连续高频感应熔覆镍基涂层制备工艺及其性能研究

王昊等

摘 要：通过高频感应方法利用运动平台带动制备出长条连续涂层。利用扫描电子显微镜、显微硬度计对涂层进行组织结构和显微硬度分析，研究连续高频感应熔覆镍基涂层的工艺方法和涂层性能。结果表明感应加热前需对涂层预热至200℃，且采用变电流感应加热方法。涂层表面平整，组织均匀细致，涂层和基体之间形成良好的扩散层。

关键词：镍基涂层；高频感应；连续；变电流

在零件表面进行表面防护处理可以有效的减小或者解决磨损、腐蚀等问题，进行表面涂层的制备方法有热喷涂、激光熔覆、感应熔覆等。其中高频感应熔覆技术因其熔覆后涂层效果好，和基体能达到冶金结合，试验过程易于控制，生产效率高等特点脱颖而出。

现有大量文章对高频感应熔覆涂层进行详细的研究，研究方向涉及到熔覆不同金属元素，單一元素对组织性能、磨损、腐蚀等方面的影响，尚未发现针对较大面积的基体进行连续熔覆实验的工艺过程控制相关研究，文中以长条状平板Q235-A为基体研究连续高频感应加热镍基涂层的工艺方法及其组织性能。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与设备涂层制备

实验选用型号为Q235-A型号的钢作为基体，试样尺寸为100*50*10 mm，涂层材料选用Ni60A自熔性合金粉末，首先将对基体表面进行预处理，目的是将基体表面的氧化物和油污去除，再用不同型号的砂纸依次打磨，将打磨好的基体放入煤油清洗，烘干，等待备用。采用饱和松香和松节油调制成的饱和溶液作为粘结剂，将Ni60A金属粉末调制成牙膏状，均匀涂抹于基体表面，厚度控制在1.7-1.9 mm，压实，确保没有明显缺陷存在。将涂层放入烘干箱中进行烘干。烘干结束后取出待用。对试样进行感应熔覆之前先将试样放入真空箱之中进行预热处理，需将真空箱的真空度抽到50 pa以下，减少对涂层和基体的氧化程度。预热完成之后进行感应熔覆涂层试验。

参考现有文献关于感应熔覆的内容，同时为了满足速度的精确性，选用步进电机+滚珠丝杠运动平台来带动试样进行感应试验。

1.2 感应加热前的预处理

在感应加热的过程中，材料的磁性是影响感应熔覆涂层效果的一个重要因素。涂层Ni60A属于铁磁性物质，当温度低于居里点温度时，材料显示为铁磁性，电磁力先是斥力变为引力最后再变为斥力。当温度高于居里点温度时，材料显示为顺磁性。电磁力减小。试样的感应加热过程中，温度从居里点以下到居里点以上，从铁磁性到顺磁性转变，电磁力也在进行以上规律的变化。若不在感应加热前消除涂层电磁力的作用，电磁力会极大的影响涂层的质量。

除材料磁性外，电阻率也在熔覆过程中影响涂层的质量。随着涂层温度的升高，经过粘结剂调和的Ni60粉末颗粒之间的接触面积增大，电阻率下降。

在正式感应加热前进行加热预处理，减弱材料的磁性、电阻率对涂层质量的影响。其中Ni60的居里点约为190 ℃。基体Q235-A材料的居里点约为768 ℃。当温度到达150 ℃以上时，涂层电阻率的下降开始变得缓慢，趋于平稳。

故需在感应熔覆涂层前预热涂层至200 ℃左右，消除涂层铁磁性，降低涂层电阻率变化对加热过程带来的影响。

1.3 感应加热参数的选择

1.3.1 电流的选择

由电流产生能量的关系 可知，电流的大小与金属融化的效率有关，而电流的大小是由感应加热设备的输出功率决定的。由此可以得出，感应加热设备的输出功率决定试样加热的速度和效率。

输出功率增大，电流增大，试样加热的速度变快，效率提高，但输出功率过大的话，会使试样加热速度过快，难以控制加热程度，容易造成涂层融化流淌；

输出功率减小，电流减小，试样加热的速度变慢，效率降低，加热时间的延长容易造成试样氧化严重，降低试样的性能。同时试样加热的过程越长，涂层和基体之间的过渡层越宽，元素扩散越充分。相互扩散的过程中，涂层中Fe 元素含量增加，Ni、Cr 元素的含量减少，涂层的耐腐蚀性能降低。而Ni、Cr 等元素的存在正是涂层的耐腐蚀性能远高于基体材料Q235-A 钢的原因。

1.3.2 平台的运动速度

在涂层到感应加热线圈的距离和电流的大小一定时，平台的移动速度决定了涂层熔覆的效果，平台移动速度过快，加热时间不足，导致涂层不能完全融化或者出现夹生层；平台移动速度过慢，加热时间过长，导致涂层氧化严重，稀释率提高，降低涂层的耐腐蚀性。

电流大小和平台运动速度的大小是个动态的关系。综合上述要点，在满足涂层的加工工艺可行性和使用性能的情况下，选取大的电流和快的平台移动速度。减少试样氧化、降低涂层稀释率。

1.3.3 变电流加热

试样在平台的带动下运动，进入感应加热磁场范围时，需要通过磁场感应产生的涡流发热使涂层融化，试样继续运动时，涂层融化的热量不仅来自磁场感应涡流发热，还包括前部分涂层受热传导过来。此时为了保证涂层质量，需要减少来自涡流产生的热量。需要的感应电流比刚开始加热时的低或者试样的移动速度较刚开始加热的快。

在感应加热时，为了控制涂层加热后的质量，有两种加热方案可供选择：方案一，平台移动速度不变，通过改变感应输出电流来控制；方案二，感应输出电流不变，平台移动速度改变。通过比较，第一种方案通过改变电流能更精确的控制涂层的质量，因此选用第一种加热方案。

经过大量的试验，得出在电流为1600 A，平台移动速度为0.93 mm/s的参数下，连续感应熔覆出的涂层效果良好。

1.4 分析试样制备

对涂层进行感应熔覆试验，冷却后将试样沿侧面切开，露出涂层和基体的结合面，采用砂纸和抛光机将侧面打磨至镜面光泽。用S-3500N扫描电镜观察组织形貌。

2 试验结果与分析

2.2 涂层显微组织分析

图1（b）左侧为镍基涂层，右侧为基体，中间为扩散层。由于感应加热的集肤效应，基体和涂层之间的区域最先被加热，基材界面被熔融的涂层合金浸润时，基材表面薄层中的一些Fe、C 原子被激活，脱离基材点阵进入涂层，并在液态合金中加速扩散，迅速地改变了固溶区的成分。因此认为，固溶区是涂层合金中的Ni、B、Si 和Cr 溶入基材高温奥氏体γ 相中，使γ 相强烈合金化，稳定性提高，在随后的快速冷却中，γ 相被保留下来，从而形成的一种固相扩散产物。这种固相扩散产物组织致密，耐腐蚀性极高，在扫面电镜中呈现为黑色带状。图中的扩散层组织致密，与涂层、基体结合良好，未发现明显缺陷。

3 结语

（1）连续高频感应熔覆镍基涂层下，需进行变电流加热，保证涂层整体吸收的热量均等。

（2）正式加热前需进行预热，预热温度约为200℃，以此来消除加热时镍粉的磁性，减小电阻率带来的影响。

（3）在1600A感应电流下熔覆出的涂层微观组织形貌整体良好。

参考文献：

[1]许新军. 中厚硬质涂层制备工艺的探究[D]. 东华大学， 2014.

[2] 陆在平， 田玉亮， 朱成才. 高频感应重熔 Ni60AA合金粉末涂层的研究[J]. 热喷涂技术， 2012， 4（1）： 44-46.

[3] 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.

[4] 胡亮亮， 沈承金， 陈德娟， 等. 高频感应熔覆铁基涂层组织的研究[J]. 2011.