感應(yīng)熔覆工藝技術(shù)研究現(xiàn)狀與分析

杜嬋嬋，胡 雪※，楊洪坤，董 峰

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子832003；2.石河子勝利硬面有限公司）

0 引言

目前，由于現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，機械裝備應(yīng)用越來越廣泛。然而，機械裝備的材料利用率普遍較低，損耗比例較大。每年由于材料磨損而造成工件失效的經(jīng)濟損失約占我國GDP 的2%～7%[1-3]。材料的磨損不僅造成能源浪費，而且消耗大量的人力、物力和財力來更換和修理零件，降低生產(chǎn)率。因此，越來越多的國家，尤其是工業(yè)發(fā)達的國家，越來越重視磨損與耐磨材料的研究。目前，對金屬材料進行表面處理的方法有很多，如：感應(yīng)熔覆、激光熔覆、熱噴涂、電鍍、氣相沉積、表面黏涂等。其中感應(yīng)熔覆技術(shù)憑借熔覆層成分可調(diào)、熔覆成品質(zhì)量高、成本低等優(yōu)點越來越成為廣泛應(yīng)用的材料表面處理技術(shù)[4]。本文對感應(yīng)熔覆技術(shù)原理、工藝步驟、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀做了簡要概述，并對感應(yīng)熔覆目前存在的主要問題和發(fā)展趨勢作了簡要分析和綜述。

1 感應(yīng)熔覆技術(shù)及工藝步驟

1.1 感應(yīng)熔覆技術(shù)

感應(yīng)熔覆技術(shù)是感應(yīng)器在電磁感應(yīng)效應(yīng)的作用下，利用渦流產(chǎn)生的熱量使預(yù)置在基體上的合金粉末達到熔融狀態(tài)，并與工件表面產(chǎn)生冶金結(jié)合，得到與基體冶金結(jié)合的耐腐蝕、耐磨損的涂層。其中，交變電流、感應(yīng)線圈和工件是感應(yīng)熔覆技術(shù)工作的三要素。如圖1 為感應(yīng)熔覆過程中的感應(yīng)加熱原理圖，當交變電流通過線圈時在線圈附近形成交變的磁場，金屬工件位于磁場當中，在其表面形成與感應(yīng)線圈中電流方向相反的感應(yīng)電流，即渦流或磁滯損耗，使熔覆層和工件表面迅速加熱到高溫，冷卻后熔覆層與基體金屬形成冶金結(jié)合。根據(jù)頻率不同，感應(yīng)加熱可分為工頻（f=50 Hz）、中頻（50 kHz＜f＜10 kHz）、高頻（f ＞10 kHz），交變電流頻率越高，電流透入深度越淺，被加熱層越薄[5]。此外，感應(yīng)加熱具有加熱速度快、熱損少、加熱效率高、無污染、均勻性好、加工質(zhì)量高、易于實現(xiàn)自動控制等特點。

1.2 工藝步驟

高頻（f ＞10 KHz）感應(yīng)熔覆分為超音頻（10 KHz＜f＜100 KHz）和高頻（100 KHz）兩種，但是超音頻感應(yīng)熔覆設(shè)備頻率較低，對基體產(chǎn)生較大的熱影響。在高頻感應(yīng)熔覆中，合金涂層的主要制備步驟為：基體表面預(yù)處理→涂層調(diào)制→感應(yīng)熔覆。

為了得到結(jié)合好、質(zhì)量高的表面熔覆涂層，首先要進行基體表面的預(yù)處理，將基體表面的氧化膜或油污等去除。常用的預(yù)處理方法為清洗和表面噴砂。程國東[5]、徐福海[6]等人均采用此方法，制備出的涂層不僅成形良好而且與基體形成冶金結(jié)合。

涂層調(diào)制主要有預(yù)制粉末和預(yù)制粉塊兩種方法。預(yù)制粉塊法是將粉體壓制成塊狀，然后放置于工件表面進行感應(yīng)熔覆，其原理圖如2[5]。如Han-Young Lee 等人利用粉塊法在鋼基體上制備NiAl 金屬化合物[7]。預(yù)制粉末法又分為冷涂法和熱涂法，熱涂法即把合金粉末利用熱噴涂的方法涂覆在工件表面后進行感應(yīng)熔覆，這種方法簡單易行，操作方便，大大提高了生產(chǎn)效率[1]，如Takasakl N 等人用氧乙炔噴涂后再進行感應(yīng)熔涂[8]；王繼東[9]用電弧噴涂后再進行感應(yīng)重熔。但是，用熱噴涂法需要燃氣和助燃劑，不僅成本較高，而且氧化較嚴重。冷涂法即將粉末與粘接劑混合成膏狀，涂覆到工件表面，然后進行烘干處理，再進行感應(yīng)熔覆處理。目前，越來越多的學者開始直接將合金粉末冷涂在工件的表面，得到的涂層不僅經(jīng)濟實用，而且質(zhì)量也更好。如王振廷[10-12]等人在粉末中加入一定量的粘結(jié)劑，制成膏狀物，涂敷于Q235 鋼試樣表面上；韓桂泉，張增志[13-14]等人將自行研制的粘結(jié)劑與粉末混合均勻后涂敷在工件表面。

感應(yīng)熔覆涂層質(zhì)量的受控參數(shù)很多，有電源頻率、加熱比功率、加熱啟動時間、試樣移動速度、感應(yīng)線圈間隙等[15]。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的感應(yīng)熔覆技術(shù)多數(shù)先將合金粉末涂覆在熱噴涂后的工件表面，再進行感應(yīng)熔覆。這種方法簡單易行，操作方便，大大提高了生產(chǎn)效率。王繼東用電弧噴涂后進感應(yīng)重熔[9]。但是，利用熱噴涂不僅需要燃氣和助燃劑，而且噴涂溫度難以控制，易造成氧化，浪費材料，增加成本。因此，近幾年研究者們開始采用高頻感應(yīng)熔覆方法，直接將合金粉末冷涂在工件的表面進行研究。

張增志，韓桂泉，付躍文[16]分別用高頻感應(yīng)熔覆、激光熔覆、氧乙-炔噴焊三種不同工藝制得GNi-WC25涂層，通過對比，得出高頻感應(yīng)熔覆GNi-WC25 涂層的表層硬度、耐磨性和耐腐蝕性均最優(yōu)，而且高頻感應(yīng)熔覆涂層表面平整,后續(xù)加工量較少。青島建筑工程學院的林晨、林化春和東北大學的王德俊[17]利用含有70%鎳基自熔合金粉和30%WC 粉的混合粉末原料，對直徑為9.5 mm 的基體材料45 鋼先進行預(yù)處理，將其加工到直徑9.3 mm。然后將粉末制成膏劑，涂敷于試驗段表面。最后，利用高頻感應(yīng)熔覆，將試樣放入真空爐內(nèi)熔燒，對熔燒后的試樣進行熱處理，加工到標準試樣。結(jié)果表明：熱處理后基體的硬度提高，涂層和過度層的硬度基本不變；涂層的組織結(jié)構(gòu)基本不受影響；在低周疲勞時涂層試樣疲勞強度大于未涂層試樣，在高周疲勞時疲勞強度小于未涂層試樣；過度層產(chǎn)生裂紋。常熟理工學院的孫德勤和戴國洪、徐正亞[18]利用高頻感應(yīng)熔覆工藝制備鎳基ZrO2涂層，采用水玻璃作為粘結(jié)劑，質(zhì)量比為10%的ZrO2粉末，對試樣以250 ℃烘干30 min，再逐漸加大電流，間歇式加熱，獲得了實現(xiàn)良好冶金結(jié)合的ZrO2涂層，微觀組織均勻，涂層厚度達750 μm，表面硬度為736.8 HV，滿足零件表面修復(fù)的要求。中國石油大學的程國東[5]采用NiCrBSi 自熔合金粉末和稀土La2O3為原材料，羧甲基纖維素為粘結(jié)劑，基體材料為35CrMo，采用HFP-30C 型高頻感應(yīng)加熱設(shè)備進行熔覆，當感應(yīng)加熱頻率為100 KHz，工作電流為1 400 A，處理時間為14 s 時，獲得NiCrBSi 熔覆涂層的質(zhì)量最高。

高頻感應(yīng)熔覆不僅可以修復(fù)失效的零部件，恢復(fù)其尺寸與形狀，還可以使材料表面獲得所需的特殊性能，已被廣泛應(yīng)用于各類零件的修復(fù)。燕山大學的付瑞東和黑龍江商學院的馬麗心[19]利用自制的免噴涂合金粉末對感應(yīng)重熔方法的適應(yīng)性，以及重熔工藝參數(shù)對重熔層組織狀態(tài)的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)隨感應(yīng)電流的增加，熔化時間縮短，但對重熔層組織無顯著影響，得出免噴涂合金粉末采用感應(yīng)重熔工藝是完全可行的結(jié)論。朱潤生[20]對高頻感應(yīng)重熔的設(shè)備、材料、工藝進行研究，采用45鋼作為試件，經(jīng)過噴涂自制的Ni60+NiWC35 自熔合金粉末涂層，再高頻重熔后，試件使用壽命提高到7～12 倍。

2.2 國外研究現(xiàn)狀

1995 年，C.K.Lin 和C.C.Berndt[21]將鎳鈷合金涂層和氧化鋯陶瓷涂層組成的熱涂層噴涂到金屬基體上，分別在400 ℃和800 ℃老化100 h，500 h，1 000 h，通過觀察樣品的顯微結(jié)構(gòu)變化得知涂層對金屬的使用壽命具有一定的影響。之后，MatsubaraY和TomiguchiA[22]使用等離子噴涂后進行感應(yīng)熔覆處理，Mathsbara Y 和Kumaguwa M[23]首先用火焰噴涂，其次用感應(yīng)熔覆處理，得到的試件均具有較好的耐磨性及較長的使用壽命。

2001 年，Bruce Michael Warnes[24]發(fā)現(xiàn)在涂層中添加活性元素，金屬的抗氧化性將提高4 倍以上，同時，他利用化學氣相沉積工藝在鍍鋁過程中去除了有害的基底雜質(zhì)，獲得了質(zhì)量較高的涂層。H.J.Kim，S.Y.Hwang，C.H.Lee 等[25]通過比較含碳量在15%～45%的火焰噴涂涂層和爐熔鎳碳化硅合金涂層的特性，發(fā)現(xiàn)35%碳化鎢的鎳基碳化硅涂層質(zhì)量最好，25%的碳化鎢在磨料磨損試驗中表現(xiàn)出最好的耐磨性，而添加40%的碳化鎢在干砂橡膠輪磨料磨損試驗中表現(xiàn)出最好的耐磨性。研究還表明，20%(或30%)的WC NiCrBSiC 復(fù)合鍍層的滑動耐磨性比調(diào)質(zhì)JIS SUJ2 軸承鋼高近10 倍。Ji Hui Kim[26]等人研究了在SCM 440 基體上感應(yīng)熔覆Fe-20Cr-1.7C-1.0Si 涂層的熱疲勞性能，表明涂層有很高的抗熱疲勞性。

3 存在的主要問題和發(fā)展趨勢

感應(yīng)熔覆技術(shù)是一種新型表面熔覆強化技術(shù)，具有感應(yīng)加熱技術(shù)和表面涂層技術(shù)的綜合優(yōu)勢，能以較低的成本在材料表層制備出高耐磨性、高耐腐蝕性的復(fù)合金屬熔覆層，生產(chǎn)效率高、污染小、質(zhì)量高，具有重要的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。但是，目前感應(yīng)熔覆技術(shù)的研究還處于起步階段，在實際的推廣應(yīng)用中仍然存在著一些問題：

（1）感應(yīng)熔覆是在1 000 ℃以上的高溫下進行的，涂層表面極易氧化，甚至表面涂層會發(fā)生流淌，嚴重影響熔覆效果。朱潤生[20]指出，大批量感應(yīng)重熔時，用儀表測定溫度很難獲得一致結(jié)果，在實際操作中觀察涂層熔化時出現(xiàn)“鏡面反光”為止。顧偉超，張秀群，沈德久等[27]提出在真空環(huán)境下進行高頻感應(yīng)熔覆，有效解決了氧化問題。但是，真空條件或非氧化條件下進行感應(yīng)熔覆提高了成本，且不利于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。很多學者采用在預(yù)制涂層時增加一層保護層，既可以隔絕空氣，又可以防止合金液體流淌。程國東在熔劑中加入一定的活化劑進行保護，不但起到助熔的作用，而且還能生成具有一定物理、化學性能的熔渣，改善熔覆層的成形。但是，引入保護層的同時，勢必會帶來新的問題，如雜質(zhì)殘渣如何去除、保護層是否會與涂層發(fā)生不利的化學反應(yīng)等。因此，制備良好的、易于脫落的保護涂層具有十分重要的研究意義。

（2）在進行感應(yīng)熔覆涂層涂覆時，常用的方法是手工涂覆，但是手工涂覆往往會導致較大的隨機誤差，造成涂覆不均勻、表面凹凸不平、熔覆層中出現(xiàn)“夾生”、“雜質(zhì)缺陷和氣泡”等問題。有學者采用液壓控制進行涂層涂覆，不僅可以精確控制涂層量，還有利于實現(xiàn)自動化。

（3）現(xiàn)有的感應(yīng)熔覆工藝方法采用固定優(yōu)化參數(shù)的方法，雖然在一定程度上提高了熔覆成型的質(zhì)量，但是并沒有從根本上改善。因此，深入研究感應(yīng)熔覆成型機理、明確感應(yīng)熔覆主要敏感參數(shù)，進而探索制備高質(zhì)量的感應(yīng)熔覆涂層工藝具有十分重要的研究意義。