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

周潤猛，胡 雪※，張立新，董 峰，婁曉康，單永超，陳育龍

（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

感應(yīng)熔敷技術(shù)是一種提升表面強度和耐用度的技術(shù)，通過在基材表面制作高耐磨、耐腐性能的復合熔敷層，可以較好地提升材料的壽命[1-3]。工作時通過電磁感應(yīng)的原理利用電能對基材和涂層進行加熱，當合金涂層轉(zhuǎn)化為熔融態(tài)時，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區(qū)域環(huán)境內(nèi)機械零件的綜合機械性能。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]。

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

1 感應(yīng)熔敷工藝參數(shù)影響研究

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

1.1 感應(yīng)熔敷技術(shù)機理研究

對零件加熱時，首先利用交流電在線圈周圍產(chǎn)生感應(yīng)磁場，此時線圈內(nèi)的工件表面會產(chǎn)生渦流，零件內(nèi)渦流逐漸匯集釋放出大量的焦耳熱對金屬零件的表面進行加熱，使金屬零件表面的合金涂層材料熔化，進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，在表面達到峰值，而導體中心沒有電流。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)學表達式為：

式中ρ—電阻率；f—頻率；μ0—真空磁導率；μr—相對磁導率。

通過表達式可知，電頻、材料電阻率和磁導率是影響透入深度的主要因素，材料的電阻率和磁導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)。當電流頻率增大時，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)來對合金涂層的熔化過程進行較為可靠的控制，使熱量對指定的微小區(qū)域進行作用，進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，因此對基體內(nèi)部及其他部分影響較小。

實際上，鋼材在受熱過程中其電阻率和磁阻率會產(chǎn)生一定的變化，電阻率會隨溫度的升高而逐步增大，而磁導率不僅與材料受熱程度有關(guān)還與磁場強度有關(guān)，當工件表面在渦流作用下受熱溫度到達居里點溫度以上時，金屬材料會產(chǎn)生失磁現(xiàn)象，這時磁導率μ可約等于1。失磁發(fā)生后電流會從材料表面向材料內(nèi)部移動，并且電流的透入深度會持續(xù)增大，有時會增大幾倍或幾十倍，對感應(yīng)加熱的加熱效果造成較大影響。因此，在設(shè)計時要保證電流的透入深度高于涂層的厚度，否則會使預涂層難以熔化，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)加熱過程中，需要對材料基體表面獲取的熱量進行分析，將單位時間和單位面積材料獲取的熱量稱為加熱比功率，其表達式如下：

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—材料自身的電導率、磁導率；s—線圈的橫截面積。

加熱時首先對材料表面的涂層進行預加熱，預加熱溫度為200℃左右，接著再通過感應(yīng)線圈的作用對其進一步加熱。由于此時涂層達到居里點溫度進入失磁狀態(tài)，因此只能通過基體表面的熱傳遞來獲取熱量，這樣可能造成基體熔化而涂層未熔化的情況，對結(jié)合十分不利。由于渦流加熱的速率高于熱傳導加熱的速率，因此應(yīng)采用渦流對涂層進行加熱，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間不對等的情況出現(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有達到居里點，因此處于鐵磁狀態(tài)，鐵磁狀態(tài)下材料自身的磁導率較大，因此渦流較大，加熱比功率逐步增大；當基體溫度達到居里點時，基體材料進入失磁狀態(tài)，磁導率迅速減小，且材料電導率隨溫度的升高不斷下降，引起電流下降，最終導致加熱比功率呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，因此在整個加熱過程中，電流和功率都會以材料的失磁狀態(tài)為節(jié)點呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。

1.3 感應(yīng)線圈設(shè)計

感應(yīng)加熱是在高溫環(huán)境下進行的，因此需要感應(yīng)線圈可以耐高溫并能夠保證加熱過程的穩(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，不會輕易出現(xiàn)折裂、折斷的情形，而且銅的導熱系數(shù)較高，利于傳熱。由于感應(yīng)熔敷過程中感應(yīng)磁場會引起導磁金屬產(chǎn)生磁滯現(xiàn)象，引起磁滯損失進而影響功率，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)計線圈時的一項重要參數(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來表示。通過對感應(yīng)加熱的原理進行分析，e的數(shù)值越小，加熱的效率就越高。e提升1倍時，被加熱工件得到的加熱功率會下降58.3%；e提升2倍時，功率會下降75%。感應(yīng)加熱效率大大降低主要是因為隨著間隙的增大漏磁通也逐步增加，而通過磁通傳遞的熱量也會逐步減少，因此設(shè)計時需要控制耦合間隙。

與此同時，零件和感應(yīng)線圈之間間隙也不能太小，否則會磨損和破壞感應(yīng)器，還會使零件和感應(yīng)器間發(fā)生放電現(xiàn)象。間隙太小時零件受熱也會產(chǎn)生裂紋，經(jīng)過試驗分析，零件和感應(yīng)器的耦合間隙在3 mm左右時能較好地滿足實際工作的性能要求。

2 感應(yīng)熔敷涂層防腐耐磨優(yōu)化配比研究

2.1 涂層預制方法的選擇

在感應(yīng)加熱前首先需要進行涂層預制工作，涂層預制是將合金粉末預置于處理好的基體表面，涂層預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）。涂層預制的過程一般使用預制粉末法或預制粉塊法。其中預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)過初步加熱的合金粉末噴涂在工作表面，再通過感應(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，等涂覆的試樣風干后，再采用感應(yīng)加熱技術(shù)對涂層進行熔敷加工。相較于熱涂法，冷涂法更為經(jīng)濟實用，且冷涂法的涂層在烘干處理之后無需進行冷卻，可直接進行熔敷處理，效果也更好。因此涂層預制采用冷涂法。

在制備涂層前還需對基體材料表面進行預處理，采用預處理主要是對基體表面完成以下三項工作：

（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。

通過對表面進行加工，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等方法來清除表面雜物，完成粗化、凈化和活化，這便是預處理的作用。

圖3 熔敷層預制試樣

2.2 涂層防腐耐磨成分較優(yōu)配比含量研究

進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，使涂層擁有很強的脫氧以及造渣能力。合金粉末中的Si、B等元素在熔敷時會先與涂層中的氧以及基體內(nèi)含有的氧化物進行反應(yīng)，進而生成低熔點的硼硅酸鹽物質(zhì)，這些物質(zhì)易于漂浮于涂層表面，延緩涂層的被氧化過程，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)量的一個重要原因，不合理的涂層制備工藝會導致涂層產(chǎn)生夾生、雜質(zhì)和氣孔較多以及過熔流淌的問題，很大程度上影響了感應(yīng)熔敷技術(shù)在材料表面修復上的效果[13]。為應(yīng)對這種問題，需對熔敷涂層質(zhì)量進行優(yōu)化來改善基體與涂層的結(jié)合效果和強度。對感應(yīng)加熱過程中涂層合金粉末易于過熔流淌以及中間過程會產(chǎn)生水分等問題進行分析，選擇在合金粉末中加入CaO和CaCO3的方法。CaO導熱性較好，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，并有提高機械強度的作用。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涂層過熔流淌的問題。因此采用在涂層中加入CaO的方法來優(yōu)化配比含量，進一步提高熔敷層的成形質(zhì)量及性能。

但是若CaO的含量達到一定程度會與硅酸鈉反應(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，要保證適量以及合理性。

3 結(jié)論

針對感應(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)合強度的缺陷進行了分析，在感應(yīng)熔敷涂層預制過程采用冷涂法和表面預處理；針對涂層中過熔流淌、涂層水分含量較多等問題采用了在合金粉末中加入氧化鈣和碳酸鈣的方法進行處理。通過氧化鈣和硅酸鈉粘合劑的反應(yīng)，進行感應(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，未來還需要不斷地探索和明確熔敷的敏感參數(shù)，進而不斷制備更高質(zhì)量的熔敷工藝以達到從根本上改善熔敷質(zhì)量的目標。