摘要：针对硬面材料的基础特征展开分析，内容包括可焊性较强、热处理性能、独特性、产品形式多样等，结合硬面方法和段面合金选择、工件的具体制备、进行加工材料预热、基体金属选择、确定硬面层厚度等应用流程，通过研究铁基硬面材料、镍基硬面材料、钻基硬面材料、碳化钨硬面材料等常用材料的用途，其目的在于提高对硬面技术的认知水平，促进零件再制造行业经济的稳定发展。
关键词：硬面技术；机械零部件；可焊性；热处理性能；铁基硬面材料
硬面技术是一种金属表面强化技术，它包括人们熟知的热喷涂、喷焊和堆焊，国外统称为硬面技术。硬面技术的实质是用复合材料来制造金属机械零件，在很多领域中都有着非常良好的应用。硬面技术作为一类重要的制作工艺，在应用中可以对特定的退役零件展开再制造，搭配着质量在线实时检测工作，也可以根据发现的问题及时调整工艺参数，以保证再制造产品的质量，使其可以更好地满足再生材料的应用要求。将硬面技术应用到机械零部件中的再制造和产品预防中，对于改善材料综合性能，延长设备产品使用寿命有着积极地意义。
一、硬面材料的基础特征
（一）可焊性较强
硬面材料是通过焊的途径涂敷到零件表面的，因为是异材结合，所以它们必须具有良好的可焊性。作为零件基体的普碳钢有良好的可焊性，但铸件的焊接难度较高；而含有铬元素、锰元素、硅元素、镍元素的低碳合金钢在使用中就具备了良好的焊接性，但是对于含碳量超过0.5%的高合金钢在焊接时的难度较高，此时也需要采取配套措施来提升结构的可焊接性。另外，硬面材料在使用也需要和待焊接部位进行良好焊接性，从而确保所有基体材料均具备良好的可焊接性。
（二）热处理性能
硬面材料在应用中必须不必进行热处理就可以达到预定的性能。这是因为两种性能截然不同的材料焊合在一起，由于导热系数、热膨胀系数、金相组织的不同一般都难以经受热处理。硬面材料用在大型复杂零件上的目的也是为了避免再作热处理。因此，硬面材料的最终金相组织和性能是依靠其合金成份来保证的。奥氏体（高锰钢）、马氏体、碳化物硬质相都是在焊后空冷中得到的。避免了热处理过程后，硬面工艺实现了真正意义上的方便价廉。某些硬面材料施焊后的缓冷或退火处理是为了防止零件的开裂或变形，一般不超过650℃，如果焊接时出现温度超过650℃的情况，那么在对其进行处理时，也需要注意额外的应用内容，以此来提高结构处理结果的可靠性。
（三）独特性
在硬面材料的应用中，其中的化学成分具备一定的独特性，在对零件表面进行施焊处理后，其成分并不等同于施加焊接后涂敷层的应用成分，其主要原因在于硬面材料在实施焊接中，涂层中的成分一部分会被零件基体材料进行稀释，一部分也会在元素养护作用下出现烧损问题。例如，利用氧乙炔碳化焰进行焊接时，可以根据实际情况选择脱碳或者增加碳，从而起到优化基层的作用。而一些锆合金电焊条中的合金元素也会从药皮过渡到涂层，并且在施焊过程中，碳元素、锰元素、铬元素、硅元素也可以根据实际情况进行增减，但是需要明确的是，在应用过程中起到作用的内容是焊接后的材料成分，其性质也和这些内容有着直接联系。
（四）产品形式多样
除上述提到的应用特点外，在实际应用中，硬面材料在使用中也具备了产品形式多样的特征。这也是为了更好地适用于不同焊接工艺和涂层焊接要求，并且从实际应用情况来看，不同的硬面材料在应用中也可以对应多种产品形式，常用产品形式和对应工艺、涂层厚度等内容如下：（1）粉末。如果涂层厚度在0.1-0.3mm，那么可选工艺类型包括氧乙炔喷涂、等离子喷涂和超音速火焰喷涂，所使用工艺特点为工件不会出现形变，孔隙率在3%-15%，涂层成分不会出现稀释问题；如果涂层厚度在0.3-1.5mm，那么可选工艺类型包括氧乙炔喷涂和等离子喷涂，所使用工艺特点为工件不会出现形变，孔隙率在5%以内，但是涂层成分会出现5%-10%的稀释问题。（2）电焊条。厚度普遍在0.3mm以上，多采用手工电焊的方式进行处理，所使用工艺特点为工件会出现较大变形，不存在孔隙问题，但是涂层成分会出现10%-25%的稀释问题。（3）气焊条。厚度普遍在0.3-3.0mm，会使用氧乙炔焊、氩弧焊进行处理，所使用工艺特点为工件会出现中等程度的变形，不存在孔隙问题，但是涂层成分会出现5%-20%的稀释问题。
二、硬面技术在机械零部件中的再制造和产品预防中的应用流程
（一）硬面方法和段面合金选择
无论是对已磨损零件进行修复硬面，还是对新备件直接硬面，大部分是通过堆焊，一部分是通过热喷涂方法来完成，根据硬面焊接材料类别不同，可分成手工焊、半自动焊和自动焊三种；而这些材料大致分成铸棒、管棒、焊条、管条、明弧管丝、埋弧管丝和合金粉末。应用何种方式，选用那种材料要取决于待修复硬面部件的实际使用工况、磨损程度和现实的焊接设备条件。各类硬面焊接材料作为硬面合金，大致分成钻基、镍基、铁基和碳化钨四个系列，同一系列又分成小类，例如铁基可分成低合金、锰钢、高铬铸铁、不锈钢等。因此，在机械零件再利用环节，对于硬面合金的选择，会基于节约性和实用性原则展开，并且在多数情况下，材料所占有的比重相对较小，但是设备条件的制造费用，停工时的生产损失会带来较多的成本损失，以满足后续应用时的相关需求。
（二）工件的具体制备
在对工件进行制备处理时，也需要注意以下内容：第一，对于再制造零件需要进行表面泥灰、油污、锈迹、油漆、污渍等污染物进行清理，确保焊接位置不存在杂质；第二，将结构表面的疲劳层清理干净，如果待焊件表面存在疏松孔，那么也需要提前利用打磨机，将其清理干净，对于存在缺陷或者破裂的部分，也需使用相应规格的焊条来进行补强，借此来确保修复硬面质量可以满足相应的焊接要求。第三，加强工件制作时各个节点的质量检查工作，确定每个环节的合规性，对于发现的问题也需要及时展开处理，确保最终制备结果的可靠性。
（三）进行加工材料预热
在实际应用中也需要做好加工材料预热处理，其主要作用是避免材料焊接时出现形变、剥落、破损等问题，以确保处理后所得成品的应用质量。结合以往应用经验可以了解到，在确定加工材料预热温度时，需要考虑基体金属的含碳量和合金含量。如果加工材料内部碳含量越高，那么此时进行预热处理时的温度也越高，并且合金含量也会对预热温度带来相类似的影响。等待基体表面达到了既定的预热温度后，需要继续维持这一温度10-15min，确保所有加热温度可以顺利达到工件芯部，避免冷热不均匀导致结构形变问题。例如，使用铸铁件进行加工时，需要将其预热到暗红色的状态，然后借助缓冷的方式来进行处理，以营造良好的部件加工环境。
（四）基体金属选择
如果加工零件的磨损情况比较严重，那么此时也需要使用合适的修复材料进行处理，期间会采用堆焊的方式来处理，以此来作为焊件的底层，此过程中也需要提前预留出5-10mm的间隙，从而方便硬面处理工作的推进。使用到的修复材料需要保持较强的机械强度，从而确保结构可以满足相关要求，以提升结构的抗冷变形能力。如果所选材料并不具备此类性能，那么进行堆焊处理后，其硬面涂层的延展性也会不断降低，并且在缺少承载力的情况下出现剥裂问题。另外，在基体金属材料的选择中，也需要做好机械性能的考量，并且修复材料也需要契合基本金属硬面涂层，进而满足处理结果的可靠性。
（五）确定硬面层厚度
完成上述处理工作后，进入到硬面层处理环节，在此过程中确保硬面合金涂层厚度合规性。在具体处理过程中也需要注意以下内容：第一，对于第一层进行焊接，其主要作用是和基体共同组成掺和层，所使用的材料需要契合基体基础情况，以提高结构的混合度。第二，对于第二层结构进行焊接处理，其主要作用是形成结构的抗磨损面，并且也需要加强处理工作，以提升处理结果的合理性。第三，做好各节点焊接质量检查，并且将硬面层厚度控制在合理范围内，以提高所得结果的准确性。需要注意的是，在堆焊处理中如果使用碳化钨作为基体材料，那么此时则需要利用堆焊的方式进行处理，从而提升处理结果的可靠性。
三、硬面技术在应用中的常用材料及用途
（一）铁基硬面材料
1.马氏体钢
此类材料在焊接处理后属于马氏体组织，其具备了良好的机械性能，得到材料的硬度为HRC35~50，同时也具备了较强的韧性，施焊处理后其涂敷层也会使用机加工的方式进行处理，造价成本较低。而这些材料仅限于常温下的服役零件，如果处于高温状态，其强度和硬度也会明显下降，但是对于某些品牌的材料，也会使用钨来强化材料，此时材料适用性可满足500℃的使用要求。此类硬面材料在使用中，主要用在金属和金属摩擦磨损，其并不能抗强磨粒磨损，主要使用在机械零件的耐磨层，如有轨车轮、履带车的导轮结构、滚轮结构、起落架结构、底盘结构等，而对于这些材料进行焊接处理时，主要使用到的焊接方式为埋弧焊接，对于一些中等大小零件在处理中，则会使用手工电焊以及明弧焊来进行处理，以得到可靠的焊接结果[1]。
2.奥氏体高锰钢
此类材料在焊接处理后属于奥氏体组织，其具备了良好的机械性能，得到材料的硬度为HRC44~48，同时也具备了较强的韧性和耐冲击性，同时也具备了中等程度的耐磨损性，零件涂敷层在处理后不会进行切削处理，只是利用砂轮机进行打磨处理后便可以继续使用。从应用情况来看，材料主要应用在具备高冲击负荷或者中等抗磨损的零件，如铁路道岔、车辆履带、破碎机等。在对其进行处理时，常用的施工方法则会使用手工电焊条，对于一些大型零件可以采用埋弧焊进行处理。为了进一步提升高锰钢材料的耐磨损性，在零件的涂敷层进行处理时，也会使用点焊或条焊高铬铸铁或碳化钨材料来进行处理，从而形成更具耐冲击性、耐磨损性的性能，以提高焊接质量的合规性[2]。
3.高铬铸铁
此类材料在焊接处理后属于铸铁结构，同时结构中也包含了大量的M7C3型碳化物硬质，从而提高材料的耐磨损性，而得到材料的硬度则达到了HRC52-62，其强度仅次于碳化钨材料，但是材料冲击韧性较弱。而零件堆焊层不会进行机加工处理，这一类合金在应用中，主要用在冲击负荷较小，并且具备强烈磨粒磨损要求的零件位置，而且还具备了很强的耐腐蚀性。目前使用到的零件包括搅拌机、混料机、刮料板、输送管道等。在零件的涂敷层进行处理时，多采用手工电焊条来进行处理，对于一些大零件也会使用丝材埋弧焊进行处理，以提高最终的应用效果[3]。
4.铁基自熔合金粉
这一类硬面材料在应用中，其中含有大量硼元素和硅元素，并且其熔点相对较低，只有1050-1100℃，而涂敷层则固溶奥氏体中硼化合物以及碳化合物的共晶，并且在喷焊处理时，低熔点的熔融合金层也具备了较强的流动性，这也可以得到硬度在HRC30~60的材料，具备了更强的适用性。由于此类材料属于合金粉末，在应用中也会受到涂层厚度小于1.5mm的材料，目前主要用在小型以及精细零件的处理上，如机械零件的轴结构、导轨结构、非腐蚀性阀门结构等。同时在对其进行焊接处理时，也可以选择较多的焊接方法，如等离子喷焊、有氧乙炔火焰喷焊等，从而得到更加可靠的焊接结果[4]。
（二）镍基硬面材料
此类硬面材料在应用中，主要是将自熔合金粉作为原材料，焊接后的组织基本上和铁基自熔合金粉保持一致。并且使用到的镍基材料在应用中，其具备的最大特征便是具备了很强的耐腐蚀性，并且在应用中的焊接性能也处于良好状态。从造价成本上来看，其价格基本上是铁基的3-4倍，但是作为粉末涂层的厚度基本保持在1.5mm以内，所需用量较少，在很多领域中都有着广泛应用。从材料应用情况来看，此类材料日主要应用在有耐高温、耐腐蚀、耐磨损的零件中，例如，风机叶片、风机叶轮、液压立柱等，在对其进行焊接处理时，多采用等离子喷焊、有氧乙炔火焰喷焊进行处理，以得到性质良好的应用材料[5]。
（三）钻基硬面材料
1.钻基合金
从目前的应用情况来看，钻基合金属于造价非常昂贵的硬面材料，此类材料最大的特点是具备了稳定的耐高温机械性能，在外界温度达到400℃时，钻基合金依旧能够保持其常温状态下性能的70%-80%，而此性能可以一直延伸到650℃。并且钻基合金在应用中也具备了较强的抗高温氧化性、耐腐蚀性，同时材料在常温和高温状态下也可以保持良好的光亮度，并且也具备了较强的抗摩擦性和抗咬合性能，这也使得此类材料广泛应用在高温高压阀门密封处理、内燃气排气阀连接当中。对其进行焊接处理时，多采用等离子喷焊、有氧乙炔火焰喷焊进行处理，以得到光滑的焊接面[6]。
2.钴铬钨碳合金
相较于钻基合金，钴铬钨碳合金则属于一种非常经典的钻基硬面材料，其含碳量超过1%，具备了良好的机械性能和应用强度，据数据显示经过焊接处理后，其涂敷层的硬度可达HRC40-52，并且材料在高温状态下，其耐磨性、耐冲蚀性能良好，主要应用在汽轮机叶片、热挤压螺杆的加固处理。而且此类合金材料的耐温性和耐腐蚀性，也使得其可以大量应用在内燃机排气阀加固、高温高压阀门密封中，属于现阶段应用比较广泛的硬面材料[7]。
3.多类型钻基合金
相较于钻基合金，此类合金含碳量小于0.5%，其中主要添加了镍、钼、铁等元素，具备了良好的机械性能，据数据显示经过焊接处理后，其涂敷层的硬度会明显降低，其数值只有HRC23-35，并且材料在高温状态下，其耐热循环性、韧性良好，在对其进行施焊时，并不会出现开裂的问题。要应用在汽轮机叶片的加固处理。而且此类合金材料的耐温性和耐腐蚀性，也使得其可以大量应用在热锻造模具当中，而且利用其抗温特征，也会制作仪器高温反光镜，属于现阶段应用比较广泛的硬面材料。
（四）碳化钨硬面材料
除上述提到的硬面材料外，在实际应用中碳化钨属于硬度最高的材料，主要是在施焊过程中，将碳化钨颗粒物固定在受力面上，而且在应用中材料的耐磨性非常好，使用寿命可以延长0.3-0.5个周期。此类材料在应用中，具备了较强的不可替代性，常用在耐磨损要求高的零件。如钻井管道接头位置的耐磨带、硬质合金钻头表面等，此类零件在应用中，会受到地层岩体的持续磨损，进行更换的难度较高，对此会使用到碳化钨硬面材料来进行补强，从而提高结构表面的耐腐蚀性和耐磨性。在对其进行焊接处理时，经常使用氧乙炔火焰喷焊的方式进行处理，有时也会使用到等离子喷涂或者超音速火焰喷涂的方法进行处理，以得到表面平整度高、稳定性良好的零件[8]。需要注意的是，碳化钨材料进行多层堆焊处理时，由于碳化钨颗粒的比重相对较大，在焊接时很容易沉入到熔融焊池的底部，因此在具体的焊接处理中，一般只会堆焊单层，最多焊接两层，而涂抹层的厚度也不会超过2mm，而且焊接后很难再进行其他机加工，这也是焊接时需重点关注的内容。
四、硬面技术未来发展趋势
（一）材料的不断开发
结合目前的发展情况可以了解到，在未来发展过程中，硬面材料也在不断开发，再制造的零部件需具备更强的耐磨性与耐腐蚀性，并且所制造的材料也需要基于不同工况条件和再制造零件情况，来针对性开发出优异的新型硬面堆焊材料。为了得到更加多样化的实验材料，在未来发展中也需要不断加大研究力度，根据实验获取结果来讨论不同合金对于堆焊层组织性能带来的影响，了解这些材料具体的发展规律。而且根据这些发展规律来研制新型的硬质相和复合硬相，并以此为基础来作为粘结性基体金属与合金开发范围，从而更好地适应不同工况情况下，对于机械零部件进行再制造要求。
（二）焊接工艺的发展
在未来的发展过程中，焊接工艺也会沿着多元化的方向发展。以堆焊工艺为例，在未来的发展过程中，也需要开发适合新型硬面材料焊接处理的堆焊工艺，围绕这些新型材料研制出相应的堆焊设备，如目前市场中已经流通的微小型管道堆焊专用焊机，可以适用于新型焊接硬面材料。而且也需要对原有堆焊工艺进行改进，不断发展新型焊接工艺，并且在发展过程中，也需要结合特定零部件的基本特征来选择相匹配的工艺类型，从而获取到既定的组织性能，更好地满足应用需求。而且在发展过程中，也会充分利用工艺参数和组织性能之间的联系，从中选择最合适的工艺参数，从而不断提高再制造零部件的应用质量，从而降低试验成本，缩减实验与实践之间的时间间隔。
（三）基础理论的研究
在未来发展过程中，也需要加强基础理论的研究工作。基础理论体系的不断提升，可以为硬面堆焊技术的快速推广提供充足的理论指导，从而将工艺、硬面材料的使用价值发挥到最大，从而带来更多的经济效益。在具体的理论研究活动中，需要加强对于具备堆焊特点的有限元基础理论展开研究，并且在信息技术、大数据技术应用的优势下，也会搭建相契合的堆焊仿真模型，根据仿真模型实验结果来获取到更加充实的理论数据。并且在研究中也需做好堆焊过程温度场与应力场的理论分析，这样不仅可以为有限元仿真实验的完善提供验证数据，而且还可以更加快速的评价堆焊过程，减少实验与建模时间，从而理论体系的持续完善提供有效参考。
五、结语
综上所述，硬面技术在许多领域中都有着良好应用，具备了良好的开发潜力，将该技术应用到机械零部件再制造和产品预防当中，不仅可以提高零件耐磨性、耐腐蚀性、机械性能，而且也能够延长零件的生命周期，创造出更多的经济效益。而且硬面堆焊技术在焊接领域是一个相对比较成熟的技术，但通过现代技术改造升级这一传统工艺，在实验、数值仿真和基础理论等方面加大研究力度，促使其从“定性”走向“定量”、从“经验”走向“科学”，更好地在再制造这一现代产业链条中发挥重要作用。
作者：袁宏培 单位：安徽六安技师学院