不同涂覆工藝對感應熔覆涂層性能的影響*

王超塵,林 晨

(青島理工大學機械工程學院,山東青島 266520)

不同涂覆工藝對感應熔覆涂層性能的影響*

王超塵,林 晨

(青島理工大學機械工程學院,山東青島 266520)

主要研究了使用兩種不同工藝制備的Ni45合金涂層的性能。采用熱噴涂和冷涂的方式在Q235鋼表面制備Ni45合金涂層,并利用真空運動式高頻感應加熱的方式進行熔覆。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、顯微硬度儀和電化學工作站分析了兩種不同涂覆工藝制備的涂層的性能。結果表明:兩種不同工藝制備的涂層與基體之間都形成了冶金結合,使用感應熔覆方式制備的涂層更致密,沒有觀察到明顯的缺陷。感應重熔層(HFIR)的顯微硬度低于感應熔覆層(HFIC),但二者相差很小。在3.5%NaCl溶液中感應重熔層的耐腐蝕性弱于感應熔覆層,兩種涂層的耐腐蝕性均好于Q235鋼。

合金涂層;高頻感應;真空;顯微硬度;耐腐蝕性

0 引 言

鎳基合金涂層具有較高的硬度、耐磨性以及耐腐蝕性。在鋼的表面制備鎳基合金涂層能夠有效減緩基體的氧化,提高鋼的耐腐蝕能力。目前在鋼表面制備鎳基合金涂層的方法主要有熱噴涂、真空熔覆、高頻感應熔覆和激光熔覆[1]。熱噴涂的涂層與基體之間主要為機械結合,結合強度低,難以承受沖擊載荷,涂層易剝落[2];而真空熔覆時基體容易過熱,從而對基體的性能影響較大,且真空熔覆的涂層與基體之間元素擴散比例高,使得鎳基合金涂層的硬度、耐磨性以及耐腐蝕性都有所降低[3];相比與真空熔覆,高頻感應熔覆具有加熱速度快,元素擴散小,對基體影響小的特點。真空高頻感應熔覆集合了真空熔覆和高頻感應熔覆的優點,既能使被熔覆材料與空氣隔絕開來,從而避免了材料在加熱過程中的氧化和脫碳[4],又能充分利用高頻感應加熱升溫快、對基體熱影響小的特點,從而能夠獲得更高質量的鎳基合金涂層[5]。

目前真空高頻感應熔覆涂層的制備方法主要有兩種,一種是先利用熱噴涂的方式將鎳基合金粉末噴涂在基體上再對涂層進行重熔[6],另一種是將鎳基合金粉與粘結劑混合后涂覆在基體上然后進行熔覆兩種方式,分別稱之為真空高頻感應重熔和真空高頻感應熔覆[7]。而對于由兩種不同涂覆工藝造成的涂層性能的差別研究較少[8],筆者主要從組織形貌、顯微硬度和耐腐蝕性三個方面對利用兩種不同涂覆工藝制備的涂層進行了對比[9]。

1 試驗方法與過程

1.1 實驗方法

實驗使用LH-60型高頻感應加熱設備,功率60 kW,頻率40 kHz,感應線圈為銅管繞制并加裝導磁體的平面感應加熱線圈。實驗材料為Ni45自熔性合金粉末,粒度140～325目,Ni45成分見表1。

表1 Ni45合金粉末的化學成分 (質量分數,w t%)

制備尺寸為100 mm×50 mm×10 mm的Q235鋼板,并對鋼板進行打磨除銹,再使用丙酮進行清洗。對1號試樣進行火焰噴涂,使用噴槍為QHT-3/h型噴槍,噴涂壓力為氧氣0.4 MPa、乙炔0.04 MPa,噴涂距離100 mm,噴涂角度70°～90°。2號試樣采用冷涂的方式預制涂層,使用飽和松節油作為粘結劑,將飽和松節油與鎳基合金粉末混合,調制均勻后涂覆在基體表面,壓實涂層并保證涂層平整致密,觀察不到明顯缺陷,將預制涂層在真空干燥箱內烘干,烘干溫度100℃,保溫8 h。對制備好的試樣進行真空高頻感應加熱,采取兩步加熱法加熱涂層,先將涂層預熱至200℃,以降低涂層電阻率,然后提高感應電流,對涂層進行熔覆[8]。加熱在真空箱中進行,采用2X-15旋片式真空泵,工件放置在由步進電機驅動的工作臺上進行加熱,感應加熱示意圖如1所示。

圖1 感應加熱示意圖

1.2 分析測試方法

使用線切割機在所制得的試樣上切割出15mm× 15 mm×10 mm的小試樣,進行打磨拋光,使用自配的腐蝕液進行腐蝕,腐蝕時間10 s,如果效果不明顯則延長腐蝕時間5 s,使用日立S-3500N型掃描電子顯微鏡觀察涂層組織結構,對比不同工藝下的涂層微觀組織。利用FM-700型顯微硬度儀測試涂層和基體的顯微鏡硬度,以合金涂層和基體結合處的過渡層為0分界線,向上每間隔0.1 mm為一個測量點進行硬度測量,直至涂層表面,向下至與過渡層距離0.4 mm處。對每個測量深度各取5個橫向點,去掉最高值和最低值然后取剩余三個測量值的平均值,載荷為100 g,加載時間5 s。使用線切割機在1號試樣、2號試樣以及Q235鋼上切取10mm×10mm×10 mm大小的小試樣,使用砂紙對小試樣進行打磨后使用環氧樹脂包裹試樣,使試樣只露出10 mm×10 mm的工作表面(1號小試樣、2號小試樣的工作面均為熔覆面),并在工作表面的相反面引出銅電極,待環氧樹脂凝固后分別使用丙酮、無水乙醇和去離子水對試樣進行超聲波清洗,清洗完畢后吹干[10]。使用上海辰華CHI660E型電化學工作站對涂層的電化學性能進行測試,采用三電極體系,參比電極為飽和甘汞電極,輔助電極為鉑電極,測試溶液為質量分數為3.5%NaCl溶液,試驗溫度20℃。

2 實驗結果與分析

2.1 涂層顯微組織

圖2是兩種不同工藝下的涂層結合區顯微組織電鏡照片,從中可以看出,兩種涂層與基體之間都形成了過渡帶,這是由于在高頻感應加熱過程中,涂層的加熱區域主要集中在涂層與基體的結合處,導致涂層熔化的主要方式是熱傳導。在實驗過程中,有個別試件在預熱過程中涂層發生部分翹曲,雖然發生翹曲的涂層與感應線圈之間的距離更近,但是在對這類涂層進行高溫熔覆時,在未翹曲部分已經全部熔化的情況下,翹曲位置的涂層只是部分熔化,這也證明了涂層被加熱的位置主要集中在涂層與基體結合處。由于加熱過程中基體中的Fe、C元素和涂層中的Ni元素相互擴散,從而形成了電鏡照片下的過渡帶,過渡帶的形成標志著涂層與基體之間形成了冶金結合,這使得涂層與基體之間有很高的結合強度,正是因為冶金結合的產生,使得感應熔覆涂層與基體的結合強度遠遠超過熱噴涂,涂層與基體之間結合十分牢固,涂層有了更好的耐沖擊性能。

圖2 不同工藝下的涂層結合區顯微組織

從圖2可以看出1號試樣涂層與基體之間的過渡帶寬度較2號試樣略窄,且兩種涂層的冶金結合帶與涂層之間的分界線并不明顯,而在工件靜止加熱時冶金結合帶與涂層之間有著比較明顯的分界線[11]。造成這種情況的原因主要是在工件采用運動式加熱時,工件升溫迅速,涂層快速熔化,隨著工件的運動,熔化區離開感應加熱線圈迅速凝固,基體與涂層之間的擴散時間較短,也就產生了上述的情況。

圖3是兩種涂層的中部的SEM照片,從圖3可以看出:1號試樣分布著很多的小空洞,空隙率高于2號試樣,2號試樣涂層致密,沒有觀察到明顯的缺陷。造成這一情況的原因主要有兩個:一方面是由于火焰噴涂涂層本身有較高的空隙率,而在冷涂涂層的涂覆過程中對涂層材料進行了充分的壓實,使得涂層在加熱之前就已經具有了較低的孔隙率;另一方面,在熱噴涂時鎳基合金粉末熔化成為液滴,高溫的液滴直接暴露在空氣中,使得合金產生了部分的氧化,破壞了鎳基合金原有的組織結構,改變了合金的元素組成,導致涂層材料的自熔性能降低,氣泡不能很好的上浮,致使涂層具有較高的空隙率。而2號涂層由于在冷涂過程中很好的進行了壓實,并且合金性能沒有受到破壞,所以沒有觀察到1號涂層的問題。

圖3 不同工藝下的涂層中部顯微組織

2.2 涂層顯微硬度分析

圖4是不同工藝下的涂層顯微硬度分布圖,從涂層的顯微硬度分布圖可以看出,兩種涂層中部的的顯微硬度為600～700 HV,基體的顯微硬度約為200 HV,試樣2的顯微硬度較試樣1略高,但差別不大,兩種涂層的顯微硬度遠高于基體,硬度峰值出現在次表層。感應重熔涂層在進行熱噴涂時是在空氣中進行的,再加上噴涂氣體中本身含有氧氣,這就使得涂層材料的氧化率遠高于感應熔覆涂層,降低了材料熔覆后的硬度。與固定式感應加熱中涂層截面硬度呈明顯梯度分布不同,運動式加熱涂層的截面硬度相差不大,這同樣是由于涂層與基體之間元素擴散時間較短的原因導致的。使用運動式加熱時涂層迅速熔化然后快速冷卻,涂層與基體之間元素擴散時間很短,基體對涂層性能的影響小,靠近基體的涂層硬度變化不大,從而表現出總體硬度比較均勻的現象。

圖4 不同工藝下的涂層顯微硬度

2.3 涂層的耐電化學腐蝕性能

圖5分別為Q235鋼、熱噴涂重熔層、冷涂熔覆層在3.5%NaCl溶液中的極化曲線,其自腐蝕電位分別為-0.562 V、-0.482 V、-0.385 V,可見熱噴涂重熔層、冷涂熔覆層的耐腐蝕能力均高于Q235鋼,在鎳基合金涂層中含有大量的Ni元素,與鐵元素相比,Ni具有更高的自腐蝕電位,在被腐蝕后其腐蝕產物也比鐵的更為致密,對涂層起保護作用,有效的減緩了涂層的進一步腐蝕。冷涂熔覆層的抗腐蝕性能優于熱噴涂熔覆層。這是由于在熱噴涂熔覆層中有較多的氣孔,而冷涂熔覆層較為致密,另外在噴涂過程中,噴涂材料發生了部分氧化,也降低了涂層的耐腐蝕性能。

圖5 不同材料在3.5%NaCl溶液中的極化曲線

3 結 論

分別使用熱噴涂和冷涂的方式在Q235鋼表面預制Ni45合金涂層,再利用真空高頻感應熔覆的方法對涂層進行熔覆,獲得了兩種不同的Ni45熔覆層。感應重熔層的孔隙率高于感應熔覆層,兩種涂層與基體之間都形成了冶金結合,結合層與涂層之間分界不明顯。

感應重熔涂層和感應熔覆涂層的顯微硬度遠高于Q235鋼,兩種涂層的硬度分布都比較均勻,感應熔覆涂層的硬度略高于感應重熔涂層。

感應熔覆涂層和感應重熔涂層的耐海水腐蝕性均優于Q235鋼,相較與感應重熔涂層,感應熔覆涂層有更好的耐腐蝕性。

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Effects of Different Coating Process for Induction Cladding Coating Performance

WANG Chao-chen,LIN Chen
(College ofMechanical Engineering,Qingdao Technological University,Qingdao Shandong 266520,China)

In this paper,performances of Ni45 alloy coatings which are prepared with two different techniques are studied. Ni45 alloy coatings are prepared on Q235 steel surface by using the thermal spraying and cold coating manner,then fusion covering is conducted with the use of high frequency induction heating vacuum sporty manner.The performances of coatings which are prepared by two different coating processes are analyzed with the scanning electronmicroscopy(SEM),microhardness tester and electrochemicalworkstation.The results show that there aremetallurgicalbond between preparation coating and the basal body in both two different preparation coatings,yet the induction cladding coating is denser,and withoutobvious defects observed.While themicrohardness of the induction remelting layer is lower than the induction cladding layer,but the difference is very tiny.The corrosion resistance property of induction remelting layer isweaker than the induction cladding layer in 3.5%NaCl solution,and both corrosion resistance properties are better than Q235 steel.

alloy coating;high-frequency induction;vacuum;microhardness;corrosion resistance

TG146.1

A

1007-4414(2015)06-0073-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.026

2015-08-16

王超塵(1989-),男,山東菏澤人,碩士研究生,研究方向:真空高頻感應熔覆。