CN101175865A - 表面改质方法及装置 - Google Patents
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Abstract
在母材(42)的表面上形成喷镀皮膜，通过一边将该喷镀皮膜的表层附近保持在非流动状态一边对该喷镀皮膜进行高频感应加热，使表层附近的下层侧再熔化，将该喷镀皮膜密合在母材(42)上。根据该方法，即使是具有倾斜部分的形状复杂的被处理物，也能顺利地在母材的表面上形成品质良好的耐磨损性皮膜，能够对表面进行改质。
Description
技术领域
本发明涉及例如对旋转部件进行局部的耐磨损表面改质的表面改质方法。
背景技术
例如，对于处理含有大量砂土的水所用的水车或泵等水力机械的叶轮，叶轮的表面因被水中砂土的微粒子冲磨，存在早期就被磨损掉的问题。因此，以往用耐磨损材料覆盖在如此的环境下使用的叶轮等旋转部件。作为其中一种有力的方法，有通过各种喷镀方式喷镀自熔性合金，形成耐磨损性喷镀皮膜，接着再熔化该喷镀皮膜，使喷镀皮膜致密化、同时提高喷镀皮膜和基体材料的密合性的喷镀熔化法。
但是，在用喷镀熔化法对复杂形状的部件进行表面改质的情况下，在使喷镀皮膜再熔化时，尤其在倾斜部分熔化金属会流掉，因而具有皮膜厚度不均匀、或尺寸精度下降等不良情况。
发明内容
本发明是鉴于上述事实而提出的，其目的在于提供一种表面改质方法及装置，即使是具有倾斜部分的形状复杂的被处理物，也能顺利地形成品质良好的皮膜，对表面进行改质。
根据本发明的第1方式，提供一种表面改质方法，即使是具有倾斜部分的形状复杂的被处理物，也能顺利地在母材表面上形成品质良好的耐磨损性皮膜，能够对表面进行改质。此方法具有：在所述母材表面上形成喷镀皮膜的工序；通过一边将该喷镀皮膜的表层附近保持在非流动状态一边对该喷镀皮膜进行高频感应加热，由此使所述表层附近的下层侧再熔化，从而将该喷镀皮膜密合在所述母材上的工序。
作为形成该喷镀皮膜的耐磨损性材料，适合采用含有碳化物粒子的自熔性合金材料或通过熔融固化使碳化物析出的自熔性合金材料。作为喷镀方法，可适宜采用电弧喷镀或等离子喷镀这样的电喷镀法、或火焰喷镀这样的气体喷镀法。高频感应加热最好在适当的不活泼性气氛中进行。另外，一边将喷镀皮膜的表层附近保持在非流动状态一边对该喷镀皮膜进行高频感应加热的部位，不需要是加工对象即母材的整个表面，可以只是倾斜面等必要的部位。
在所述再熔化工序中，也可以使所述表层附近维持在所述喷镀皮膜的原材料的液相线温度以下的非流动温度。如果是液相线温度以下的温度，则喷镀皮膜就呈固相和液相的混合状态，难以形成流动化。由于实际中液相线温度以下的多少温度是合适的，会因表面的倾斜等条件而异，因此优选通过实验求出。
在所述再熔化工序中，也可以通过对所述喷镀皮膜的表面喷射不活泼性气体而强制冷却，使所述喷镀皮膜的表面附近保持在非流动温度以下。
在所述再熔化工序中，也可以一边测定所述喷镀皮膜的表面温度一边对该喷镀皮膜进行高频感应加热。由此，能够从喷镀皮膜的表面温度推断出喷镀皮膜的表面附近及母材附近的温度，能够判断喷镀皮膜的流动性和密合化的状况。
在所述高频感应加热时，也可以在ρ为比电阻[Ω·cm]，μ为比导磁率，f为频率[Hz]时，用由δ[mm]＝5.03×104×(ρ·μ-1·f-1)1/2表示的电流浸透深度δ[mm]达到2[mm]以下的范围的频率进行高频感应加热。
根据本发明的第2方式，提供一种表面改质装置，即使是具有倾斜部分的复杂形状的被处理物，也能顺利地在母材表面上形成品质良好的耐磨损性皮膜，能够对表面进行改质。该表面改质装置具有：感应加热装置，对表面上形成有喷镀皮膜的所述母材的该喷镀皮膜进行高频感应加热；和表面非流动化机构，在进行所述高频感应加热时，对所述喷镀皮膜的表层附近进行冷却，将该表层附近保持在非流动状态。
根据本发明，由于只使喷镀皮膜的表层附近的下方侧部分再熔化，因此喷镀皮膜保持原形。所以，即使是倾斜部分或是形状复杂的部分，也能防止再熔化造成的流动、变形、或厚度不均。因此，能够顺利地形成尺寸精度高的高品质的皮膜。
根据本发明的第3方式，提供一种旋转部件，形成有通过上述的表面改质方法形成的耐磨损性皮膜。在本发明的旋转部件上，由于形成有尺寸精度高的表面改质皮膜，因此旋转部件具备良好的耐磨损性和作为机械部件的高性能。
根据本发明的第4方式，提供一种具有上述旋转部件的流体机械。本发明的流体机械是适合处理浆料这样的磨损性流体的高品质的流体机械。
本发明的上述目的以及其它目的及效果，可参照以本发明的一优选实施方式为例而图示的附图，从以下所述的说明中得到证明。
附图说明
图1是表示本发明的表面改质装置的第1实施方式的图示。
图2是表示本发明的表面改质装置的第2实施方式的图示。
图3是表示图2的表面改质装置的作业状况的图示。
具体实施方式
以下，参照图1～图3说明本发明的实施方式。
图1是表示用于实施本发明的表面改质方法的表面改质装置的第1实施方式的图示。表面改质装置具备：电源10、与电源10连接的感应加热装置本体12、感应电流供给用电缆14、构成在壳内的输出变量器16、连接在输出变量器16顶端上的加热线圈18、保持输出变量器16并进行姿势控制同时使其沿着规定线路移动的机器人装置20。感应电流供给用电缆14、输出变量器16及加热线圈18被从冷却水循环单元22经由连接器15供给的冷却水冷却。由于感应加热装置本体12及机器人装置20是众所周知的，因此省略详细的说明。该表面改质装置被配置在可控制为不活泼性氛围气的空间内。
该表面改质装置具备：朝被处理物体的表面吹送Ar等不活泼性气体的冷却气体喷射装置24、和遥控地测定被处理物体的表面温度的放射温度计26。冷却气体喷射装置24具有带有调节阀28的不活泼性气体源(气瓶)30、和经由供气管32与其连接的喷头34。喷头34例如构成为下表面形成有多个喷射口的筒体状，以喷射口面向加热线圈18的下侧的方式，经由安装部件36安装在输出变量器16的壳上。放射温度计26也同样安装在输出变量器16的壳上，其探头38的顶端面向加热线圈18的下侧的被处理物体。
以下，说明采用本实施方式的表面改质装置进行被处理物体即旋转部件的表面改质的方法。此处，例示对图1所示的泵的叶轮40的侧板42进行表面硬化处理的方法。
此泵例如是用于处理含有浆料这样的固形物的流体的泵，其叶轮40要求具有规定的耐磨损性。因此，对叶轮40的母材(例如马氏体系不锈钢)的表面，利用各种喷镀方式喷镀自熔性合金材料而形成皮膜。作为喷镀方法，可适宜采用电弧喷镀或等离子喷镀这样的电喷镀法、或火焰喷镀这样的气体喷镀法。
自熔性合金是相对于规定组成的合金，通过添加B、Si这样的熔剂成分而使熔点降低了的合金，可根据用途采用多种组成的合金。在本实施方式中，为了提高耐磨损性，采用了含有微细的碳化物粒子的自熔性合金材料或含有在熔融固化时能使碳化物析出的成分的自熔性合金材料。
如果仅仅进行喷射，由于皮膜本身是多孔质的，皮膜和基体材料只不过通过机械的抛锚(锚固)效果密合，所以如果施加冲击，则有可能容易导致皮膜剥离。因此，通过使喷镀皮膜再次熔化，可使喷镀皮膜本身致密化，同时提高与基体材料的密合力。该再熔化处理可采用图1所示的表面改质装置，按以下方式进行。
首先，在将被处理物叶轮40定位后，在保持断开感应加热装置的原状下，进行使机器人装置20记忆加热线圈18的移动路线的示教。这例如可通过由人一边引导在机器人装置20中保持的加热线圈18一边使其沿着被处理面移动来进行。为了使加热线圈18和被处理面间的间隔保持固定，最好在加热线圈18上安装适当的夹具。加热线圈18和被处理面间的间隔优选为2～4[mm]。
接着，根据需要对被处理物进行预热，开动冷却水循环单元22，由感应加热装置向加热线圈18流通规定频率及规定电量的电流，通过机器人装置20使加热线圈18沿着示教的线路移动。此时，尤其在使被处理物的表面倾斜的部位上的皮膜再熔化的情况下，从不活泼性气体源30向喷头34供给不活泼性气体，使其从喷射口喷出，将喷镀皮膜的表层附近的温度维持在其非流动温度。表层附近的温度的控制，如图示的实施方式所示，通过一边用放射温度计26测温，一边控制感应加热的电力或加热线圈18的移动速度，能够更准确地进行。
如此，由于通过将表面的温度维持在其非流动温度，皮膜的至少表面部分不会再熔化，因而能够避免皮膜沿着斜面流动，产生皮膜厚度不均的现象。因此，能够在所需的部分上充分地形成耐磨损性皮膜，并且能够维持足够的尺寸精度，从而能够提供一种节省机械加工的工时，并且最终性能高的泵。
另外，对于表面以外的部分，最好使皮膜充分再熔化，以便进行与母材的熔合及皮膜的致密化。但是，为了实现作为目标的耐磨损性、高密合性，需要按喷镀方法和喷镀材料的每一组合给出条件，设定非流动温度。由此，例如可在喷镀皮膜和基体材料之间生成厚为5μm以上的由相互的金属扩散、融合而形成的扩散层，从而提高喷镀层和母材间的密合力，不会发生皮膜剥离。
此外，通过以适合的频率进行高频感应加热，能够利用表皮效果集中地加热喷镀皮膜和基体材料之间的界面及其附近，加热效率高，并且还能减轻对基体材料芯部的热影响。作为其值，优选按用式(1)表示的浸透深度δ达到2[mm]以下的频率进行高频感应加热。
浸透深度δ[mm]＝5.03×104×(ρ·μ-1·f-1)1/2 (1)
(式中，ρ为比电阻[Ω·cm]，μ为比导磁率，f为频率[Hz])
浸透深度δ达到2[mm]以下的频率例如在奥氏体系不锈钢中在50[kHz]以上，在马氏体系不锈钢中在0.05[kHz]以上，在铁素体系不锈钢中在0.02[kHz]以上，在析出硬化系不锈钢中在0.5[kHz]以上。
图2是表示本发明的第2实施方式的表面改质装置的图示，包含感应电流供给用电缆14、输出变量器16及加热线圈18的感应加热装置以及包含气体供给管32、喷头34的冷却气体喷射装置24不是安装在机器人装置20上，而是安装在平衡臂50上，以便能够易于人工操作。该平衡臂50是长条状的框体，用于保持感应电流供给用电缆14，同时在前端侧安装有输出变量器16、加热线圈18及喷头34，在后端侧安装有平衡用砝码52。平衡臂50在其中央部的轴支撑部54处摆动自如地安装在从上部垂下的支撑部件56的下端上。
支撑部件56是钢丝或链条等长形部件，其上端可沿着设在顶棚上的轨道58滑动。在支撑部件56上，在其中间部分设有弹簧秤60。该弹簧秤60例如构成为具有卷绕支撑部件56的卷轴和向旋转方向对该卷轴施加作用力的弹簧，以规定的力卷取支撑部件56。因此，支撑部件56能够根据需要调整到适宜的长度。冷却气体喷射装置24或放射温度计26的构成与前一实施方式相同。
图3示出将此实施方式的表面改质装置使用于叶轮40的表面处理的方法。操作者手持平衡臂50，首先，使支撑部件56的上端沿着轨道58滑动，使其移动到叶轮40上方的适当位置。接着，操作弹簧秤60，调整支撑部件56的高度位置，使平衡臂50摆动，从而与处理部分一致地调整加热线圈的位置或角度，与先前的情况同样地，一边从喷头34喷射不活泼性气体，一边向加热线圈18供给感应加热的电力使表面的皮膜再熔化。在此方法中，不使用昂贵的机器人装置20，也能进行作业。
(实施例)
以下，说明实验性地实施本发明的方法的实施例。
母材的材料：马氏体系不锈钢(13Cr-4Ni)
母材尺寸：200×200×t30(实施例06和比较例05为200×200×t20)
喷镀材料：采用了Ni基自熔性合金、含有碳化物的Ni基自熔性合金、Co基自熔性合金、及含有W2C粉碎粉末的钢丝(3种)等6种。
喷镀方法：采用火焰喷镀、电弧喷镀及等离子喷镀等3种。
喷镀皮膜厚度：0.15～1.011mm
加热条件
线圈/母材间距离：1.5～4mm
感应加热功率：13kW、20kW
感应加热频率：19kHz、80kHz
浸透深度δ：0.05mm、0.1mm
分别地一边用放射温度计测温一边感应加热，在实施例中维持在非流动温度，在比较例中使表层也再熔化。
表1 汇总地列出实施条件。
表1
| 喷镀材料 | 喷镀方法* | 喷镀皮膜厚度T[mm] | 加热条件 | |||||||||
| 种类 | 固/液相线温度(℃) | 输出功率[kW] | 频率[kHz] | 浸透深度δ[mm] | 线圈/工件间距离[mm] | 线圈/工件相对速度[mm/min] | 放射温度计温度[℃] | 到达时间[s] | 保持时间[s] | |||
| 实施例01 | 含有碳化物的Ni基自熔性合金 | 1020/1110 | F | 0.5 | 20 | 80 | 0.05 | 4 | 0 | 1108 | 146 | - |
| 实施例02 | 含有碳化物的Ni基自熔性合金 | 1020/1110 | P | 0.6 | 20 | 80 | 0.05 | 4 | 0 | 1085 | 131 | - |
| 实施例03 | Co基自熔性合金 | 1040/1195 | F | 1.011 | 20 | 80 | 0.05 | 4 | 0 | 1005 | 71 | - |
| 实施例04 | Co基自熔性合金 | 1040/1195 | P | 0.299 | 20 | 80 | 0.05 | 4 | 0 | 981 | 64 | - |
| 实施例05 | (W2C粉碎粉末+FeSi+BC)/Co | - | A | 0.2 | 20 | 80 | 0.05 | 4 | 0 | 1105 | 72 | - |
| 实施例06 | (W2C粉碎粉末+FeSi+BC)/Co | - | A | 0.15 | 20 | 80 | 0.05 | 4 | 约51 | 900±25 | - | 约29 |
| 实施例07 | (W2C粉碎粉末+FeSi+BC)/Co | - | A | 0.15 | 20 | 80 | 0.05 | 3.6 | 约38 | 975±25 | - | 约39 |
| 实施例08 | (W2C粉碎粉末+FeSi+BC)/Co | - | A | 0.15 | 20 | 80 | 0.05 | 4 | 约28 | 990±25 | - | 约54 |
| 实施例09 | (W2C粉碎粉末+FeSi+BC)/NiCr | - | A | 0.72 | 20 | 80 | 0.05 | 2 | - | 975 | - | - |
| 实施例10 | (W2C粉碎粉末+FeSi+BC)/NiCr | - | A | 0.72 | 20 | 80 | 0.05 | 2 | - | 1025 | - | - |
| 实施例11 | (W2C粉碎粉末+FeSi+BC)/NiCr | - | A | 0.72 | 13 | 19 | 0.1 | 1.5 | - | 1050 | - | - |
| 实施例12 | 含有碳化物的Ni基自熔性合金 | 1020/1110 | F | 0.6 | 20 | 80 | 0.05 | 2 | 33.3 | 1080 | - | 约45 |
| 实施例13 | 含有碳化物的Ni基自熔性合金 | 1020/1110 | F | 0.6 | 13 | 19 | 0.1 | 1.5 | - | 1080 | - | - |
| 实施例14 | Ni基自熔性合金 | 970/1125 | F | 0.75 | 13 | 19 | 0.1 | 1.5 | - | 1000 | - | - |
| 实施例15 | Ni基自熔性合金 | 970/1125 | F | 0.75 | 20 | 80 | 0.05 | 2 | - | 1025 | - | - |
| 实施例16 | Ni基自熔性合金 | 970/1125 | F | 0.75 | 20 | 80 | 0.05 | 2 | - | 1050 | - | - |
| 实施例17 | Co基自熔性合金 | 1040/1195 | F | 0.57 | 13 | 19 | 0.1 | 1.5 | - | 900 | - | - |
| 实施例18 | Co基自熔性合金 | 1040/1195 | F | 0.57 | 20 | 80 | 0.05 | 4 | 32.2 | 920 | - | 约47 |
| 比较例01 | 含有碳化物的Ni基自熔性合金 | 1020/1110 | F | 0.5 | 20 | 80 | 0.05 | 4 | 0 | 1148 | 137 | - |
| 比较例02 | 含有碳化物的Ni基自熔性合金 | 1020/1110 | P | 0.6 | 20 | 80 | 0.05 | 4 | 0 | 1177 | 131 | - |
| 比较例03 | Co基自熔性合金 | 1040/1195 | F | 1.011 | 20 | 80 | 0.05 | 4 | 0 | 1023 | 72 | - |
| 比较例04 | (W2C粉碎粉末)/NiCr | - | A | 0.32 | 20 | 80 | 0.05 | 4 | 0 | 1104 | 253 | - |
| 比较例05 | (W2C粉碎粉末+FeSi+BC)/Co | - | A | 0.2 | 20 | 80 | 0.05 | 4 | 0 | 1057 | 44 | - |
注*(喷镀方法)F：火焰喷镀、P：等离子喷镀、A：电弧喷镀
分别对实施例和比较例测定了硬度。此外，对几个实施例和比较例进行了耐浆料试验。试验条件是，使含有浓度1％的硅砂9号的浆料在角度为90°、流速为40m/s的条件下冲击试样，算出磨损速度。
表2 汇总地列出试验结果。
表2
| 加热结果 | |
| 实施例01 | 皮膜硬度Hv430。 |
| 实施例02 | 皮膜硬度Hv832。 |
| 实施例03 | 皮膜硬度Hv716。 |
| 实施例04 | 皮膜硬度Hv844。 |
| 实施例05 | 皮膜硬度Hv560。基体材料表皮熔化。 |
| 实施例06 | 皮膜硬度Hv805。耐浆料性：218.0[μm/h]。母材比3.14倍。 |
| 实施例07 | 皮膜硬度Hv713。耐浆料性：286.5[μm/h]。母材比2.39倍。母材表皮熔化。 |
| 实施例08 | 皮膜硬度Hv597。耐浆料性：138.5[μm/h]。母材比4.94倍。母材表皮熔化。 |
| 实施例09 | 耐浆料性：94.3[μm/h]。母材比7.3倍。 |
| 实施例10 | 耐浆料性：122[μm/h]。母材比5.6倍。 |
| 实施例11 | 耐浆料性：113.5[μm/h]。母材比6.0倍。 |
| 实施例12 | 耐浆料性：429[μm/h]。母材比1.6倍。 |
| 实施例13 | 耐浆料性：381[μm/h]。母材比1.8倍。 |
| 实施例14 | 耐浆料性：83[μm/h]。母材比8.3倍。 |
| 实施例15 | 耐浆料性：93.8[μm/h]。母材比7.3倍。 |
| 实施例16 | 耐浆料性：76.5[μm/h]。母材比8.95倍。 |
| 实施例17 | 耐浆料性：340[μm/h]。母材比2倍。 |
| 实施例18 | 耐浆料性：133.5[μm/h]。母材比5.13倍。 |
| 比较例01 | 皮膜硬度Hv412。基体材料熔化。 |
| 比较例02 | 皮膜硬度Hv902。基体材料表皮熔化。 |
| 比较例03 | 皮膜硬度Hv654。基体材料熔化。 |
| 比较例04 | 皮膜硬度Hv422。 |
| 比较例05 | 皮膜硬度Hv817。 |
砂浓度：1％
砂：硅砂9号
母材的耐浆料性：684.62[μm/h]。母材比1.0倍。
从这些结果得出，实施例显示出比比较例出色的性能。因此，可以理解，利用本发明的方法，即使对于复杂形状的被处理物，也能够高作业性地形成膜厚均匀的耐磨损性皮膜。
以上图示及说明了本发明的优选的实施方式，但应该理解在不脱离权利要求范围的情况下，可进行多种变更及改进。
本发明可利用于对旋转部件进行局部耐磨损表面改质的表面改质方法。
Claims (8)
1.一种表面改质方法，是在母材的表面上形成耐磨损性皮膜的表面改质方法，其具有：
在所述母材的表面上形成喷镀皮膜的工序；
通过一边将该喷镀皮膜的表层附近保持在非流动状态，一边对该喷镀皮膜进行高频感应加热，使所述表层附近的下层侧再熔化，从而将该喷镀皮膜密合在所述母材上的工序。
2.如权利要求1所述的表面改质方法，其中，在所述再熔化工序中，使所述表层附近维持在所述喷镀皮膜的原材料的液相线温度以下的非流动温度。
3.如权利要求2所述的表面改质方法，其中，在所述再熔化工序中，通过对所述喷镀皮膜表面喷射不活泼性气体而强制地冷却，由此使所述喷镀皮膜的表层附近保持在非流动温度以下。
4.如权利要求1～3中的任何一项所述的表面改质方法，其中，在所述再熔化工序中，一边测定所述喷镀皮膜的表面温度，一边对该喷镀皮膜进行高频感应加热。
5.如权利要求1～4中的任何一项所述的表面改质方法，其中，在所述高频感应加热时，在ρ为比电阻[Ω·cm]、μ为比导磁率、f为频率[Hz]时，用由δ[mm]＝5.03×104×(ρ·μ-1·f-1)1/2表示的电流浸透深度δ[mm]达到2[mm]以下的范围的频率进行高频感应加热。
6.一种旋转部件，其中，用权利要求1～5中的任何一项所述的表面改质方法形成有耐磨损性皮膜。
7.一种流体机械，其具有权利要求6所述的旋转部件。
8.一种表面改质装置，是用于在母材的表面上形成耐磨损性皮膜的表面改质装置，其具有：
感应加热装置，对表面上形成有喷镀皮膜的所述母材的该喷镀皮膜进行高频感应加热；
表面非流动化机构，在进行所述高频感应加热时，冷却所述喷镀皮膜的表层附近，将该表层附近保持在非流动状态。
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