金属材料的常用表面硬化技术主要包括喷焊、堆焊、熔覆等。下面将就这些表面硬化技术的基本原理、特点、适用对象等方面进行简要综述。
1 喷焊表面硬化技术
喷焊是对预热的自溶性合金涂层加热至1000~1300 (9) , 使颗粒熔化, 造渣上浮到涂层表面, 生成的硼化物和硅化物弥散在涂层中而使表层硬化。所得到的硬化层是致密的金属+陶瓷颗粒的复合组织, 且与基体形成约50~100mm的扩散冶金结合层, 其结合强度约400MPa, 抗冲击性能较好, 耐磨耐蚀性能优良。
喷焊涂层与热喷涂涂层最大的不同体现在两方面:涂层与基体结合形式不同, 在等离子喷涂镍包铝粘结层时, 通过Ni-Al发生放热化学反应, 在部分表面形成微冶金结合底层, 大部分与涂层产生“锚钩”效应的机械结合涂层, 结合强度一般不高于100MPa;喷焊涂层与基体之间的结合是完全的冶金结合, 结合强度在400MPa左右。喷涂材料不同, 喷焊要求使用自熔性合金粉末, 自熔性合金粉末是以镍、钴、铁为基材的合金, 其中加入适量硼和硅元素, 起脱氧造渣焊接熔剂的作用, 同时能降低合金熔点;喷涂则对粉末的自熔性没有要求, 可以根据需要, 设计和喷涂各种材料。因此自熔性合金粉末既可用于喷焊又可用于喷涂, 而且, 为了进一步改善性能或增加功能, 自熔性合金+功能粒子的复合粉末的热喷涂在实际中应用较多。
2 堆焊表面硬化技术
堆焊表面硬化技术是用电焊或气焊法把材料熔化, 堆积在工具或机器零件上获得硬化表面的技术。根据电焊工艺的不同, 堆焊表面硬化技术有很多种类, 其中性能最好的是等离子弧堆焊, 最常用的是带极堆焊。自动堆焊技术主要针对表面平整、形状规则的工件, 氧-乙炔气焊手工堆焊技术较常用。堆焊表面硬化层的技术特点主要体现在:涂层很厚、硬度高、结合强度很理想、耐磨、耐蚀、耐冲击性能优良等。
喷焊工艺与电弧堆焊的区别在于:喷焊层与基体之间的结合是溶解扩散冶金结合, 而堆焊则是熔化冶金结合, 在喷焊过程中基体不熔化, 只是喷焊层与基体之间产生溶解作用, 在两者之间存在一个扩散互溶区。由于基体不溶物, 喷焊层稀释率极低, 可以保证喷焊层的良好性能;堆焊基体熔化, 堆焊层稀释率高, 需要堆焊很厚才有可能保证焊层的性能, 且零件轮廓棱角难以保证, 常见咬边, 棱角塌陷, 但喷焊不会出现此类缺陷。
3 熔覆表面硬化技术
金属材料表面熔覆技术的基本原理是:将经过特殊处理 (例如:高温熔炼、雾化处理、机械研磨混合等) 的合金粉末用特定的粘结剂 (水玻璃、松香油、酚醛树脂等) 调合后, 均匀地涂在基体表面上, 在严格控制温度的情况下加热烘干, 然后用高温热源 (氧-乙炔火焰、感应加热、氩弧、激光或等离子弧等) 进行加热, 使合金粉末熔化, 熔覆材料与基体形成一种冶金结合层。表面熔覆技术工艺简单、操作方便、处理速度快、劳动强度小、硬化层质量稳定、与基体结合牢固、成本较低。
激光熔覆是利用激光的高能量密度, 将涂层材料和一薄层基体表面同时熔化, 并快速凝固后形成稀释度极低、与基体呈冶金结合的表面涂层, 会显著改善基层表面的硬度、耐磨、耐蚀等性能。与其它表面硬化技术相比, 激光熔覆稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒径及含量变化大、适合自动化生产, 因此激光熔覆技术应用前景十分广阔, 其不足之处就是设备投入大, 不太适合形状不规则表面的熔覆。
感应熔覆技术是利用感应线圈在钢铁表面形成的涡流加热、熔融合金粉末, 获得硬化层的方法, 熔覆层与基体之间是冶金结合, 目前感应熔覆技术主要用于自熔性合金及其复合涂层。虽然感应熔覆技术具有工艺简单, 成本低廉, 生产效率高, 适合自动化批量生产等优点, 但是受感应线圈尺寸和加热温度的制约, 该技术不适合大尺寸、不规则表面的工件和高熔点涂层的熔覆。
氧-乙炔熔覆技术主要是利用氧-乙炔火焰熔覆合金粉末, 而获得硬化涂层。和感应熔覆类似, 氧-乙炔熔覆硬化涂层主要针对自熔性合金及其复合涂层, 该工艺具有工艺简单, 成本较低, 生产效率较高等特点。但是为了得到高质量的熔覆涂层, 需要精确控制熔覆工艺参数和提高涂层结合强度。
摘要：本研究针对PDC钻头钢体结构复杂, 表面硬化难度大、技术要求高的特点, 开展钢体表面冷态涂覆硬质合金材料、熔覆方法和工艺参数的理论与试验研究, 形成一套适合钢体PDC钻头的表面熔覆硬化技术。这对于提高钢体PDC钻头性能和生产效率, 降低生产成本等, 都具有十分重要的意义。
参考文献
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