感应熔覆镍基合金粉末涂层工艺和性能研究
张增志, 牛俊杰, 付跃文
材料热处理学报
摘 要:用高频感应设备和中频感应设备分别制备感应熔覆镍基合金粉涂层,试验了不同截面形状感应器和不同工艺参数下的熔覆过程。对高频感应和中频感应Ni60涂层的组织结构以及抗蚀性。抗磨损等性能作了比较。结果表明,高频感应比中频感应致热快,涂层内贫铬组织少,基体热影响小;感应熔覆前需预热200℃且采用单匝圆截面感应器;高频感应Ni60涂层抗蚀性高于氧-乙炔喷焊层;GNi-WC25高频感应涂层耐磨性高于激光熔覆层和氧-乙炔喷焊层。
关键词:高频感应; 镍基合金涂层; 中频感应; 激光熔覆; 氧-乙炔喷焊
感应交变磁场在工件内产生感应电动势,感应电动势导致工件表面涂层内形成封闭的涡流。由于金属的阻抗很小,涡流能达到很高的数值,使涡流在工件表层产生大量热。利用感应趋肤加热特性制备自熔性合金粉末涂层,可使涂层熔制热源有效利用,降低基体热影响。前人利用中频感应制备合金粉末涂层方面进行了较多研究[1~3]。本文对高频感应(200~300kHz)熔覆Ni基粉末合金涂层的过程和涂层性能进行了分析。
1 实验方法
实验用高频感应设备:GP100型,振荡频率200~300kHz,输出功率100kW;中频感应设备:KGPS-M型,工作频率1~4kHz,输出功率100kW。
Ni60合金粉末化学成分:16%Cr,3·5%B,4·5%Si,15%Fe,0·8%C,其余为Ni。GNi-25WC在Ni60粉末基础上加入25%WC粉末。基体材料为45钢。用磁天平法测量饱和磁化强度与温度关系,H=1·2T;dH/dX=62·64(Oe/cm)。电阻率测量:将粘结剂与合金粉末调和,充装在绝缘硬塑料管内,烘干,测量不同温度下的电阻率。
阳极极化曲线测量:3·5%NaCl溶液(分析纯试剂,去离子水配制),溶液实验温度为30℃。电位扫描速度20mV/min,参比电极为甘汞电极。
磨损试验:在MM-200磨损试验机上进行,试验方式为环块干摩擦,磨损试样为环试样,外圆40mm+涂层,内径16mm,厚10mm。对磨块采用GCr15钢,尺寸为10mm×10mm×12mm,负载400~800N,环转速200r/min。滑动距离为1500m。用AEL-200电子天平(200,0000g)称量试样磨损失重。
2 实验结果及分析
图1是Ni60的温度与饱和磁化强度(Ms)关系曲线。图中表明Ni60的磁性居里点约为190℃。图2是用无机粘结剂与Ni60粉末按工艺要求调和、烘干后测得的电阻率变化曲线。随着温度升高,电阻率下降,当温度上升到150℃后,电阻率开始平稳变化。显微观察表明,烘干后的带有粘结剂的室温态Ni60粉末颗粒间彼此接触较差,当温度升高时,球形颗粒开始膨胀,金属颗粒间彼此挤压,提高了接触面积,电阻率大为降低。当感应加热温度超过190℃时,涂层失去磁性,其铁磁性在后续的感应加热中己无影响,而电阻率开始在涡流加热中起主导作用。
感应熔覆涉及到涂层和基体两种不同特性材料,Ni基涂层材料居里点为190℃,基体45钢居里点却为768℃。涂层电阻率远高于钢铁基体,其量级粗略估计为102量级。涂层居里点低,加热过程中涡流分布主要与电阻率和感应频率有关;在基体与涂层界面处电磁特性发生突变,出现涡流突变,基体一方电阻率小,磁导率大,涡流突变增大;电磁能密度除了从表层往深处下降外,还向电阻率小,磁导率大的一方倾斜。为使涡流尽可能集中在涂层,采用的方法是:(1)提高感应频率,减小趋肤深度;(2)在熔覆前预热涂层至200℃,降低电阻率。涂层和基体的涡流分布应该如图3所示[4],曲线1是最初预热后开始感应加热时涂层和基体中的涡流分布;当交界面温度超过基体居里点时,基体开始出现失磁层,磁导率下降,电阻率升高,基体涡流减小,涂层中涡流增大(图3中曲线2);再继续加热时,基体失磁层增加,电阻率增大,更有利于涂层加热(图3中曲线3)。
试验表明多匝线圈难以控制感应涂层的熔化与凝固。图4为单匝感应器线圈截面形状对感应涡流的影响。实验中发现,采用图4a形式时,涂层中有大量气孔,且熔融态涂层由于螺旋不均匀加热而容易流失;采用图4b,涂层中温度分布与4a大不相同,涂层与线圈最近点温度最高,在涂层表面形成温度梯度,这种加热方式一方面有利于熔融涂层在凝固前充分排气,不易产生气孔,另一方面螺旋叠合均匀加热,高温涂层不易流失,工艺容易控制。因此,感应加热中采用圆环线圈效果较佳。
表1是高频感应熔覆工艺的部分实验结果,表中感应器为10mm紫铜管,截面形状为圆形。随着工件直径增加,设备输入功率也增加,但这种增加并不与直径成正比,这是因为随着工件直径增大,负载一端阻抗增大,分配到其上的功率比例也相应增大,此外还有感应器等因素。对同一直径的工件,厚的涂层要求采用较小的走行速度。
图5a),b)分别利用高、中频感应加热制备Ni60涂层的显微形貌,图6a),b)分别是高、中频感应加热制备Ni60涂层的X射线面扫描。图5a)是高频感应涂层,经X射线衍射分析(图7),涂层组织是由Ni基固溶体和Cr7C3、CrB、Fe3C硬质相构成,扫描电镜照片中灰黑色阴影片状块富含Cr的化合物,因此富铬区为片状(图6a中Cr的面扫描),因此产生贫铬趋势较小;图5b是中频感应涂层,富铬区沿针状组织分布,且密度大,针状组织产生贫铬倾向较大(图6d中Cr的面扫描)[5]。
图8a)、b)、c)分别为感应熔覆前45钢基体组织、高频熔覆后基体组织和中频熔覆后基体组织。熔覆加热均使基体珠光体长大,中频加热中,珠光体明显转化为魏氏体脆性组织。高频感应加热中也有魏氏体转化倾向,但不明显,仍以粗大珠光体为主。
Ni60涂层的高频感应熔覆法与氧-乙炔喷焊法的耐蚀性比较[6]:测量高频感应熔覆Ni60涂层和氧-乙炔喷焊Ni60涂层在3·5%NaCl溶液中的自腐蚀电位,可以发现二者相差不大,分别为- 326mV和-328mV;但腐蚀电流密度相差近10倍,高频感应熔覆涂层为0·0003mA/cm2,而氧-乙炔喷焊涂层为0·0089mV/cm2。高频感应熔覆Ni60涂层的耐蚀性明显优于氧-乙炔喷焊涂层。
图9是不同载荷下GNi-WC25涂层的高频感应熔覆、激光熔覆、氧-乙炔喷焊耐磨性对比图[7]。从试验结果看,高频感应熔覆层耐磨性高于相同条件下的激光熔覆、氧-乙炔喷焊涂层。
3 结论
(1)采用高频感应熔覆Ni基自熔性合金粉末涂层时,比采用中频感应时涂层放热快,涂层内贫铬组织少,基体热影响小,有利于提高涂层质量。
(2)高频感应熔覆Ni基粉末合金涂层时,熔覆前最好预热200℃,以提高涂层放热效率,感应器应采用单匝圆截面线圈。
(3)高频感应熔覆Ni60合金粉末涂层在3·5%NaCl溶液中的抗蚀性远高于Ni60氧-乙炔喷焊涂层。
(4)高频感应熔覆GNi-WC25合金粉末涂层抗耐磨性高于同材料的激光熔覆涂层和氧-乙炔喷焊涂层。
参考文献略
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