不同涂覆工艺对感应熔覆涂层性能的影响*

王超尘,林 晨

(青岛理工大学机械工程学院,山东青岛 266520)

不同涂覆工艺对感应熔覆涂层性能的影响*

王超尘,林 晨

(青岛理工大学机械工程学院,山东青岛 266520)

主要研究了使用两种不同工艺制备的Ni45合金涂层的性能。采用热喷涂和冷涂的方式在Q235钢表面制备Ni45合金涂层,并利用真空运动式高频感应加热的方式进行熔覆。利用扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度仪和电化学工作站分析了两种不同涂覆工艺制备的涂层的性能。结果表明:两种不同工艺制备的涂层与基体之间都形成了冶金结合,使用感应熔覆方式制备的涂层更致密,没有观察到明显的缺陷。感应重熔层(HFIR)的显微硬度低于感应熔覆层(HFIC),但二者相差很小。在3.5%NaCl溶液中感应重熔层的耐腐蚀性弱于感应熔覆层,两种涂层的耐腐蚀性均好于Q235钢。

合金涂层;高频感应;真空;显微硬度;耐腐蚀性

0 引 言

镍基合金涂层具有较高的硬度、耐磨性以及耐腐蚀性。在钢的表面制备镍基合金涂层能够有效减缓基体的氧化,提高钢的耐腐蚀能力。目前在钢表面制备镍基合金涂层的方法主要有热喷涂、真空熔覆、高频感应熔覆和激光熔覆[1]。热喷涂的涂层与基体之间主要为机械结合,结合强度低,难以承受冲击载荷,涂层易剥落[2];而真空熔覆时基体容易过热,从而对基体的性能影响较大,且真空熔覆的涂层与基体之间元素扩散比例高,使得镍基合金涂层的硬度、耐磨性以及耐腐蚀性都有所降低[3];相比与真空熔覆,高频感应熔覆具有加热速度快,元素扩散小,对基体影响小的特点。真空高频感应熔覆集合了真空熔覆和高频感应熔覆的优点,既能使被熔覆材料与空气隔绝开来,从而避免了材料在加热过程中的氧化和脱碳[4],又能充分利用高频感应加热升温快、对基体热影响小的特点,从而能够获得更高质量的镍基合金涂层[5]。

目前真空高频感应熔覆涂层的制备方法主要有两种,一种是先利用热喷涂的方式将镍基合金粉末喷涂在基体上再对涂层进行重熔[6],另一种是将镍基合金粉与粘结剂混合后涂覆在基体上然后进行熔覆两种方式,分别称之为真空高频感应重熔和真空高频感应熔覆[7]。而对于由两种不同涂覆工艺造成的涂层性能的差别研究较少[8],笔者主要从组织形貌、显微硬度和耐腐蚀性三个方面对利用两种不同涂覆工艺制备的涂层进行了对比[9]。

1 试验方法与过程

1.1 实验方法

实验使用LH-60型高频感应加热设备,功率60 kW,频率40 kHz,感应线圈为铜管绕制并加装导磁体的平面感应加热线圈。实验材料为Ni45自熔性合金粉末,粒度140～325目,Ni45成分见表1。

表1 Ni45合金粉末的化学成分 (质量分数,w t%)

制备尺寸为100 mm×50 mm×10 mm的Q235钢板,并对钢板进行打磨除锈,再使用丙酮进行清洗。对1号试样进行火焰喷涂,使用喷枪为QHT-3/h型喷枪,喷涂压力为氧气0.4 MPa、乙炔0.04 MPa,喷涂距离100 mm,喷涂角度70°～90°。2号试样采用冷涂的方式预制涂层,使用饱和松节油作为粘结剂,将饱和松节油与镍基合金粉末混合,调制均匀后涂覆在基体表面,压实涂层并保证涂层平整致密,观察不到明显缺陷,将预制涂层在真空干燥箱内烘干,烘干温度100℃,保温8 h。对制备好的试样进行真空高频感应加热,采取两步加热法加热涂层,先将涂层预热至200℃,以降低涂层电阻率,然后提高感应电流,对涂层进行熔覆[8]。加热在真空箱中进行,采用2X-15旋片式真空泵,工件放置在由步进电机驱动的工作台上进行加热,感应加热示意图如1所示。

图1 感应加热示意图

1.2 分析测试方法

使用线切割机在所制得的试样上切割出15mm× 15 mm×10 mm的小试样,进行打磨抛光,使用自配的腐蚀液进行腐蚀,腐蚀时间10 s,如果效果不明显则延长腐蚀时间5 s,使用日立S-3500N型扫描电子显微镜观察涂层组织结构,对比不同工艺下的涂层微观组织。利用FM-700型显微硬度仪测试涂层和基体的显微镜硬度,以合金涂层和基体结合处的过渡层为0分界线,向上每间隔0.1 mm为一个测量点进行硬度测量,直至涂层表面,向下至与过渡层距离0.4 mm处。对每个测量深度各取5个横向点,去掉最高值和最低值然后取剩余三个测量值的平均值,载荷为100 g,加载时间5 s。使用线切割机在1号试样、2号试样以及Q235钢上切取10mm×10mm×10 mm大小的小试样,使用砂纸对小试样进行打磨后使用环氧树脂包裹试样,使试样只露出10 mm×10 mm的工作表面(1号小试样、2号小试样的工作面均为熔覆面),并在工作表面的相反面引出铜电极,待环氧树脂凝固后分别使用丙酮、无水乙醇和去离子水对试样进行超声波清洗,清洗完毕后吹干[10]。使用上海辰华CHI660E型电化学工作站对涂层的电化学性能进行测试,采用三电极体系,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为铂电极,测试溶液为质量分数为3.5%NaCl溶液,试验温度20℃。

2 实验结果与分析

2.1 涂层显微组织

图2是两种不同工艺下的涂层结合区显微组织电镜照片,从中可以看出,两种涂层与基体之间都形成了过渡带,这是由于在高频感应加热过程中,涂层的加热区域主要集中在涂层与基体的结合处,导致涂层熔化的主要方式是热传导。在实验过程中,有个别试件在预热过程中涂层发生部分翘曲,虽然发生翘曲的涂层与感应线圈之间的距离更近,但是在对这类涂层进行高温熔覆时,在未翘曲部分已经全部熔化的情况下,翘曲位置的涂层只是部分熔化,这也证明了涂层被加热的位置主要集中在涂层与基体结合处。由于加热过程中基体中的Fe、C元素和涂层中的Ni元素相互扩散,从而形成了电镜照片下的过渡带,过渡带的形成标志着涂层与基体之间形成了冶金结合,这使得涂层与基体之间有很高的结合强度,正是因为冶金结合的产生,使得感应熔覆涂层与基体的结合强度远远超过热喷涂,涂层与基体之间结合十分牢固,涂层有了更好的耐冲击性能。

图2 不同工艺下的涂层结合区显微组织

从图2可以看出1号试样涂层与基体之间的过渡带宽度较2号试样略窄,且两种涂层的冶金结合带与涂层之间的分界线并不明显,而在工件静止加热时冶金结合带与涂层之间有着比较明显的分界线[11]。造成这种情况的原因主要是在工件采用运动式加热时,工件升温迅速,涂层快速熔化,随着工件的运动,熔化区离开感应加热线圈迅速凝固,基体与涂层之间的扩散时间较短,也就产生了上述的情况。

图3是两种涂层的中部的SEM照片,从图3可以看出:1号试样分布着很多的小空洞,空隙率高于2号试样,2号试样涂层致密,没有观察到明显的缺陷。造成这一情况的原因主要有两个:一方面是由于火焰喷涂涂层本身有较高的空隙率,而在冷涂涂层的涂覆过程中对涂层材料进行了充分的压实,使得涂层在加热之前就已经具有了较低的孔隙率;另一方面,在热喷涂时镍基合金粉末熔化成为液滴,高温的液滴直接暴露在空气中,使得合金产生了部分的氧化,破坏了镍基合金原有的组织结构,改变了合金的元素组成,导致涂层材料的自熔性能降低,气泡不能很好的上浮,致使涂层具有较高的空隙率。而2号涂层由于在冷涂过程中很好的进行了压实,并且合金性能没有受到破坏,所以没有观察到1号涂层的问题。

图3 不同工艺下的涂层中部显微组织

2.2 涂层显微硬度分析

图4是不同工艺下的涂层显微硬度分布图,从涂层的显微硬度分布图可以看出,两种涂层中部的的显微硬度为600～700 HV,基体的显微硬度约为200 HV,试样2的显微硬度较试样1略高,但差别不大,两种涂层的显微硬度远高于基体,硬度峰值出现在次表层。感应重熔涂层在进行热喷涂时是在空气中进行的,再加上喷涂气体中本身含有氧气,这就使得涂层材料的氧化率远高于感应熔覆涂层,降低了材料熔覆后的硬度。与固定式感应加热中涂层截面硬度呈明显梯度分布不同,运动式加热涂层的截面硬度相差不大,这同样是由于涂层与基体之间元素扩散时间较短的原因导致的。使用运动式加热时涂层迅速熔化然后快速冷却,涂层与基体之间元素扩散时间很短,基体对涂层性能的影响小,靠近基体的涂层硬度变化不大,从而表现出总体硬度比较均匀的现象。

图4 不同工艺下的涂层显微硬度

2.3 涂层的耐电化学腐蚀性能

图5分别为Q235钢、热喷涂重熔层、冷涂熔覆层在3.5%NaCl溶液中的极化曲线,其自腐蚀电位分别为-0.562 V、-0.482 V、-0.385 V,可见热喷涂重熔层、冷涂熔覆层的耐腐蚀能力均高于Q235钢,在镍基合金涂层中含有大量的Ni元素,与铁元素相比,Ni具有更高的自腐蚀电位,在被腐蚀后其腐蚀产物也比铁的更为致密,对涂层起保护作用,有效的减缓了涂层的进一步腐蚀。冷涂熔覆层的抗腐蚀性能优于热喷涂熔覆层。这是由于在热喷涂熔覆层中有较多的气孔,而冷涂熔覆层较为致密,另外在喷涂过程中,喷涂材料发生了部分氧化,也降低了涂层的耐腐蚀性能。

图5 不同材料在3.5%NaCl溶液中的极化曲线

3 结 论

分别使用热喷涂和冷涂的方式在Q235钢表面预制Ni45合金涂层,再利用真空高频感应熔覆的方法对涂层进行熔覆,获得了两种不同的Ni45熔覆层。感应重熔层的孔隙率高于感应熔覆层,两种涂层与基体之间都形成了冶金结合,结合层与涂层之间分界不明显。

感应重熔涂层和感应熔覆涂层的显微硬度远高于Q235钢,两种涂层的硬度分布都比较均匀,感应熔覆涂层的硬度略高于感应重熔涂层。

感应熔覆涂层和感应重熔涂层的耐海水腐蚀性均优于Q235钢,相较与感应重熔涂层,感应熔覆涂层有更好的耐腐蚀性。

[1]曾晓雁,吴懿平.表面工程学[M].北京:机械工业出版社,2008. [2]马伯江,赵 程,侯俊英.45钢表面真空炉中和高频感应熔覆Ni -Cr合金的研究[J].金属热处理,2006,31(7):43-46.

[3]韩桂泉,周 品,胡喜兰,等.感应熔覆镍基合金粉末涂层研究[J].润滑与密封,2006(1):75-80.

[4]杨效田,王智平,李文生,等.感应熔覆制备表面涂层工艺及涂层组织特征[J].材料保护,2010,43(8):31-35.

[5]乔金士,宣天鹏.表面高频感应熔覆涂层技术[J].热加工工艺,2013,42(16):14-18.

[6]张红霞,赵红利,罗 成,等.感应重熔工艺对Ni60合金涂层质量的影响[J].金属热处理,2008,33(8):130-133.

[7]张增志,牛俊杰,付跃文.感应熔覆镍基合金粉末涂层工艺和性能研究[J].材料热处理学报,2004,25(2):32-34.

[8]张 乐,陈美英,高 峰,等.预涂和感应重熔制备Ni60熔覆层的研究[J].热喷涂技术,2011,3(1):52-57.

[9]张梦清,张 伟,于鹤龙,等.不同方法制备NiCrBSi涂层的结构与摩擦学性能[J].中国表面工程,2014,27(6):75-81.

[10]周 琦,张方卓,盛 捷,等.不同种不锈钢电化学腐蚀性能的对比[J].兰州理工大学学报,2015,41(1):1-6.

[11]周新星.高频感应真空熔覆金属陶瓷的组织及性能研究[D].青岛:青岛理工大学,2014.

Effects of Different Coating Process for Induction Cladding Coating Performance

WANG Chao-chen,LIN Chen
(College ofMechanical Engineering,Qingdao Technological University,Qingdao Shandong 266520,China)

In this paper,performances of Ni45 alloy coatings which are prepared with two different techniques are studied. Ni45 alloy coatings are prepared on Q235 steel surface by using the thermal spraying and cold coating manner,then fusion covering is conducted with the use of high frequency induction heating vacuum sporty manner.The performances of coatings which are prepared by two different coating processes are analyzed with the scanning electronmicroscopy(SEM),microhardness tester and electrochemicalworkstation.The results show that there aremetallurgicalbond between preparation coating and the basal body in both two different preparation coatings,yet the induction cladding coating is denser,and withoutobvious defects observed.While themicrohardness of the induction remelting layer is lower than the induction cladding layer,but the difference is very tiny.The corrosion resistance property of induction remelting layer isweaker than the induction cladding layer in 3.5%NaCl solution,and both corrosion resistance properties are better than Q235 steel.

alloy coating;high-frequency induction;vacuum;microhardness;corrosion resistance

TG146.1

A

1007-4414(2015)06-0073-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.026

2015-08-16

王超尘(1989-),男,山东菏泽人,硕士研究生,研究方向:真空高频感应熔覆。