现代表面工程技术(第二部分-堆焊)

• 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。
• 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；
• (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。
• 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。
• 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。
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
• 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。
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。
• 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。
• 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。
• (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。
பைடு நூலகம்
• 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。
• 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。
• 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。
• 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
• 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。
• 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。
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• 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。
• 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。
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。
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。