【正文】 .............................................................................................. 24 外文原文 ...................................................................................................................................... 36 II 致謝 .............................................................................................................................................. 43 1 1 概述 研究的目的及意義 目前 ,機(jī)械零件大多數(shù)是用金屬材料制造的 ,在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生磨損 .隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展 ,機(jī)械零件經(jīng)常在異常復(fù)雜和苛刻的條件下工作 ,大量的機(jī)械零件往往因磨損 ,腐蝕或磨蝕而報(bào)廢 .這就要求在高溫高壓、承受較大載荷以及氧化、磨蝕等工作條件下的機(jī)械裝備表面具 有良好的耐磨、耐腐蝕、耐高溫和抗氧化等性能 。 統(tǒng)計(jì)資料表明 :在失效的機(jī)械零件中 ,大約有 75%～ 80%是屬于磨損。供給機(jī)器的能量大約 30%～ 50%消耗于摩擦和磨損過(guò)程中。僅對(duì)我國(guó)冶金、煤炭、電力、建筑材料、農(nóng)機(jī)等 5 個(gè)部門(mén)的不完全統(tǒng)計(jì) ,金屬件在與砂土、礦石、水泥相接觸過(guò)程中被磨損的鋼材量就在 100 萬(wàn)噸以上 ,再考慮因更換設(shè)備而降低的生產(chǎn)效率 ,1 年所浪費(fèi)的資金估計(jì)可高達(dá) 30 億元。 目前，由磨料磨損所造成的經(jīng)濟(jì)損失占全部磨損的 50%以上。各種機(jī)械及零部件幾乎都存在磨料磨損。磨損可導(dǎo)致設(shè)備構(gòu)件的壽命下降，嚴(yán)重的，還會(huì)引起 機(jī)械設(shè)備的事故，降低勞動(dòng)生產(chǎn)率，進(jìn)而造成社會(huì)資源的浪費(fèi)，限制了工業(yè)向現(xiàn)代化和自動(dòng)化的發(fā)展。因此，研究高性能的抗磨材料堆焊于機(jī)械及零部件表面，提高設(shè)備的使用壽命，對(duì)減少停機(jī)和維修，充分發(fā)揮材料性能節(jié)約用材，提高產(chǎn)量，增加效益，都有重大意義。 另外，對(duì)于 篩板、襯板、鄂板等這些采用高硬度材料制造的耐磨件，不僅生產(chǎn)成本高，而且脆性大，因而在強(qiáng)烈沖擊載荷條件下使用時(shí)受到限制。在礦山、水泥等工業(yè)領(lǐng)域中，有許多抵抗磨粒磨損的工件都采用高硬度的鉻系合金白口鑄鐵，然而其中部分易損件要求與設(shè)備的某些部位裝配一起，需要對(duì)其非工作面 進(jìn)行機(jī)械加工，在這些情況下整體用高硬度材質(zhì)就難以滿足要求。還有一些易損件只要求特定的部位磨損到一定的尺寸后就失效報(bào)廢，整體采用高硬度的耐磨材料就顯得極不經(jīng)濟(jì)。所以，如果采用工作表面硬度高而非工作表面具有一定韌性或加工性能的雙金屬耐磨材料制造這類易損件，則是既經(jīng)濟(jì)又安全合理的設(shè)計(jì)。 而堆焊正是解決這些問(wèn)題提高機(jī)械零部件表面性能的一種重要方法 [5],[12]。 各種堆焊方法的比較 堆焊是熔焊的一個(gè)分支是金屬晶內(nèi)結(jié)合的一種熔化焊接方法。因此凡是屬于熔焊的方法都可以用與堆焊。生產(chǎn)中采用的堆焊方法很多，有手工 電弧堆焊、氧 乙炔焰堆焊、自動(dòng)埋弧堆焊、氣體保護(hù)堆焊、等離子弧堆焊、電渣堆焊、高頻感應(yīng)堆焊等。目前應(yīng)用最為廣泛的是手工電弧堆焊和氧 乙炔焰堆焊。 2 手工電弧堆焊 手工電弧堆焊與一般手工電弧焊的特點(diǎn)基本相同，設(shè)備簡(jiǎn)單、使用可靠、操作方便靈活、成本低適宜于現(xiàn)場(chǎng)堆焊，可以在任何位置焊接，特別是能通過(guò)堆焊焊條獲得滿意的堆焊合金。因此手工電弧堆焊是目前主要的堆焊方法之一。 手工電弧堆焊的缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)條件差、稀釋率高。當(dāng)工藝參數(shù)不穩(wěn)定時(shí)，易造成堆焊層合金的化學(xué)成分和性能波動(dòng)，同時(shí)不易獲得薄而均勻的堆 焊層。手工電弧堆焊主要用于堆焊形狀不規(guī)則或機(jī)械化堆焊可達(dá)性能差的工件。 由于手工電弧堆焊熔深較大，稀釋率較高，堆焊層硬度和耐磨性下降，所以一般需堆焊 2～ 3 層。但堆焊層數(shù)較多時(shí)，易導(dǎo)致開(kāi)裂和剝離，為此常對(duì)工件采取預(yù)熱和緩冷措施，預(yù)熱溫度由堆焊部位的剛性等因素確定。 氧 乙炔焰堆焊 氧 乙炔火焰是一種多用途的堆焊熱源，火焰溫度較低（ 3050～ 3100℃ ），而且可以調(diào)整火焰能率，能獲得非常小的稀釋率（ 1%～ 10%）。堆焊時(shí)熔深淺、母材熔化量少。獲得的堆焊層薄，表面平滑美觀、質(zhì)量良好。氧 乙炔焰堆焊所用 的設(shè)備簡(jiǎn)單，可以隨時(shí)移動(dòng)，操作工藝簡(jiǎn)單、靈活、成本低，所以得到較為廣泛的應(yīng)用，尤其是堆焊需要較少熱容量的中、小零件時(shí)，具有明顯的優(yōu)越性 [5]。 自動(dòng)埋弧堆焊 自動(dòng)埋弧堆焊是利用埋弧焊的方法在零件表面堆敷一層有特殊性能的金屬材料的工藝過(guò)程。其目的是為了增強(qiáng)材料表面的耐磨、耐腐蝕等性能。埋弧堆焊的實(shí)質(zhì)與一般埋弧焊接沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，自動(dòng)埋弧堆焊與一般的自動(dòng)埋弧焊大致相同，所采用的設(shè)備完全是自動(dòng)埋弧焊的設(shè)備。但為了增加熔敷率，降低母材稀釋率，二者之間也存在差別，即自動(dòng)埋弧堆焊希望在不降低生產(chǎn)率的條件下獲 得最小的溶深。 在自動(dòng)埋弧堆焊過(guò)程中，堆焊工件和焊絲在堆焊電弧的高溫作用下被局部和全部熔化。為了保護(hù)熔融金屬免受周圍空氣的影響、保存堆焊電弧的熱量和防止金屬飛濺，一般采用細(xì)顆粒狀焊劑覆蓋在堆焊區(qū)上。堆焊電弧使顆粒狀焊劑部分熔化，維持堆焊電弧在熔融焊劑所形成的彈性外殼的空間中燃燒。這個(gè)彈性外殼可靠地將堆焊熔池隔絕于空氣。 自動(dòng)埋弧堆焊比手工電弧堆焊能更有效地保護(hù)熔融金屬不受空氣影響，提高堆焊金屬的質(zhì)量，并且生產(chǎn)率比手工電弧堆焊高得多。自動(dòng)埋弧堆焊的電弧在焊劑層下進(jìn)行，無(wú)飛濺和電弧輻射，勞動(dòng)條件好，焊絲熔化形成 的堆焊層平整光滑，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，生產(chǎn)率高，堆焊層成分穩(wěn)定。但自動(dòng)埋弧堆焊的熱量輸入較大，堆焊熔池大，稀釋率比其他電弧堆焊方法高。埋弧堆焊需焊劑覆蓋，只能在水平位置堆焊，適用于形狀規(guī)則且堆焊面積大的焊接件 [5]。 3 氣體保護(hù)電弧堆焊 氣體保護(hù)電弧堆焊可分為很多種，主要包括鎢極氬弧堆焊、熔化極氣體保護(hù)電弧堆焊和自保護(hù)電弧堆焊。 鎢極氬弧堆焊與鎢極氬弧焊實(shí)質(zhì)相同。采用惰性氣體氬氣作為保護(hù)氣體，焊接過(guò)程中基體金屬與填充金屬中的合金元素不易氧化燒損。氬氣不溶于金屬，避免了堆焊層中出現(xiàn)氣孔等缺陷。非 熔化極（鎢極）惰性氣體保護(hù)氬弧堆焊的特點(diǎn)是保護(hù)效果好、可見(jiàn)度好、電弧穩(wěn)定、飛濺少。氬弧焊除了被廣泛用于一些有色金屬、特殊合金鋼的焊接外，還被應(yīng)用于一些特殊材料的堆焊。由于是惰性氣體保護(hù)，堆焊層質(zhì)量?jī)?yōu)良，適用于不銹鋼和有色金屬的堆焊。 熔化極氣體保護(hù)電弧堆焊用的氣體有 CO2 、 Ar 及混合氣體，和一般熔化極氣體保護(hù)焊工藝沒(méi)有實(shí)質(zhì)的區(qū)別。 CO 2 氣體保護(hù)電弧堆焊成本低，但堆焊質(zhì)量差，只適合對(duì)堆焊性能要求不高的零件。 CO 2 氣體保護(hù)電弧堆焊的主要優(yōu)點(diǎn)是：堆焊時(shí)對(duì)工件表面的油銹不敏感，堆焊層質(zhì)量穩(wěn)定，堆焊層硬度高，生產(chǎn)效率高且成本低，不需要清渣， CO2 氣體容易供應(yīng)等。缺點(diǎn)是：堆焊時(shí)飛濺大、合金元素?zé)龘p嚴(yán)重。 自保護(hù)電弧堆焊采用專用藥芯焊絲，堆焊時(shí)，不需外加保護(hù)氣體。設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，并可以獲得多種成分的堆焊合金 [5]。 等離子弧堆焊 等離子弧是由特殊結(jié)構(gòu)的等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的，用于堆焊的等離子弧是由特制的等離子槍體產(chǎn)生的。等離子弧與一般電 弧的最大區(qū)別是，等離子弧在噴嘴內(nèi)受到 ―壓縮 ‖，而一般電弧是自由電弧。等離子弧具有熱壓縮效應(yīng)、機(jī)械壓縮效應(yīng)、和電磁壓縮效應(yīng)的特點(diǎn)。這三種壓縮效應(yīng)對(duì)電弧的作用，使電弧受到強(qiáng)制壓縮而產(chǎn)生等離子弧。不同應(yīng)用條件下對(duì)等離子弧的性能有不同的要求，可以通過(guò)噴嘴結(jié)構(gòu)、離子氣種類和流量的選擇以及電能的輸入條件加以控制。 等離子弧堆焊具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 等離子弧溫度高、熱量集中 等離子弧具有壓縮作用，中心溫度可達(dá) 16000～ 32021K。熔化極氬弧焊為 10000～14000K，鎢極氬弧焊為 9000～ 10000K。由于等離子弧溫度高、熱量集中，被加工材料不受其熔點(diǎn)高低的限制。 （ 2） 等離子弧熱穩(wěn)定性好 等離子弧中的氣體是充分電離的，所以電弧更穩(wěn)定。等離子弧堆焊電流和電弧電壓相對(duì)于弧長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)的變化不敏感，即使在弧柱較長(zhǎng)時(shí)仍能保持穩(wěn)定燃燒，沒(méi)有自由電弧易飄動(dòng)的缺點(diǎn)。 （ 3） 等離子弧具有可控性 [5] 4 高頻感應(yīng)堆焊 高頻感應(yīng)堆焊是靠高頻電流加熱熔化堆焊材料而形成堆焊層的方法。高頻堆焊時(shí)，加熱溫度略高于堆焊材料的熔化溫度，略低于基體金屬的熔化溫度。這樣既可以使零件的受熱小，變形小，又能使堆焊合金與基體金屬 獲得良好的冶金結(jié)合。高頻感應(yīng)堆焊層的厚度為 ～ 3mm，并且具有操作簡(jiǎn)單、熔深淺，生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在機(jī)械零件的耐磨場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。 高頻感應(yīng)堆焊是靠高頻感應(yīng)電流加熱工件與堆焊材料 ， 堆焊材料的熔化溫度要比被堆焊零件的熔化溫度低 150～ 200℃ 。高頻感應(yīng)堆焊設(shè)備與一般高頻淬火設(shè)備一樣由高頻發(fā)生器和感應(yīng)器組成。堆焊 時(shí)，零件的堆焊部位覆蓋一層粉狀合金材料，并放入感應(yīng)器內(nèi)加熱，使合金層與基體發(fā)生良好的冶金結(jié)合。 合金粉末中的熔劑造渣并覆蓋在平靜的熔池上，最后形成一層薄而均勻的合金焊層。 高頻感應(yīng)堆焊以其顯著的 工藝特點(diǎn)引起國(guó)內(nèi)外的普遍重視與發(fā)展： （ 1） 熔深淺、稀釋率低，以滿足零件對(duì)特殊性能的要求 . （ 2） 加熱快，效率高，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)。高頻感應(yīng)堆焊加熱集中，生產(chǎn)效率高，每小時(shí)可堆焊金屬 6kg 以上，并可實(shí)現(xiàn)一次堆焊單道、雙道、多道焊層，這是其他堆焊工藝所不可能相比的。 （ 3） 堆焊合金粉末成本低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。當(dāng)前，高頻感應(yīng)堆焊合金粉末多為硬度高、耐磨性好的高鉻鑄鐵型抗磨材料，既可以采用國(guó)產(chǎn)定型堆焊粉末，也可以自行生產(chǎn)機(jī)械粉碎混合型堆焊合金粉末。我國(guó)近年來(lái)研究的高鉻鑄鐵型機(jī)械粉碎混合型合金粉末，其價(jià)格只有定型堆焊 粉末合金的 1/5～ 1/6，而兩者的耐磨性相仿。采用這種合金粉末堆焊的零件，增加的成本不超過(guò)原工藝的 20～ 25%，但使用壽命可以提高一倍以上。 通過(guò)對(duì)以上各種堆焊方法的比較，可以得出高頻感應(yīng)堆焊是最 適合耐磨層堆焊的焊接方法。因其具有很多優(yōu)點(diǎn)如熔深淺、稀釋率低、生產(chǎn)效率高、易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、經(jīng)濟(jì)效益顯著等是其他堆焊方法難以相比的 [5],[14]。 堆焊的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景 堆焊技術(shù)作為焊接領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，就其應(yīng)用范圍而言，它廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)、冶金機(jī)械、礦山機(jī)械、煤礦機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械、石油化工設(shè)備、建筑 設(shè)備、電力設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備以及工具模具及金屬工件的制造與維修領(lǐng)域。 目前，軋輥堆焊在堆焊領(lǐng)域中已占有很大比重，幾乎所有的大、中型鋼廠都有軋輥堆焊能力。許多科研單位、焊接材料公司等都在致力于研究生產(chǎn)有關(guān)軋輥堆焊的材料、設(shè)備和工藝。僅現(xiàn)有的用于軋輥堆焊的材料就有幾十種。例如， 30CrMnSi、 40CrMn 等低合金鋼，由于合金含量低，所以具有良好的塑性、韌性和抗裂性，在恢復(fù)軋輥尺寸和打底層方面具有重要的作用； 3Cr2W 3Cr5Mn2MoSi 等熱作模具鋼，具有良好的耐磨性和耐熱疲 5 勞性能，已廣泛應(yīng)用于軋機(jī)、板帶及各 種類型軋機(jī)的開(kāi)環(huán)軋輥的堆焊； Cr18Ni8MnCr16Ni8Mn Cr20Ni10Mn6 等奧氏體加工硬化不銹鋼，由于加工硬化效果顯著，在使用過(guò)程中硬度大大增加，加之它的熱穩(wěn)定性和抗氧化性均較高，因此，在深孔軋輥的孔型堆焊中取得了很好的效果。 模具作為機(jī)械制造業(yè)的重要裝備，采用堆焊技術(shù)進(jìn)行模具修復(fù)及預(yù)保護(hù)在國(guó)內(nèi)外取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。模具鋼具有較高的碳和合金元素含量，堆焊時(shí)往往需要先堆焊過(guò)渡層。目前常用的過(guò)渡層材料有 00Cr24Ni13,該材料適用于 400℃ 以下作業(yè)的淬火敏感性鋼種。同時(shí)，國(guó)外開(kāi)發(fā)的具有 這種功能的過(guò)渡層材料有瑞士的 ToTIG690、英國(guó)的 METROD309S92以及日本的 DW309L 等。對(duì)使用溫度高、堆焊難度更大的模具，常采用鎳基過(guò)渡材料。國(guó)內(nèi)在堆焊基體為 5CrMnMo、 5CrNiMo、 3Cr2W8 的鍛模時(shí)，常采用 10Mn2 和 08Mn2Si等材料作為過(guò)渡層。 隨著堆焊技術(shù)的進(jìn)步和堆焊材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，采用馬氏體鋼堆焊絲材、 CrNiWMoNb 堆焊合金作為表面工作層，修復(fù)壓鑄模，可以大大提高其耐熱疲勞性，使用壽命延長(zhǎng)；修復(fù)斷裂模具，可保證足夠的力學(xué)性能；在塑料成型模具上進(jìn)行堆焊，可 以獲得具有良好耐蝕、耐磨和優(yōu)異的鏡面加工性能。 堆焊不僅可以修復(fù)舊的金屬零件，而且可以在金屬工件表面形成復(fù)合層，使其具有特殊的性能，從而達(dá)到延長(zhǎng)工件使用壽命、降低成本和改進(jìn)工作設(shè)計(jì)的效果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，用于修復(fù)舊零件的堆焊合金占堆焊合金總量的 %。例如，堆焊舊軋輥的費(fèi)用僅是新軋輥的30%左右，而使用壽命卻比新軋輥高。因此，廣泛采用堆焊工藝修復(fù)舊零件，對(duì)節(jié)約材料、節(jié)省資金、彌補(bǔ)配件短缺、縮短制造周期等具有重要的意義。 采用堆焊技術(shù)制造機(jī)械零件時(shí)，不僅可以發(fā)揮零件的綜合技術(shù)性能和金屬材料的工作潛力，還能節(jié)約大量 的貴重金屬。例如，一般熱鍛模采用 5CrMnMo 或 5CrNiMo 等合金鋼整體模制造，而我國(guó)有的單位已成功應(yīng)用 45Mn2 鑄鋼作為熱鍛模基體、采用電渣堆焊合金材料來(lái)制造，從而大量節(jié)約了貴重的 Ni、 Mo 等合金元素。又如，我國(guó)成功采用了高頻堆焊農(nóng)機(jī)犁鏵，從而使農(nóng)機(jī)具的生產(chǎn)邁進(jìn)了一大步。因此，合理的采用并推廣堆焊技術(shù)具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。 另外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，為了提高及穩(wěn)定堆焊質(zhì)量，國(guó)外已開(kāi)始建立堆焊