)。堆焊采用直流反接。•药芯焊丝自保护堆焊时，一般用3.2mm直径焊丝。焊丝焊前在200℃～300℃烘干lh～2h。焊接参数为：电流300A～500A，电弧电压26V～30V。•药芯焊丝埋弧堆焊时，药芯焊丝及配用的焊剂使用前应在150℃～200℃烘干1h。焊丝直径3.2mm时，电流300A～450A，电弧电压26V～30V。•带极埋弧堆焊时，配用专用焊剂过渡合金元素。•焊条电弧堆焊低碳钢时，焊前不预热；堆焊中碳钢和低合金高强度钢时应预热至150℃～250℃，低氢型焊条焊前应在300℃～350℃烘干lh。并采用直流反接；钛钙型焊条可不烘干或100℃烘干1h，常用交流电源或直流正接。•(2)马氏体钢堆焊材料的性能、用途和堆焊工艺。•常用马氏体钢堆焊材料包括低碳、中碳和高碳马氏体钢堆焊焊条及药芯焊丝。这类钢堆焊的金相组织为马氏体，有时也会出现少量珠光体、托氏体、贝氏体和残余奥氏体。硬度在25HRC～65HRC范围内，主要决定于含碳量和马氏体转变量，并受到冷却速度和合金元素含量的影响。•马氏体钢堆焊材料是韧性、强度和耐磨性综合性能最好的最经济的堆焊材料，也是堆焊更脆、更耐磨或更高强度材料前的过渡层堆焊材料。其耐磨性随含碳量和含铬量的增加而增加，对粘着磨损和低应力磨料磨损有很好的抵抗力，但耐高应力磨料磨损的性能不很好，而且耐冲击性能不如珠光体钢和奥氏体钢堆焊材料。此外，除少数品种外，马氏体钢堆焊层金属耐热和耐蚀性都不好。这类堆焊材料主要用于齿轮、挖泥斗、铧犁、拖拉机刮板、水力、矿山机械磨损件、推土机、动力铲滚轮、汽车环链、农业、建筑磨损件、轧辊、破碎机部件、挖掘机等的斗齿、螺旋桨、掘进机滚刀、叶片等的堆焊。•马氏体钢堆焊材料的堆焊工艺方法主要是焊条电弧堆焊和熔化极自动堆焊，包括药芯焊丝MAG堆焊、药芯焊丝自保护堆焊、药芯焊丝埋弧堆焊以及带极埋弧堆焊。•焊条电弧堆焊时，低氢型焊条应在300℃～350℃烘1h；钛钙型焊条应在100℃烘lh。母材应脱脂和除锈。当母材为低碳钢时，堆焊低、中碳马氏体钢焊条可不预热，堆焊高碳马氏体钢焊条则应预热200℃～300℃以上。当母材为抗裂性差的低合金钢和中、高碳钢时，应根据焊条和母材不同情况预热150℃～350℃。低氢型焊条用直流反接；钛钙型焊条用交流电源或直流正接。•药芯焊丝MAG堆焊时，焊丝直径一般为3.2mm，C02气保护，气流量大于20L／min，焊丝焊前在200℃-300℃烘1h-2h。一般A-450焊丝预热温度200℃，A-600焊丝预热温度250℃。堆焊工艺参数为：I=300A-500A，U=26V～30V，直流反接。焊后冷却速度不宜过快，必要时进行350℃焊后热处理。•自保护药芯焊丝堆焊时，焊丝直径一般为3.2mm，焊丝伸出长30mm～50mm,焊丝焊前在200℃-300℃烘1h～2h。堆焊工艺参数为：I=300A-500A，U=26V～30V，工件焊前预热200℃～250℃。•药芯焊丝埋弧堆焊以及带极埋弧堆焊时，配用专用焊剂过渡合金元素。药芯焊丝和焊剂焊前应在150℃～200℃烘1h。一般情况下，工件焊前预热200℃～300℃以上。药芯焊丝埋弧堆焊工艺参数为：焊丝直径3.2mm，I=350A-450A，V=29V-30V。•2．中、高合金钢及合金铸铁堆焊材料•高速钢及工具钢堆焊材料都属于马氏体钢类型，其焊接性、硬度等与马氏体钢相近似。•(1)高速钢及热作工具钢、冷作工具钢堆焊材料的性能、用途和堆焊工艺。高速钢属热加工工具钢的一个类型。其淬火回火组织为马氏体加碳化物。高速钢具有较高的热硬性，在常温和高温(590℃)都具有很好的耐磨料磨损性能。这类钢主要用于金属切削刀具、木工刀具、热剪刀具、冲头、冲裁阴模等的堆焊。•热作工具钢即热加工工具钢堆焊金属，含碳量比高速钢堆焊材料低些。具有较高的高温硬度、较高的强度和抗冲击韧性、较高的抗冷热疲劳性以及高的高温抗氧化性和耐磨性。热锻模钢堆焊材料主要用于热锻模及热轧辊堆焊与修复。热轧辊钢堆焊材料主要用于大型板坯连铸机导辊、轧机卷取机助卷辊、夹送辊、热轧开坯辊、型材轧辊的堆焊。•冷作工具钢有较高的常温硬度和抗粘着磨损性能。其堆焊材料主要用于冷冲模、冷剪刀等的堆焊，冲裁及修边模堆焊制造及修复，冷冲模堆焊制造及修复。•这类钢常用堆焊方法是焊条电弧焊。焊前需根据工件大小和母材成分在200℃～600℃范围内预热。例如，在补焊裂损或磨损的高速钢刀具时，局部预热200℃～240℃即可。补焊后空冷，再刃磨加工到所需尺寸。最后进行三次540℃回火，每次保温1h，然后即可使用。补焊大件时，焊前工件应退火。堆焊前工件预热400℃～600℃以上，层间温度应不低于预热温度，焊后炉中缓冷，最后按高速钢热处理工艺进行处理。再如，在局部堆焊修复模具时，应视模具钢不同预热300℃～500℃，堆焊后进行回火。对于堆焊厚度较大的裂损部位可先用Crl9Ni8Mn7焊条堆焊一层缓冲层，以减少裂纹倾向。•在轧辊修复和双金属轧辊制造中用的最多的堆焊工艺是丝极埋弧堆焊。药芯带极和实芯带极埋弧堆焊在修复或制造平板轧机轧辊、卷曲机夹送辊和助卷辊、连铸机导辊和拉矫辊等也获得了越来越多的应用。轧辊堆焊时预热温度视母材情况在200℃～400℃范围内选择，预热的保温时间依轧辊直径而定。堆焊时，层间温度偏离预热温度不超过50℃～70℃。在堆焊含碳量较高的母材时，最好先堆焊硬度为30HRC左右的珠光体堆焊材料一至二层，然后再堆焊耐磨层。焊后应在隔热材料中或炉中缓冷。•(2)高锰钢及铬锰钢堆焊材料的成分、性能、用途和堆焊工艺。高锰钢也叫奥氏体锰钢，碳的质量分数为0.7％～1.2％，锰的质量分数为10％～14％，组织为奥氏体，硬度约200HB，几乎全部以铸件形式应用。这种钢受强烈冲击后能转变成马氏体，硬度可提高到450HB-～500HB,铬锰钢堆焊材料与高锰钢堆焊材料具有相同的金相组织和相近的冷作硬化作用，在低应力磨料磨损条件下耐磨性差，但在重冲击时由于表面冷作硬化，耐磨性大大提高。用途也基本相同，只是铬锰钢焊接性更为优良。•••高锰钢堆焊金属只有在单相奥氏体状态时才有良好的塑性和韧性，其组织取决于碳和锰的含量和冷却速度。当快速冷却时，碳的质量分数为0.8％～1.8％、锰的质量分数为12％～20％的堆焊金属均为稳定的奥氏体；但当冷却速度较慢时，则奥氏体晶界有碳化物析出，使堆焊金属的塑性和韧性急剧下降。此外，高锰钢堆焊金属容易发生晶粒过热长大现象以及堆焊层因热导率小和热胀系数大而产生裂纹。但这种裂纹对其使用寿命没有大的影响。•高锰钢及铬锰钢堆焊材料主要用于该类钢铸件缺陷的补焊和磨损件的修复。所用堆焊焊条大多为低氢型，采用直流反接。堆焊层裂纹倾向大，堆焊时应采取以下措施：•l)焊前不预热，采用小电流、断续焊、焊后快冷，使碳化物来不及析出；•2)采用短道焊、分散焊、焊后捶击等方法，减少焊接应力；•3)在保证奥氏体稳定性的前提下，降低堆焊材料的含碳量；•4)在堆焊材料中加入Mo、Ni，提高堆焊金属的塑性和韧性；•5)在已磨损表面上堆焊时，先磨去表面冷作硬化部分再焊，或用铬锰奥氏体焊条(D277)、铬镍奥氏体焊条(A107)堆焊作过渡层，对防止裂纹有利。•(3)高铬钢及铬镍钢堆焊材料的成分、性能、用途和堆焊工艺。这类钢的共同特点是具有优良的耐腐蚀性和一定的高温抗氧化性。Si、C、B等元素含量较高的铬镍不锈钢堆焊材料和高铬不锈钢堆焊材料还具有优良的耐磨性、耐冷热疲劳性、耐气蚀性和耐中高温擦伤性能。锰的质量分数为5％～8％的铬镍锰奥氏体钢堆焊材料和铁素体含量相当高的Cr29Ni9型堆焊材料还具有高韧性、较高的冷作硬化性、耐气蚀性和耐磨性。铬镍不锈钢堆焊材料和高铬不锈钢堆焊材料包括焊条、焊丝、带极和合金粉末。•铬镍奥氏体不锈钢在核容器、化工容器、管道制造中获得广泛应用。C、Si、B等元素含量较高的铬镍不锈钢堆焊材料主要用于阀门密封面的堆焊；Crl9Nil9Mn6型铬镍奥氏体堆•焊材料和铁素体含量高的Cr29Ni型堆焊材料耐气蚀性好，可用于水轮机过流部件耐气蚀堆焊，由于具有好的耐热和耐高温冲击能力，也可用于热冲压、热挤压工具的堆焊。•高铬马氏体不锈钢堆焊材料耐热性好，热强度高，耐腐蚀性也较好，主要用于中温(300℃～600℃)耐粘着磨损面的堆焊，如中温中压阀门密封面的堆焊，含碳和钼的Crl3型堆焊材料具有较高的耐磨性和一定的抗冲击能力，用于连铸机的导辊、拉矫辊的堆焊。•高铬钢堆焊材料的堆焊工艺主要是焊条电弧焊、MIG焊和丝极或带极埋弧焊。除了小件堆焊前不预热外，一般应预热150℃～300℃。焊后可不进行处理，也可根据需要进行热处理。•碳的质量分数大于1％的高铬钢堆焊材料(