連續(xù)高頻感應(yīng)熔覆鎳基涂層制備工藝及其性能研究

王昊等

摘 要：通過高頻感應(yīng)方法利用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)制備出長條連續(xù)涂層。利用掃描電子顯微鏡、顯微硬度計(jì)對涂層進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)和顯微硬度分析，研究連續(xù)高頻感應(yīng)熔覆鎳基涂層的工藝方法和涂層性能。結(jié)果表明感應(yīng)加熱前需對涂層預(yù)熱至200℃，且采用變電流感應(yīng)加熱方法。涂層表面平整，組織均勻細(xì)致，涂層和基體之間形成良好的擴(kuò)散層。

關(guān)鍵詞：鎳基涂層；高頻感應(yīng)；連續(xù)；變電流

在零件表面進(jìn)行表面防護(hù)處理可以有效的減小或者解決磨損、腐蝕等問題，進(jìn)行表面涂層的制備方法有熱噴涂、激光熔覆、感應(yīng)熔覆等。其中高頻感應(yīng)熔覆技術(shù)因其熔覆后涂層效果好，和基體能達(dá)到冶金結(jié)合，試驗(yàn)過程易于控制，生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)脫穎而出。

現(xiàn)有大量文章對高頻感應(yīng)熔覆涂層進(jìn)行詳細(xì)的研究，研究方向涉及到熔覆不同金屬元素，單一元素對組織性能、磨損、腐蝕等方面的影響，尚未發(fā)現(xiàn)針對較大面積的基體進(jìn)行連續(xù)熔覆實(shí)驗(yàn)的工藝過程控制相關(guān)研究，文中以長條狀平板Q235-A為基體研究連續(xù)高頻感應(yīng)加熱鎳基涂層的工藝方法及其組織性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備涂層制備

實(shí)驗(yàn)選用型號為Q235-A型號的鋼作為基體，試樣尺寸為100*50*10 mm，涂層材料選用Ni60A自熔性合金粉末，首先將對基體表面進(jìn)行預(yù)處理，目的是將基體表面的氧化物和油污去除，再用不同型號的砂紙依次打磨，將打磨好的基體放入煤油清洗，烘干，等待備用。采用飽和松香和松節(jié)油調(diào)制成的飽和溶液作為粘結(jié)劑，將Ni60A金屬粉末調(diào)制成牙膏狀，均勻涂抹于基體表面，厚度控制在1.7-1.9 mm，壓實(shí)，確保沒有明顯缺陷存在。將涂層放入烘干箱中進(jìn)行烘干。烘干結(jié)束后取出待用。對試樣進(jìn)行感應(yīng)熔覆之前先將試樣放入真空箱之中進(jìn)行預(yù)熱處理，需將真空箱的真空度抽到50 pa以下，減少對涂層和基體的氧化程度。預(yù)熱完成之后進(jìn)行感應(yīng)熔覆涂層試驗(yàn)。

參考現(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)于感應(yīng)熔覆的內(nèi)容，同時(shí)為了滿足速度的精確性，選用步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)平臺(tái)來帶動(dòng)試樣進(jìn)行感應(yīng)試驗(yàn)。

1.2 感應(yīng)加熱前的預(yù)處理

在感應(yīng)加熱的過程中，材料的磁性是影響感應(yīng)熔覆涂層效果的一個(gè)重要因素。涂層Ni60A屬于鐵磁性物質(zhì)，當(dāng)溫度低于居里點(diǎn)溫度時(shí)，材料顯示為鐵磁性，電磁力先是斥力變?yōu)橐ψ詈笤僮優(yōu)槌饬?。?dāng)溫度高于居里點(diǎn)溫度時(shí)，材料顯示為順磁性。電磁力減小。試樣的感應(yīng)加熱過程中，溫度從居里點(diǎn)以下到居里點(diǎn)以上，從鐵磁性到順磁性轉(zhuǎn)變，電磁力也在進(jìn)行以上規(guī)律的變化。若不在感應(yīng)加熱前消除涂層電磁力的作用，電磁力會(huì)極大的影響涂層的質(zhì)量。

除材料磁性外，電阻率也在熔覆過程中影響涂層的質(zhì)量。隨著涂層溫度的升高，經(jīng)過粘結(jié)劑調(diào)和的Ni60粉末顆粒之間的接觸面積增大，電阻率下降。

在正式感應(yīng)加熱前進(jìn)行加熱預(yù)處理，減弱材料的磁性、電阻率對涂層質(zhì)量的影響。其中Ni60的居里點(diǎn)約為190 ℃?；wQ235-A材料的居里點(diǎn)約為768 ℃。當(dāng)溫度到達(dá)150 ℃以上時(shí)，涂層電阻率的下降開始變得緩慢，趨于平穩(wěn)。

故需在感應(yīng)熔覆涂層前預(yù)熱涂層至200 ℃左右，消除涂層鐵磁性，降低涂層電阻率變化對加熱過程帶來的影響。

1.3 感應(yīng)加熱參數(shù)的選擇

1.3.1 電流的選擇

由電流產(chǎn)生能量的關(guān)系 可知，電流的大小與金屬融化的效率有關(guān)，而電流的大小是由感應(yīng)加熱設(shè)備的輸出功率決定的。由此可以得出，感應(yīng)加熱設(shè)備的輸出功率決定試樣加熱的速度和效率。

輸出功率增大，電流增大，試樣加熱的速度變快，效率提高，但輸出功率過大的話，會(huì)使試樣加熱速度過快，難以控制加熱程度，容易造成涂層融化流淌；

輸出功率減小，電流減小，試樣加熱的速度變慢，效率降低，加熱時(shí)間的延長容易造成試樣氧化嚴(yán)重，降低試樣的性能。同時(shí)試樣加熱的過程越長，涂層和基體之間的過渡層越寬，元素?cái)U(kuò)散越充分。相互擴(kuò)散的過程中，涂層中Fe 元素含量增加，Ni、Cr 元素的含量減少，涂層的耐腐蝕性能降低。而Ni、Cr 等元素的存在正是涂層的耐腐蝕性能遠(yuǎn)高于基體材料Q235-A 鋼的原因。

1.3.2 平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度

在涂層到感應(yīng)加熱線圈的距離和電流的大小一定時(shí)，平臺(tái)的移動(dòng)速度決定了涂層熔覆的效果，平臺(tái)移動(dòng)速度過快，加熱時(shí)間不足，導(dǎo)致涂層不能完全融化或者出現(xiàn)夾生層；平臺(tái)移動(dòng)速度過慢，加熱時(shí)間過長，導(dǎo)致涂層氧化嚴(yán)重，稀釋率提高，降低涂層的耐腐蝕性。

電流大小和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度的大小是個(gè)動(dòng)態(tài)的關(guān)系。綜合上述要點(diǎn)，在滿足涂層的加工工藝可行性和使用性能的情況下，選取大的電流和快的平臺(tái)移動(dòng)速度。減少試樣氧化、降低涂層稀釋率。

1.3.3 變電流加熱

試樣在平臺(tái)的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入感應(yīng)加熱磁場范圍時(shí)，需要通過磁場感應(yīng)產(chǎn)生的渦流發(fā)熱使涂層融化，試樣繼續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，涂層融化的熱量不僅來自磁場感應(yīng)渦流發(fā)熱，還包括前部分涂層受熱傳導(dǎo)過來。此時(shí)為了保證涂層質(zhì)量，需要減少來自渦流產(chǎn)生的熱量。需要的感應(yīng)電流比剛開始加熱時(shí)的低或者試樣的移動(dòng)速度較剛開始加熱的快。

在感應(yīng)加熱時(shí)，為了控制涂層加熱后的質(zhì)量，有兩種加熱方案可供選擇：方案一，平臺(tái)移動(dòng)速度不變，通過改變感應(yīng)輸出電流來控制；方案二，感應(yīng)輸出電流不變，平臺(tái)移動(dòng)速度改變。通過比較，第一種方案通過改變電流能更精確的控制涂層的質(zhì)量，因此選用第一種加熱方案。

經(jīng)過大量的試驗(yàn)，得出在電流為1600 A，平臺(tái)移動(dòng)速度為0.93 mm/s的參數(shù)下，連續(xù)感應(yīng)熔覆出的涂層效果良好。

1.4 分析試樣制備

對涂層進(jìn)行感應(yīng)熔覆試驗(yàn)，冷卻后將試樣沿側(cè)面切開，露出涂層和基體的結(jié)合面，采用砂紙和拋光機(jī)將側(cè)面打磨至鏡面光澤。用S-3500N掃描電鏡觀察組織形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2 涂層顯微組織分析

圖1（b）左側(cè)為鎳基涂層，右側(cè)為基體，中間為擴(kuò)散層。由于感應(yīng)加熱的集膚效應(yīng)，基體和涂層之間的區(qū)域最先被加熱，基材界面被熔融的涂層合金浸潤時(shí)，基材表面薄層中的一些Fe、C 原子被激活，脫離基材點(diǎn)陣進(jìn)入涂層，并在液態(tài)合金中加速擴(kuò)散，迅速地改變了固溶區(qū)的成分。因此認(rèn)為，固溶區(qū)是涂層合金中的Ni、B、Si 和Cr 溶入基材高溫奧氏體γ 相中，使γ 相強(qiáng)烈合金化，穩(wěn)定性提高，在隨后的快速冷卻中，γ 相被保留下來，從而形成的一種固相擴(kuò)散產(chǎn)物。這種固相擴(kuò)散產(chǎn)物組織致密，耐腐蝕性極高，在掃面電鏡中呈現(xiàn)為黑色帶狀。圖中的擴(kuò)散層組織致密，與涂層、基體結(jié)合良好，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。

3 結(jié)語

（1）連續(xù)高頻感應(yīng)熔覆鎳基涂層下，需進(jìn)行變電流加熱，保證涂層整體吸收的熱量均等。

（2）正式加熱前需進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度約為200℃，以此來消除加熱時(shí)鎳粉的磁性，減小電阻率帶來的影響。

（3）在1600A感應(yīng)電流下熔覆出的涂層微觀組織形貌整體良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]許新軍. 中厚硬質(zhì)涂層制備工藝的探究[D]. 東華大學(xué)， 2014.

[2] 陸在平， 田玉亮， 朱成才. 高頻感應(yīng)重熔 Ni60AA合金粉末涂層的研究[J]. 熱噴涂技術(shù)， 2012， 4（1）： 44-46.

[3] 喬金士， 宣天鵬. 表面高頻感應(yīng)熔覆涂層技術(shù)[J]. 熱加工工藝， 2013， 42（16）： 14-18.

[4] 胡亮亮， 沈承金， 陳德娟， 等. 高頻感應(yīng)熔覆鐵基涂層組織的研究[J]. 2011.