CN110158010A - 一种基于热喷涂和感应熔覆技术的高质量轴类零件制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于热喷涂和感应熔覆技术的高质量轴类零件制备方法及装置。制备方法主要包括：首先，利用感应涡流对基体进行预热，可根据材料的不同，选择不同的预热温度；其次，采用热喷涂技术，对基体进行涂覆，涂层的厚度也可根据需要进行调整，再通过超声冲击对热喷涂后的涂层进行处理；然后，再利用高频感应涡流的集肤效应对涂层进行再次熔覆，以获得涂层、基体间的冶金结合；最后，再利用超声冲击降低裂纹、气泡等缺陷。制备装置主要包括：感应电源、卧式机床、三爪卡盘、感应线圈、终端收集装置、热喷涂装置、轴零件、变幅杆、顶针、超声发生器。本发明既可应用于新零件的制造，也可应用于零件的修复，可显著提高零件的综合使用性能。

Description

一种基于热喷涂和感应熔覆技术的高质量轴类零件制备方法 及装置

技术领域

本发明属于表面处理技术领域，具体涉及一种基于热喷涂和感应熔覆技术的高质量轴类零件制备方法及装置。

背景技术

零件在使用过程中造成的磨损是零件失效的主要形式之一。比如轧辊，我国每年大约产钢15亿吨，每轧1吨钢，需要消耗2千克轧辊，这种消耗主要表现在轧辊表面的磨损，利用堆焊、激光熔覆等技术在轧辊表面涂覆一层特殊材料是一种有效降低磨损的方法。零件失效后，对零件进行再制造，可大幅缩短冶炼周期，同时降低废气、废水的排放，实现资源的循环使用。基于此，形成了表面工程，包括电镀技术、热喷涂技术、激光熔覆、感应熔覆等。

传统的电镀技术，对环境的影响较大，特别是电镀铬技术，其中的六价铬是公认的致癌物，目前替代传统电镀的新技术主要有钨基合金电镀技术、热喷涂技术、激光表面强化技术、感应熔覆技术等。

热喷涂技术是釆用加热装置，使涂层材料加热至熔化或半熔化状态，然后借助焰流本身或高速气体，使熔滴高速撞击基体表面，沉积形成涂层的工艺过程。相比于其他表面处理技术，热喷涂技术的优点如下：应用范围广，对基体材料要求较低，可制备各种涂层；对基体的局部和整体均可喷涂，操作环境要求较低；基体热影响区浅，变形小；涂层均匀；厚度范围较宽，可制备几十微米到几毫米的涂层，且易于操控。因此，热喷涂作为表面处理技术在现代工业中具有广泛的应用。

但是，热喷涂技术技术目前还存在一些缺点，主要表现在：涂层表面存在气孔，孔隙率较大、涂层与基体为机械结合，结合强度较低。

感应熔覆技术是利用电磁感应原理将电能传递给被加热的工件，通过感应电流产生的集肤效应，将涂覆于基体表面的涂层(一般为粉末)加热，使之达到熔融状态，使基体与涂层产生冶金结合，从而获得具有结合强度高、孔隙率低等优良性能的涂层。与激光熔覆、电子束表面处理等方式相比，感应熔覆具有很多优点：感应熔覆过程中受集肤效应的影响，基体材料的热影响区较浅；加热速度快，且对熔覆环境要求较低，适于大批量制备产品；相比于激光熔覆技术，感应熔覆技术的设备简单，成本较低。

但是，感应熔覆技术目前仍存在一些问题，主要缺点表现在：液一固两相之间的熔化易出现熔覆层流失，致密性低，表面质量较差；熔覆过程中粘结剂(一般为水玻璃)的使用会引入杂质元素，影响涂层与基体材料的结合强度和涂层质量。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供一种基于热喷涂和感应熔覆技术的高质量轴类零件制备方法及装置，它将热喷涂技术与感应熔覆技术结合，有效弥补了各自技术的缺点，并利用超声波振动的空化效应和热效应，对熔覆涂层进行强化，可实现涂层微观组织的细化，将粗大的胞状晶和少量树枝晶转变为等轴晶及细小针状枝晶。可减少气孔、裂纹等缺陷，提高待加工件的表面致密性，获得较高的涂层表面质量，从而提高零件的综合性能。

本发明提供的一种基于热喷涂和感应熔覆技术的高质量轴类零件制备方法，其步骤包括：

(1)根据待处理零件的长度，调整三爪卡盘使待处理零件处于合适位置以装夹零件；

(2)缓慢移动装夹好的零件至左侧感应线圈的右端处，移动右侧的顶针装置至零件的右端，使待处理零件固定；

(3)开启左侧的感应电源，根据基体和熔覆材料的不同，对待处理零件进行预热，一般需预热至100～300℃；

(4)预热结束后，移动零件至热喷涂区，同时三爪卡盘开始带动零件旋转，采用高压气流，将熔滴涂覆至基体上，喷涂结束后，调整三爪卡盘的转速至30～40r/min，立即启动超声波发生器，利用超声冲击减低残余应力，降低孔隙率，提高涂层的致密性；

(5)经过超声冲击处理后，移动零件至右侧感应线圈处，再次对零件进行加热熔覆；

(6)加热结束后零件继续向右移动，当移出感应线圈时，启动超声波发生器对熔覆层再次进行超声冲击；

(7)关闭所有装置将零件取下，根据材料选择对应的冷却方式。

本发明提供的一种基于热喷涂和感应熔覆技术的高质量轴类零件制备装置，包括：感应电源、卧式机床、三爪卡盘装置、感应线圈、终端收集装置、热喷涂装置、轴零件、变幅杆、顶针、超声波发生器。

进一步限定，所述左侧感应电源起预热作用，功率在40～60Kw之间，右侧感应电源起感应熔覆的作用，功率在90～110Kw之间。

进一步限定，所述卧式机床上的三爪卡盘装置、顶针，可以在机床床身上水平移动，而且三爪卡盘的转速可以根据机床的控制台进行调整。

进一步限定，所述热喷涂装置的喷涂功率在30～40Kw之间，送粉电压8V。

进一步限定，顶针的材料选为陶瓷材料，避免感应涡流对顶针产生集肤效应。

进一步限定，所述超声波发生器的功率在300～500w，变幅杆的振动频率在12～20KHz。

本发明的技术方案是，首先，利用感应涡流对基体进行预热，可根据材料的不同，选择不同的预热温度；其次，采用热喷涂技术，对基体进行涂覆，使基体表面形成一层均匀的涂层，并采用超声冲击提高涂层的致密性；然后，再利用高频感应涡流的集肤效应对涂层进行再次熔覆，以获得涂层、基体间的冶金结合；最后，再利用超声冲击降低裂纹、气泡等缺陷。

本发明具有如下优点：

采用感应涡流对基体进行预热，预热均匀、时间短，可提高热喷涂涂层和基体的结合强度；采用热喷涂技术，可以混合使用各种合金材料以提高基体的表面性能，而且可显著提高涂层的表面质量，涂层的厚度也可根据需要进行调整；通过超声冲击对热喷涂后的涂层进行处理，可以提高涂层的致密性；再次利用感应涡流对涂层进行熔覆，将基体与涂层间的机械结合转变为冶金结合，大幅提高基体与涂层之间的结合强度，改善涂层的表面质量；再次利用超声冲击对熔覆后的涂层进行处理，将粗大的胞状晶和少量树枝晶转变为等轴晶及细小针状枝晶，实现晶粒的细化；本发明既可应用于新零件的制造，也可应用于零件的修复再制造，而且采用本工艺方法可以显著提高零件的综合使用性能。

附图说明

图1：本发明的整体示意图

符号说明

1.感应电源 2.卧式机床 3.三爪卡盘 4.感应线圈 5.终端收集装置 6.热喷涂装置 7.轴零件 8. 变幅杆 9.顶针 10.超声发生器

图2：本发明的工艺流程图

具体实施方式

如图1所示，本发明是一种基于热喷涂和感应熔覆技术的高质量轴类零件制备方法及装置，包括：1.感应电源2.卧式机床3.三爪卡盘4.感应线圈5.终端收集装置6.热喷涂装置7.轴零件8.变幅杆9.顶针10.超声发生器。

下面以轧辊中广泛使用的球墨铸铁作为基体，镍基合金粉末作为熔覆材料为例，结合图 1说明基于感应熔覆的高质量轴类零件制备方法及装置。其中，轴的尺寸为Φ60×800mm；左侧感应电源的功率为60Kw，右侧感应电源的功率为110Kw；热喷涂的功率为32Kw，电压为 8V；超声波发生器的功率为500w，变幅杆的振动频率为16KHz，变幅杆距零件表面的距离为30～40mm，具体实施实例如下：

(1)对基体进行打磨，去除表面的杂质；

(2)调整左侧三爪卡盘装置，将零件装夹到三爪卡盘上，移动顶针完成零件的装夹；

(3)通过提前编程，设计卧式机床的控制器，使零件以20～30mm/s的移动速度向右移动，开启左侧的感应电源，待零件移动至热喷涂区域时，使零件以60～70r/min的转速转动；

(4)热喷涂结束后，调整零件的移动速度为20～30mm/s，同时启动左侧的超声波发生器，对热喷涂的涂层进行超声冲击；

(5)当零件移动至右侧感应线圈处开启右侧的感应电源，对零件进行熔覆后处理；

(6)熔覆结束，零件移动至超声冲击区时，启动右侧的超声波发生器，对熔覆层再次进行超声冲击；

(7)取下零件，置于空气中冷却至室温。

本文所述的左、右均是以图1作为参考方位。

上述实施例仅用于说明本申请，而非对本发明申请的限定，只要在本发明申请实质技术和方法范围内，对以上所述实施例的变化、增减都将落入本发明权利要求书的范围内。

Claims (3)

1.一种基于热喷涂和感应熔覆技术的高质量轴类零件制备装置，包括：感应电源、卧式机床、三爪卡盘、感应线圈、终端收集装置、热喷涂装置、轴零件、变幅杆、顶针、超声发生器。

2.根据权利要求1所述的一种基于热喷涂和感应熔覆技术的高质量轴类零件制备装置，其特征在于：设置两个感应电源分别为中频感应电源和高频感应电源，超声冲击部分也设置两个。

3.一种基于热喷涂和感应熔覆技术的高质量轴类零件制备方法，包括如下步骤：

(1)根据待处理零件的长度，调整三爪卡盘使待处理零件处于合适位置以装夹零件；

(2)缓慢移动装夹好的零件至左侧感应线圈的右端处，移动右侧的顶针装置至零件的右端，使待处理零件固定；

(3)开启左侧的感应电源，根据基体和熔覆材料的不同，对待处理零件进行预热，一般需预热至100～300℃；

(4)预热结束后，移动零件至热喷涂区，同时三爪卡盘开始带动零件旋转，采用高压气流，将熔滴涂覆至基体上，喷涂结束后，调整三爪卡盘的转速至30～40r/min，立即启动超声波发生器，利用超声冲击减低残余应力，降低孔隙率，提高涂层的致密性；

(5)经过超声冲击处理后，移动零件至右侧感应线圈处，再次对零件进行加热熔覆；

(6)加热结束后零件继续向右移动，当移出感应线圈时，启动超声波发生器对熔覆层再次进行超声冲击；

(7)关闭所有装置将零件取下，根据材料选择对应的冷却方式。