一種內(nèi)孔零件內(nèi)壁表面金屬防護(hù)涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)計(jì)一種內(nèi)孔零件內(nèi)壁表面金屬防護(hù)涂層的制備方法，屬于表面工程技術(shù) 領(lǐng)域，本發(fā)明主要應(yīng)用于對(duì)機(jī)械零件內(nèi)壁表面進(jìn)行防護(hù)處理，可用于新品零件的強(qiáng)化，也可 用于廢舊零件的修復(fù)與再制造。
【背景技術(shù)】
[0002] 內(nèi)孔類零件量大面廣，例如，液壓油缸、摩擦偶件、油氣管道等零件在工業(yè)中應(yīng)用 廣泛。由于面臨磨損或腐蝕工況，在對(duì)新品內(nèi)孔類零件進(jìn)行內(nèi)壁表面強(qiáng)化處理，或?qū)κЯ?件內(nèi)壁進(jìn)行修復(fù)和再制造過(guò)程中，零件內(nèi)壁表面涂層制備技術(shù)是提升和恢復(fù)零件質(zhì)量和性 能的關(guān)鍵。目前，常用的內(nèi)壁表面涂層制備技術(shù)包括內(nèi)壁熱噴涂、激光熔覆、電沉積、氣相沉 積等表面涂層制備技術(shù)。其中，熱噴涂技術(shù)由于涂層沉積原理限制，造成基體與涂層之間 僅形成機(jī)械結(jié)合，涂層內(nèi)部存在大量孔隙、微裂紋等缺陷，在苛刻工況下易發(fā)生涂層脫落失 效，且當(dāng)內(nèi)壁直徑小于80mm時(shí)，由于孔徑結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法實(shí)施有效噴涂；激光熔覆技術(shù)制備 的熔覆涂層與基體之間可形成冶金結(jié)合，涂層內(nèi)部無(wú)孔隙，但由于激光熔覆過(guò)程中熱輸入 量大，易受熱應(yīng)力影響而在涂層內(nèi)部形成裂紋，且與熱噴涂技術(shù)同樣受制于內(nèi)壁尺寸，對(duì)于 狹長(zhǎng)、細(xì)小內(nèi)壁表面無(wú)法實(shí)施有效熔覆；電鍍硬鉻技術(shù)是目前液壓油缸等內(nèi)壁類零件內(nèi)壁 表面最常用的涂層制備技術(shù)，硬鉻涂層具有良好的耐蝕和耐磨性能，涂層質(zhì)量高，但六價(jià)鉻 具有毒性，涂層制備過(guò)程對(duì)環(huán)境負(fù)面影響大，且鍍層沉積效率低，鍍層厚度通常小于0.1 mm ; 氣相沉積技術(shù)也可在內(nèi)壁表面制備性能優(yōu)異的薄膜涂層，但涂層厚度通常為幾微米到幾十 微米范圍，且受制于沉積設(shè)備腔體尺寸而無(wú)法實(shí)現(xiàn)大尺寸零件內(nèi)壁涂層制備。綜上，目前常 用的表面涂層制備技術(shù)不適于苛刻工況下磨損或腐蝕失效的內(nèi)壁零件高性能厚涂層的快 速制備，無(wú)法實(shí)現(xiàn)內(nèi)壁直徑小于80mm、長(zhǎng)度介于200mm和1000 mm的圓柱形狹長(zhǎng)、細(xì)小內(nèi)壁直 徑的內(nèi)孔類零件的強(qiáng)化或修復(fù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種內(nèi)孔零件內(nèi)壁表面防護(hù)涂層的制備方法，用于對(duì) 磨損或腐蝕失效的內(nèi)壁類零件進(jìn)行修復(fù)、再制造或新品強(qiáng)化。
[0004] 本發(fā)明基于高頻感應(yīng)加熱技術(shù)熱響應(yīng)快、效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、無(wú)污染的 特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)零件內(nèi)壁表面進(jìn)行清潔、預(yù)置粉末涂層、烘干處理、高頻感應(yīng)熔覆等工藝過(guò)程， 制備出與內(nèi)壁表面基體具有冶金結(jié)合的高頻感應(yīng)熔覆防護(hù)涂層。
[0005] 本發(fā)明提供一種內(nèi)孔零件內(nèi)壁表面金屬防護(hù)涂層的制備方法，包括以下步驟：
[0006] (1)內(nèi)壁表面清潔：對(duì)處理零件進(jìn)行內(nèi)壁表面清潔，去表面污染物；
[0007] (2)預(yù)置粉末涂層：將金屬粉末與粘結(jié)劑混合，制成膏狀物，均勻涂于經(jīng)過(guò)步驟 (1)處理后的內(nèi)壁表面；
[0008] (3)烘干處理：對(duì)經(jīng)過(guò)步驟（2)處理的零件進(jìn)行烘干處理，烘干溫度設(shè)置范圍為 150~200°C，時(shí)間2~3小時(shí)，使粘結(jié)劑揮發(fā)，并使預(yù)置涂層與內(nèi)壁表面形成物理結(jié)合；
[0009] (4)高頻感應(yīng)加熱熔覆預(yù)置涂層：
[0010] 固定零件：將經(jīng)過(guò)步驟（3)處理的零件固定在平面數(shù)控機(jī)床上，使其能按照設(shè)置 的轉(zhuǎn)速沿軸心做往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；
[0011] 連接并調(diào)整感應(yīng)加熱線圈：將與高頻感應(yīng)加熱電源連接的感應(yīng)加熱線圈置于零件 內(nèi)部，調(diào)整零件高度使其與感應(yīng)加熱線圈同軸；
[0012] 高頻感應(yīng)加熱：控制感應(yīng)加熱電源的功率Ps、零件內(nèi)壁表面與感應(yīng)線圈間隙_a、 零件沿軸心移動(dòng)速度-V、零件旋轉(zhuǎn)速度-n、感應(yīng)加熱交變電流頻率-f等工藝參數(shù)，使預(yù)置 涂層融化并保持成形狀態(tài)，在加熱同時(shí)隨感應(yīng)加熱線圈向零件內(nèi)壁通入帶有一定壓力的氬 氣，避免涂層發(fā)生氧化；
[0013] 冷卻：停止加熱并繼續(xù)通保護(hù)氣體冷卻至200°C以下，再停止零件旋轉(zhuǎn)和通氣，自 然空冷，獲得與零件內(nèi)壁基體具有冶金結(jié)合的高頻感應(yīng)熔覆涂層。
[0014] 進(jìn)一步，所述涂層制備過(guò)程需要控制的參數(shù)包括：感應(yīng)加熱電源的振蕩輸出功 率-Ps、零件與感應(yīng)加熱線圈的相對(duì)移動(dòng)速度-V、零件內(nèi)壁預(yù)置涂層表面與感應(yīng)線圈之間的 間隙_a、零件旋轉(zhuǎn)速度-n、感應(yīng)加熱交變電流頻率-f ;以上工藝參數(shù)的具體選擇與零件內(nèi) 壁直徑、壁厚、長(zhǎng)度、涂層厚度和涂層材料成分與熱學(xué)參數(shù)等有關(guān)。
[0015] 進(jìn)一步，所述感應(yīng)加熱電源振蕩輸出功率-Ps選擇依據(jù)如下：
[0016]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種內(nèi)孔零件內(nèi)壁表面金屬防護(hù)涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 內(nèi)壁表面清潔：對(duì)處理零件進(jìn)行內(nèi)壁表面清潔，去表面污染物； (2) 預(yù)置粉末涂層：將金屬粉末與粘結(jié)劑混合，制成膏狀物，均勻涂于經(jīng)過(guò)步驟（1)處 理后的內(nèi)壁表面； (3) 烘干處理：對(duì)經(jīng)過(guò)步驟（2)處理的零件進(jìn)行烘干處理，烘干溫度設(shè)置范圍為150~ 200°C，時(shí)間2~3小時(shí)，使粘結(jié)劑揮發(fā)，并使預(yù)置涂層與內(nèi)壁表面形成物理結(jié)合； (4) 高頻感應(yīng)加熱熔覆預(yù)置涂層： 固定零件：將經(jīng)過(guò)步驟（3)處理的零件固定在平面數(shù)控機(jī)床上，使其能按照設(shè)置的轉(zhuǎn) 速沿軸心做往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； 連接并調(diào)整感應(yīng)加熱線圈：將與高頻感應(yīng)加熱電源連接的感應(yīng)加熱線圈置于零件內(nèi) 部，調(diào)整零件高度使其與感應(yīng)加熱線圈同軸； 高頻感應(yīng)加熱：控制感應(yīng)加熱電源的功率Ps、零件內(nèi)壁表面與感應(yīng)線圈間隙-a、零件沿 軸心移動(dòng)速度-v、零件旋轉(zhuǎn)速度-n、感應(yīng)加熱交變電流頻率-f?等工藝參數(shù)，使預(yù)置涂層融 化并保持成形狀態(tài)，在加熱同時(shí)隨感應(yīng)加熱線圈向零件內(nèi)壁通入帶有一定壓力的氬氣，避 免涂層發(fā)生氧化； 冷卻：停止加熱并繼續(xù)通保護(hù)氣體冷卻至200°C以下，再停止零件旋轉(zhuǎn)和通氣，自然空 冷，獲得與零件內(nèi)壁基體具有冶金結(jié)合的高頻感應(yīng)熔覆涂層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)孔零件內(nèi)壁表面金屬防護(hù)涂層的制備方法，其特征在于， 所述涂層制備過(guò)程需要控制的參數(shù)包括：感應(yīng)加熱電源的振蕩輸出功率_P S、零件與感應(yīng)加 熱線圈的相對(duì)移動(dòng)速度-v、零件內(nèi)壁預(yù)置涂層表面與感應(yīng)線圈之間的間隙_a、零件旋轉(zhuǎn)速 度-n、感應(yīng)加熱交變電流頻率-f ;以上工藝參數(shù)的具體選擇與零件內(nèi)壁直徑、壁厚、長(zhǎng)度、 涂層厚度和涂層材料成分與熱學(xué)參數(shù)有關(guān)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)孔零件內(nèi)壁表面金屬防護(hù)涂層的制備方法，其特征在于， 所沭感應(yīng)加熱電源振蕩輸出功率-Pi^擇依據(jù)如下：
(6) 其中，n-用于涂層加熱的有效比功率占總比功率的比例，％; 加熱至預(yù)置金屬粉末涂層熔化所需的溫度，°C;tq-加熱前預(yù)置金屬粉末涂層的溫度，°C; c_預(yù)置金屬涂層材料的比熱容，J/kg ? °C ; Pi-預(yù)置涂層的材料密度，g/cm3;d_預(yù)置涂層的厚度，mm ; h-感應(yīng)加熱線圈有效加熱部分的長(zhǎng)度，mm ; v-線圈與零件之間相對(duì)移動(dòng)速度，mm/s ; D-零件內(nèi)孔直徑，cm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的內(nèi)孔零件內(nèi)壁表面金屬防護(hù)涂層的制備方法，其特征在于， 為確保預(yù)置涂層在加熱過(guò)程中完全熔化，設(shè)定為高于涂層材料熔點(diǎn)50°C~150°C，h 設(shè)定為室溫，考慮到感應(yīng)內(nèi)孔加熱過(guò)程n設(shè)定為35~50%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的內(nèi)孔零件內(nèi)壁表面金屬防護(hù)涂層的制備方法，其特征在于， 在感應(yīng)加熱設(shè)備功率和頻率能夠滿足透入式加熱的情況下，選擇設(shè)定高的零件與感應(yīng) 加熱線圈相對(duì)移動(dòng)速度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的內(nèi)孔零件內(nèi)壁表面金屬防護(hù)涂層的制備方法，其特征在于， 對(duì)預(yù)置涂層進(jìn)行感應(yīng)加熱制備熔覆涂層時(shí)，a取4. 0~8. Omm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的內(nèi)孔零件內(nèi)壁表面金屬防護(hù)涂層的制備方法，其特征在于， 零件旋轉(zhuǎn)速度的最大值為：
(9) 其中D-零件內(nèi)壁直徑，cm ;g-重力加速度，980cm/s2。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的內(nèi)孔零件內(nèi)壁表面金屬防護(hù)涂層的制備方法，其特征在于， 感應(yīng)加熱過(guò)程中電流穿透深度A與加熱材料電阻率p、相對(duì)磁導(dǎo)率yp交變電流頻 率f存在以下關(guān)系：
(10) 其中f-交變電流頻率，Hz ; y。_ 真空磁導(dǎo)率，y 〇= 4 31 X 10 _9 (H/cm) 相對(duì)磁導(dǎo)率； P-電阻率，D ?cm。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的內(nèi)孔零件內(nèi)壁表面金屬防護(hù)涂層的制備方法，其特征在于， 電流透入深度△大于或等于涂層厚度； 預(yù)置金屬粉末涂層的厚度d最多可超出穿透深度20% ;
(11) 在選擇透入式加熱條件下，感應(yīng)線圈的電流頻率范圍為：
(12)
10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的內(nèi)孔零件內(nèi)壁表面金屬防護(hù)涂層的制備方法，其特征在于， 所述涂層制備方法應(yīng)用于鐵、鈷、鎳和有色金屬的內(nèi)壁零件，制備多金屬或合金防護(hù)涂 層。
【專利摘要】一種內(nèi)孔零件內(nèi)壁表面金屬防護(hù)涂層的制備方法，屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域，該發(fā)明主要應(yīng)用于對(duì)機(jī)械內(nèi)孔類零件內(nèi)壁表面進(jìn)行防護(hù)處理。所述的涂層制備方法通過(guò)對(duì)零件內(nèi)壁表面進(jìn)行清潔、預(yù)置粉末/粘結(jié)劑涂層、烘干、高頻感應(yīng)加熱熔覆、冷卻等步驟，在內(nèi)壁表面制備出高頻感應(yīng)熔覆涂層。本發(fā)明不僅適用于鐵、鈷、鎳材質(zhì)零件，也適用于鈦基、鋁基、銅基等其它導(dǎo)電的內(nèi)孔類金屬零件。利用該發(fā)明在零件內(nèi)壁表面制備的金屬防護(hù)涂層，其優(yōu)點(diǎn)是：基體與涂層之間形成冶金結(jié)合；熱影響區(qū)窄，不對(duì)基體產(chǎn)生熱損傷和發(fā)生變形；熔敷層及其界面組織致密，晶粒細(xì)小，沒(méi)有孔洞、夾渣、裂紋等缺陷；可根據(jù)零件內(nèi)壁實(shí)際工況需求，選擇不同金屬或合金粉末作為涂層材料，用于制備耐磨、減摩或防腐涂層。
【IPC分類】C23C24-10
【公開號(hào)】CN104805435
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510197174
【發(fā)明人】張偉, 于鶴龍, 汪勇, 宋占永, 張夢(mèng)清, 張攀
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院
【公開日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年4月24日