堆焊合金及性能分析

1.堆焊合金的类型

按堆焊材料的形状，堆焊合金有丝状、条状、带状、粉粒状和块状堆焊合金等；按堆焊层的化学成分和组织结构，可将堆焊合金分为铁基、合金铸铁类、碳化钨、镍基、钴基和铜基堆焊合金等。

（1）铁基堆焊合金 铁基堆焊合金由于合金含量、含碳量和冷却速度的不同，堆焊层的基体组织有马氏体、奥氏体、珠光体等几种类型。焊后堆焊层组织以珠光体为主，称为珠光体堆焊合金。加入少量合金元素后，堆焊层中的奥氏体在480℃以下转变成马氏体，强度和硬度都很高，耐磨性好，称为马氏体堆焊合金。随着合金元素含量的增加，残留奥氏体在堆焊层中的比例上升，当稳定奥氏体的合金元素含量很大时，奥氏体完全不发生转变，直至室温，称为奥氏体堆焊合金。

1）珠光体堆焊合金。实质上是合金成分不高的低碳钢。焊后得到珠光体组织硬度为20～38HRC。珠光体堆焊层由于硬度较低，耐蚀性也不佳，常用于机械零件恢复尺寸时的打底层，少数情况下珠光体堆焊层也可以直接用于对耐磨性要求不高的工作表面。珠光体合金的焊接性良好，对稀释率的要求也不严。采用的工艺方法以焊条电弧焊和熔化极自动堆焊为主。常用的珠光体堆焊焊条有D102、D107、D112和D127等。

2）马氏体堆焊合金。碳的质量分数为0.1％～1.0％，同时含Mn、Mo、Ni等，具有“自淬硬”性能。堆焊层硬度随含碳量和合金元素含量的变化在25～60HRC之间。马氏体合金堆焊层的硬度比珠光体高，而韧性则较低。马氏体钢堆焊层最理想的应用是在抗金属间磨损的场合，如各种齿轮、轴类的堆焊。

马氏体合金堆焊层的焊接性比珠光体差。焊前对母材表面要进行脱脂、除锈，对裂纹敏感性较强的母材要考虑焊前预热和焊后热处理。马氏体钢的主要堆焊工艺方法是焊条电弧堆焊和熔化极自动堆焊。焊条电弧堆焊常用的焊条为D167、D172、D207、D212、D227、D237等。

马氏体堆焊合金中，还有一类是高速钢和工模具钢。为满足较高的热硬性要求，高速钢堆焊层中添加大量的W、Mo、V和较多的C，如D307焊条，可用于金属切削刀具的堆焊；热锻模和冷冲模的堆焊则要求表层具有较好的抗冲击性，同时还要有足够的硬度，常用的焊条有D337、D397、D327、D027和D036等。

3）奥氏体堆焊合金。有高锰钢和Cr-Ni奥氏体钢两类。含Mn的质量分数约13％，含C的质量分数为0.7％～1.2％，属于奥氏体高锰钢。堆焊金属组织为奥氏体，硬度仅200HBW左右。但是，当堆焊合金经受强烈冲击后，即转变为马氏体而使表层硬化，硬度提高为450～500HBW。而硬化层以下仍为韧性很好的奥氏体组织。因此，这类合金具有良好的抗冲击磨损性能，适用于堆焊承受强烈冲击的錾削式磨料磨损零件。但对于受冲击作用很小的低应力磨料磨损，由于不能产生冲击加工硬化，所以耐磨性不高。高锰钢耐蚀性、耐热性差，不宜用于高温。但耐低温性好，冷至－45℃还不会发生脆化。常用的高锰钢焊条是D256和D266。

Cr-Ni奥氏体钢以18-8奥氏体不锈钢的成分为基础，加入Mo、V、Si、Mn、W等元素。突出特点是耐蚀性高、抗氧化性和热强性好，但耐磨料磨损能力不高。主要用在化工、石油、核动力等部门的耐腐蚀、抗氧化零部件的表面堆焊。为了提高抗晶间腐蚀能力，这类合金含碳量较低（w_C＜0.2％），堆焊金属硬度不高。但加入Mn元素显著提高其冷作硬化效果和力学性能，可用于水轮机叶片抗气蚀层、开坯轧辊等。在合金中加入适量的Si、W、Mo、V等可提高其高温硬度，用于高中压阀门密封面的堆焊。

（2）合金铸铁类堆焊合金 合金铸铁堆焊层C的质量分数为1.5％～6.0％，并含Cr、W、Ni、Mo、V、Ti、B等元素。按相结构分为马氏体合金铸铁和奥氏体合金铸铁。合金铸铁堆焊层的抗高应力磨损能力有较大的改善，而耐冲击性和韧性较低。马氏体合金铸铁堆焊层的硬度为50～60HRC，耐磨、耐蚀、耐热和抗氧化性较好，但不耐冲击；奥氏体合金铸铁堆焊层的硬度为45～55HRC。虽然硬度相对较低，但由于在奥氏体上分布着大量的高硬度碳化物，其抗低应力磨粒磨损能力较强，可抗一定程度的冲击。马氏体合金铸铁常用于堆焊矿山和农业机械中与矿石、泥沙接触的零件，奥氏体合金铸铁则常用于粉碎机辊、挖掘机斗齿等有中度冲击磨粒磨损的场合。

高合金铸铁的堆焊工艺一般采用焊条电弧堆焊，也可用粉芯焊丝进行半自动或全自动的自保护和气体保护电弧堆焊。高合金铸铁堆焊层的开裂倾向较大，因此堆焊层数一般不超过两道。有时为减小开裂倾向，可用Cr19Ni18Mn7焊条作为过渡层。奥氏体合金铸铁堆焊层的开裂倾向小于马氏体合金铸铁堆焊层，为了防止开裂，可根据实际情况对焊件进行预热，预热温度最高可达400℃。焊后要缓冷。

（3）碳化钨堆焊合金 碳化钨堆焊层是由胎体材料和嵌在其中的碳化钨颗粒组成的。胎体材料可由铁基、镍基、钴基和铜基合金构成。堆焊金属平均成分含W的质量分数为45％以上、含C的质量分数为1.5％～2％。碳化钨由WC和W₂C组成（一般含C的质量分数为3.5％～4.0％，含W的质量分数为95％～96％），有很高的硬度和熔点。含C的质量分数为3.8％的碳化钨硬度达2500HV，熔点约2600℃。

堆焊用的碳化钨有铸造碳化钨和以钴为粘接金属的粉末烧结成的粒状碳化钨两类。碳化钨堆焊合金具有非常好的抗磨料磨损性、很好的耐热性、良好的耐蚀性和低温冲击韧度。为了充分发挥碳化钨的耐磨性，应尽量保持碳化钨颗粒的形状，避免其熔化。高频加热和氧乙炔火焰加热不易使碳化钨熔化，堆焊层耐磨性较好。但电弧堆焊时，会使原始碳化钨颗粒大部分熔化，熔覆金属中重新析出硬度仅1200HV左右的含钨复合碳化钨，导致耐磨性下降。这类合金脆性大，易产生裂纹，对结构复杂的零件应进行预热。

（4）钴基堆焊合金钴基合金 又称为“司特立”（Stellite）合金。以Co为基本成分，加入Cr、W、C等元素组成的合金，主要成分（质量分数）为：C0.7％～3.0％，Cr25％～33％，W3％～25％，其余为Co。钴基合金堆焊层的基体组织是奥氏体＋共晶组织。含碳量低时，堆焊层由呈树枝状晶的Co-Cr-W固溶体（奥氏体）初晶和固溶体与Cr-W复合碳化物的共晶体组成。随着含碳量的增加，奥氏体数量减少，共晶组织增多。改变碳和钨的含量可改变堆焊合金的硬度和韧性。

含C、W较低的钴基合金，主要用于受冲击、高温腐蚀、磨料磨损的零件堆焊，如高温高压阀门、热锻模等。含C、W较高的钴基合金，硬度高、耐磨性好，但抗冲击性能低，主要用于受冲击较小，但承受强烈的磨料磨损、高温及腐蚀介质下工作的零件。

这类堆焊合金具有良好的耐各类磨损的性能，特别是在高温耐磨条件下的各类磨损。在各类堆焊合金中，钴基合金的综合性能最好，有很高的热硬性，抗磨料磨损、抗腐蚀、抗冲击、抗热疲劳、抗氧化和抗金属间磨损性能都很好。这类合金容易形成冷裂纹或结晶裂纹，在电弧焊和气焊时应进行200～500℃预热，对于含碳较多的合金选择较高的预热温度。等离子弧堆焊钴基合金时，一般不预热。尽管钴基堆焊合金价格高，仍得到广泛应用。

（5）镍基堆焊合金 在各类堆焊合金中，镍基合金的抗金属-金属间摩擦磨损性能最好，并且具有很高的耐热性、抗氧化性、耐蚀性。此外，镍基合金易于熔化，有较好的工艺性能，所以尽管比较贵，仍应用广泛。根据其强化相的不同，镍基堆焊合金又分为含硼化物合金、含碳化物合金和含金属间化合物合金三大类。

1）Ni-Cr-B-Si合金。即科尔蒙合金（Colomony），在堆焊合金中应用最广。它的成分（质量分数）为：C≤1.0％，Cr8％～18％，B2％～5％，Si2％～5％，其余为Ni。这种堆焊合金硬度高（50～60HRC），在600～700℃高温下仍能保持较高的硬度；在950℃以下具有良好的抗氧化性和很好的耐蚀性。合金熔点低（约1000℃）、流动性好，堆焊时容易获得稀释率低、成形美观的堆焊层。耐高温性能比钴基合金差，但在500～600℃以下工作时，它的热硬性优于钴基合金。这种合金比较脆，不能拔制焊丝，一般制成铸造焊条、管状焊丝或药芯焊丝，采用气焊、电弧焊、等离子弧等方法堆焊。合金堆焊层抗裂性差，堆焊前应高温预热，焊后缓冷。

2）Ni-Cr-Mo-W合金。即哈斯特洛伊合金（Hastelloy），有很多种。堆焊合金一般采用哈氏C型合金，成分（质量分数）为：C＜0.1％，Cr17％，Mo17％，W4.5％，Fe5％，其余为Ni。堆焊组织主要是奥氏体＋金属间化合物。加入Mo、W、Fe元素后，合金的热强性和耐蚀性明显提高。这种合金有很好的抗热疲劳性能，而且裂纹倾向比较小，但硬度不高，耐磨料磨损性能不好。主要用于耐强腐蚀、耐高温的金属-金属间摩擦磨损零件堆焊。

3）Ni-Cu堆焊合金。即蒙乃尔合金（Monel），一般含Ni70％、Cu30％（质量分数）。硬度较低，有很高的耐蚀性，主要用于耐腐蚀零件堆焊。

镍基堆焊合金可取代某些类型的钴基堆焊金属，这样可以降低堆焊材料成本。镍具有比铁更好的高温基体强度，因此与钴基合金有相似的应用范围，而镍基产品可作为钴基合金在耐高温磨损应用中的替代品。

（6）铜基堆焊合金铜基堆焊合金 包括纯铜、黄铜、青铜和白铜四类。这类堆焊合金有良好的耐蚀性和低的摩擦系数，适于堆焊轴承等金属-金属间摩擦磨损零件和耐腐蚀零件，一般在钢和铸铁上堆焊制成双金属零件或修复旧件。铜基合金不宜在磨料磨损和温度超过200℃的条件下工作。铜基合金大多可以拔制成丝进行气焊、电弧焊、等离子弧等堆焊。

铝青铜强度高、耐腐蚀、耐金属间摩擦磨损性能良好，常用于堆焊轴承、齿轮、蜗轮，以及耐海水腐蚀零件，如水泵、阀门、船舶螺旋桨等。锡青铜有一定的强度、塑性好、能承受较大的冲击载荷，减摩性优良，常用于堆焊轴承、轴瓦、蜗轮、低压阀门及船舶螺旋桨等。硅青铜力学性能较好、韧性好、耐蚀性好，但减摩性不好，适于化工机械、管道等内衬的堆焊。

各类堆焊合金的主要特性见表14-7。

表14-7各类堆焊合金的主要特性

2.堆焊金属的使用性能

堆焊金属的使用性能主要是提高零件对磨损、腐蚀、冲击及高温抗力的能力。实际运行中，零件的工作条件复杂多变，因而对堆焊金属的使用性能评价也是多样的。

（1）耐磨性由于工件之间相对摩擦的结果，引起摩擦表面分离出微小颗粒，使金属接触表面不断发生尺寸变化，工件发生磨损。摩擦和磨损是物体相互接触并有相对运动时伴生的两种现象，摩擦是磨损的原因，磨损则是摩擦的必然结果。

金属表面的磨损现象很复杂，对同一种工作条件往往存在几种磨损形式。例如，轧辊、热锻模等不仅受热疲劳作用，而且还承受磨料磨损、氧化磨损等；高、中压阀门密封面，在不同条件下可能承受磨料磨损、粘着磨损、腐蚀磨损等多种磨损形式。所以，必须具体情况具体分析，并找出起支配作用的磨损类型，作为选取堆焊合金的基础。

几种堆焊合金耐磨料磨损和耐冲击磨损的能力比较见表14-8。

表14-8几种堆焊合金耐磨料磨损和耐冲击磨损的能力比较

①以20钢磨损量为1计算。(www.xing528.com)

耐磨性是堆焊合金抵抗磨损的一个性能指标，可用磨损量表示。磨损量越小，抗磨损性能越高。磨损量既可用堆焊合金表层的磨损厚度表示，也可用堆焊合金体积或重量减少来表示。耐磨性有时也用单位摩擦距离的磨损量表示，称为线磨损量；或用单位摩擦距离、单位载荷下的磨损量表示，称为比磨损量。有时还经常使用相对耐磨性概念，相对耐磨性ε可表示为

ε＝标准试件的绝对磨损量／堆焊试样的绝对磨损量

相对耐磨性ε值越大，表示堆焊合金越耐磨。

为了评定堆焊合金的耐磨性，一般需要进行堆焊金属小试样耐磨试验、模拟实际工作条件的耐磨试验和实际零件堆焊后的使用运转磨损试验。由于磨损形式很多，不可能制定统一的试验方法，常常是针对每一种磨损类型进行试验，而对某一种磨损类型也还有许多评价方法。如磨料磨损试验可采用X4-B磨损试验机、干砂侵蚀试验机等方法。

（2）硬度 硬度是衡量堆焊金属耐磨性和抗冲击性能的指标。堆焊表层应具有一定的硬度，而且在工作温度下，硬度值不应发生大的变化，堆焊层表面硬度应均匀。

硬度的试验方法有很多种，大体上可分为压入法和刻划法两大类。在压入法中，根据加载速度不同分为静载压入法和动载压入法。静载压入法又根据载荷、压头类型和表示方法的不同，分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等多种。各种材料适用的硬度试验方法见表14-9。

表14-9各种材料适用的硬度试验方法

在同一磨损类型下，堆焊金属层硬度高时，耐磨性好；硬度低时，耐磨性差，但抗冲击性好。材料表面磨损是一个复杂的动态过程，硬度是一个静态参量，不能全面、正确地反映磨损这一动态过程。堆焊金属的耐磨性取决于其中硬质相的总量、各硬质相的性能和它们的分布形态、基体的硬度和韧性等。

硬度高有时并不意味着更好的耐磨性及更长的使用寿命。许多优质的堆焊材料其高耐磨性取决于弥散分布在基体中的碳化物，这些碳化物的硬度大于基体硬度，但韧性小于基体韧性。不同的堆焊金属即使有相同的整体硬度，也不能仅以此评判其具有相同的耐磨性。

耐磨性，尤其是抗低、高应力磨料磨损性，取决于金属硬度及其金属显微组织。而显微组织结构又取决于基体中的碳含量、合金元素以及碳化物的比例及类型。碳化物硬度高、分布均匀、含量多的堆焊合金具有优异的抗高、低应力磨料磨损的性能。

（3）耐蚀性 在摩擦过程中，堆焊金属表面同时与各种气体、酸、碱、盐等腐蚀介质发生化学或电化学作用而引起的破坏，导致零部件出现严重腐蚀。其中化学腐蚀是金属与介质发生化学反应而引起的损坏，其腐蚀产物是在金属表面形成表面膜。如果该表面膜致密、完整，强度和塑性、韧性好，线胀系数与金属近似，膜与金属的粘着力强，则表面膜就能对堆焊金属提供有效的保护作用。铝、铬、锌、硅等元素在堆焊金属表面能生成这样的氧化膜，可以缓解金属的腐蚀。

电化学腐蚀是金属与电解质溶液相接触时，由于形成原电池而使其中电位较低的部分遭受腐蚀，如堆焊金属在潮湿大气中的大气腐蚀、不同接触处的电偶腐蚀等均属于电化学腐蚀。钴基、镍基合金、奥氏体不锈钢、铝青铜等堆焊金属，都具有不同程度的抗大气腐蚀性。实际应用中，应根据特定环境选择适当的堆焊合金层。

当液体相对于金属表面高速运动时，表面不断产生气穴，随后在气穴消失过程中，液体对金属表面产生强烈的冲击力，如此反复作用，再加上液体介质的腐蚀作用，就造成了堆焊金属表面的气蚀破坏。水轮机转子叶片、船舶螺旋桨、水泵等常常发生气蚀现象。气蚀的形成原因复杂，既有冲击磨损、磨料磨损，又有腐蚀问题，因此宜选用既有较好耐蚀性，又有较高强度和韧性的堆焊合金。

堆焊金属的耐蚀性检验可采用盐雾试验、湿热试验和二氧化硫试验等。其中盐雾试验是一种规范的国际通用标准试验，该方法规定了标准化的试验程序，试样制备处理、试验过程、结果评定均按规定进行。试验过程是以一定的试验时间为周期。根据要求，试验过程要经过若干周期的试验。试验后对试样进行处理和评级。这类试验方法主要用作耐蚀性对比或评判。与盐雾试验相类似的还有醋酸盐雾试验和铜加速醋酸盐雾试验。

湿热试验是在试验箱中保持一定的湿度（相对湿度）和温度，以—定试验时间为周期，对堆焊试样进行试验。湿热试验是模拟自然大气环境，在储藏运输等过程中的腐蚀。该方法可以评定在人为模拟的某种温度和湿度下（或周期变化状态下）堆焊金属涂层的耐蚀性。

二氧化硫试验是模拟SO₂的腐蚀试验，一般采用750mm×500mm×750mm的试验箱，斜顶结构，相对湿度可以调节，温度可以恒定。试样放置后，由泵送入SO₂、O₂、CO₂和N₂等气体，温度恒定（40±2）℃，相对湿度（RH）为100％的SO₂气氛中保持8h，然后放出SO₂气体，定温条件下保持16h，如此24h为一个试验循环周期。另外一种方法是温度恒定（25±2）℃，相对湿度95％，通SO₂气氛（含SO₂量在5％～20％），以24h为一周期。试验后对堆焊合金层耐SO₂腐蚀性能进行评定。

3.堆焊合金的选用

堆焊过程中，只有正确选择堆焊合金才能保证堆焊合金层发挥其最好的工作性能，同时又能最大限度地节省合金元素。在选用堆焊合金时，满足使用条件的性能要求和经济上的合理性是非常重要的，而且工件的材质、批量以及拟采用的堆焊方法及工艺也必须加以考虑。

（1）堆焊合金的选用原则

1）满足零件在工作条件下使用的性能要求。为保证零件能正常使用和提高使用寿命，首先要了解被堆焊零件的工作条件（温度、介质、载荷等），明确在运行过程中损伤的类型，然后选取最适宜抵抗这种损伤类型的堆焊合金。例如，挖掘机的斗齿受剧烈冲撞的凿削式磨料磨损，应选用能抗冲击磨损的堆焊合金；而推土机的铲刀刃板属于低应力磨料磨损，可选用合金铸铁或碳化钨等堆焊合金。

2）具有良好的焊接性。所选用的堆焊材料在现场条件下应易于堆焊并获得与基体结合良好、无缺陷的堆焊合金层。必须注意堆焊合金与基体的相溶性，尤其是在修复工作中，基体很可能原先就是堆焊层，应对其化学成分、组织状态和性能有所了解，充分估计到基体稀释对堆焊合金层性能的影响。当基体材料碳当量较高时，为了防止堆焊过程中产生裂纹，可考虑预热、保温缓冷的工艺措施。也可考虑采用填加中间过渡层的解决办法。

3）堆焊的经济性。在选择堆焊合金时要综合考虑其经济性。所选用的堆焊合金不仅在使用性能大致相同的多种堆焊合金中是价格最低的一种，同时也应当是焊接工艺最简便、加工费用最少的一种。此外，还应考虑堆焊零部件投入使用后的经济效益。尤其在重大设备的修复工作中，可能堆焊成本或加工成本高一些，但由于缩短了修复时间，减少了设备停机的经济损失或由于延长了零部件的使用寿命也会带来巨大的经济和社会效益。

（2）堆焊合金的选择步骤 一般根据经验与试验相结合的原则选择堆焊合金。因为被堆焊零件工作条件的多样性对堆焊层提出各种不同的使用要求，而堆焊合金虽然品种多，而且性能各异，但与使用要求之间却有一一对应关系，很难一次选择即满足应用要求。选择堆焊合金的一般步骤如下：

1）分析工作条件，确定可能产生的破坏类型及对堆焊合金的性能要求。

2）根据工作条件选择堆焊合金，见表14-10。

3）分析待选堆焊合金与基体的相溶性，初步选定堆焊合金的形状和拟定堆焊工艺。

4）进行样品堆焊，堆焊后的工件在模拟工作条件下作运行，并进行试验评定。

5）综合考虑使用寿命和成本，最后选定堆焊合金。

表14-10不同工作条件下堆焊合金的选择

6）确定堆焊方法和制定堆焊工艺。

应用堆焊技术必须解决好两个问题：一是正确选用堆焊合金，为此必须清楚被堆焊零部件的材质、工作条件及对堆焊金属使用性能的要求，同时要熟悉现有的堆焊金属的种类、性能和适用条件；二是选定合适的堆焊方法及相应的堆焊工艺，为此必须掌握所选堆焊方法的工艺特点及其在堆焊中可能出现的技术问题，尤其要解决好堆焊合金与母材之间异种金属的结合问题。