感应熔敷技术工艺参数分析及优化研究

周润猛，胡 雪※，张立新，董 峰，娄晓康，单永超，陈育龙

（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

感应熔敷技术是一种提升表面强度和耐用度的技术，通过在基材表面制作高耐磨、耐腐性能的复合熔敷层，可以较好地提升材料的寿命[1-3]。工作时通过电磁感应的原理利用电能对基材和涂层进行加热，当合金涂层转化为熔融态时，涂层与工件表面完成冶金结合，得到具有高耐磨、高耐腐性能的表面熔敷涂层[4]。

与表面淬火、表面渗碳等传统表面强化工艺相比，感应熔敷技术可以大大降低制造成本，并且可以更好地提升修复区域环境内机械零件的综合机械性能。除此之外，感应熔敷传递热量的速度快、效率高，熔敷层与材料基体结合效果良好，质量稳定，对环境污染小，工作环境较好且成本也较低[5-7]。

本文首先对感应熔敷技术机理进行研究，并对基体材料的加热比功率进行了分析，然后对感应线圈进行研究和设计，最后针对目前感应熔敷涂层质量存在的现象，通过对涂层的成分进行研究，一定程度上对涂层的成分和工艺进行了优化。

1 感应熔敷工艺参数影响研究

在感应熔敷实际工作过程中电磁场、温度场和力场等都会对熔敷效果带来相应的影响，因此对感应熔敷过程工艺参数进行优化，提高涂层成形质量，正是目前需要进行研究的[8]。在加热过程中，频率、功率以及工件的物理性质参数会随温度的变化而产生改变，具有较高的瞬时性和不确定性[9]，因此首先需要对高频感应加热过程中影响熔敷层质量的工艺参数进行分析。

1.1 感应熔敷技术机理研究

对零件加热时，首先利用交流电在线圈周围产生感应磁场，此时线圈内的工件表面会产生涡流，零件内涡流逐渐汇集释放出大量的焦耳热对金属零件的表面进行加热，使金属零件表面的合金涂层材料熔化，进而得到与零件基体冶金结合的耐磨、耐腐的涂层，图1为感应加热原理。

图1 感应加热原理

感应电流在工件上的分布遵循趋肤效应[10]，即电流主要分布于工件的外层，在表面达到峰值，而导体中心没有电流。零件获取的热量主要与涡流的平方成正比，所以热量的损失速度高于电流，一般用透入深度（δ）表示涡流主要分布在工件中的区域，约有80%的热量主要位于深度较薄的位置，其透入深度的数学表达式为：

式中ρ—电阻率；f—频率；μ0—真空磁导率；μr—相对磁导率。

通过表达式可知，电频、材料电阻率和磁导率是影响透入深度的主要因素，材料的电阻率和磁导率是材料的固有性质，因此电流的透入深度主要与电流频率有关。当电流频率增大时，随着透入深度的减小，工件表面的热量逐渐增加，这就是表面效应。根据表面效应来对合金涂层的熔化过程进行较为可靠的控制，使热量对指定的微小区域进行作用，进而保证合金涂层的熔化效果，而表层热量一般难以传递到基体内部，因此对基体内部及其他部分影响较小。

实际上，钢材在受热过程中其电阻率和磁阻率会产生一定的变化，电阻率会随温度的升高而逐步增大，而磁导率不仅与材料受热程度有关还与磁场强度有关，当工件表面在涡流作用下受热温度到达居里点温度以上时，金属材料会产生失磁现象，这时磁导率μ可约等于1。失磁发生后电流会从材料表面向材料内部移动，并且电流的透入深度会持续增大，有时会增大几倍或几十倍，对感应加热的加热效果造成较大影响。因此，在设计时要保证电流的透入深度高于涂层的厚度，否则会使预涂层难以熔化，影响熔敷的效果。

1.2 加热比功率的研究与分析

使用较高频率电流的感应加热过程中，需要对材料基体表面获取的热量进行分析，将单位时间和单位面积材料获取的热量称为加热比功率，其表达式如下：

式中p—加热比功率；k—被熔敷工件的尺寸系数；J—感应器电流；fi—电流频率；σ、μ—材料自身的电导率、磁导率；s—线圈的横截面积。

加热时首先对材料表面的涂层进行预加热，预加热温度为200℃左右，接着再通过感应线圈的作用对其进一步加热。由于此时涂层达到居里点温度进入失磁状态，因此只能通过基体表面的热传递来获取热量，这样可能造成基体熔化而涂层未熔化的情况，对结合十分不利。由于涡流加热的速率高于热传导加热的速率，因此应采用涡流对涂层进行加热，使用涡流加热可以在一定程度上减缓基体材料与涂层熔化时间不对等的情况出现，能够提高两材料交接处的冶金结合效果。

在初始加热阶段，基体受热后自身温度还没有达到居里点，因此处于铁磁状态，铁磁状态下材料自身的磁导率较大，因此涡流较大，加热比功率逐步增大；当基体温度达到居里点时，基体材料进入失磁状态，磁导率迅速减小，且材料电导率随温度的升高不断下降，引起电流下降，最终导致加热比功率呈现不断下降的趋势，因此在整个加热过程中，电流和功率都会以材料的失磁状态为节点呈现先增大后减小的现象。

1.3 感应线圈设计

感应加热是在高温环境下进行的，因此需要感应线圈可以耐高温并能够保证加热过程的稳定性，根据性能要求选择铜作为材料，与其他材料相比，铜的可塑性较好，易于弯制成形，不会轻易出现折裂、折断的情形，而且铜的导热系数较高，利于传热。由于感应熔敷过程中感应磁场会引起导磁金属产生磁滞现象，引起磁滞损失进而影响功率，而铜作为非铁磁性金属材料，可以较好地保证功率。

除材料选择外，还需考虑感应线圈与加热零件的耦合间隙，感应线圈耦合间隙是设计线圈时的一项重要参数，是指感应线圈的有效表面与被加热的工件侧面的间距，一般用e来表示。通过对感应加热的原理进行分析，e的数值越小，加热的效率就越高。e提升1倍时，被加热工件得到的加热功率会下降58.3%；e提升2倍时，功率会下降75%。感应加热效率大大降低主要是因为随着间隙的增大漏磁通也逐步增加，而通过磁通传递的热量也会逐步减少，因此设计时需要控制耦合间隙。

与此同时，零件和感应线圈之间间隙也不能太小，否则会磨损和破坏感应器，还会使零件和感应器间发生放电现象。间隙太小时零件受热也会产生裂纹，经过试验分析，零件和感应器的耦合间隙在3 mm左右时能较好地满足实际工作的性能要求。

2 感应熔敷涂层防腐耐磨优化配比研究

2.1 涂层预制方法的选择

在感应加热前首先需要进行涂层预制工作，涂层预制是将合金粉末预置于处理好的基体表面，涂层预涂厚度参考工件表面涂镀层分类原则，一般选择厚硬化层（0.1~1 mm级）。涂层预制的过程一般使用预制粉末法或预制粉块法。其中预制粉块法是将粉体压成块状后置于工件的表面，然后加热进行感应熔覆工作，其原理如图2。

图2 高频感应熔敷粉块法示意

预制粉末法是将合金粉末涂覆于基体上，粉末的涂覆方法有热涂法和冷涂法两种。将经过初步加热的合金粉末喷涂在工作表面，再通过感应加热将合金粉末再熔化的方法被称为热涂法。热涂法的感应加热工艺类似于感应重熔技术[11]；将粘接剂与合金粉末提前按比例混合均匀，然后直接涂覆到工件基体表面的方法被称为冷涂法，涂覆的厚度一般为1.2 mm~1.5 mm，等涂覆的试样风干后，再采用感应加热技术对涂层进行熔敷加工。相较于热涂法，冷涂法更为经济实用，且冷涂法的涂层在烘干处理之后无需进行冷却，可直接进行熔敷处理，效果也更好。因此涂层预制采用冷涂法。

在制备涂层前还需对基体材料表面进行预处理，采用预处理主要是对基体表面完成以下三项工作：

（1）表面粗化处理，使粉料与基材表面良好地镶嵌和塞合；

（2）表面净化处理，除掉表面杂质，使粉体与表面润湿和冶金结合；

（3）表面活化处理，提升待涂面的活化能力，使粉材和基体表面快速融合。

通过对表面进行加工，去除材料基体表面的氧化层、疲劳层以及镀层等不利于熔敷的物质，利用溶剂溶解和超声振动等方法来清除表面杂物，完成粗化、净化和活化，这便是预处理的作用。

图3 熔敷层预制试样

2.2 涂层防腐耐磨成分较优配比含量研究

进行熔敷的涂层中采用Ni基自熔合金粉末，该合金粉末包含Si、B、Ni、Co等元素，使涂层拥有很强的脱氧以及造渣能力。合金粉末中的Si、B等元素在熔敷时会先与涂层中的氧以及基体内含有的氧化物进行反应，进而生成低熔点的硼硅酸盐物质，这些物质易于漂浮于涂层表面，延缓涂层的被氧化过程，充分减少熔敷涂层中氧的含量和夹渣，改善了涂层和基体材料的工艺性能[12]。

目前涂层制备工艺的不合理是影响感应熔敷成型质量的一个重要原因，不合理的涂层制备工艺会导致涂层产生夹生、杂质和气孔较多以及过熔流淌的问题，很大程度上影响了感应熔敷技术在材料表面修复上的效果[13]。为应对这种问题，需对熔敷涂层质量进行优化来改善基体与涂层的结合效果和强度。对感应加热过程中涂层合金粉末易于过熔流淌以及中间过程会产生水分等问题进行分析，选择在合金粉末中加入CaO和CaCO3的方法。CaO导热性较好，并且具有防腐耐高温等性能，CaO和CaCO3的加入可以吸收涂层中的水分，CaO与水反应生成Ca（OH）2夹渣可以减小涂层流淌的现象，并有提高机械强度的作用。除此之外，这两种耐火氧化物的加入可以在一定程度上抑制高温加热时涂层过熔流淌的问题。因此采用在涂层中加入CaO的方法来优化配比含量，进一步提高熔敷层的成形质量及性能。

但是若CaO的含量达到一定程度会与硅酸钠反应生成较硬的颗粒，非常不利于粘结工作，使得CaO的加入更加不利于涂层的成型，所以在加入CaO粉末时，要保证适量以及合理性。

3 结论

针对感应熔敷技术中涂层中出现的夹生、杂质以及气孔等影响结合强度的缺陷进行了分析，在感应熔敷涂层预制过程采用冷涂法和表面预处理；针对涂层中过熔流淌、涂层水分含量较多等问题采用了在合金粉末中加入氧化钙和碳酸钙的方法进行处理。通过氧化钙和硅酸钠粘合剂的反应，进行感应熔敷涂层成分的优化，逐步提升了涂层与基体的结合强度。目前感应熔敷固定优化参数工艺方法正在不断地提升熔敷成型的质量，未来还需要不断地探索和明确熔敷的敏感参数，进而不断制备更高质量的熔敷工艺以达到从根本上改善熔敷质量的目标。