連續高頻感應熔覆鎳基涂層制備工藝及其性能研究

王昊等

摘 要：通過高頻感應方法利用運動平臺帶動制備出長條連續涂層。利用掃描電子顯微鏡、顯微硬度計對涂層進行組織結構和顯微硬度分析，研究連續高頻感應熔覆鎳基涂層的工藝方法和涂層性能。結果表明感應加熱前需對涂層預熱至200℃，且采用變電流感應加熱方法。涂層表面平整，組織均勻細致，涂層和基體之間形成良好的擴散層。

關鍵詞：鎳基涂層；高頻感應；連續；變電流

在零件表面進行表面防護處理可以有效的減小或者解決磨損、腐蝕等問題，進行表面涂層的制備方法有熱噴涂、激光熔覆、感應熔覆等。其中高頻感應熔覆技術因其熔覆后涂層效果好，和基體能達到冶金結合，試驗過程易于控制，生產效率高等特點脫穎而出。

現有大量文章對高頻感應熔覆涂層進行詳細的研究，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，尚未發現針對較大面積的基體進行連續熔覆實驗的工藝過程控制相關研究，文中以長條狀平板Q235-A為基體研究連續高頻感應加熱鎳基涂層的工藝方法及其組織性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與設備涂層制備

實驗選用型號為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行預處理，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油調制成的飽和溶液作為粘結劑，將Ni60A金屬粉末調制成牙膏狀，均勻涂抹于基體表面，厚度控制在1.7-1.9 mm，壓實，確保沒有明顯缺陷存在。將涂層放入烘干箱中進行烘干。烘干結束后取出待用。對試樣進行感應熔覆之前先將試樣放入真空箱之中進行預熱處理，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。預熱完成之后進行感應熔覆涂層試驗。

參考現有文獻關于感應熔覆的內容，同時為了滿足速度的精確性，選用步進電機+滾珠絲杠運動平臺來帶動試樣進行感應試驗。

1.2 感應加熱前的預處理

在感應加熱的過程中，材料的磁性是影響感應熔覆涂層效果的一個重要因素。涂層Ni60A屬于鐵磁性物質，當溫度低于居里點溫度時，材料顯示為鐵磁性，電磁力先是斥力變為引力最后再變為斥力。當溫度高于居里點溫度時，材料顯示為順磁性。電磁力減小。試樣的感應加熱過程中，溫度從居里點以下到居里點以上，從鐵磁性到順磁性轉變，電磁力也在進行以上規律的變化。若不在感應加熱前消除涂層電磁力的作用，電磁力會極大的影響涂層的質量。

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

在正式感應加熱前進行加熱預處理，減弱材料的磁性、電阻率對涂層質量的影響。其中Ni60的居里點約為190 ℃?；wQ235-A材料的居里點約為768 ℃。當溫度到達150 ℃以上時，涂層電阻率的下降開始變得緩慢，趨于平穩。

故需在感應熔覆涂層前預熱涂層至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 感應加熱參數的選擇

1.3.1 電流的選擇

由電流產生能量的關系 可知，電流的大小與金屬融化的效率有關，而電流的大小是由感應加熱設備的輸出功率決定的。由此可以得出，感應加熱設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，加熱時間的延長容易造成試樣氧化嚴重，降低試樣的性能。同時試樣加熱的過程越長，涂層和基體之間的過渡層越寬，元素擴散越充分。相互擴散的過程中，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高于基體材料Q235-A 鋼的原因。

1.3.2 平臺的運動速度

在涂層到感應加熱線圈的距離和電流的大小一定時，平臺的移動速度決定了涂層熔覆的效果，平臺移動速度過快，加熱時間不足，導致涂層不能完全融化或者出現夾生層；平臺移動速度過慢，加熱時間過長，導致涂層氧化嚴重，稀釋率提高，降低涂層的耐腐蝕性。

電流大小和平臺運動速度的大小是個動態的關系。綜合上述要點，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移動速度。減少試樣氧化、降低涂層稀釋率。

1.3.3 變電流加熱

試樣在平臺的帶動下運動，進入感應加熱磁場范圍時，需要通過磁場感應產生的渦流發熱使涂層融化，試樣繼續運動時，涂層融化的熱量不僅來自磁場感應渦流發熱，還包括前部分涂層受熱傳導過來。此時為了保證涂層質量，需要減少來自渦流產生的熱量。需要的感應電流比剛開始加熱時的低或者試樣的移動速度較剛開始加熱的快。

在感應加熱時，為了控制涂層加熱后的質量，有兩種加熱方案可供選擇：方案一，平臺移動速度不變，通過改變感應輸出電流來控制；方案二，感應輸出電流不變，平臺移動速度改變。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量，因此選用第一種加熱方案。

經過大量的試驗，得出在電流為1600 A，平臺移動速度為0.93 mm/s的參數下，連續感應熔覆出的涂層效果良好。

1.4 分析試樣制備

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

2 試驗結果與分析

2.2 涂層顯微組織分析

圖1（b）左側為鎳基涂層，右側為基體，中間為擴散層。由于感應加熱的集膚效應，基體和涂層之間的區域最先被加熱，基材界面被熔融的涂層合金浸潤時，基材表面薄層中的一些Fe、C 原子被激活，脫離基材點陣進入涂層，并在液態合金中加速擴散，迅速地改變了固溶區的成分。因此認為，固溶區是涂層合金中的Ni、B、Si 和Cr 溶入基材高溫奧氏體γ 相中，使γ 相強烈合金化，穩定性提高，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散產物。這種固相擴散產物組織致密，耐腐蝕性極高，在掃面電鏡中呈現為黑色帶狀。圖中的擴散層組織致密，與涂層、基體結合良好，未發現明顯缺陷。

3 結語

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

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

（3）在1600A感應電流下熔覆出的涂層微觀組織形貌整體良好。

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