浅谈硬面技术

来源：上海新材料网　　作者：上海金刚冶金材料有限公司 朱润生　　日期：2002-8-28 3:01:39

1．导言

众所周知，上世纪50年代中期出现了氧乙炔火焰喷焊工艺，其涂层硬而光亮、耐磨，由此产生了硬面(Hard facing)概念，该工艺也就被称为硬面技术。

喷焊工艺形成的关键是自熔合金的发明和应用，是热喷涂和堆焊的一种发展。它们各具特点，但物理本质、热过程和工艺过程基本规律没有区别，都是一种热工艺复合技术。该项技术用于工件表面的修复和制造，既能制备增强表面耐磨、耐热、耐蚀、抗冲击及这些综合性能涂层，提高工件服役寿命，又可制备密封、隔热、绝缘、超导、智能等特殊功能涂层。迄今，已发展成为人们最关注和投入最大的硬面技术。

所谓热工艺复合技术，它是利用各种不同的热源和方法，将所需性能或功能的材料加热至熔融、熔化或合金化状态，沉积到工件表面形成良好结合涂层的工艺方法，其显著的特征表现在：

(1)涂层材料，包括几乎所有的金属(合金)和非金属(陶瓷、金属陶瓷)以及各种复合材料。

(2)涂层制备，有火焰法、电弧法、气体保护法、等离子法、激光法等工艺方法，可在厂房内加工或在现场维修施工，灵活方便。

(3)基体材质，如高合金(或可焊性差)的基体材质可用低合金或碳钢替代，减少贵重金属消耗和改善硬面工艺性能。

(4)热喷涂、喷焊和堆焊复合或联合使用，可达到更完美的技术效果。

(5)工件可多次修复、修补重用，进一步延长服役寿命。

为了提高工件的使用寿命，其他工艺方法如离子涂、硬质化和发兰硬化等表面改良技术当然是有效的。但因材料、工艺的局限性，其应用也是有限的，而且在一些重要的场合，已逐步被日益发展的热工艺复合技术所替代。这里说明一点，在本文中使用术语“硬面”不包括上述表面改良技术。

国外，一些工业发达国家，都有一些专门的公司和机构从事包括硬面材料、硬面设备、硬面工艺、应用和检测等方面在内的硬面技术研究。硬面材料已形成多系列、多品种的新材料分支。硬面工艺方法已趋完备，除常用氧乙炔法外，还有气体钨电弧法、气体金属电弧法、保护金属电弧法、埋弧法、明弧法、等离子喷涂法、等离子转移法、爆燃喷涂法、超音速喷涂法及激光法等。

我国硬面技术起步较晚，但已在材料、设备、工艺及应用诸方面已初步形成体系，但同国外先进水平比较差距较大，有待提高、完善、开拓和创新。

2．硬面材料

硬面技术是在材料科学发展中出现的，新型材料的发展，促进了硬面技术的发展和完善，硬面技术的应用，归根到底是硬面材料的应用，硬面材料在硬面技术中起主导作用，反之，硬面技术的发展带动了新材料的发展。

硬面材料按其性质可分为：铁基合金，镍基合金，钴基合金，自熔合金，碳化钨材料，陶瓷材料，特殊合金材料和复合材料等。按材料的产品的形式可分为：合金丝，合金粉末及复合粉末，陶瓷粉末及金属陶瓷粉末，纳米粉末，带材，棒材，裸焊条，电焊条，管状焊条，管状丝和软线等。

2．1铁基合金

钛基合金是硬面材料中使用量大而广的一类，这类材料最大的特点是综合性能良好，使用性能范围很宽，而且材料价格是最低廉的。

铁基合金按不同金相组织可分以下几类。

(1)马氏体合金钢：主要硬化元素是Cr，还有Si、Mo、Mn、V、W等强化元素，合金元素总量不超过10%。涂层组织为低碳马氏体，有良好的机加工性能，涂层硬度HRc30~54，冲击韧性极好，还具有良好的耐应力疲劳和冷热疲劳性能。其材料制成金属丝和管状丝埋弧堆焊，焊接性能较好，不易开裂。典型用途是金属间无润滑滚动或滑动的零件。如热轧工作辊、支撑辊、连铸机辊、导卫辊、校直辊及挖土机辊等。

(2)高铬铸铁：该类合金硬度高，HRc48~60，有极好的抗磨粒磨损性能。在＜200℃时耐磨性仅次于碳化钨硬面材料，但价格仅为碳化钨材料的1/3。

高铬铸铁含碳量2%~6%，含铬量20%~35%，焊层中主要耐磨硬质相Cr7C3，基体组织有马氏体和奥氏体。

高铬铸铁采用电焊条或管状焊丝明弧或埋弧堆焊，堆焊过程中因有大量碳化物析出，焊层产生龟裂释放焊层中的内应力，并不影响其使用性能。主要用于农机、矿山、煤粉研磨机辊等中等或严重磨粒磨损件。

高铬铸铁型自熔合金粉末，氧乙炔火焰(或等离子)喷焊，涂层硬度(HRc50以上)，用于不受强烈冲击的磨粒磨损件。

(3)奥氏体锰钢：高锰钢硬面材料能经受高冲击及轻微到中等的磨粒磨损，堆焊层无磁性，具有高韧性，焊后硬度HRc16~20，冷作硬化后可提高到HRc44~48，随含碳量不同而变。

高锰钢含有Mn12%~15%及Cr、Ni、Mo，奥氏体组织是用锰稳定的。施焊时不用气焊只用电焊以缩小热影响区求得焊层快速冷却。施焊不当会出现马氏体相而导致焊层胞裂。

高锰钢电焊条和明弧焊丝，用于严重的金属间冲击和矿石对金属的冲磨件的堆焊。

(4)马氏体不锈钢：此类合金属低碳高铬马氏体钢。主要成分含碳C 0.2%和含铬＞12%。具有良好的综合机械性能，硬度HRc50左右，强度、韧性都很好，能耐大气和蒸汽的腐蚀，还有耐冷热疲劳的能力。产品有金属丝材和管状丝。主要用在中等冲击，中等金属间磨损和中等磨粒磨损的场合。

马氏体不锈钢型喷涂粉，氧乙炔火焰喷涂，涂层硬度(HB320~450)，用于轴类、活塞、柱塞等耐磨件。

(5)珠光体钢：此类合金含低碳(025%)和少量其他合金元素，组织结构为珠光体、耐冲击性，硬度低(HRc25~35)，具有极好的可焊性，适用于堆焊，主要用于恢复机械设备零件尺寸。如受滚压、滑动或冲击负荷的重型机械设备的旋转轴、轧辊等零件。另一重要用途是作为堆焊过渡层。

2．2镍基合金

最早用于硬面的自熔合金是镍基合金，主要化学成分为Ni、Cr、B、Si系，为获得某些性能，还可添加W、Mo、Cu、Co及稀土等元素。这类合金具有优良的自熔性，涂层致密无孔，与基体呈冶金结合，耐磨性、抗氧化性俱佳，还有良好的耐蚀性。合金硬度在HRc18~65之间，但硬度越高合金韧性相应降低。

合金粉末很适宜氧乙炔火焰喷焊，焊层可耐高温和磨粒磨损的联合作用，也有很好的耐蚀性能，在高负载和无润滑条件下，有良好的耐金属间粘着磨损。

另一种镍基合金系，是在钴基合金中加入Ni，Mo，Fe，W等元素代替钴基合金中大部分Co，镍含量为合金中的主要元素。化学成分：Cr12%~29%、Mo5%~17%、Fe3%~29%、W2%~4.5%、Co3%~12%，余Ni。这种镍基合金，其主要性能与钴基合金相当，某些性能如粘着磨损于钴基合金。这类合金适宜等离子堆焊，裸铸棒和涂层焊条堆焊，管丝明弧焊和埋弧焊。用于高磨粒磨损和耐粘着磨损，耐蚀、耐冲击和热稳定性等工作。

还有一种固溶强化镍基合金(Hastelloy C)，化学成分：Cr17%,Mo17%,W5%,Fe6%,C0.1%,余Ni。这本是一种高温结构材料，合金具有良好的塑性、韧性和高温性能，可加工硬化。适用于高温、高冲击条件下金属间磨损的场合。对基体含碳量高的零件，堆焊应有过渡层。

(未完待续)