自熔性合金涂层感应重熔技术的研究与应用周玉林（长沙铁路超硬材料厂）摘要研究了自熔性合金涂 层高、中频感应重熔工艺材料。介绍了所用的感应重熔设备、感应器的设计及感应重熔工艺，以及 研究试验在湘钢耐火材料厂模具芯棒上的应用效果，还叙述了该工艺的优点及其应用方面。关键词
热喷涂，自熔性合金涂层，感应重熔热喷涂技术中，近年来普遍应用的氧乙炔焰粉末喷焊工艺只适 合于一些中、小工件的喷焊，而对一些长轴、大型工件则无能为力。炉内重熔工艺则适合批量大、 形状复杂的工件，但需要精确控制炉温，而且每批粉末都要精确测量重熔温度。国外对这一技术的 报导较少。在第九届国际热喷涂会议上，前西德的专家发表了《喷涂自熔合金的感应重熔》的论文 ，介绍了运用感应重熔技术，处理一千多根不同尺寸的运输辊的成功经验，指出焊层与基体呈冶金 结合，表面光滑平整，不需机加工即可使用，运输辊使用寿命提高４倍以上，但未报导有关重熔技 术的细节。为了解决大型长轴工件的自熔合金涂层重熔工艺问题，笔者在高、中频感应重熔工艺和 材料方面进行了研究试验，现简介如下。１试验设备１．１感应重熔设备研究试验采用的高频感应 重熔设备为：型号ＧＦ－６０Ｃ１３－１；参数输入电压３８０Ｖ；输入功率１００ｋＶＡ；输入 端频率５０Ｈｚ，三相；输出功率６０ｋＶＡ；输出端频率２００～３００ｋＨｚ。
中频感应加热 重熔设备为：型号ＤＧＦ－Ｔ－１０８－２；参数 功率１００ｋＶＡ；频率 ８０００Ｈｚ；主 回路电压７５０Ｖ；控制回路电压２２０Ｖ；输入电压３８０Ｖ。１．２感应器的设计自熔合金涂 层的感应加热重熔是通过感应器来实现的，对感应器的基本要求是：要保障涂层表面温度尽可能均 匀；损耗尽可能小，电效率尽可能高，感应器与涂层表面保持平行，使线圈产生的磁力线垂直通过 工件，从而使工件在交变磁场内切割磁力线最多，感应涡流也最大；感应器不准对工件产生尖角效 应；感应器本身冷却良好；制造简单，有足够的机械强度，操作使用方便。感应器的设计包括结构 设计与电气参数计算两个部分。对于电气参数的计算，由于设备上的调谐装置可使感应器及工件的 阻抗同感应加热设备的电参数相适应，所以通常不需作复杂的计算。１．２．１感应器结构设计 涂层的质量及设备的效率与利用率，在很大程度上取决于感应器的结构设计水平。感应器由以下几 部分组成：（１）感应导体。由它产生高、中频磁场来加热工件表面自熔合金涂层，对高频感应器 来说，由于频率与电压较高，电流较小，不要求很高的机械强度，可用０．５～１．５ｍｍ厚的薄 壁紫铜管来制造；而对中频感应器而言，由于频率与电压较低、电流大，因此应具有较高的机械强 度，可用１．５～３．０ｍｍ厚的紫铜管或更厚的紫铜板来制造它。（２）汇流条。将高、中频电 流输向感应导体。（３）连接机构（即夹持机构），将感应器的汇流条与淬火变压器夹紧。（４） 冷却装置，冷却汇流条与感应导体。１．２．２感应器形状的确定为满足涂层均匀加热的要求，应 根据工件的具体情况将感应器设计成圆柱体外表面感应器、平面感应器、内孔表面感应器或特殊形 状感应器等，使感应器形状与工件相适应。１．２．３感应器和工件之间的合理间隙在感应重熔中 ，感应器和工件之间要留有适当的间隙，间隙大，漏磁严重，加热速度慢，涂层容易氧化；间隙小 ，漏磁小，工件表面升温速度快。一旦涂层表面粗糙和厚度不均匀，便易与感应器接触，造成短路 ，击穿感应器或烧坏工件。因此，合理间隙以５～１０ｍｍ为宜。２感应重熔工艺自熔合金涂层感 应重熔与氧乙炔焰粉末喷焊二步法工序大致相同，基本为：表面处理→预热→喷粉→感应重熔。２ ．１表面处理表面处理的目的是为了除去工件表面油污、氧化层、渗碳和渗氮层、疲劳层等，根据 工件的实际情况，可采用煤油、柴油等清洗，及车削、刨削、喷砂等方法。２．２预热预热方法： 批量大时，可以把工件放在炉内预热；单件时，可用氧乙炔焰或者感应加热。预热温度须根据材质 和工件大小而定。预热温度偏低，涂层容易发生脱壳的现象；预热温度偏高，工件基体易氧化。重 熔时影响涂层的润湿性，严重时，涂层会发生鼓泡现象。一般情况下，低碳钢预热温度低，约３５ ０℃，合金钢预热温度可达５００℃左右。２．３喷粉当工件内外温度升到预定温度时，应立即喷 粉。为防止因基体温度下降太快，对于大工件，可用重熔枪在工件两端加热。一次涂层厚度不要超 过１．５ｍｍ，以１ｍｍ左右为好。涂层太厚时，由于粉层导热率低、电阻大，重熔时容易产生夹 生现象。一次涂层太薄，重熔次数太多，工件芯部温度就会升高，容易引起工件变形。２．４感应 重熔自熔合金涂层感应重熔过程如附图所示。由于高频电源变压器通常是固定不动的，只有工件运 动，喷涂操作不便，所以高频重熔自熔合金涂层技术，适用于长度较短的工件。而采用中频电源时 ，工件旋转或不动，用移动变压器（即感应线圈）来加热熔化涂层，使之均匀、连续、致密，所以 喷焊工件的大小和长短只取决于电源功率和工作机床的大小。操作中温度的控制以涂层出现“镜面 反光”为准，操作过程中，重熔速度的快慢取决于加热功率的大小和加热时间的长短。如果感应器 的移动速度不变，可调节功率的大小与之适应；反之功率不变，可改变感应器的移动速度与之适应 。３感应重熔技术的优点及其应用感应重熔工艺中频率对电流在金属中的透入深度及加热时间的影 响较大。表１为不同频率的电流在金属中的透入深度情况。从表１可知，频率低，电流透入深度大 ，表面温升慢，大部分能量消耗在工件内部的温升上，若用于自熔合金涂层的感应重熔，则重熔速 度慢，涂层容易氧化；而频率越高，电流透入深度越浅，工件表面温升越快，因而重熔速度越快。 此外，由涡流理论透入深度的公式（ρ为电阻率，μ为导磁率，ｆ为电流频率）也表明了这一关系 。特别是在感应加热钢铁材料过程中，虽然ρ同磁场强度无关，但却要随温度升高而增大，在８０ ０～９００℃，各类钢的电阻率基本相同（约为１０－４ｎ·ｃｍ），而μ的大小与材料成分和磁 场强度有关，感应加热的磁场强度一般为几十至几百奥斯特，相应的μ是２０～１００以上，而当 温度上升到居里点以上时，钢铁失去磁性，μ≈１。钢铁在失去磁性后的涡流透入深度，则可表示 为。这一关系也清楚表明了频率越高透入深度越浅，重熔速度越快。由于高、中频感应加热的频率 高，
电流透入深度（δ）浅，加之工件各对应面受热较均匀，温差小，因此感应重熔后工件变形小 ；由于频率高，感应重熔时间短，大大减少了重熔过程中涂层粉末氧化的机会，因而拓宽了铁基自 熔合金粉末应用范围，降低了涂层材料的成本；由于高、中频感应重熔时间比氧乙炔焰重熔时间要 短得多，而且感应器可以自动移动，因而大大地减轻了操作者的劳动强度；用感应加热重熔代替氧 乙炔焰重熔，可以节省能源，又能大大提高工效；感应重熔涂层与基体呈冶金结合，过渡层比氧乙 炔焰重熔的要厚，结合强度一般大于３５０ＭＰａ。由于感应重熔技术具有上述优点，所以它的应 用范围广，其主要的应用方面有：（１）各种轴类工件。如平板轧辊、运输辊、柱塞、阀杆、耐火 材料芯棒、钻杆、钻套等，均可在工件表面喷涂一层自熔合金涂层，通过感应重熔，使之具有耐磨 、耐蚀、抗氧化等性能。特别是对一些大型或细长轴类工件的自熔合金涂层，只能采用感应重熔工 艺。即使是一般轴类工件，为了得到很高的耐磨性，需喷涂含大量碳化钨的自熔合金粉末，或者为 了降低成本，喷涂铁基自熔合金粉末，采用感应重熔工艺，就可以保证涂层质量。（２）一些平板 工件。采用氧乙炔重熔时，不是工件产生严重变形，就是涂层产生龟裂，特别是对一些面积较大， 涂层较厚的平板工件，情况就更加严重。采用感应重熔工艺则能较好地解决这个问题。（３）在耐 火材料模具芯棒上的应用。众所周知，耐火材料成型模具服役条件极为恶劣。它既要承受极为严重 的硬磨粒磨损，还要承受重复的侧压力，因而模具寿命低。对于成型耐火砖的模板，尚可采用硬质 合金、钢结硬质合金、高铬铸铁等材料来满足要求。而对于成型耐火砖的芯棒，尚无合适的材料可 以解决。因为成型芯棒的表面不仅要求极好的耐磨粒磨损性能，而且芯棒本身要求较高的强度。本 研究采用长沙铁路超硬材料厂生产的含碳化钨镍基自熔合金粉末（ＨＲｃ６２～６８），喷涂在芯 棒表面，再经感应加热重熔，得到厚度为１．５～２ｍｍ（加工后）的致密涂层，经湘钢耐火材料 厂７年多的生产应用，比渗碳淬火钢制芯棒使用寿命高５０～１００倍（见表２）。采用这种涂层 芯棒，不仅能提高耐火砖的质量、大大减少更换芯棒的时间、减少工人劳动强度，而且能获得特别 显著的经济效益。湘钢耐火材料厂使用Φ８３ｍｍ×６３０ｍｍ的涂层芯棒，一年可节约钢材约２ ０ｔ，而且减少了加工工时。自熔性合金涂层感应重熔技术的研究与应用@周玉林$长沙铁路超硬 材料厂热喷涂，自熔性合金涂层，感应重熔研究了自熔性合金涂层高、中频感应重熔工艺材料。介 绍了所用的感应重熔设备、感应器的设计及感应重熔工艺，以及研究试验在湘钢耐火材料厂模具芯 棒上的应用效果，还叙述了该工艺的优点及其应用方面。机床的大小。操作中温度的控制以涂层出 现“镜面反光”为准，操作过程中，重熔速度的快慢取决于加热功率的大小和加热时间的长短。如 果感应器的移动速度不变，可调节功率的大小与之适应；反之功率不变，可改变感应器的移动速度 与之适应。３感应重熔技术的优点及其应用感应重熔工艺中频率对电流在金属中的透入深度及加热 时间的影响较大。表１为不同频率的电流在金属中的透入深度情况。从表１可知，频率低，电流透 入深度大，表面温升慢，大部分能量消耗在工件内部的温升上，若用于自熔合金涂层的感应重熔，则重熔速度慢，涂层容易氧化；而频率越高，电流透入深度越浅，工件表面温升越快，因而重熔速度越快。此外，由涡流理论透入深度的公式（ρ为电阻率，μ为导磁率，ｆ为电流频率）也表明了这一关系。特别是在感应加热钢铁材料过程中，虽然ρ同磁场强度无关，但却要随温度升高而增大