感應熔覆工藝技術研究現狀與分析

杜嬋嬋，胡 雪※，楊洪坤，董 峰

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子832003；2.石河子勝利硬面有限公司）

0 引言

目前，由于現代工業技術的高速發展，機械裝備應用越來越廣泛。然而，機械裝備的材料利用率普遍較低，損耗比例較大。每年由于材料磨損而造成工件失效的經濟損失約占我國GDP 的2%～7%[1-3]。材料的磨損不僅造成能源浪費，而且消耗大量的人力、物力和財力來更換和修理零件，降低生產率。因此，越來越多的國家，尤其是工業發達的國家，越來越重視磨損與耐磨材料的研究。目前，對金屬材料進行表面處理的方法有很多，如：感應熔覆、激光熔覆、熱噴涂、電鍍、氣相沉積、表面黏涂等。其中感應熔覆技術憑借熔覆層成分可調、熔覆成品質量高、成本低等優點越來越成為廣泛應用的材料表面處理技術[4]。本文對感應熔覆技術原理、工藝步驟、國內外研究現狀做了簡要概述，并對感應熔覆目前存在的主要問題和發展趨勢作了簡要分析和綜述。

1 感應熔覆技術及工藝步驟

1.1 感應熔覆技術

感應熔覆技術是感應器在電磁感應效應的作用下，利用渦流產生的熱量使預置在基體上的合金粉末達到熔融狀態，并與工件表面產生冶金結合，得到與基體冶金結合的耐腐蝕、耐磨損的涂層。其中，交變電流、感應線圈和工件是感應熔覆技術工作的三要素。如圖1 為感應熔覆過程中的感應加熱原理圖，當交變電流通過線圈時在線圈附近形成交變的磁場，金屬工件位于磁場當中，在其表面形成與感應線圈中電流方向相反的感應電流，即渦流或磁滯損耗，使熔覆層和工件表面迅速加熱到高溫，冷卻后熔覆層與基體金屬形成冶金結合。根據頻率不同，感應加熱可分為工頻（f=50 Hz）、中頻（50 kHz＜f＜10 kHz）、高頻（f ＞10 kHz），交變電流頻率越高，電流透入深度越淺，被加熱層越薄[5]。此外，感應加熱具有加熱速度快、熱損少、加熱效率高、無污染、均勻性好、加工質量高、易于實現自動控制等特點。

1.2 工藝步驟

高頻（f ＞10 KHz）感應熔覆分為超音頻（10 KHz＜f＜100 KHz）和高頻（100 KHz）兩種，但是超音頻感應熔覆設備頻率較低，對基體產生較大的熱影響。在高頻感應熔覆中，合金涂層的主要制備步驟為：基體表面預處理→涂層調制→感應熔覆。

為了得到結合好、質量高的表面熔覆涂層，首先要進行基體表面的預處理，將基體表面的氧化膜或油污等去除。常用的預處理方法為清洗和表面噴砂。程國東[5]、徐福海[6]等人均采用此方法，制備出的涂層不僅成形良好而且與基體形成冶金結合。

涂層調制主要有預制粉末和預制粉塊兩種方法。預制粉塊法是將粉體壓制成塊狀，然后放置于工件表面進行感應熔覆，其原理圖如2[5]。如Han-Young Lee 等人利用粉塊法在鋼基體上制備NiAl 金屬化合物[7]。預制粉末法又分為冷涂法和熱涂法，熱涂法即把合金粉末利用熱噴涂的方法涂覆在工件表面后進行感應熔覆，這種方法簡單易行，操作方便，大大提高了生產效率[1]，如Takasakl N 等人用氧乙炔噴涂后再進行感應熔涂[8]；王繼東[9]用電弧噴涂后再進行感應重熔。但是，用熱噴涂法需要燃氣和助燃劑，不僅成本較高，而且氧化較嚴重。冷涂法即將粉末與粘接劑混合成膏狀，涂覆到工件表面，然后進行烘干處理，再進行感應熔覆處理。目前，越來越多的學者開始直接將合金粉末冷涂在工件的表面，得到的涂層不僅經濟實用，而且質量也更好。如王振廷[10-12]等人在粉末中加入一定量的粘結劑，制成膏狀物，涂敷于Q235 鋼試樣表面上；韓桂泉，張增志[13-14]等人將自行研制的粘結劑與粉末混合均勻后涂敷在工件表面。

感應熔覆涂層質量的受控參數很多，有電源頻率、加熱比功率、加熱啟動時間、試樣移動速度、感應線圈間隙等[15]。

2 國內外研究現狀

2.1 國內研究現狀

傳統的感應熔覆技術多數先將合金粉末涂覆在熱噴涂后的工件表面，再進行感應熔覆。這種方法簡單易行，操作方便，大大提高了生產效率。王繼東用電弧噴涂后進感應重熔[9]。但是，利用熱噴涂不僅需要燃氣和助燃劑，而且噴涂溫度難以控制，易造成氧化，浪費材料，增加成本。因此，近幾年研究者們開始采用高頻感應熔覆方法，直接將合金粉末冷涂在工件的表面進行研究。

張增志，韓桂泉，付躍文[16]分別用高頻感應熔覆、激光熔覆、氧乙-炔噴焊三種不同工藝制得GNi-WC25涂層，通過對比，得出高頻感應熔覆GNi-WC25 涂層的表層硬度、耐磨性和耐腐蝕性均最優，而且高頻感應熔覆涂層表面平整,后續加工量較少。青島建筑工程學院的林晨、林化春和東北大學的王德俊[17]利用含有70%鎳基自熔合金粉和30%WC 粉的混合粉末原料，對直徑為9.5 mm 的基體材料45 鋼先進行預處理，將其加工到直徑9.3 mm。然后將粉末制成膏劑，涂敷于試驗段表面。最后，利用高頻感應熔覆，將試樣放入真空爐內熔燒，對熔燒后的試樣進行熱處理，加工到標準試樣。結果表明：熱處理后基體的硬度提高，涂層和過度層的硬度基本不變；涂層的組織結構基本不受影響；在低周疲勞時涂層試樣疲勞強度大于未涂層試樣，在高周疲勞時疲勞強度小于未涂層試樣；過度層產生裂紋。常熟理工學院的孫德勤和戴國洪、徐正亞[18]利用高頻感應熔覆工藝制備鎳基ZrO2涂層，采用水玻璃作為粘結劑，質量比為10%的ZrO2粉末，對試樣以250 ℃烘干30 min，再逐漸加大電流，間歇式加熱，獲得了實現良好冶金結合的ZrO2涂層，微觀組織均勻，涂層厚度達750 μm，表面硬度為736.8 HV，滿足零件表面修復的要求。中國石油大學的程國東[5]采用NiCrBSi 自熔合金粉末和稀土La2O3為原材料，羧甲基纖維素為粘結劑，基體材料為35CrMo，采用HFP-30C 型高頻感應加熱設備進行熔覆，當感應加熱頻率為100 KHz，工作電流為1 400 A，處理時間為14 s 時，獲得NiCrBSi 熔覆涂層的質量最高。

高頻感應熔覆不僅可以修復失效的零部件，恢復其尺寸與形狀，還可以使材料表面獲得所需的特殊性能，已被廣泛應用于各類零件的修復。燕山大學的付瑞東和黑龍江商學院的馬麗心[19]利用自制的免噴涂合金粉末對感應重熔方法的適應性，以及重熔工藝參數對重熔層組織狀態的影響進行研究，發現隨感應電流的增加，熔化時間縮短，但對重熔層組織無顯著影響，得出免噴涂合金粉末采用感應重熔工藝是完全可行的結論。朱潤生[20]對高頻感應重熔的設備、材料、工藝進行研究，采用45鋼作為試件，經過噴涂自制的Ni60+NiWC35 自熔合金粉末涂層，再高頻重熔后，試件使用壽命提高到7～12 倍。

2.2 國外研究現狀

1995 年，C.K.Lin 和C.C.Berndt[21]將鎳鈷合金涂層和氧化鋯陶瓷涂層組成的熱涂層噴涂到金屬基體上，分別在400 ℃和800 ℃老化100 h，500 h，1 000 h，通過觀察樣品的顯微結構變化得知涂層對金屬的使用壽命具有一定的影響。之后，MatsubaraY和TomiguchiA[22]使用等離子噴涂后進行感應熔覆處理，Mathsbara Y 和Kumaguwa M[23]首先用火焰噴涂，其次用感應熔覆處理，得到的試件均具有較好的耐磨性及較長的使用壽命。

2001 年，Bruce Michael Warnes[24]發現在涂層中添加活性元素，金屬的抗氧化性將提高4 倍以上，同時，他利用化學氣相沉積工藝在鍍鋁過程中去除了有害的基底雜質，獲得了質量較高的涂層。H.J.Kim，S.Y.Hwang，C.H.Lee 等[25]通過比較含碳量在15%～45%的火焰噴涂涂層和爐熔鎳碳化硅合金涂層的特性，發現35%碳化鎢的鎳基碳化硅涂層質量最好，25%的碳化鎢在磨料磨損試驗中表現出最好的耐磨性，而添加40%的碳化鎢在干砂橡膠輪磨料磨損試驗中表現出最好的耐磨性。研究還表明，20%(或30%)的WC NiCrBSiC 復合鍍層的滑動耐磨性比調質JIS SUJ2 軸承鋼高近10 倍。Ji Hui Kim[26]等人研究了在SCM 440 基體上感應熔覆Fe-20Cr-1.7C-1.0Si 涂層的熱疲勞性能，表明涂層有很高的抗熱疲勞性。

3 存在的主要問題和發展趨勢

感應熔覆技術是一種新型表面熔覆強化技術，具有感應加熱技術和表面涂層技術的綜合優勢，能以較低的成本在材料表層制備出高耐磨性、高耐腐蝕性的復合金屬熔覆層，生產效率高、污染小、質量高，具有重要的研究價值和廣闊的應用前景。但是，目前感應熔覆技術的研究還處于起步階段，在實際的推廣應用中仍然存在著一些問題：

（1）感應熔覆是在1 000 ℃以上的高溫下進行的，涂層表面極易氧化，甚至表面涂層會發生流淌，嚴重影響熔覆效果。朱潤生[20]指出，大批量感應重熔時，用儀表測定溫度很難獲得一致結果，在實際操作中觀察涂層熔化時出現“鏡面反光”為止。顧偉超，張秀群，沈德久等[27]提出在真空環境下進行高頻感應熔覆，有效解決了氧化問題。但是，真空條件或非氧化條件下進行感應熔覆提高了成本，且不利于實現自動化生產。很多學者采用在預制涂層時增加一層保護層，既可以隔絕空氣，又可以防止合金液體流淌。程國東在熔劑中加入一定的活化劑進行保護，不但起到助熔的作用，而且還能生成具有一定物理、化學性能的熔渣，改善熔覆層的成形。但是，引入保護層的同時，勢必會帶來新的問題，如雜質殘渣如何去除、保護層是否會與涂層發生不利的化學反應等。因此，制備良好的、易于脫落的保護涂層具有十分重要的研究意義。

（2）在進行感應熔覆涂層涂覆時，常用的方法是手工涂覆，但是手工涂覆往往會導致較大的隨機誤差，造成涂覆不均勻、表面凹凸不平、熔覆層中出現“夾生”、“雜質缺陷和氣泡”等問題。有學者采用液壓控制進行涂層涂覆，不僅可以精確控制涂層量，還有利于實現自動化。

（3）現有的感應熔覆工藝方法采用固定優化參數的方法，雖然在一定程度上提高了熔覆成型的質量，但是并沒有從根本上改善。因此，深入研究感應熔覆成型機理、明確感應熔覆主要敏感參數，進而探索制備高質量的感應熔覆涂層工藝具有十分重要的研究意義。