材料表面工程技术3堆焊技术
材料表面工程技术练习题(答案)
材料表面工程技术练习题（答案）一、解释名词1.喷丸强化技术:利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料在再结晶温度下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗压力腐蚀能力的表面工程技术。
2.干法热浸渗:先将经常规方法脱脂除锈清洗后的清洁工件或钢材进行溶剂处理，干燥后再将工件浸入欲渗金属溶液中，保温数分钟后抽出，水冷。
3.粘结底层:某些材料能够在很宽的条件下喷涂并粘结在清洁、光滑的表面上，而且这类涂层表面粗糙度适中，对随后喷涂的其它涂层有良好的粘结作用。
4.溅射镀膜:用高能粒子轰击固体表面，通过能量传递，使固体的原子或分子逸出表面并沉积在基片或工件表面形成薄膜的方法。
(在真空室中，利用荷能粒子轰击材料表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面沉积的过程。
)5.分子束外延:在超高真空环境中，将薄膜诸组分元素的分子束流，直接喷到温度适宜的衬底表面上，在合适的条件下就能沉积出所需要的外延层。
6.激光合金化技术:激光合金化就是利用激光束将一种或多种合金元素快速熔入基体表面，从而使基体表层具有特定的合金成分的技术。
换言之，它是一种利用激光改变金属或合金表面化学成分的技术。
7.物理气相沉积:在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子或使其粒子化为离子，直接沉积到基体表面上的方法。
8.真空蒸镀:在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法。
9.热喷涂工艺:热喷涂是用专用设备把某种固体材料熔化并使其雾化,加速喷射到机件表面,形成一特制薄层,以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的一种工艺方法。
10.气相沉积:气相沉积技术也是一种在基体上形成一层功能膜的技术，它是利用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。
气相沉积技术一般可分为两大类:物理气相沉积(pvd)和化学气相沉积(cvd)。
焊接-堆焊技术
堆焊技术的分类
堆焊技术是熔焊技术的一种，因此凡是属于熔焊的方法都 可用于堆焊。
按实现堆焊的条件，常用堆焊方法的分类如图所示。
5
堆焊方法
氧乙炔火焰堆焊
手工送丝 自动送丝 粉末堆焊
焊条电弧堆焊
钨极氩弧堆焊
熔化极气体保护电弧堆焊 其中：自保护电弧堆焊
埋弧堆焊
单丝 多丝 串联电弧 单带极 多带极
预热是焊接修复开始前对被堆焊部位局部进行适当加热的 工艺措施，一般只对刚性大或焊接性差、容易开裂的结构 件采用。预热可以减小修复后的冷却速度，避免产生淬硬 组织，减小焊接应力及变形，防止产生裂纹。工件堆焊前 的预热温度可视工件材料的碳当量而定。
堆焊后的缓冷一般可在石棉灰坑中进行，也可适当补充 加热，使其缓慢冷却。
22
焊条电弧堆焊工艺
一、焊前准备
堆焊前工件表面进行粗车加工，并留出加工余量，以保证 堆焊层加工后有3mm以上的高度。
工件上待修复部位表面上的铁锈、水分、油污、氧化皮等， 堆焊修复时容易引起气孔、夹杂等缺陷，所以在焊接位复 前必须清理干净。
堆焊工件表面不得有气孔、夹渣、包砂、裂纹等缺陷，如 有上述缺陷须经补焊清除、再粗车后方可堆焊。
为修复与强化。
2
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。
堆焊层金属的成分和性能调整方便，一般常用的焊条 电弧焊堆焊焊条或药芯焊条调节配方很方便，可以设 计出各种合金体系，以适应不同的工况要求。
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。
19
5. 堆焊材料的选择
满足工件的工作条件和要求； 经济性、母材的成分、工件的批量以及拟采用的堆焊方法。
堆焊讲义完整版..
10～20
10～20 10～40 15～40 30～60 15～25 10～25 10～20 8～15 5～15 5～15 5～15 5～15 10～14
0.5～5.4
0.5～4.5 0.9～5.4 2.3～11.3 4.5～11.3 11.3～27.2 11.3～15.9 12～36 22～68 0.5～6.8 1.5～3.6 0.5～3.6 13～27 15～75
影响堆焊金属成分的因素
合金的过渡形式
合金化形式
焊丝或带极 粉芯焊丝、管状焊条
合金药皮、烧结焊剂
合金粉末
影响堆焊金属成分的因素
熔合比因素
影响合金过度的因素
堆焊方法
手工电弧焊
埋弧自动堆焊 CO2气体保护焊
等离子弧堆焊
宽带极堆焊
激光堆焊
冷焊堆焊
熔炼→浇注后破碎（呈 不规则粒状）或熔炼→ 离心法分离（呈球状）
混合→压块→烧结→破 碎（呈不规则粒状）或 混合→制球→烧结（呈 球状）
碳化物应用
石油钻井 冶金、矿山
工 作 条 件 高应力金属间磨损 低应力金属间磨损 金属间磨损+腐蚀或氧化 低应力磨料磨损、冲击浸蚀、磨料 浸蚀 低应力严重磨料磨损，切割刃 严重冲击 严重冲击+腐蚀+氧化 高温下金属间磨损 热稳定性，高温蠕变强度（540℃）
手工电弧焊
优点
设备简单、使用可靠、操作方便灵活、成本
低 适宜于现场或野外堆焊 可以在任何位置焊接 能通过堆焊焊条获得几乎所有的堆焊合金层
缺点
生产效率低、劳动条件差、稀释
率高 不易获得薄而均匀的堆焊层
应用
可达性差的工件
在多种金属中都可使用
表面堆焊技术
表面堆焊技术摘要堆焊是为了增大或恢复零部件尺寸或使焊件表面获得具有特殊性能的合金层而进行的焊接, 是一种重要的但又常常不被理解的减少磨损的方法。
堆焊的最大优点是能充分发挥材料的性能优势, 达到节约用材和延长零部件使用寿命等目的。
常用的堆焊方法有, 手工电弧堆焊、氧乙炔焰堆焊、埋弧自动堆焊、气体保护堆焊、等离子弧堆焊、振动电弧堆焊、激光堆焊等。
目前应用最为广泛的是手工电弧堆焊和氧乙炔焰堆焊。
关键词：堆焊；轧辊；阀门；应用现状目录摘要 (I)目录 ........................................................................................................................................ I I1 绪论 (1)2 表面堆焊技术的工作原理 (2)3 表面堆焊技术的工艺流程 (4)4 表面堆焊技术的发展现状 (4)5 结语 (9)参考文献 (9)1 绪论1.1引言堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。
因此，堆焊既可用于修复材料因服役而导致的失效部位，亦可用于强化材料或零件的表面，其目的都在于延长零件的使用寿命、节约贵重材料、降低制造成本。
因此，国内外制造业对堆焊技术的发展十分重视，IIW 以及各工业发达国家的相关学术机构均设置了专门委员会，以协调和促进堆焊技术的发展[1]。
堆焊技术在我国起源于20 世纪50 年代末，几乎与焊接技术同步发展。
发展初期主要用于修复领域，即恢复零件的形状尺寸，60 年代已经将恢复形状尺寸与强化表面及表面改性相结合，改革开放后堆焊技术的应用领域进一步扩大，堆焊技术从修理业扩展到制造业，90 年代受先进制造技术理念的影响，堆焊方法与智能控制技术和精密磨削技术相结合的近净形技术（Near Net Shape）引起了制造业的广泛关注，这也是堆焊技术从技艺走向科学的重要标志[2]。
第二节 表面技术的分类
表面技术Matton分类法
按照作用原理，表面技术可以分为以下四种 基本类型（Matton分类法）：
1） 原子沉积：沉积物以原子、离子、分子和粒子 集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖 层， 2） 颗粒沉积：沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材 料表面上形成覆盖层， 3） 整体覆盖：将涂覆材料于同一时间施加于材料 表面 4）表面改性：用机械、物理、化学等方法，改变 材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、 缺陷状态或应力状态。
材料表面工程 技术按工艺特 点分
电镀、化学镀、热渗镀、 热喷涂、堆焊、化学转 化膜、涂装、表面彩色、 气相沉积、“三束”改 性以及表面热处理、形 变强化和衬里等13类
表面技术的广泛的涵义，包括：
1） 表面技术的基础和应用理论。 2） 表面处理技术。它又包括表面覆盖技 术、表面改性技术和复合表面处理技术 三部分。 3） 表面加工技术。 4） 表面分析和测试技术 5） 表面工程技术设计。
三、表面改性技术
定义：采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的 组织结构，性能不同的一种技术。 作用：既能发挥基体材料的力学性能，又能使材料表面获得 各种特殊性能。（耐磨，耐腐蚀，耐高温，超导，润 湿，绝缘，储氢等。） 掩盖基体材料表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿 命。 节约稀、贵金属。节约能源，改善环境。
三、表面改性技术
1.喷丸强化： 冷加工方法
2.表面热处理：淬火
3.化学热处理：渗氮，碳，硼，金属 4.等离子扩渗处理：离子渗氮，碳，碳氮共渗
5.激光表面处理：高亮度，高方向性，高单色性
6.电子束表面处理： 7.高密度太阳能表面处理：聚焦
8.离子注入表面改性：电离
四、 复合表面处理技术
离子喷涂与激光辐照复合 热喷涂与喷丸复合 化学热处理与电镀复合 激光淬火与化学热处理复合 化学热处理与气相沉积复合
四种堆焊类型
四种堆焊类型
四种堆焊类型
堆焊是用焊接的方法将填充金属熔敷在基本材料表面，以获得特定的表层性能或表面尺寸的工艺过程，它是焊接领域的重要组成部分，也是近年来兴起的表面工程和再制造技术中的不可缺少的工艺方法。
根据堆焊的目的，可把它分为以下几种类型。
1) 耐磨层堆焊一般是在一个韧性好的母材上堆焊具有高耐磨性的材料，从而获得表层具有高的耐磨性，同时又具有优良综合性能的零部件，并可节省贵重金属，降低制造成本。
2) 耐蚀层堆焊或称包覆层堆焊一般在低合金钢或碳钢表面堆焊具
有耐腐蚀性的材料，往往要求该堆焊层完整光滑，能完全包住基材，且对堆焊层成分要求较严。
3）增厚层堆焊以增加或恢复零件尺寸为目的的堆焊层，堆焊层材料一般与母材相同。
4）隔离层堆焊或称过渡层堆焊在进行异种材料焊接或焊接具有特殊性能要求的材料时，为了防止母材的不良影响（包括成分影响、材料线膨胀系数不同的影响等）在母材表面或坡口边缘预先堆焊上一层或数层起隔离作用的堆焊层，以保证后续的焊接或堆焊层性能质量满足设计要求。
材料表面工程技术-3堆焊技术
3堆焊技术未来的发展趋势
• 自动化程度提高，降低操作技能要求。 • 新材料的研发和应用，拓宽适用范围。 • 工艺流程优化，提高效率和质量。
总结和展望
通过深入了解材料表面工程技术一步发展。
航空航天
使用涂敷堆焊技术提高飞机零件耐腐蚀性。
能源行业
利用熔覆堆焊技术提高核电站零部件耐磨性。
汽车制造
应用爆炸堆焊技术加强车辆车身结构。
机械制造
使用3堆焊技术修复磨损零件，延长使用寿命。
3堆焊技术的优点和局限性
1 优点
提供特殊性能、修复损坏零件、节约成本。
2 局限性
对设备要求高、工艺复杂、操作技能要求较 高。
3
熔覆堆焊
利用激光、等离子等热源将填充材料熔化，形成密实的堆焊层，适用于精密零件 修复。
3堆焊技术的工艺流程
准备
清洁表面、选择合适的填充材料。
设备调试
根据不同堆焊技术调整设备参数。
堆焊操作
根据工艺要求进行堆焊操作，确保质量。
质量检验
对堆焊件进行检验，保证符合标准。
3堆焊技术在工业应用中的实际案例
材料表面工程技术-3堆焊 技术
从简单到复杂，了解材料表面工程技术中的3堆焊技术。探讨其原理、适用范 围、工艺流程、实际案例，以及优点、局限性和未来发展趋势。
3堆焊技术的原理和适用范围
1
涂敷堆焊
将合金材料或复合材料涂覆在基材上，提供耐磨、耐腐蚀等特性。
2
爆炸堆焊
利用爆炸冲击产生高温、高压力，使材料迅速融合在一起，适用于焊接高强度材 料。
表面技术的分类
表面技术的分类材料表面工程是一门新兴学科，或者说是正在形成的一门学科，是一门多学科的边缘学科。
该学科中应该包括哪些内容，如何分类，国内外都无公认的说法。
从不同的角度进行归纳，就会有不同的分类。
如：按作用原理可分为：<1>原子沉积：沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。
<2>颗粒沉积：沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂覆等。
<3>整体覆盖：它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。
<4>表面改性：用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成、结构发生变化，从而改变性能，如表面处理、化学热处理、电子束表面处理、离子注入等。
按表面强化层材料可分为：<1>金属材料层；<2>陶瓷材料层；<3>高分子材料层。
按工艺特点可分为：<1>电镀，<2>化学镀，<3>热渗镀，<4>热喷涂，<5>堆焊，<6>化学转化膜，<7>涂装，<8>表面彩色，<9>气相沉积，<10>“三束”改性，<11>表面热处理，<12>形变强化，<13>衬里等，每一类又可分为一些更细的工艺项目。
图1-1 材料表面工程技术的分类该分类方法比较清晰地体现了工程技术的特点，而且与工程技术上的名称基本一致，容易记忆。
但缺乏学术上的逻辑性，因为有些技术尽管工艺不一样，但基本的改质机理是相同或相似的。
按工艺特点分类方法示意图如图1-1所示。
按表面改质的目的或性质可分为：<1>表面耐磨和减磨技术，<2>表面耐蚀抗氧化技术，<3>表面强化（提高疲劳强度）技术，<4>表面装饰技术，<5>功能表面技术，<6>表面修复技术。
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路漫漫其悠远
2020/11/18
材料表面工程技术3堆焊技术
§1 概述
n 堆焊与堆焊技术
n 堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一层金属的工 艺过程。
n 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
n 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。
路漫漫其悠远
材料表面工程技术3堆焊技术
n 埋弧堆焊
n 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。
n 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。
n 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。
§2 堆焊材料及选择
n 堆焊合金的类型和特点
n 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。
n 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。
n 铜基材料的耐蚀性好，有时也用于堆焊材料。
n 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。
n 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℃。
n 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。
路漫漫其悠远
材料表面工程技术3堆焊技术
n 气体保护和自保护明弧堆焊
n 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。
n 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％)。
n 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。
n 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。
n 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。
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材料表面工程技术3堆焊技术
n 等离子弧堆焊
n 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。
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材料表面工程技术3堆焊技术
1．铁基堆焊合金
n 珠光体类的堆焊材料及特点
n 碳含量<0.5％，合金元素总量<5％，以Mn、Cr、 Mo、Si为主要合金元素。
n 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。
n 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。
n 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。
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材料表面工程技术3堆焊技术
n 电渣堆焊
n 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。
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材料表面工程技术3堆焊技术
n 手工电弧堆焊
n 设备简单、机动灵活、成本低
n 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
n 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，
n 通常应用于少量零件的修复和强化。
n 高速钢及工具钢堆焊合金
n 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℃)。
n 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。
n 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。
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材料表面工程技术3堆焊技术
n马氏体类的堆焊材料及特点
n 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。
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材料表面工程技术3堆焊技术
n 堆焊的特点
n 必须尽量控制稀释率
n 合理地选择堆焊层的合金系统 n 综合考虑堆焊方法
路漫漫其悠远
材料表面工程技术3堆焊技术
n 堆焊方法的分类
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材料表面工程技术3堆焊技术
n 常用堆焊方法的主要特点
n 氧—乙炔焰堆焊
n 温度较低(3050～3100℃)， n 小的稀释率(1％～10％) n 小于1mm厚的均匀薄堆焊层。 n 该堆焊方法设备简单、使用方便、成本低。 n 缺点是生产率低、工人的劳动强度大。
n 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。
路漫漫其悠远
材料表面工程技术3堆焊技术
n 等离子弧堆焊包括冷丝、热丝堆焊，合金粉 末堆焊。
n 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)。
n 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。
路漫漫其悠远
材料表面工程技术3堆焊技术