堆焊

第九章堆焊

随着科学技术的进步，各种产品、机械装备正向大型化、高效率、高参数的方向发展，对产品的可靠性和使用性能要求越来越高。材料表面堆焊作为焊接技术的一个分支，是提高产品和设备性能、延长使用寿命的有效技术手段。

堆焊是用焊接方法在金属材料或零件表面上熔敷一层有特定性能的材料的工艺过程。

第一节堆焊的特点及应用

一、堆焊的特点

堆焊的物理本质、热过程、冶金过程以及堆焊金属的凝固结晶与相变过程，与一般的焊接方法相比是没有什么区别的。然而，堆焊主要是以获得特定性能的表层、发挥表面层金属性能为目的，所以堆焊工艺应该注意以下特点：

1.根据技术要求合理地选择堆焊合金类型

被堆焊的金属种类繁多，所以，堆焊前首先应分析零件的工作状况，确定零件的材质。根据具体的情况选择堆焊合金系统。这样才能得到符合技术要求的表面堆焊层。

2.以降低稀释率为原则，选定堆焊方法

由于零件的基体大多是低碳钢或低合金钢，而表面堆焊层含合金元素较多，因此，为了得到良好的堆焊层，就必须减小母材向焊缝金属的熔入量，也就是稀释率。

3.堆焊层与基体金属间应有相近的性能

由于通常堆焊层与基体的化学成分差别很大，为防止堆焊层与基体间在堆焊、焊后热处理及使用过程中产生较大的热应力与组织应力，常要求堆焊层与基体的热膨胀系数和相变温度最好接近，否则容易造成堆焊层开裂及剥离。

4.提高生产率

由于堆焊零件的数量繁多、堆焊金属量大，所以应该研发和应用生产率较高的堆焊工艺。

总之，只有全面考虑上述特点，才能在工程实践中正确选择堆焊合金系统与堆焊工艺，获得符合技术要求的经济性好的表面堆焊层。

二、堆焊的应用

堆焊工艺是焊接领域中的一个重要分支，它在矿山、电站、冶金、车辆、农机等工业部门的零件修复和制造中都有广泛的使用。其主要用途有以下两个方面：

1.零件修复

由于零件常因为磨损而失效，例如石油钻头、挖掘机齿等，可以选择合适的堆焊材料对其进行修复，使其恢复尺寸和进一步提高其性能。而且用堆焊技术进行修复比制造新零件的费用低很多，使用寿命也较长，因此堆焊技术在零件修复中得到广泛。

2.零件制造

堆焊工艺可以采用不同的基体，在这些基体上使用不同的堆焊材料使表面达到我们所需要的性能，如耐磨性、耐蚀性、耐热性等等。利用这一工艺不仅能保证零件的使用寿命而且还避免了贵金属的消耗，使设备的成本降低。

三、堆焊金属的使用性能

不同的工作条件要求堆焊金属要有不同的使用性能，其主要的使用性能包括耐磨性、耐蚀性、耐高温性和耐气蚀性等。

1.耐磨性

磨损是材料在使用过程中表面被液体、气体或固体的机械或化学作用而造成的破坏现象。磨损是一个很复杂的微观破坏过程，它是金属材料本身与它相互作用的材料以及工作环境综合作用的结果。磨损有五个基本类型：粘着磨损、磨料磨损、冲击浸蚀、疲劳磨损和微动磨损。下面我们介绍一下前面两类。

（1）粘着磨损它是由于材料之间相对移动，两接触面之间凹凸不平，个别接触点之间发生焊合、变形而造成撕裂或转移结合到另一表面上，而产生的表面被破坏的现象。这种磨损有三类，当载荷很小时，由于摩擦热产生氧化膜，阻止滑动的焊合现象，为氧化磨损。当载荷很大，滑动面产生的焊合为金属磨损。擦伤（包括撕脱和咬死）是第3类磨损形式。

粘着磨损多发生在滑动摩擦的结构件润滑不良或不进行润滑的时候，比如轴、轴承、高压阀门的阀座、切削刀具等零件的工作中。

粘着磨损的堆焊材料一般要求要有小的摩擦系数，要与相互摩擦的材料有相进的硬度和耐磨性。常用的抗粘着磨损的堆焊材料有铜基合金、钴基合金和镍基合金，铁基合金在阀门业中也有广泛的使用。

（2）磨料磨损它是指物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物（包括硬金属）相互摩擦引起表面材料损失的现象，磨料磨损是最常见的，同时也是危害最为严重的磨损形式。磨料磨损按照应力状态不同，可以分为三类：

①低应力磨料磨损它是固态磨料以某种速度，自由地与接触的金属表面做相对运动。这种磨损作用在磨料上的应力较低，对零件表面的冲击力小。常见的低应力磨料磨损如推土机铲刃、犁铧等，人们也把含有磨料的液体或气体流冲击金属表面引起的磨损归为低应力磨料磨损，如泥浆泵叶轮，粉尘排除设备等。这一类磨损对堆焊材料的冲击韧性要求低，要求堆焊层有高的耐磨性和硬度，高铬合金铸铁和一些硬脆的马氏体合金铸铁材料常被用于这类磨损中。

②高应力磨料磨损它的两个零件间有磨料，并且有很大压力作用下产生的磨损。磨料和接触点之间的应力很大，使磨料被碾碎，并引起零件表面被划伤且硬脆相的脱落。如挖掘机的链条、链轮等。这种磨损对冲击韧性要求不是很高，要求堆焊金属有高的抗压强度和硬度。所以碳化钨、高碳钢和合金白口铸铁常用在该类磨损中。

③凿削磨损由于大的压力和冲击作用使磨料切入工件表面，在材料表面凿削出大颗粒的金属而形成的金属沟槽的现象，比如挖掘机的斗齿、破碎机的锤头等。要求堆焊层要有好的韧性和加工硬化的性能，高锰钢应用为最广。

2.耐蚀性

金属与环境介质发生化学或电化学作用引起的破坏和失效现象称为金属的腐蚀。腐蚀按照机理上分有化学腐蚀和电化学腐蚀两种，化学腐蚀是金属直接与介质发生作用而形成的，电化学腐蚀是金属与电解液溶池接触产生原电池作用而形成的。提高金属的耐蚀性是这一类堆焊的主要任务。常用的堆焊材料如铜基、镍基、钴基合金和镍铬奥氏体不锈钢。

3.耐高温性

金属高温下工作，因氧化而形成破坏；高温长期工作因蠕变而形成破坏，组织因回火或相变而软化，反复加热和冷却引起的疲劳裂纹等很多因高温而引起的材料失效。因此为了提高材料的高温使用性能，应相应提高材料的抗氧化性、蠕变强度、热强度、热硬性、热疲劳等性能。常用的高温堆焊材料如镍基、钴基合金和高铬合金铸铁等。

4.耐冲击性

金属表面由于外来物体的连续高速度冲击而引起的磨损称冲击磨损，一般表现为表面变形、开裂和凿削剥离。

按金属表面所受应力大小及造成损坏情况，冲击磨损可分为三类：

①轻度冲击动能被吸收，金属表面的弱性变形可恢复。

②中度冲击金属表面除发生弹性变形外，还发生部分塑性变形。

③严重冲击金属破裂或严重变形。

堆焊金属的耐冲击性与它的抗压强度、延性和韧性有关，一种材料的耐冲击性和耐磨性有矛盾，两都不可兼得。

5.耐气蚀性

气蚀发生在零件与液体接触并有相对运动条件下，在表面上不断发生气穴，在气穴随后的破灭过程中液体对金属表面产生强烈的冲击力，如此反复作用，使金属表面产生疲劳而脱落，形成许多小坑（麻点）。小坑会成为液体介质的腐蚀源，特别是在其表面的保护膜遭到破坏后，情况更为严重，最后使表面成为泡沫海绵状。水轮机转轮叶片、船舶螺旋浆、水泵等都有可能发生气蚀。

第二节堆焊方法

一、堆焊方法的选择

熔焊、钎焊、喷涂等方法都可以应用于堆焊中，熔焊方法占的比例最大，选择应用怎样的堆焊方法，应考虑几个问题：（1）堆焊层的性能和质量要求；（2）堆焊件的结构特点；（3）经济性。随着生产的发展，常规的焊接方法往往不能满足堆焊工艺的要求，因此又出现了许多新的堆焊工艺方法。几种堆焊工艺的主要特点如表9-1所示。