感应熔覆工艺技术研究现状与分析

杜婵婵，胡 雪※，杨洪坤，董 峰

（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子832003；2.石河子胜利硬面有限公司）

0 引言

目前，由于现代工业技术的高速发展，机械装备应用越来越广泛。然而，机械装备的材料利用率普遍较低，损耗比例较大。每年由于材料磨损而造成工件失效的经济损失约占我国GDP 的2%～7%[1-3]。材料的磨损不仅造成能源浪费，而且消耗大量的人力、物力和财力来更换和修理零件，降低生产率。因此，越来越多的国家，尤其是工业发达的国家，越来越重视磨损与耐磨材料的研究。目前，对金属材料进行表面处理的方法有很多，如：感应熔覆、激光熔覆、热喷涂、电镀、气相沉积、表面黏涂等。其中感应熔覆技术凭借熔覆层成分可调、熔覆成品质量高、成本低等优点越来越成为广泛应用的材料表面处理技术[4]。本文对感应熔覆技术原理、工艺步骤、国内外研究现状做了简要概述，并对感应熔覆目前存在的主要问题和发展趋势作了简要分析和综述。

1 感应熔覆技术及工艺步骤

1.1 感应熔覆技术

感应熔覆技术是感应器在电磁感应效应的作用下，利用涡流产生的热量使预置在基体上的合金粉末达到熔融状态，并与工件表面产生冶金结合，得到与基体冶金结合的耐腐蚀、耐磨损的涂层。其中，交变电流、感应线圈和工件是感应熔覆技术工作的三要素。如图1 为感应熔覆过程中的感应加热原理图，当交变电流通过线圈时在线圈附近形成交变的磁场，金属工件位于磁场当中，在其表面形成与感应线圈中电流方向相反的感应电流，即涡流或磁滞损耗，使熔覆层和工件表面迅速加热到高温，冷却后熔覆层与基体金属形成冶金结合。根据频率不同，感应加热可分为工频（f=50 Hz）、中频（50 kHz＜f＜10 kHz）、高频（f ＞10 kHz），交变电流频率越高，电流透入深度越浅，被加热层越薄[5]。此外，感应加热具有加热速度快、热损少、加热效率高、无污染、均匀性好、加工质量高、易于实现自动控制等特点。

1.2 工艺步骤

高频（f ＞10 KHz）感应熔覆分为超音频（10 KHz＜f＜100 KHz）和高频（100 KHz）两种，但是超音频感应熔覆设备频率较低，对基体产生较大的热影响。在高频感应熔覆中，合金涂层的主要制备步骤为：基体表面预处理→涂层调制→感应熔覆。

为了得到结合好、质量高的表面熔覆涂层，首先要进行基体表面的预处理，将基体表面的氧化膜或油污等去除。常用的预处理方法为清洗和表面喷砂。程国东[5]、徐福海[6]等人均采用此方法，制备出的涂层不仅成形良好而且与基体形成冶金结合。

涂层调制主要有预制粉末和预制粉块两种方法。预制粉块法是将粉体压制成块状，然后放置于工件表面进行感应熔覆，其原理图如2[5]。如Han-Young Lee 等人利用粉块法在钢基体上制备NiAl 金属化合物[7]。预制粉末法又分为冷涂法和热涂法，热涂法即把合金粉末利用热喷涂的方法涂覆在工件表面后进行感应熔覆，这种方法简单易行，操作方便，大大提高了生产效率[1]，如Takasakl N 等人用氧乙炔喷涂后再进行感应熔涂[8]；王继东[9]用电弧喷涂后再进行感应重熔。但是，用热喷涂法需要燃气和助燃剂，不仅成本较高，而且氧化较严重。冷涂法即将粉末与粘接剂混合成膏状，涂覆到工件表面，然后进行烘干处理，再进行感应熔覆处理。目前，越来越多的学者开始直接将合金粉末冷涂在工件的表面，得到的涂层不仅经济实用，而且质量也更好。如王振廷[10-12]等人在粉末中加入一定量的粘结剂，制成膏状物，涂敷于Q235 钢试样表面上；韩桂泉，张增志[13-14]等人将自行研制的粘结剂与粉末混合均匀后涂敷在工件表面。

感应熔覆涂层质量的受控参数很多，有电源频率、加热比功率、加热启动时间、试样移动速度、感应线圈间隙等[15]。

2 国内外研究现状

2.1 国内研究现状

传统的感应熔覆技术多数先将合金粉末涂覆在热喷涂后的工件表面，再进行感应熔覆。这种方法简单易行，操作方便，大大提高了生产效率。王继东用电弧喷涂后进感应重熔[9]。但是，利用热喷涂不仅需要燃气和助燃剂，而且喷涂温度难以控制，易造成氧化，浪费材料，增加成本。因此，近几年研究者们开始采用高频感应熔覆方法，直接将合金粉末冷涂在工件的表面进行研究。

张增志，韩桂泉，付跃文[16]分别用高频感应熔覆、激光熔覆、氧乙-炔喷焊三种不同工艺制得GNi-WC25涂层，通过对比，得出高频感应熔覆GNi-WC25 涂层的表层硬度、耐磨性和耐腐蚀性均最优，而且高频感应熔覆涂层表面平整,后续加工量较少。青岛建筑工程学院的林晨、林化春和东北大学的王德俊[17]利用含有70%镍基自熔合金粉和30%WC 粉的混合粉末原料，对直径为9.5 mm 的基体材料45 钢先进行预处理，将其加工到直径9.3 mm。然后将粉末制成膏剂，涂敷于试验段表面。最后，利用高频感应熔覆，将试样放入真空炉内熔烧，对熔烧后的试样进行热处理，加工到标准试样。结果表明：热处理后基体的硬度提高，涂层和过度层的硬度基本不变；涂层的组织结构基本不受影响；在低周疲劳时涂层试样疲劳强度大于未涂层试样，在高周疲劳时疲劳强度小于未涂层试样；过度层产生裂纹。常熟理工学院的孙德勤和戴国洪、徐正亚[18]利用高频感应熔覆工艺制备镍基ZrO2涂层，采用水玻璃作为粘结剂，质量比为10%的ZrO2粉末，对试样以250 ℃烘干30 min，再逐渐加大电流，间歇式加热，获得了实现良好冶金结合的ZrO2涂层，微观组织均匀，涂层厚度达750 μm，表面硬度为736.8 HV，满足零件表面修复的要求。中国石油大学的程国东[5]采用NiCrBSi 自熔合金粉末和稀土La2O3为原材料，羧甲基纤维素为粘结剂，基体材料为35CrMo，采用HFP-30C 型高频感应加热设备进行熔覆，当感应加热频率为100 KHz，工作电流为1 400 A，处理时间为14 s 时，获得NiCrBSi 熔覆涂层的质量最高。

高频感应熔覆不仅可以修复失效的零部件，恢复其尺寸与形状，还可以使材料表面获得所需的特殊性能，已被广泛应用于各类零件的修复。燕山大学的付瑞东和黑龙江商学院的马丽心[19]利用自制的免喷涂合金粉末对感应重熔方法的适应性，以及重熔工艺参数对重熔层组织状态的影响进行研究，发现随感应电流的增加，熔化时间缩短，但对重熔层组织无显著影响，得出免喷涂合金粉末采用感应重熔工艺是完全可行的结论。朱润生[20]对高频感应重熔的设备、材料、工艺进行研究，采用45钢作为试件，经过喷涂自制的Ni60+NiWC35 自熔合金粉末涂层，再高频重熔后，试件使用寿命提高到7～12 倍。

2.2 国外研究现状

1995 年，C.K.Lin 和C.C.Berndt[21]将镍钴合金涂层和氧化锆陶瓷涂层组成的热涂层喷涂到金属基体上，分别在400 ℃和800 ℃老化100 h，500 h，1 000 h，通过观察样品的显微结构变化得知涂层对金属的使用寿命具有一定的影响。之后，MatsubaraY和TomiguchiA[22]使用等离子喷涂后进行感应熔覆处理，Mathsbara Y 和Kumaguwa M[23]首先用火焰喷涂，其次用感应熔覆处理，得到的试件均具有较好的耐磨性及较长的使用寿命。

2001 年，Bruce Michael Warnes[24]发现在涂层中添加活性元素，金属的抗氧化性将提高4 倍以上，同时，他利用化学气相沉积工艺在镀铝过程中去除了有害的基底杂质，获得了质量较高的涂层。H.J.Kim，S.Y.Hwang，C.H.Lee 等[25]通过比较含碳量在15%～45%的火焰喷涂涂层和炉熔镍碳化硅合金涂层的特性，发现35%碳化钨的镍基碳化硅涂层质量最好，25%的碳化钨在磨料磨损试验中表现出最好的耐磨性，而添加40%的碳化钨在干砂橡胶轮磨料磨损试验中表现出最好的耐磨性。研究还表明，20%(或30%)的WC NiCrBSiC 复合镀层的滑动耐磨性比调质JIS SUJ2 轴承钢高近10 倍。Ji Hui Kim[26]等人研究了在SCM 440 基体上感应熔覆Fe-20Cr-1.7C-1.0Si 涂层的热疲劳性能，表明涂层有很高的抗热疲劳性。

3 存在的主要问题和发展趋势

感应熔覆技术是一种新型表面熔覆强化技术，具有感应加热技术和表面涂层技术的综合优势，能以较低的成本在材料表层制备出高耐磨性、高耐腐蚀性的复合金属熔覆层，生产效率高、污染小、质量高，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。但是，目前感应熔覆技术的研究还处于起步阶段，在实际的推广应用中仍然存在着一些问题：

（1）感应熔覆是在1 000 ℃以上的高温下进行的，涂层表面极易氧化，甚至表面涂层会发生流淌，严重影响熔覆效果。朱润生[20]指出，大批量感应重熔时，用仪表测定温度很难获得一致结果，在实际操作中观察涂层熔化时出现“镜面反光”为止。顾伟超，张秀群，沈德久等[27]提出在真空环境下进行高频感应熔覆，有效解决了氧化问题。但是，真空条件或非氧化条件下进行感应熔覆提高了成本，且不利于实现自动化生产。很多学者采用在预制涂层时增加一层保护层，既可以隔绝空气，又可以防止合金液体流淌。程国东在熔剂中加入一定的活化剂进行保护，不但起到助熔的作用，而且还能生成具有一定物理、化学性能的熔渣，改善熔覆层的成形。但是，引入保护层的同时，势必会带来新的问题，如杂质残渣如何去除、保护层是否会与涂层发生不利的化学反应等。因此，制备良好的、易于脱落的保护涂层具有十分重要的研究意义。

（2）在进行感应熔覆涂层涂覆时，常用的方法是手工涂覆，但是手工涂覆往往会导致较大的随机误差，造成涂覆不均匀、表面凹凸不平、熔覆层中出现“夹生”、“杂质缺陷和气泡”等问题。有学者采用液压控制进行涂层涂覆，不仅可以精确控制涂层量，还有利于实现自动化。

（3）现有的感应熔覆工艺方法采用固定优化参数的方法，虽然在一定程度上提高了熔覆成型的质量，但是并没有从根本上改善。因此，深入研究感应熔覆成型机理、明确感应熔覆主要敏感参数，进而探索制备高质量的感应熔覆涂层工艺具有十分重要的研究意义。