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1、表面熔敷技术概述 刘春阁，邱星武 精 密 成 形 工 程 本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司北京桑尧科技开发有限公司网址：http:/ 现代工业的迅速发展，对机械产品的性能要求越来越高。很多机械部件要在高温、高 压、高速或高度自动化的条件下长期稳定工作，因而对材料的性能提出更高的要求 E1- 3。过去常常选用一些高合金，并采用整体热处理的方法使零件的性能达到使用要求。由 于高性能材料往往成本很高，实际应用中大部分零部件仅要求表面很薄一层有高的硬度、 好的耐磨性和耐蚀性，芯部有较好的韧性。表面熔敷技术正是在这样的背景下发展起来的 一项技术。表面熔敷技术是通过加
2、热使合金元素与基体熔化形成冶金结合，从而制备出具 有各种优异性能的表面薄层。在基体表面熔敷一层耐磨合金层，不但可以保留基体原有的 机械性能，而且大大增强表面耐磨、耐冲击的能力，延长了产品的使用寿命，节省了材料， 具有较好的经济性 l4 。 目前研究的熔敷技术包括感应表面熔敷、激光表面熔敷、热喷涂技术和堆焊表面熔敷 等。感应表面熔敷是利用电流的感应热效应为热源，用不同的添料方式在被熔敷的基体上 放置所选择的涂层材料，通过感应热使之与基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成 稀释度极低并与基体材料形成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、 耐蚀、耐热、抗氧化能力及电气特性的工艺方法。
3、激光熔敷技术是激光加工技术发展的一 个重要分支，与其他表面加工技术相比具有应用面广、实用性强、应用灵活等特点；与其 它几种表面改性技术比较，激光熔敷可形成与基体冶金结合、组织致密、性能优异可控的 工件表面层。 激光表面熔敷和堆焊表面熔敷与感应表面熔敷原理相似，只是加热方式不同。激光表 面熔敷利用激光的高能量束对基体和合金元素加热。由于激光加热速度快，涂层不易被基 体稀释，且由于变形较小，因而零件报废率也低。堆焊表面熔敷是用焊接的方法把填充元 素熔敷在基体表面，它也可显著提高材料表面的性能。 摘要：针对现代工业发展的需要，主要对感应熔敷技术、激光熔敷技术、堆焊熔敷技 术、热喷涂技术等表面熔敷技术
4、的定义、特点、应用进行了概括说明，对表面熔敷技术中 涉及的工艺、所用材料、所需条件进行了阐述。 关键词：表面熔敷；感应熔敷；激光熔敷；堆焊熔敷；热喷涂 1 感应熔敷技术 感应熔敷技术分为中频熔敷技术和高频熔敷技术。中频感应熔敷所使用的材料是白熔 合金热喷涂粉末。其特点是熔敷时不需要外加辅助材料，热喷涂粉末本身具有脱渣、造渣、 改善铺展性、润湿性好等特点。它还具有熔点低，自脱氧造渣，多种强化组织结构的特点。 目前国内外常用的有镍基、钴基、铁基、铜基及含 WC 型热喷涂粉末等几大类。镍基自熔 合金热喷涂粉末：当前应用最广泛的白熔合金热喷涂粉末。镍基自熔性合金具有优良的综 合性能，耐磨性，抗腐蚀，抗
5、氧化，耐热，耐低应力磨粒磨损和抗黏着磨损，韧性和耐冲 击性好。目前，在使用镍基白熔合金热喷涂粉末时，通常会加人一些元素，例如： WC、Gr 铁、Mn 铁和 SiC 等，来提高硬度和耐磨性。铁基自熔合金热喷涂粉末：在熔敷 技术研究中，铁基自 熔合金热喷涂粉末的采用也较为广泛。铁基自熔合金热喷涂粉末的原 料广泛，价格比钴、镍等便宜得多，并且在常温和低于 400的温度下具有优良的耐磨性、坚韧性和抗弱腐蚀性，在我国应用十分广泛。该热喷涂粉末以铁元素为主，由 Fe，Cr，B，Si，C 等主要元素组成。粉末的自熔性、润湿性和喷焊性能较好。合金元素对 熔敷层硬度的影响主要由于熔敷层中残余奥氏体量的变化，由于
6、残余奥氏体硬度低，如果 熔敷层中残余奥氏体量增加较多，则熔敷层硬度下降，而合金元素含量增多，熔敷层残余 奥氏体体积变大，硬度变低。钴基自熔合金热喷涂粉末：钴是重要的战略物资，十分昂贵， 有极好的耐热、耐腐蚀和抗高温氧化性。目前钴基白熔合金热喷涂粉末的应用较少。钴基 合金是在 CoCrW 合金基础上添加适量 B，Si 元素形成的。它具有优良的耐高温性能， 较好的热强性、抗腐蚀性、韧性及抗热疲劳性能，比较适合在 600700高温工作的抗氧 化、耐腐蚀、耐磨损的表面敷层。碳化钨弥散型自熔合金热喷涂粉末：是在镍基、钴基、 铁基自熔合金热喷涂粉末中加入一定量的碳化钨制成的。 由于超硬的碳化钨颗粒弥散在自
7、熔合金中，显著地提高了合金的硬度，使其具有极高 的耐磨性，很好的坚硬性和抗氧化性。碳化物具有很高的硬度，极大地改善了熔敷层的耐 磨性能，特别是高温下的磨损和高应力磨粒磨损性能。激光熔敷后合金碳化物对熔敷层的 弥散强化，改变了磨损特性，使材料的硬度和耐磨性显著提高，相对于基材有较大程度的 提高。铜基自熔合金热喷涂粉末：具有较低的摩擦系数，良好的抗海水、大气腐蚀性能； 抗擦伤性好，塑性好，易于加工。 2 激光熔敷技术 激光表面熔敷技术是材料表面改性技术的一种重要方法，利用高能密度的激光束将具 有不同成分、性能的合金与基材表面快速熔化，在基材表面形成与基材具有完全不同成分 和性能的合金层。激光熔敷能
8、极大地提高材料的硬度和耐磨性。在一般材料的表面涂敷一 层性能优异的材料，通过激光重熔使涂层与基体材料熔合，达到表面改性。根据合金供应 方式的不同，激光熔敷可分为合金预置法和合金同步供应法。 合金预置法是指将待熔敷的合金材料敷盖在基材表面，然后采用激光束在合金预敷层 表面扫描，合金预敷层表面吸收激光能量温度升高并熔化，同时通过热传导将表面热量向 内部传递，使整个合金预敷层一部分基材熔化，激光束离开后熔化的金属快速凝固，在基 材表面形成冶金结合的合金熔敷层。合金同步供应法是在激光熔敷过程中将合金材料直接 送人激光作用区，在激光的作用下合金材料和基体材料的一部分同时熔化，然后冷却结晶 形成合金熔敷层
9、。目前常用的自熔合金热喷涂粉末有镍基、钴基、铁基、铜基及含 WC 型 热喷涂粉末等几大类。用于激光熔敷的基体材料以碳钢和不锈钢为主，还有铸铁、铝合金、 铜合金等。 3 堆焊熔敷技术 堆焊是用熔化焊方法，使 T 件表面形成具有特定性能的金属敷层的一种工艺过程_1 引。 堆焊是借用焊接的手段对金属材料表面改质，即在零件上堆敷一层或几层具有希望性能的 材料。这些材料可以是合金材料也可以是金属陶瓷，它们可以具有原机件不具有的性能， 例如高的耐磨性，良好的耐蚀性或其它性能。这样一来，对于用一般材料如普通碳钢制成 的零件，通过堆焊一层合金，可使其性能明显改善。 许多表面缺陷可以通过堆焊消除。按使用的焊接方
10、法分，堆焊技术有气体火焰堆焊、 电弧堆焊、等离子堆焊、电阻堆焊、电渣堆焊、激光堆焊等。若按堆焊层的性能分，堆焊 通常分为 4 种类型：包敷层堆焊、耐磨层堆焊、堆积层堆焊和隔离层堆焊。 堆焊是一种异质材料的熔化焊，因此需要考虑的冶金问题和异种钢焊接相类似。其中 最突出的是稀释率、熔合区和污染、热循环、热应力以及堆焊层外貌等问题。堆焊层被稀 释，熔合区变脆，热影响的结果导致堆焊层及热影响区成分、组织、性能变化是堆焊的明 显特点。 目前，堆焊技术主要应用在以下 2 个方面。 1)制造新零部件用堆焊工艺制成双金属零部件。零部件的基体和堆焊层可采用不同性 能的材料，所以能分别满足两者的不同技术要求。这样
11、，既能使零部件获得很好的综合技 术性能，也能充分发挥材料的工作潜力。由于堆焊零部件表面层具有耐磨、耐热、耐蚀等 性能，所以使用寿命可大幅度提高几倍甚至几十倍，大大减少贵重合金的消耗。 2)修复旧零部件。如轧辊、轴类、工模具、农机零件、采掘机件等易磨损零部件，都 可采用堆焊工艺修复。由于堆焊技术的优异性能，因而在冶金机械、矿山机械、农业机械、 石油化工机械、交通运输、原子能工程、航天工业等部门的零件制造和修复中获得了广泛 应用。 4 热喷涂技术 热喷涂是利用热源将喷涂材料加热熔化或软化，靠热源自身的动力或外加的压缩气流， 将熔滴雾化或推动熔粒成喷射的粒束，以一定速度喷射到基体表面形成涂层 。热喷
12、涂技 术是最近几十年内逐步发展起来的一种新的表面强化技术。可使零件表面获得耐磨、耐热、 耐腐蚀、抗氧化、密封、润滑、导电、绝缘、辐射和防辐射等各种各样的特殊性能。 热喷涂技术起初只是将熔化的金属用压缩空气形成液流，喷到被涂敷的基体表面上， 形成一层膜状组织，其喷涂温度、熔滴对基体表面的冲击速度及形成涂层材料的性能构成 了喷涂技术的核心。相应的，改善涂层质量的途径是提高热源能量或粒子动能。温度、速 度取决于不同的热源和设备结构，从某种意义上说，温度越高、速度越快越有利于形成优 异的涂层。 热喷涂的一项基本要求规则是，任何偏离特定应用标准，或对细枝末节处稍有疏忽， 都会产生不良后果。涂层与基体的结
13、合，涂层自身颗粒之间的结合，以机械结合为主，同 时存在一定程度的冶金结合及冶金一化学结合。影响结合强度的因素很多，对同一种喷涂 方法而言，最主要的是基体预处理的质量及喷涂工艺参数的合理选择。热喷涂工艺一般包 括 3 个过程，即基体表面制备：净化和粗化；喷涂；涂层后处理：封闭或加工。 热喷涂过程的基本变量是所喷涂的材料、加热方法及推进这些材料到基体的方法。喷 涂材料的形态通常有线材、棒材、带材和粉材。依据产生热源的不同方法，热喷涂工艺可 以分为 2 种基本类型，燃烧法、火焰喷涂和爆炸喷涂；电热法、等离子喷涂线材电弧喷涂 和感应等离子喷涂。 5 结语 机械零件运转过程中磨损损耗一直是人们关注的一大
14、问题。降低机械的工作效率和零 部件的精度，增加机械的能耗，造成漏油、漏气现象，并产生噪音等，达到一定程度时会 使部件丧失正常的工作能力。更严重的是，在某些情况下，磨损到一定程度后会造成突发 事故，使人身受害和生产受到损失。提高材料的综合性能、改善材料的表面性能已成为广 大科技工作者密切关注的课题，因此发展表面熔覆技术来提高国内机械行业的生产能力， 是一个快捷 有效的方法。表面熔覆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。在自熔合金热喷涂粉末中加入一定的合金元素，可以提高熔敷层的硬度和耐磨性，增 强零件的使用寿命。
