一种内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设计一种内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，属于表面工程技术 领域，本发明主要应用于对机械零件内壁表面进行防护处理，可用于新品零件的强化，也可 用于废旧零件的修复与再制造。
【背景技术】
[0002] 内孔类零件量大面广，例如，液压油缸、摩擦偶件、油气管道等零件在工业中应用 广泛。由于面临磨损或腐蚀工况，在对新品内孔类零件进行内壁表面强化处理，或对失效零 件内壁进行修复和再制造过程中，零件内壁表面涂层制备技术是提升和恢复零件质量和性 能的关键。目前，常用的内壁表面涂层制备技术包括内壁热喷涂、激光熔覆、电沉积、气相沉 积等表面涂层制备技术。其中，热喷涂技术由于涂层沉积原理限制，造成基体与涂层之间 仅形成机械结合，涂层内部存在大量孔隙、微裂纹等缺陷，在苛刻工况下易发生涂层脱落失 效，且当内壁直径小于80mm时，由于孔径结构限制，无法实施有效喷涂；激光熔覆技术制备 的熔覆涂层与基体之间可形成冶金结合，涂层内部无孔隙，但由于激光熔覆过程中热输入 量大，易受热应力影响而在涂层内部形成裂纹，且与热喷涂技术同样受制于内壁尺寸，对于 狭长、细小内壁表面无法实施有效熔覆；电镀硬铬技术是目前液压油缸等内壁类零件内壁 表面最常用的涂层制备技术，硬铬涂层具有良好的耐蚀和耐磨性能，涂层质量高，但六价铬 具有毒性，涂层制备过程对环境负面影响大，且镀层沉积效率低，镀层厚度通常小于0.1 mm ; 气相沉积技术也可在内壁表面制备性能优异的薄膜涂层，但涂层厚度通常为几微米到几十 微米范围，且受制于沉积设备腔体尺寸而无法实现大尺寸零件内壁涂层制备。综上，目前常 用的表面涂层制备技术不适于苛刻工况下磨损或腐蚀失效的内壁零件高性能厚涂层的快 速制备，无法实现内壁直径小于80mm、长度介于200mm和1000 mm的圆柱形狭长、细小内壁直 径的内孔类零件的强化或修复。
【发明内容】
[0003] 本发明针对上述问题，提供一种内孔零件内壁表面防护涂层的制备方法，用于对 磨损或腐蚀失效的内壁类零件进行修复、再制造或新品强化。
[0004] 本发明基于高频感应加热技术热响应快、效率高、易于实现自动化控制、无污染的 特点，通过对零件内壁表面进行清洁、预置粉末涂层、烘干处理、高频感应熔覆等工艺过程， 制备出与内壁表面基体具有冶金结合的高频感应熔覆防护涂层。
[0005] 本发明提供一种内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0006] (1)内壁表面清洁：对处理零件进行内壁表面清洁，去表面污染物；
[0007] (2)预置粉末涂层：将金属粉末与粘结剂混合，制成膏状物，均匀涂于经过步骤 (1)处理后的内壁表面；
[0008] (3)烘干处理：对经过步骤（2)处理的零件进行烘干处理，烘干温度设置范围为 150~200°C，时间2~3小时，使粘结剂挥发，并使预置涂层与内壁表面形成物理结合；
[0009] (4)高频感应加热熔覆预置涂层：
[0010] 固定零件：将经过步骤（3)处理的零件固定在平面数控机床上，使其能按照设置 的转速沿轴心做往复运动和旋转运动；
[0011] 连接并调整感应加热线圈：将与高频感应加热电源连接的感应加热线圈置于零件 内部，调整零件高度使其与感应加热线圈同轴；
[0012] 高频感应加热：控制感应加热电源的功率Ps、零件内壁表面与感应线圈间隙_a、 零件沿轴心移动速度-V、零件旋转速度-n、感应加热交变电流频率-f等工艺参数，使预置 涂层融化并保持成形状态，在加热同时随感应加热线圈向零件内壁通入带有一定压力的氩 气，避免涂层发生氧化；
[0013] 冷却：停止加热并继续通保护气体冷却至200°C以下，再停止零件旋转和通气，自 然空冷，获得与零件内壁基体具有冶金结合的高频感应熔覆涂层。
[0014] 进一步，所述涂层制备过程需要控制的参数包括：感应加热电源的振荡输出功 率-Ps、零件与感应加热线圈的相对移动速度-V、零件内壁预置涂层表面与感应线圈之间的 间隙_a、零件旋转速度-n、感应加热交变电流频率-f ;以上工艺参数的具体选择与零件内 壁直径、壁厚、长度、涂层厚度和涂层材料成分与热学参数等有关。
[0015] 进一步，所述感应加热电源振荡输出功率-Ps选择依据如下：
[0016]
【主权项】
1. 一种内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 内壁表面清洁：对处理零件进行内壁表面清洁，去表面污染物； (2) 预置粉末涂层：将金属粉末与粘结剂混合，制成膏状物，均匀涂于经过步骤（1)处 理后的内壁表面； (3) 烘干处理：对经过步骤（2)处理的零件进行烘干处理，烘干温度设置范围为150~ 200°C，时间2~3小时，使粘结剂挥发，并使预置涂层与内壁表面形成物理结合； (4) 高频感应加热熔覆预置涂层： 固定零件：将经过步骤（3)处理的零件固定在平面数控机床上，使其能按照设置的转 速沿轴心做往复运动和旋转运动； 连接并调整感应加热线圈：将与高频感应加热电源连接的感应加热线圈置于零件内 部，调整零件高度使其与感应加热线圈同轴； 高频感应加热：控制感应加热电源的功率Ps、零件内壁表面与感应线圈间隙-a、零件沿 轴心移动速度-v、零件旋转速度-n、感应加热交变电流频率-f?等工艺参数，使预置涂层融 化并保持成形状态，在加热同时随感应加热线圈向零件内壁通入带有一定压力的氩气，避 免涂层发生氧化； 冷却：停止加热并继续通保护气体冷却至200°C以下，再停止零件旋转和通气，自然空 冷，获得与零件内壁基体具有冶金结合的高频感应熔覆涂层。
2. 根据权利要求1所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于， 所述涂层制备过程需要控制的参数包括：感应加热电源的振荡输出功率_P S、零件与感应加 热线圈的相对移动速度-v、零件内壁预置涂层表面与感应线圈之间的间隙_a、零件旋转速 度-n、感应加热交变电流频率-f ;以上工艺参数的具体选择与零件内壁直径、壁厚、长度、 涂层厚度和涂层材料成分与热学参数有关。
3. 根据权利要求2所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于， 所沭感应加热电源振荡输出功率-Pi^择依据如下：
(6) 其中，n-用于涂层加热的有效比功率占总比功率的比例，％; 加热至预置金属粉末涂层熔化所需的温度，°C;tq-加热前预置金属粉末涂层的温度，°C; c_预置金属涂层材料的比热容，J/kg ? °C ; Pi-预置涂层的材料密度，g/cm3;d_预置涂层的厚度，mm ; h-感应加热线圈有效加热部分的长度，mm ; v-线圈与零件之间相对移动速度，mm/s ; D-零件内孔直径，cm。
4. 根据权利要求3所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于， 为确保预置涂层在加热过程中完全熔化，设定为高于涂层材料熔点50°C~150°C，h 设定为室温，考虑到感应内孔加热过程n设定为35~50%。
5. 根据权利要求3所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于， 在感应加热设备功率和频率能够满足透入式加热的情况下，选择设定高的零件与感应 加热线圈相对移动速度。
6. 根据权利要求3所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于， 对预置涂层进行感应加热制备熔覆涂层时，a取4. 0~8. Omm。
7. 根据权利要求3所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于， 零件旋转速度的最大值为：
(9) 其中D-零件内壁直径，cm ;g-重力加速度，980cm/s2。
8. 根据权利要求3所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于， 感应加热过程中电流穿透深度A与加热材料电阻率p、相对磁导率yp交变电流频 率f存在以下关系：
(10) 其中f-交变电流频率，Hz ; y。_ 真空磁导率，y 〇= 4 31 X 10 _9 (H/cm) 相对磁导率； P-电阻率，D ?cm。
9. 根据权利要求3所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于， 电流透入深度△大于或等于涂层厚度； 预置金属粉末涂层的厚度d最多可超出穿透深度20% ;
(11) 在选择透入式加热条件下，感应线圈的电流频率范围为：
(12)
10. 根据权利要求3所述的内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，其特征在于， 所述涂层制备方法应用于铁、钴、镍和有色金属的内壁零件，制备多金属或合金防护涂 层。
【专利摘要】一种内孔零件内壁表面金属防护涂层的制备方法，属于表面工程技术领域，该发明主要应用于对机械内孔类零件内壁表面进行防护处理。所述的涂层制备方法通过对零件内壁表面进行清洁、预置粉末/粘结剂涂层、烘干、高频感应加热熔覆、冷却等步骤，在内壁表面制备出高频感应熔覆涂层。本发明不仅适用于铁、钴、镍材质零件，也适用于钛基、铝基、铜基等其它导电的内孔类金属零件。利用该发明在零件内壁表面制备的金属防护涂层，其优点是：基体与涂层之间形成冶金结合；热影响区窄，不对基体产生热损伤和发生变形；熔敷层及其界面组织致密，晶粒细小，没有孔洞、夹渣、裂纹等缺陷；可根据零件内壁实际工况需求，选择不同金属或合金粉末作为涂层材料，用于制备耐磨、减摩或防腐涂层。
【IPC分类】C23C24-10
【公开号】CN104805435
【申请号】CN201510197174
【发明人】张伟, 于鹤龙, 汪勇, 宋占永, 张梦清, 张攀
【申请人】中国人民解放军装甲兵工程学院
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年4月24日