基于低成本裝備制造的零件表面修復(fù)工藝試驗(yàn)

孫德勤，徐正亞，袁　婷

（1.常熟理工學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇常熟215500；2.江蘇省機(jī)電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常熟215500）

基于低成本裝備制造的零件表面修復(fù)工藝試驗(yàn)

孫德勤1，2，徐正亞2，袁婷1，2

（1.常熟理工學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇常熟215500；2.江蘇省機(jī)電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常熟215500）

摘要：通過(guò)表面涂層處理可以修復(fù)零部件的尺寸與形狀，并可以獲得耐磨、耐蝕、耐熱等特殊性能，是降低裝備制造成本的重要方法.本文開展了感應(yīng)熔覆法制備鋼基材表面鎳基SiC涂層的工藝試驗(yàn)，結(jié)果表明：SiC粉末比例為20%、粘結(jié)劑為水玻璃、150℃左右烘干1 h、氬氣保護(hù)間歇式加熱條件下，可獲得良好涂層；涂層厚度為0.4 mm，表面硬度達(dá)到750 HV以上，熔覆層與基體間形成了冶金結(jié)合，達(dá)到了零件修復(fù)的工藝要求.

關(guān)鍵詞：感應(yīng)熔覆；碳化硅；涂層厚度；冶金結(jié)合

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與工業(yè)化程度的不斷提高，要求工程設(shè)備具備安全、耐用、穩(wěn)定等使用要求，而構(gòu)成工程設(shè)備基本組元的零部件，其力學(xué)性能的要求也隨之提高.過(guò)去通常選擇添加合金元素起到固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化以及通過(guò)熱處理實(shí)現(xiàn)基體增強(qiáng)、細(xì)晶強(qiáng)化等提高使用性能，但該類方法不僅制造成本較高，而且也難以獲得“里韌外硬”等良好綜合性能.而采用表面涂層技術(shù)，以失效零部件作為基體，合理設(shè)計(jì)涂層成分，通過(guò)特殊工藝在基體表面涂覆一定厚度的特殊性能涂層，恢復(fù)零部件原有的尺寸和形狀精度并提高使用性能，可以達(dá)到綜合利用失效材料并降低裝備制造成本的重要作用［1］.

1　零部件表面涂層修復(fù)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

目前涂層材料的研究主要是金屬陶瓷材料，它不僅保持了陶瓷材料的耐磨、耐蝕、耐高溫及化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)具有金屬的強(qiáng)韌性［2］.其中提高耐磨性主要是利用如WC、B4C、TiN等碳化物、氮化物的各種高熔點(diǎn)和高硬度等特性［3］，或者采用具有低摩擦系數(shù)、具有自潤(rùn)滑性能的軟質(zhì)陶瓷相顆粒如MoS2等，形成減摩自潤(rùn)滑復(fù)合涂層［4］；硼化物的熔點(diǎn)高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好，可用作高溫耐磨耐蝕保護(hù)涂層［5］；熱障涂層主要為ZrO2等氧化物陶瓷或其復(fù)合陶瓷［6］.

目前，制備工藝方面主要有熱噴涂與噴焊［7］、高能束熔覆法［8］、溶膠-凝膠法［9］、氣相沉積［10］以及粉末燒結(jié)法［11］等.熱噴涂或噴焊工藝是利用熱源把噴涂材料加熱至熔融狀態(tài)，在氣流作用下將熔滴霧化并快速噴射到基體表面形成涂層；以激光、離子束等為代表的高能束熔覆技術(shù)可以準(zhǔn)確控制熱源強(qiáng)度，基材熱變形小，涂層組織細(xì)小、均勻、致密，可實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合；溶膠-凝膠技術(shù)是利用鹽與水發(fā)生水解縮聚反應(yīng)形成溶膠，經(jīng)干燥、熱處理后在材料表面形成涂層.它可在較低溫度下制備涂層，但涂層比較薄，結(jié)合力弱；氣相沉積技術(shù)是直接利用氣體或?qū)⑽镔|(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，通過(guò)發(fā)生物理變化或者化學(xué)反應(yīng)，沉積在基體表面形成薄膜，可形成納米級(jí)的各類附著力高的功能薄膜.但設(shè)備較復(fù)雜，生產(chǎn)成本高；粉末噴涂法是將添加骨料的自熔性合金粉末涂覆于基體上，然后再真空燒結(jié)得到硬質(zhì)涂層.

2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求

考慮到氣相沉積、熱噴涂、溶膠凝膠等工藝方法難以獲得較厚的涂層，而且涂層與基體大都為物理結(jié)合模式，結(jié)合強(qiáng)度不高，所以不適合零部件修復(fù)；本試驗(yàn)嘗試了感應(yīng)熔覆制備涂層在零部件修復(fù)與再制造方面的應(yīng)用，利用感應(yīng)加熱的集膚效應(yīng)在基體表面產(chǎn)生局部高溫而使涂層材料與基體發(fā)生冶金結(jié)合［12］，并可以達(dá)到較大的涂層厚度.

實(shí)驗(yàn)中選用黑色碳化硅作為涂層骨料，其比重為3.20～3.25 g/cm3，熔點(diǎn)約2700℃，顯微硬度為2840～3320 kg/mm2.具有化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好等性能方面的優(yōu)勢(shì)，可以大大提高材料的耐磨、耐蝕等使用性能［13］.實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：（1）將試樣進(jìn)行表面預(yù)處理，包括消除表面銹和油污等雜質(zhì)以及基體表面的活化處理等；（2）將一定比例的鎳基合金和ZrO2合金粉末混合均勻；加入粘結(jié)劑，混制均勻成糊狀，然后涂覆于基材45鋼上；（3）涂層烘干處理；（4）將試樣放置于感應(yīng)裝置進(jìn)行表面加熱，待出現(xiàn)熔融狀態(tài)時(shí)停止加熱；（5）取出試樣，空冷至室溫；（6）涂層物性與成形性能測(cè)試.如圖1所示.

圖1　感應(yīng)熔覆涂層制備的一般工藝流程

涂層制備采用TG-GP-100 KW型號(hào)的高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，采用MiniTest740涂層測(cè)厚儀測(cè)試涂層厚度，采用光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡等分析微觀組織形態(tài)，利用掃描電鏡進(jìn)行界面化學(xué)成分掃描，TWV-1S型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試表面硬度及斷面硬度分布.

3　結(jié)果與討論

考察了涂層材料成分和比例、粘結(jié)劑、加熱機(jī)制等工藝參數(shù)對(duì)涂層質(zhì)量的影響，探索一種形成良好SiC涂層質(zhì)量的工藝方法.

3.1涂層材料成分比例對(duì)涂層熔覆質(zhì)量的影響

主要考察Ni60合金與SiC粉的相對(duì)比例對(duì)涂層成形質(zhì)量的影響.實(shí)驗(yàn)條件為：基體為正火態(tài)45鋼，粘結(jié)劑選用水玻璃、干燥爐中150℃烘干60 min；采用間歇式加熱方式.

從圖2、圖3、圖4對(duì)比來(lái)看，SiC質(zhì)量比分別為10%、20%、30%條件下均與基體間形成了較為明顯的過(guò)渡層，實(shí)現(xiàn)了涂層與基體間的冶金結(jié)合；但SiC質(zhì)量比分別為10%時(shí)的過(guò)渡層厚度較大，見圖2.在Ni60合金成分中含有與45鋼基體固溶的元素，如Ni、Cr、Fe等，因此Ni60合金與45鋼基體在高溫狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)元素間的相互擴(kuò)散或融合，因此可以達(dá)到冶金結(jié)合，獲得良好的結(jié)合強(qiáng)度；但隨著SiC粉含量的增加，過(guò)渡層區(qū)域趨于變薄，主要是SiC的化學(xué)穩(wěn)定性好，阻礙了Ni、Cr、Fe等的擴(kuò)散作用；圖5表明了隨著SiC粉含量的增加，表面硬度有所提高，說(shuō)明高硬度的SiC顆粒在Ni60合金中起到了顆粒增強(qiáng)的作用.因此，從結(jié)合狀態(tài)與性能等兩方面綜合考慮，SiC質(zhì)量比分別為20%時(shí)，涂層質(zhì)量最佳.

圖2　SiC質(zhì)量比為10%的涂層組織形態(tài)

圖3　SiC質(zhì)量比為20%的涂層組織形態(tài)

圖4　SiC質(zhì)量比為30%的涂層組織形態(tài)

圖5　不同SiC質(zhì)量比下的表面硬度比較

3.2涂覆方法對(duì)涂層熔覆質(zhì)量的影響

1）粘結(jié)劑的影響：圖6與圖7分別是加入水玻璃和松節(jié)油（松香與松節(jié)油按1：3配制）作為粘結(jié)劑時(shí)的涂組織形態(tài).實(shí)驗(yàn)條件為：SiC粉比例為20%、150℃烘干60 min、間歇式加熱方式.

可以看出，以水玻璃作為粘結(jié)劑時(shí)可以獲得冶金結(jié)合，見圖6；而以松節(jié)油作為粘結(jié)劑時(shí)則在涂層與基體間存在明顯的分界面，見圖7.由于松節(jié)油為有機(jī)物，因此在預(yù)熱或感應(yīng)加熱時(shí)容易產(chǎn)生大量的氣體，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)感應(yīng)加熱時(shí)仍然產(chǎn)生一定的白色煙霧，而且涂層表面有凸起現(xiàn)象，說(shuō)明了在涂層與基體間容易形成一定的氣隙，從而造成涂層與基體間的分離，涂層與基體間無(wú)法發(fā)生有效的元素?cái)U(kuò)散；而水玻璃是無(wú)機(jī)物構(gòu)成的，含水量較低，而且在預(yù)熱過(guò)程中水分逐漸揮發(fā)，因此不會(huì)造成涂層材料與基體的分離，所以在感應(yīng)熔覆過(guò)程中可以形成良好的冶金結(jié)合效果.

圖6　水玻璃為粘結(jié)劑時(shí)的涂層組織形態(tài)

圖7　松節(jié)油為粘結(jié)劑時(shí)的涂層組織形態(tài)

2）涂層干燥方式影響：在SiC粉比例為20%、粘結(jié)劑為水玻璃、間歇式加熱方式下，得到了常溫條件下24 h晾干與150℃預(yù)熱烘干60 min時(shí)的涂層質(zhì)量.

可以看出，采用常溫晾干方式，如圖8所示，涂層與基體間未形成較為明顯的過(guò)渡層.這是因?yàn)槌亓栏蓷l件下接近基體的涂層水分難以逃逸出來(lái)，因而在后續(xù)感應(yīng)加熱中容易形成氣隙，阻礙了涂層與基體間的元素?cái)U(kuò)散；加熱烘干條件下，則涂層內(nèi)的氣體可以形成穩(wěn)定的氣流逃逸出去.但如果溫度較高（200℃以上）時(shí)，則由于氣流過(guò)大，使涂覆層鼓起，嚴(yán)重時(shí)造成脫落；實(shí)驗(yàn)證明，150℃預(yù)熱烘干60 min條件下的水分揮發(fā)較為完全且穩(wěn)定，涂層與基體間結(jié)合較為緊密，感應(yīng)加熱后能夠形成良好的結(jié)合，見圖9.

3.3感應(yīng)加熱方法的影響

圖8　常溫晾干24 h時(shí)的涂層組織形態(tài)

圖9　150℃烘干60 min條件下的涂層組織形態(tài)

感應(yīng)加熱的方法對(duì)涂層質(zhì)量的影響是很明顯的.圖10描述了三種加熱方式：連續(xù)加熱、間歇式加熱以及氬氣保護(hù)的間歇式加熱條件下涂層的厚度變化趨勢(shì).連續(xù)加熱即對(duì)試樣連續(xù)高頻加熱，由于加熱強(qiáng)度大，內(nèi)部氣體迅速膨脹造成涂層脫落，因此涂層厚度較?。欢捎眉訜? s停頓5～8 s，再次加熱的循環(huán)加熱方式，加熱強(qiáng)度下降，氣體可以緩慢逸出，因此減小了涂層表面脫落現(xiàn)象；而且由于處于高溫狀態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)，涂層材料與基體間的元素?cái)U(kuò)散較為充分，因此涂層厚度有較大幅度的提高；再次進(jìn)行氬氣保護(hù)后，減少了涂層表面材料中的氧化現(xiàn)象，防止了涂層表面材料的粉化與脫落，因此涂層厚度仍有所提高；而且涂層與基體間形成了良好的冶金結(jié)合，過(guò)渡層中基本杜絕了氧化夾雜物的產(chǎn)生，見圖11.

圖10　不同加熱條件下的涂層厚度

3.4涂層的質(zhì)量檢測(cè)

通過(guò)以上的試驗(yàn)，得出可以獲得良好涂層的工藝方法為：涂層材料由Ni60合金與SiC粉組成，其中SiC粉的比例為20%；采用水玻璃作為粘結(jié)劑，將兩者混合均勻至糊狀，涂抹在試樣表面，在干燥爐中150℃烘干60 min；采用氬氣保護(hù)間歇式加熱的方式進(jìn)行感應(yīng)加熱熔覆，表面呈現(xiàn)熔化跡象時(shí)，停止加熱，取出試樣空冷.

（1）熔覆工藝對(duì)基體的影響不明顯.圖12是基材45鋼原始組織形貌，圖13為涂層制備后的基體組織形貌.通過(guò)對(duì)比涂層處理前后的組織形態(tài)可以看出，通過(guò)感應(yīng)加熱制備涂層，高頻感應(yīng)加熱后的試樣基體組織中的珠光體略有長(zhǎng)大，對(duì)基體的性能影響不大.這主要是因?yàn)楦哳l感應(yīng)加熱的時(shí)間很短，且加熱區(qū)域集中于表面［11］，對(duì)基體的熱影響較小.

圖12　基體原始組織形貌

（2）涂層與基體形成了冶金結(jié)合.圖14為涂層與基體結(jié)合處組織，組織緊致，熔覆材料層中的元素與基體中的元素發(fā)生相互擴(kuò)散，形成具有過(guò)渡組織形態(tài)的擴(kuò)散帶；通過(guò)成分掃描，F(xiàn)e、Ni元素均呈現(xiàn)出過(guò)渡性變化特征，見圖15；通過(guò)硬度測(cè)試也反映了性能的過(guò)渡性變化特征，見圖16，這表明熔覆材料層與基體材料形成了冶金結(jié)合，提高了基體與涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度.

（3）涂層性能達(dá)到預(yù)期目標(biāo).主要對(duì)涂層進(jìn)行了硬度測(cè)試及涂層厚度測(cè)量等，涂層厚度可達(dá)到400 μm，可以實(shí)現(xiàn)因磨損失效零部件的尺寸修復(fù)目標(biāo)，且實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合，保證了涂層與基體的良好結(jié)合；涂層的表面硬度可以達(dá)到750 HV，相當(dāng)于HRC61.5左右，可以保證修復(fù)的材料表面具有良好的耐磨性能；通過(guò)5%的鹽酸溶液腐蝕8 h比較，涂層的形成大大提高了零件的耐蝕性能（見圖17），可以滿足對(duì)耐磨耐蝕有較高要求零件的使用要求.

4　結(jié)論

我們進(jìn)行了感應(yīng)熔覆法制備鎳基SiC涂層工藝的可行性研究，分別考察了不同粘結(jié)劑、涂層成分、預(yù)處理方法以及加熱方式等工藝參數(shù)對(duì)涂層成形過(guò)程及性能的影響，得出以下結(jié)論：

（1）涂層材料由Ni60合金與SiC粉組成，SiC粉的比例為20%；采用水玻璃作為粘結(jié)劑，將兩者混合均勻至糊狀，涂抹在試樣表面，在干燥爐中150℃烘干30 min；采用氬氣保護(hù)間歇式加熱的方式進(jìn)行感應(yīng)加熱熔覆，至表面觀察到熔化跡象時(shí)空冷，可以獲得良好的涂層.

（2）涂層與基體材料實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合，表面硬度達(dá)到730 HV左右，涂層厚度達(dá)到400 μm；涂層具有較好的耐蝕性能，可以滿足零部件修復(fù)的工藝要求.

圖13　涂層成形后基體組織形貌

圖14　過(guò)渡層處組織形態(tài)

圖15　Fe和Ni元素的成分線掃描曲線

圖16　沿半徑方向的硬度變化曲線

圖17　腐蝕實(shí)驗(yàn)的失重量比較

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An Experimental Study of the Parts Surface Defects Repairing Process for Low-cost Mechanical Equipment Manufacturing

SUN Deqin1,2, XU Zhengya2, YUAN Ting1,2
（1. School of Chemistry and Material Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China；2. Jiangsu Key Laboratory of Recycling and Reusing Technology for Mechanical and Electronic Products, Changshu 215500, China）

Abstract：Surface coating technology can achieve excellent properties of materials, such as wear resistance, corrosion resistance, and heat resistance and it can also repair the dimension and shape defects of machinery parts. Therefore, it is an important method of reducing the manufacturing cost of machinery and equipment. Based on the experimental study on the preparation of SiC coating on steel base by induction cladding technology, and mixture of Ni60 and SiC powder used as main coating components, the results show that high quality SiC coating can be achieved in the reasonable process, that SiC ratio is 20%, sodium silicate as the binder, about 150℃heating for 1 hour, intermitted heating under the argon shield and so on, that the layer thickness was around 0.4 mm, coating hardness was about 750 HV, and that metallurgical bond was achieved between coating and matrix. Thus, this processing can meet technical requirements of repairing machine parts.

Key words：induction fusion cladding；SiC Coating；coating thickness；metallurgical bond

中圖分類號(hào)：TH142

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-2794（2016）02-0019-06

收稿日期：2015-12-26

基金項(xiàng)目：常熟理工學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目（自然科學(xué)）“汽車零部件的熔覆修復(fù)技術(shù)研究”（QZ1304）

通信作者：孫德勤，副教授，博士，研究方向：廢鋁再生及金屬零部件再制造技術(shù)，E-mail：sundeqin@cslg.edu.cn.