感應(yīng)熔敷技術(shù)工藝參數(shù)分析及優(yōu)化研究

周潤(rùn)猛，胡 雪※，張立新，董 峰，婁曉康，單永超，陳育龍

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子832003;2.石河子勝利硬面有限公司）

0 引言

感應(yīng)熔敷技術(shù)是一種提升表面強(qiáng)度和耐用度的技術(shù)，通過(guò)在基材表面制作高耐磨、耐腐性能的復(fù)合熔敷層，可以較好地提升材料的壽命[1-3]。工作時(shí)通過(guò)電磁感應(yīng)的原理利用電能對(duì)基材和涂層進(jìn)行加熱，當(dāng)合金涂層轉(zhuǎn)化為熔融態(tài)時(shí)，涂層與工件表面完成冶金結(jié)合，得到具有高耐磨、高耐腐性能的表面熔敷涂層[4]。

與表面淬火、表面滲碳等傳統(tǒng)表面強(qiáng)化工藝相比，感應(yīng)熔敷技術(shù)可以大大降低制造成本，并且可以更好地提升修復(fù)區(qū)域環(huán)境內(nèi)機(jī)械零件的綜合機(jī)械性能。除此之外，感應(yīng)熔敷傳遞熱量的速度快、效率高，熔敷層與材料基體結(jié)合效果良好，質(zhì)量穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境污染小，工作環(huán)境較好且成本也較低[5-7]。

本文首先對(duì)感應(yīng)熔敷技術(shù)機(jī)理進(jìn)行研究，并對(duì)基體材料的加熱比功率進(jìn)行了分析，然后對(duì)感應(yīng)線圈進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，最后針對(duì)目前感應(yīng)熔敷涂層質(zhì)量存在的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)涂層的成分進(jìn)行研究，一定程度上對(duì)涂層的成分和工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

1 感應(yīng)熔敷工藝參數(shù)影響研究

在感應(yīng)熔敷實(shí)際工作過(guò)程中電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和力場(chǎng)等都會(huì)對(duì)熔敷效果帶來(lái)相應(yīng)的影響，因此對(duì)感應(yīng)熔敷過(guò)程工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高涂層成形質(zhì)量，正是目前需要進(jìn)行研究的[8]。在加熱過(guò)程中，頻率、功率以及工件的物理性質(zhì)參數(shù)會(huì)隨溫度的變化而產(chǎn)生改變，具有較高的瞬時(shí)性和不確定性[9]，因此首先需要對(duì)高頻感應(yīng)加熱過(guò)程中影響熔敷層質(zhì)量的工藝參數(shù)進(jìn)行分析。

1.1 感應(yīng)熔敷技術(shù)機(jī)理研究

對(duì)零件加熱時(shí)，首先利用交流電在線圈周圍產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，此時(shí)線圈內(nèi)的工件表面會(huì)產(chǎn)生渦流，零件內(nèi)渦流逐漸匯集釋放出大量的焦耳熱對(duì)金屬零件的表面進(jìn)行加熱，使金屬零件表面的合金涂層材料熔化，進(jìn)而得到與零件基體冶金結(jié)合的耐磨、耐腐的涂層，圖1為感應(yīng)加熱原理。

圖1 感應(yīng)加熱原理

感應(yīng)電流在工件上的分布遵循趨膚效應(yīng)[10]，即電流主要分布于工件的外層，在表面達(dá)到峰值，而導(dǎo)體中心沒(méi)有電流。零件獲取的熱量主要與渦流的平方成正比，所以熱量的損失速度高于電流，一般用透入深度（δ）表示渦流主要分布在工件中的區(qū)域，約有80%的熱量主要位于深度較薄的位置，其透入深度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中ρ—電阻率；f—頻率；μ0—真空磁導(dǎo)率；μr—相對(duì)磁導(dǎo)率。

通過(guò)表達(dá)式可知，電頻、材料電阻率和磁導(dǎo)率是影響透入深度的主要因素，材料的電阻率和磁導(dǎo)率是材料的固有性質(zhì)，因此電流的透入深度主要與電流頻率有關(guān)。當(dāng)電流頻率增大時(shí)，隨著透入深度的減小，工件表面的熱量逐漸增加，這就是表面效應(yīng)。根據(jù)表面效應(yīng)來(lái)對(duì)合金涂層的熔化過(guò)程進(jìn)行較為可靠的控制，使熱量對(duì)指定的微小區(qū)域進(jìn)行作用，進(jìn)而保證合金涂層的熔化效果，而表層熱量一般難以傳遞到基體內(nèi)部，因此對(duì)基體內(nèi)部及其他部分影響較小。

實(shí)際上，鋼材在受熱過(guò)程中其電阻率和磁阻率會(huì)產(chǎn)生一定的變化，電阻率會(huì)隨溫度的升高而逐步增大，而磁導(dǎo)率不僅與材料受熱程度有關(guān)還與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)工件表面在渦流作用下受熱溫度到達(dá)居里點(diǎn)溫度以上時(shí)，金屬材料會(huì)產(chǎn)生失磁現(xiàn)象，這時(shí)磁導(dǎo)率μ可約等于1。失磁發(fā)生后電流會(huì)從材料表面向材料內(nèi)部移動(dòng)，并且電流的透入深度會(huì)持續(xù)增大，有時(shí)會(huì)增大幾倍或幾十倍，對(duì)感應(yīng)加熱的加熱效果造成較大影響。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要保證電流的透入深度高于涂層的厚度，否則會(huì)使預(yù)涂層難以熔化，影響熔敷的效果。

1.2 加熱比功率的研究與分析

使用較高頻率電流的感應(yīng)加熱過(guò)程中，需要對(duì)材料基體表面獲取的熱量進(jìn)行分析，將單位時(shí)間和單位面積材料獲取的熱量稱為加熱比功率，其表達(dá)式如下：

式中p—加熱比功率；k—被熔敷工件的尺寸系數(shù)；J—感應(yīng)器電流；fi—電流頻率；σ、μ—材料自身的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率；s—線圈的橫截面積。

加熱時(shí)首先對(duì)材料表面的涂層進(jìn)行預(yù)加熱，預(yù)加熱溫度為200℃左右，接著再通過(guò)感應(yīng)線圈的作用對(duì)其進(jìn)一步加熱。由于此時(shí)涂層達(dá)到居里點(diǎn)溫度進(jìn)入失磁狀態(tài)，因此只能通過(guò)基體表面的熱傳遞來(lái)獲取熱量，這樣可能造成基體熔化而涂層未熔化的情況，對(duì)結(jié)合十分不利。由于渦流加熱的速率高于熱傳導(dǎo)加熱的速率，因此應(yīng)采用渦流對(duì)涂層進(jìn)行加熱，使用渦流加熱可以在一定程度上減緩基體材料與涂層熔化時(shí)間不對(duì)等的情況出現(xiàn)，能夠提高兩材料交接處的冶金結(jié)合效果。

在初始加熱階段，基體受熱后自身溫度還沒(méi)有達(dá)到居里點(diǎn)，因此處于鐵磁狀態(tài)，鐵磁狀態(tài)下材料自身的磁導(dǎo)率較大，因此渦流較大，加熱比功率逐步增大；當(dāng)基體溫度達(dá)到居里點(diǎn)時(shí)，基體材料進(jìn)入失磁狀態(tài)，磁導(dǎo)率迅速減小，且材料電導(dǎo)率隨溫度的升高不斷下降，引起電流下降，最終導(dǎo)致加熱比功率呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，因此在整個(gè)加熱過(guò)程中，電流和功率都會(huì)以材料的失磁狀態(tài)為節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。

1.3 感應(yīng)線圈設(shè)計(jì)

感應(yīng)加熱是在高溫環(huán)境下進(jìn)行的，因此需要感應(yīng)線圈可以耐高溫并能夠保證加熱過(guò)程的穩(wěn)定性，根據(jù)性能要求選擇銅作為材料，與其他材料相比，銅的可塑性較好，易于彎制成形，不會(huì)輕易出現(xiàn)折裂、折斷的情形，而且銅的導(dǎo)熱系數(shù)較高，利于傳熱。由于感應(yīng)熔敷過(guò)程中感應(yīng)磁場(chǎng)會(huì)引起導(dǎo)磁金屬產(chǎn)生磁滯現(xiàn)象，引起磁滯損失進(jìn)而影響功率，而銅作為非鐵磁性金屬材料，可以較好地保證功率。

除材料選擇外，還需考慮感應(yīng)線圈與加熱零件的耦合間隙，感應(yīng)線圈耦合間隙是設(shè)計(jì)線圈時(shí)的一項(xiàng)重要參數(shù)，是指感應(yīng)線圈的有效表面與被加熱的工件側(cè)面的間距，一般用e來(lái)表示。通過(guò)對(duì)感應(yīng)加熱的原理進(jìn)行分析，e的數(shù)值越小，加熱的效率就越高。e提升1倍時(shí)，被加熱工件得到的加熱功率會(huì)下降58.3%；e提升2倍時(shí)，功率會(huì)下降75%。感應(yīng)加熱效率大大降低主要是因?yàn)殡S著間隙的增大漏磁通也逐步增加，而通過(guò)磁通傳遞的熱量也會(huì)逐步減少，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要控制耦合間隙。

與此同時(shí)，零件和感應(yīng)線圈之間間隙也不能太小，否則會(huì)磨損和破壞感應(yīng)器，還會(huì)使零件和感應(yīng)器間發(fā)生放電現(xiàn)象。間隙太小時(shí)零件受熱也會(huì)產(chǎn)生裂紋，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析，零件和感應(yīng)器的耦合間隙在3 mm左右時(shí)能較好地滿足實(shí)際工作的性能要求。

2 感應(yīng)熔敷涂層防腐耐磨優(yōu)化配比研究

2.1 涂層預(yù)制方法的選擇

在感應(yīng)加熱前首先需要進(jìn)行涂層預(yù)制工作，涂層預(yù)制是將合金粉末預(yù)置于處理好的基體表面，涂層預(yù)涂厚度參考工件表面涂鍍層分類原則，一般選擇厚硬化層（0.1~1 mm級(jí)）。涂層預(yù)制的過(guò)程一般使用預(yù)制粉末法或預(yù)制粉塊法。其中預(yù)制粉塊法是將粉體壓成塊狀后置于工件的表面，然后加熱進(jìn)行感應(yīng)熔覆工作，其原理如圖2。

圖2 高頻感應(yīng)熔敷粉塊法示意

預(yù)制粉末法是將合金粉末涂覆于基體上，粉末的涂覆方法有熱涂法和冷涂法兩種。將經(jīng)過(guò)初步加熱的合金粉末噴涂在工作表面，再通過(guò)感應(yīng)加熱將合金粉末再熔化的方法被稱為熱涂法。熱涂法的感應(yīng)加熱工藝類似于感應(yīng)重熔技術(shù)[11]；將粘接劑與合金粉末提前按比例混合均勻，然后直接涂覆到工件基體表面的方法被稱為冷涂法，涂覆的厚度一般為1.2 mm~1.5 mm，等涂覆的試樣風(fēng)干后，再采用感應(yīng)加熱技術(shù)對(duì)涂層進(jìn)行熔敷加工。相較于熱涂法，冷涂法更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，且冷涂法的涂層在烘干處理之后無(wú)需進(jìn)行冷卻，可直接進(jìn)行熔敷處理，效果也更好。因此涂層預(yù)制采用冷涂法。

在制備涂層前還需對(duì)基體材料表面進(jìn)行預(yù)處理，采用預(yù)處理主要是對(duì)基體表面完成以下三項(xiàng)工作：

（1）表面粗化處理，使粉料與基材表面良好地鑲嵌和塞合；

（2）表面凈化處理，除掉表面雜質(zhì)，使粉體與表面潤(rùn)濕和冶金結(jié)合；

（3）表面活化處理，提升待涂面的活化能力，使粉材和基體表面快速融合。

通過(guò)對(duì)表面進(jìn)行加工，去除材料基體表面的氧化層、疲勞層以及鍍層等不利于熔敷的物質(zhì)，利用溶劑溶解和超聲振動(dòng)等方法來(lái)清除表面雜物，完成粗化、凈化和活化，這便是預(yù)處理的作用。

圖3 熔敷層預(yù)制試樣

2.2 涂層防腐耐磨成分較優(yōu)配比含量研究

進(jìn)行熔敷的涂層中采用Ni基自熔合金粉末，該合金粉末包含Si、B、Ni、Co等元素，使涂層擁有很強(qiáng)的脫氧以及造渣能力。合金粉末中的Si、B等元素在熔敷時(shí)會(huì)先與涂層中的氧以及基體內(nèi)含有的氧化物進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)而生成低熔點(diǎn)的硼硅酸鹽物質(zhì)，這些物質(zhì)易于漂浮于涂層表面，延緩?fù)繉拥谋谎趸^(guò)程，充分減少熔敷涂層中氧的含量和夾渣，改善了涂層和基體材料的工藝性能[12]。

目前涂層制備工藝的不合理是影響感應(yīng)熔敷成型質(zhì)量的一個(gè)重要原因，不合理的涂層制備工藝會(huì)導(dǎo)致涂層產(chǎn)生夾生、雜質(zhì)和氣孔較多以及過(guò)熔流淌的問(wèn)題，很大程度上影響了感應(yīng)熔敷技術(shù)在材料表面修復(fù)上的效果[13]。為應(yīng)對(duì)這種問(wèn)題，需對(duì)熔敷涂層質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化來(lái)改善基體與涂層的結(jié)合效果和強(qiáng)度。對(duì)感應(yīng)加熱過(guò)程中涂層合金粉末易于過(guò)熔流淌以及中間過(guò)程會(huì)產(chǎn)生水分等問(wèn)題進(jìn)行分析，選擇在合金粉末中加入CaO和CaCO3的方法。CaO導(dǎo)熱性較好，并且具有防腐耐高溫等性能，CaO和CaCO3的加入可以吸收涂層中的水分，CaO與水反應(yīng)生成Ca（OH）2夾渣可以減小涂層流淌的現(xiàn)象，并有提高機(jī)械強(qiáng)度的作用。除此之外，這兩種耐火氧化物的加入可以在一定程度上抑制高溫加熱時(shí)涂層過(guò)熔流淌的問(wèn)題。因此采用在涂層中加入CaO的方法來(lái)優(yōu)化配比含量，進(jìn)一步提高熔敷層的成形質(zhì)量及性能。

但是若CaO的含量達(dá)到一定程度會(huì)與硅酸鈉反應(yīng)生成較硬的顆粒，非常不利于粘結(jié)工作，使得CaO的加入更加不利于涂層的成型，所以在加入CaO粉末時(shí)，要保證適量以及合理性。

3 結(jié)論

針對(duì)感應(yīng)熔敷技術(shù)中涂層中出現(xiàn)的夾生、雜質(zhì)以及氣孔等影響結(jié)合強(qiáng)度的缺陷進(jìn)行了分析，在感應(yīng)熔敷涂層預(yù)制過(guò)程采用冷涂法和表面預(yù)處理；針對(duì)涂層中過(guò)熔流淌、涂層水分含量較多等問(wèn)題采用了在合金粉末中加入氧化鈣和碳酸鈣的方法進(jìn)行處理。通過(guò)氧化鈣和硅酸鈉粘合劑的反應(yīng)，進(jìn)行感應(yīng)熔敷涂層成分的優(yōu)化，逐步提升了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。目前感應(yīng)熔敷固定優(yōu)化參數(shù)工藝方法正在不斷地提升熔敷成型的質(zhì)量，未來(lái)還需要不斷地探索和明確熔敷的敏感參數(shù)，進(jìn)而不斷制備更高質(zhì)量的熔敷工藝以達(dá)到從根本上改善熔敷質(zhì)量的目標(biāo)。