[摘 要] 感应熔覆是将合金粉末预置于基体表面,采用高、中频感应方法使涂层粉末熔化,与基体实现冶金结合的一种表面涂覆工艺。这种技术研究还不成熟,但具有发展潜力。分析了熔覆电参数、感应间隙、线圈走速等工艺参数的选择原则及其对熔覆涂层组织结构和性能的影响;归纳了现有感应熔覆涂层的组织结构特点,分析了感应熔覆需要解决的热点、难点问题;最后提出了发展方向。
[关键词] 感应熔覆;表面涂层;工艺参数;涂层组织;涂层性能
0 前 言
机械零件要在高温、高压、腐蚀等特殊环境下工作,其破坏的形式主要有磨损、腐蚀、断裂,其中磨损和腐蚀导致的失效占相当大的比例[1]。磨损和腐蚀均发生于零件表面,对其进行表面防护可以有效地解决上述问题[2]。与传统的表面淬火、表面渗碳等工艺相比,表面熔覆能在工件表面形成一层高硬度、高耐磨、耐腐蚀涂层,而且能使涂层与基体实现牢固的冶金结合,从而使工件保持内部韧性而表层高耐磨高耐蚀的特点,不仅使工件的制造成本大大降低,也能更好地满足使用要求[3, 4]。熔覆技术较多[5~8],而感应熔覆技术由于其独特的优势而受到研究者的青睐[9]。
1 感应熔覆的特点
感应熔覆技术是将磁导率、电阻率与基体材料不同的合金粉末预先涂敷于基体表面,利用感应线圈中的交变磁场在工件中产生涡流,涡流的趋肤效应产生的热量熔化合金涂层,从而使涂层与基体实现冶金结合,达到强化基体的目的[8, 9]。一般情况下,基体选用成本较低的碳素钢,电阻率小,磁导率大,涡流突变增大。集肤效应发生在涂层表面与基体表面的界面处,以界面处涡流最大[10],这2个区域成为加热的高温区,其材料最先熔化、结晶,热量的传导使涂层中部材料接着熔化、结晶。这样不仅能使涂层材料与基体材料实现冶金结合,而且还能在基体表面形成一层晶粒细小、硬度高、耐磨、高耐蚀的涂层[11, 12],后续加工量小。这种方法不同于激光熔覆和等离子熔覆。激光熔覆和等离子熔覆的特点是加热从表层开始,热量由表层向内部扩散,加热的高温区在涂层表层,要达到界面处元素扩散形成冶金结合层时,表层温度往往很高,使涂层合金过热流淌或烧损氧化严重,工艺要求高[6, 7]。感应熔覆技术具有快速加热的特点,存在电磁力作用而使液态熔覆材料对流,虽然元素扩散的时间短,但也可使反应较为充分[10],具有涂层稀释率相对较低、对基体热影响小、涂层氧化烧损小、成本低以及工艺灵活等优点。
因此,感应熔覆具有很好的应用前景[11]。这项技术国外早在20世纪90年代就有报道[13],国内学者对该技术中涂层的选材主要集中在Ni和Cr基自熔合金粉末[11~17]。也有对其他成分合金粉末涂层进行研究[18~21]。从整体来看,涂层材料基本上是选用自熔合金粉末或湿润能力强的合金粉末;在主要参数选择方面,有中频感应频率和高频感应频率[17, 22~25]。以下就影响高频感应的一些关键因素、涂层性能和需要解决的问题作一综述。
2 熔覆工艺参数的选取
2. 1 涂层预制及粘接剂的选择
在感应加热前将粉末预涂于基体表面,涂层厚度一般参考表面涂镀层分类原则,选择厚硬化层(0. 1~1. 0 mm量级)[2]。考虑到粉末的松散性,如果实际工程需求特定厚度,可根据具体材料适当加厚[17]。粉末的涂覆一般有热涂和冷涂2种方法。热涂是采用热喷涂的方法将合金粉末预置于基体表面,再感应加热使合金粉末再熔化制备涂层[19]。严格讲,该涂覆方法应该定义为感应重熔而不是严格意义的感应熔覆。冷涂熔覆一般是将合金粉末和粘接剂混合均匀,直接涂覆于基体表面,然后采用感应加热技术使涂层熔覆的方法[22]。选用的粘接剂一般要求流动性好,粘接性强,能保持高的成型坯强度,使预制的涂层能保持高精度和高均匀性。其要求是耐一定高温,预热过程不起泡,加热过程中不飞溅和剥落;在加热过程中易挥发,不破坏涂层表面形貌,不改变涂层的原始成分。可根据涂覆材料选用松香、松节油、水玻璃、酚醛树脂、纤维钠等材料按适当比例配比加上适量的高温调节剂、活性剂等混合配制而成[1, 17, 23]。冷涂熔覆由于方法简单,发展前景好。
2. 2 电参数的选择
感应熔覆电参数的选择直接决定熔覆层质量。由感应集肤效应理论公式[26]:Ix=I0#e-x/D可知,在集肤深度内,感应电流在试样中的分布从外到内按指数函数方式衰减,表面最强。由电流产生的热量QWI2可知,电流的大小与金属加热熔化的效率有关。而感应电流的大小由感应设备输出功率决定(电压一定时由设备输出电流决定,输出功率一般为振荡功率的60%左右)。由此可知,设备输出功率决定工件的加热速度和加工效率,输出功率越大,加热的速度就越快,加热时间越短,直接加热层的热量来不及向内部传导,加热深度就越浅。输出功率不能太大,否则会使温度上升过快,涂层很快流淌,与基体不能形成良好的冶金结合;同样,功率太小热量积累较慢,涂层熔化不充分,且氧化严重。此外,加热的效率不仅与输出功率有关,还与感应线圈工作速度和感应间隙有关,感应熔覆时必须根据材料的物理参数、工件大小使设备输出功率和线圈工作速度、感应间隙相配匹[24]。感应电流(事实是功率)影响材料的熔化时间,影响涂层与基体结合层厚度,而对熔覆层和过渡层的组织状态影响极小;随着电流增加,结合层厚度减小,证明加热速率增大,热扩散时间较短,涂层稀释率较小。但没有研究对结合层和涂层组织均匀化的影响以及加热速率对消除涂层中间夹生层的效果[23]。
感应集肤效应理论式中另一个关键参数是D,对圆柱体试样而言,是涡流密度降为表面电流密度l/e(即36. 8%)处的深度,在电流透入深度D以内,吸收的功率为金属圆柱吸收总功率的86. 5%[27, 28]。由此可知,感应频率f是影响涂覆效果的一个重要参数。可通过f的大小来控制加热层厚度,实现结合层一定范围的稀释率以及所需厚度的表层硬化层。选择f的重要依据是加热效率和温度分布[26]。在设备输出功率和材料物理参数、试样直径确定后,能量输入速度越高,意味着加热效率越高,但实际工程中过高的功率会引起加热件的温差过大,反而使加热时间过长,甚至使表面材料过热流淌,同时随着频率的增加,设备成本随之增大。因此,选择频率时,应考虑到熔覆层厚度较小的特点,根据具体情况选择中频(1~10 kHz)、超音频(20~75 kHz)、高频(100 kHz以上)感应加热,不能无限制地提高f以减小D来提高效率[28]。对用中频感应和高频感应熔覆Ni60涂层的组织而言,高频感应熔涂层形成贫铬区的倾向小,组织均匀细致,而中频感应熔涂层形成贫铬区的倾向大且涂层组织基本上均为针状组织。这说明高频熔覆较中频熔覆具有更好的快速加热、快速冷却性。
因此,在电参数选择中,感应输出功率和感应频率是2个关键参数,要根据材料的物理参数具体确定。
2. 3 感应间隙和线圈走速
在感应熔覆时,感应器的内径与工件外径间应留有一定的间隙,即感应间隙。不同的间隙对热量的分布有很大影响,间隙太大,漏磁严重,加热缓慢,涂层易氧化;间隙太小,工件表面升温快,在很短时间内,涂层会熔化流淌[29],如果工件表面粗糙或厚度不均匀,甚至会发生感应器和工件接触,造成短路,击穿感应器或烧损工件。一般以1. 5~5. 0 mm为宜,当涂层为易熔合金时,选择大间隙,高熔点合金选择小间隙。线圈行走速度同样是影响熔覆质量的一个重要因素。在其他工艺参数确定之后,过慢的走速使合金吸收过多的能量,会导致合金过熔流淌,过快的走速可能使合金熔化不足、熔化不均匀等现象发生,甚至快热快冷作用明显,会使涂层中间层出现夹生现象。
在选择线圈走速时,一般厚的涂层,高熔点合金涂层要求慢的走速[12]。
3 感应熔覆涂层的组织结构与性能
感应熔覆涂层组织特征与工艺参数有很大关系,尤其频率参数非常关键。由于感应熔覆的涡流集肤效应,在工件表面和界面2个高温区,如果温度分布不均匀,就直接影响涂层组织结构和性能。2个高温区合金最先熔化,最先形核长大,依靠热量的传导作用,使涂层中间部分熔化结晶。因此,感应熔覆涂层组织呈现出3个不同组织区。
靠近基体的区域呈现为一条白亮带,这是涂层与基体元素互扩散实现冶金结合而形成的,是在熔覆涂层与基体间的过渡带。其原因是涂层与界面处由于涡流突变,界面产生很大涡流,此处温度很高,成为第一高温区;由于能量集中,基体材料优先熔化,高温下涂层中的元素向基体扩散,快速冷却时,涂层元素停留在基体中形成白亮带[30],当界面温度刚达到涂层熔点的瞬间,涂层表层尚未熔化,会形成一封闭的液体熔池,此时熔池内的液体金属膨胀将受阻,熔化的涂层材料会与基体在结合点处产生更为紧密的接触,增加了润湿性,使液体涂层与基体之间发生更充分的元素扩散,实现类似钎焊的连接,从而使涂层与基体结合良好。
由于集肤加热和快热快冷的特点,只要工艺参数合理,基体和涂层材料的稀释率不会太高,不会发生像钎焊一样的界面渗透。加上电磁力的搅拌作用,使液态材料在有限的稀释范围内对流扩散更加充分,因而该结合层组织更加致密均匀。对Cu合金的研究发现,这种结合层由垂直于界面的柱状晶组成,结晶是从界面开始形核长大,具有一维散热快速凝固的特点。另外,该区域具有类似钎焊特征,冷凝速度快,组织呈针状,具有树枝状特征,而且细小致密,对涂层起到耐磨骨架作用[10, 30, 31]。由于结合面处的这种组织特点,使涂层结合面更加牢固。
感应熔覆涂层最表层是第二加热高温区,能量也相对集中,该处合金熔化较充分,但表层与外部环境接触,散热快,冷速快,因而形成了细小、均匀、致密的等轴晶组织[32],其表层硬度最高,耐磨性能也很好。由于感应熔覆技术形成2个高温区,使涂层的中间部分靠热传导熔化,如果热量传导不充分,则在涂层中间部分出现熔化不足,结晶后出现中间/夹生0现象,这对涂层性能不利,应设法消除。
采用激光感应熔覆技术制备表面涂层,可以充分发挥激光能量聚焦和感应大面积加热的优点。通过合理调配激光和感应2种能量,可控制复合熔覆冶金反应的程度,能限制成分扩散和材料互混,获得不同的界面相组成,从而获得优良的、适合要求的熔覆层[33, 34]。
涂层的腐蚀性能也是一个重要的性能参数,感应涂覆工艺对腐蚀性能影响的研究报道不多。测试高频感应发现,采用高频感应较氧-乙炔喷焊方法获得的涂层具有较好的耐腐蚀性能,但对机理的研究还需进一步深入[35]。
4 存在的问题和解决方法
(1)最突出的问题是在涂层中间出现/夹生0现象,原因是热量传导不充分,未能使中间层完全熔化,在一定程度上影响了涂层性能。要解决这一问题,首先要从涂层制备工艺参数入手,关键是降低涂层的温度梯度:按照感应加热理论,调整频率参数是首选方案,适当降低频率,能增加涡流透入深度,使涂层直接加热层厚度增大,有效减小或克服/夹生0现象的产生,但频率不能降低太多,否则放热速度减慢,会影响涂层组织的形成,进而影响到涂层的使用性能;其次,感应间隙的调整也是一个可选参数,因为磁场的分布与距离感应线圈的远近有关[19],靠近感应线圈磁力线最密集,适当加大感应间隙,使通过基体的磁力线适当降低,分配到涂层的磁力线相应增加,能降低涂层的温度梯度,增加涂层直接加热溶化的几率,这样也会降低涂层的加热效率;为了保证加热效率和界面的冶金结合,还需要同时调整加热功率,以保证有充足的热量输入,所以选择参数时要慎重考虑,如果选择不当,可能首先会影响界面的结合;从电磁能的分布角度来看,设法减小涂层的电阻率,可减小基体中电流的分布,使更多的电磁能集中在涂层材料,有利于涂层顶部和底部温度的均衡,让顶部和底部材料同时熔化,能有效增大涂层中间层熔化的效率。在熔覆前对试样进行预热[10],可有效降低涂层电阻率,而且还能防止加热过程中涂层/起泡。
但预热温度不能太高,要根据基体材料和涂层材料综合考虑,否则会使材料严重氧化;涂层粉末粒度的大小会对涂层电阻率产生很大影响,因为不同粒度粉末接触面面积不同,粒度减小,颗粒接触面相应增加,电阻率大为下降[24],尤其在涂层加热失去磁性后,电阻率对涂层涡流加热的影响非常显著。这方面还未见研究报道,应该引起重视。
(2)感应熔覆热量集中在涂层与基体表层,对基体的热影响较小,又由于快热快冷的特点,可能产生局部应力集中。涂层冷凝时,收缩应力应尽可能释放,以减小局部应力集中,选择工艺参数时要加以考虑。否则,要采取后续措施去除应力。
(3)熔化从界面开始,逐步向表层推进,熔覆层从界面处开始存在温度梯度,这种结晶模式有利于合金层的除渣排气,如果工艺参数控制不当,会使涂层表面层凝固后,杂质和气体未完全排除,就会在涂层内产生杂质缺陷和气孔,影响涂层使用性能,所以要控制合适的工艺参数,尤其要采用变功率加热的方式,先大功率快速熔化,再小功率慢速加热,尽量使后阶段温度分布均匀[26]。这不仅有利于除渣排气,还有利于中间层的熔化,更能减小应力集中。
(4)加热涂层时温度的精确控制也是一个需要解决的问题,由于热电偶的测量元件和传输部分都是金属元件,在电磁场下也受到感应加热,产生附加电流,从而影响正常信号的传输,加上对热电偶和测试件良好接触并能随时跟踪加热点的要求,所以要精确测量、控制加热涂层的温度还要探索新的方法。如对测试元件采用外包绝缘[10]或采用红外热感应的方法进行测试,还需研究探讨。
(5)目前感应熔覆研究还处在起步阶段,因而感应加热理论研究是今后要深入研究的重要课题。有了完善的理论基础,才能根据要求自如地控制参数,制备出符合要求的涂层。
(6)在合金中加入稀土元素或活性剂,能显著改变粉末颗粒之间和粉末与基体表面的润湿性能,其与氧等有强结合能力,有利于涂层的除渣排气,能显著提高熔覆质量[21, 36],这也是感应熔覆技术今后研究的一个方向。
(7)目前研究制备的涂覆层合金一般是自熔合金和润湿性能较好的合金,在感应熔覆中还要求合金有一定的导电导磁性能,这在一定程度上限制了熔覆的范围。要拓宽熔覆合金的范围,采用复合熔覆技术是一个很好的方法。
参考文献略
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