Melting and heat transfer mechanism of powder by induction brazing coating
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摘要: 感应钎涂技术是材料表面修型提性的重要技术手段，分别选用碳钢和陶瓷作为基板进行感应钎涂试验，系统研究了粉状和膏状钎涂层温度变化规律，分析了钎涂过程热量传递方式和路径. 结果表明，感应钎涂时涂层材料不能被直接感应加热，钎涂层升温的热源几乎全部来自于钢基体的热传导，液固界面剧烈传热并梯次推进，促进了金属钎料的熔融铺展；当基材由导电且能够被感应加热的碳钢替换为陶瓷时，涂层材料升温只能依靠自身生热. 粉状钎涂料呈游离态，粉末颗粒之间及粉末颗粒与金刚石之间充满气体，基体的热量难以传导至上部，粉末难以充分熔融，而添加粘结剂的膏状钎涂料在感应过程中能快速熔化，粘结剂兼有导热、助熔和保护等多重作用.Abstract: Induction brazing coating is an important method to improve the surface quality and the performances of materials. In this study, the carbon steel and ceramic were selected as basal plates to perform the induction brazing coating tests. Then the change law of powder and paste temperatures was studied systematically, and the mode and path of heat transfer were analyzed. The results showed that the coating materials could not be heated directly by induction brazing, and the heat source of the temperature rise of the brazing coating was almost all from the heat conduction of the steel matrix. During this process, intense heat transfer occurred at liquid-solid interface, promoting the melting and spreading of powder successively. When the substrate was replaced by carbon steel, which was conductive and heated by induction, the coating material could only be heated up by itself. Powder brazing coating particles presented free state, and were filled of gas between them. As a result, the heat of the matrix was difficult to conduct the upper part, and the powder was difficult to melt fully. However, the paste brazing coating added with adhesive could melt quickly in the induction process, and the binder played the roles of heat transfer, melting promoting and protection, and so on.
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0. 序言
感应钎涂技术作为材料表面改性和关键构件延寿的重要方法之一，广泛应用于航空航天、工程机械、石油钻探等行业，受到了国内外学者的高度关注. 目前国内外研究主要集中在钎涂材料组分优化、钎涂层制备方法优选、钎涂层形态创新、钎涂工艺优化等，而对影响钎涂层成形工艺性内在诱因粉末熔融及传热机理研究报道较少[1-9].
钎涂层成形工艺性是钎涂质量的首要指标. 理清粉状钎涂料及膏状钎涂料感应加热过程中的能量转换与传递机制，对于调控涂层成形至关重要. 通过调整钎涂料的状态及感应加热承托基板材质，研究感应钎涂粉末熔融及传热机制；采用电磁感应原理计算了钢板或粉末的产热量[10-14]，从理论上深入分析了能量转换、传递路径和液固形态演化过程. 通过试验研究和理论分析，确定感应钎涂过程的热传导机制和路径，对进一步明确液固相转换过程及涂层成形机理具有重要学术价值和工程应用意义.
1. 试验方法
感应钎焊采用SP-25型感应钎焊机，其最大功率为25 kW，振荡频率为20 ~ 80 kHz，感应线圈可以自制、更换、圈数可以在2 ~ 4圈之间调配、形态不受限制[15]. 钎涂钎料采用NiCrSiB，被钎涂材料选用金刚石，粘结剂选用无机粘结剂，承托基板选用Q235低碳钢和陶瓷板，其化学成分如表1所示. 试验钎涂温度在1 030 ~ 1 130 ℃之间选取，钎涂过程温度采用红外测温仪进行测量，测温范围可达−32 ~ 2 200 ℃，测量精度在 ± 3%，重复精度1 ℃，设备响应时间小于500 ms. 钎涂过程中通过夹持装置来避免钢基板的晃动. 采用高分辨率相机拍摄记录整个钎涂过程；采用Zeiss Smartzoom5型超景深显微镜观察钎涂后表观形貌.
表 1 Q235和陶瓷板的化学成分(质量分数，%)Table 1. Chemical compositions of Q235 and ceramic plate类别 C Mn Si S P Fe SiO2 Al2O3 其它氧化物 Q235钢 0.12 ~ 0.20 0.30 ~ 0.70 $\leqslant $0.30 $\leqslant $0.045 $\leqslant $0.045 余量 — — — 陶瓷板 — — — — — — 50.5 ~ 55.0 20.0 ~ 30.0 余量 试验时分别采用Q235低碳钢、陶瓷板作为承托基板，基板上分别涂敷膏状钎涂料和粉状钎涂料. 试验前先对钢基体进行表面喷砂处理，去除表面铁锈，提高平整度； 然后，将粉末与相应比例的粘结剂均匀混合，预置于尺寸为75 mm × 25 mm × 10 mm的碳钢板上. 将制备的试样于25 ℃空气中静置，随后入鼓风干燥箱进行(90 ~ 110) ℃ × 8 h保温干燥，以减少粘结剂中水分对涂层成形性能的影响.
2. 试验结果与分析
2.1 粘结剂对感应钎涂传热效率的影响
为了探明感应钎涂过程的能量转换方式、热作用行为和传递路径，首先研究粘结剂对热作用行为的影响. 采用高分辨率相机分别拍摄了以低碳钢作承托板的两种试样，即不含粘结剂的粉状涂料和含12%粘结剂的膏状涂料钎涂过程，每5 s拍摄1张，结果如图1 ~ 图2所示. 由图1粉状涂料受热过程可见，钎涂时间为5 s时碳钢基材部分区域已经开始变红，钎涂时间为10 s时大部分的基体已经变红，钎涂时间为20 s时基体已经完全变红并开始加热表层的钎料；钎涂时间为30 s以后钎料粉末逐渐受高温变红，且粉末中心温度最高，从中心向四周扩展；钎涂时间为60 s时整个试件变红，基本全部完成感应钎涂过程. 图2为膏状涂料试样钎涂过程的照片.钎涂时间为10 s时，碳钢基材开始变红；钎涂时间为15 s时预置层开始变红，至钎涂时间为30 s时整个试件变红，完成全部感应钎涂过程. 试验表明，膏状涂料的导热效率明显高于粉状涂料，粉状涂料微粒之间的间隙对热传导有较为明显的阻碍作用.
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图 1 粉状涂料感应钎涂过程Figure 1. Process of powder alloy by induction brazing coating. (a) coating temperature 50 ℃ at 5 s; (b) coating temperature 150 ℃ at 10 s; (c) coating temperature 550 ℃ at 20 s; (d) coating temperature 730 ℃ at 30 s; (e) coating temperature 960 ℃ at 50 s; (f)coating temperature 1060 ℃ at 60 s; (g) end![]()
图 2 膏状涂料感应钎涂过程Figure 2. Process of paste alloy by induction brazing coating. (a) coating temperature 90 ℃ at 5 s ; (b) coating temperature 300 ℃ at 10 s; (c) coating temperature 600 ℃ at 15 s; (d) coating temperature 840 ℃ at 20 s ; (e) coating temperature 890 ℃ at 25 s; (f) coating temperature 995 ℃ at 30 s; (g) end由图1 ~ 图2的试验结果可知，在感应钎涂过程中，钎涂粉末、钎涂粉末和粘结剂的混合物很可能并未直接受到感应加热作用，其升温是源于碳钢基体的热传导.
2.2 基体对感应钎涂传热效率的影响
为了进一步探明基体对钎涂热效率的影响，选用与碳钢尺寸相同的陶瓷材料(75 mm × 25 mm × 10 mm)作为基体重复试验，在陶瓷片上分别预置粉状钎涂料和膏状钎涂料. 图3、图4分别为陶瓷材料基体上预置粉状和膏状涂料感应钎涂结果，试验呈现了和碳钢作为基材时完全不同的结果. 由图3和图4可以看出，在整个感应钎涂过程中，钎涂材料表面温升几乎为零，钎涂前后涂层表观形貌基本无变化. 当基材由导电且能够被感应加热的碳钢替换为陶瓷之后，陶瓷作为一种绝缘体不能够被感应加热，涂层材料升温只能依靠自身生热.
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图 3 陶瓷基板上粉状涂料感应钎涂过程Figure 3. Process of powder alloy on ceramic substrates by induction braze coating. (a) initial state; (b) intermediate state; (c) end state![]()
图 4 陶瓷基板上膏状涂料感应钎涂过程Figure 4. Process of paste alloy on ceramic substrates by induction braze coating. (a) initial state; (b) intermediate state; (c) end state试验结果证实了金属钎涂材料无论是粉末状态还是膏状均不能被直接感应加热. 这一发现对于理清粉状钎涂材料的感应钎涂原理具有重要意义.
2.3 电磁感应钎涂热作用机制分析
感应钎涂的传热升温过程是电磁感应生热、材料间传导热和辐射热综合作用结果，可以从粉状钎涂材料的感应生热和基体传热两方面分析能量转换和传递路径.
钎涂材料是细粒度的金属粉，具有一定的导电性，在钎涂过程中能够被感应，因此可以依据法拉第电磁感应原理推断其生热过程.
当电路围绕的区域内存在交变磁场时，电路两端会产生感应电动势，如果电路闭合，则会产生感应电流. 在感应钎涂时，放置于感应线圈中的试样就被交变磁场的磁力线所切割. 在闭合回路中，磁通量的变化引起感应电动势的产生，根据该电磁感应原理得到感应电动势大小为[16]
$$ e=-N\frac{{\rm{d}}\varPhi }{{\rm{d}}t} $$ (1) 式中：e为感应电动势；N为线圈匝数；dΦ为磁通量变化量；dt为时间变化量. 假设Φ是以正弦规律变化，则可以得到
$$ \varPhi ={\varPhi }_{{\rm{m}}}\mathrm{sin}\omega t $$ (2) 再将其代入感应电动势的公式中便可以得到感应电动势的有效值em为[17]
$$ e_{\rm{m}}=\frac{2{\text{π}} f{N\varPhi }_{{\rm{m}}}}{\sqrt{2}}=4.44{Nf\varPhi }_{{\rm{m}}} $$ (3) 式中：em为感应电动势；N为线圈匝数；f为感应钎焊频率；Φm为零件的磁通量. 零件的磁通量Φm可以表示为
$$ {\varPhi }_{{\rm{m}}}=BS $$ (4) 由于感应电动势的存在以及集肤效应，被加热的试样表层会形成一个封闭的电流回路，该电流称之为涡流. 涡流强度取决于感应电动势e和阻抗Z的大小[18].
$$ {I}_{{\rm{f}}}=\frac{e}{Z}=\frac{4.44NfBS}{\sqrt{{R}^{2} + {X}_{{\rm{l}}}^{2}}} $$ (5) 式中：If为涡流大小；Z为阻抗；R为涡流回路内电阻；Xl为涡流回路内的感抗；B为磁感应强度；S为工件受磁场作用的断面积；N为线圈匝数；f为感应钎焊频率.
一般在金属材料中阻抗Z的值很小，所以涡流If会很大. 根据焦耳-楞次定律，涡流在金属内部传导时需要克服金属本身的电阻产生焦耳热Q，以此来对试样进行加热，其公式为[19]
$$ Q={{I}_{{\rm{f}}}}^{2}Rt $$ (6) 式中：If为涡流大小；t为涡流流通时间.
从式 (6) 可以看出，感应电动势和感应加热功率和感应加热的频率大小和磁场强弱有关. 感应线圈中的交变电流越大，产生的磁通也就越多，由此产生的涡流也就更大可以更快地加热试样.
通过对钎料粉末的导电性进行检测发现可以导电则说明钎料能被感应，只是由于产生热量太少而可以忽略. 通过感生电动势公式
$$ e = \oint{Edl} $$ (7) 式中：e为感生电动势；E为电场强度；l为导体的长度.
可以看出，感应电动势的大小直接与导体的长度成正比，采用的钎涂粉末的粒度为200目，单颗粉末的平均直径约为74 μm. 细小粒径的粉末产生的感应电动势较小，致使涡流的强度明显降低，在单位时间内产生的焦耳热很少，最终导致钎涂材料温度没有明显变化.
现对镍基钎料粉末产生的焦耳热进行估算. 采用SP-25B型感应钎焊设备，其主要参数为最大加热电流1 040 A，振荡频率30 ~ 80 kHz，最大输入功率25 kW. 感应加热时采用的感应电流为750 A，感应线圈由4匝铜管制成，线圈包络区域的截面积约为32 cm2. 根据磁感应强度公式计算出磁感应强度为250 mT，每一颗钎料粉末的直径为74 μm，那么其受磁场作用的断面积为4.3 × 10−5 cm2，忽略涡流内的感抗大小. 以NiCrSiB粉末为参考，常温下的电阻为12 Ω，则每一颗200目NiCrSiB钎料粉末电阻为8.88 × 10−4 Ω，以此计算得到涡流大小为1.72 × 10−8 A，单位时间内产生的焦耳热为1.58 × 10−17 J. 即单颗粒镍基金属粉末1 min内产生的焦耳热仅有9.48 × 10−16 J.
NiCrSiB的松装密度约为3.5 ~ 4 g/cm2，单颗镍基钎料粉末平均直径为74 μm，则粉末体积为2.12 × 10−7 cm3，质量8.48 × 10−7 g. 镍基合金的比热容为460 J/(kg·℃). 根据比热容计算公式
$$ q=cm\Delta T $$ (8) 式中：q为能量；c为比热容；m为质量；Δt为温度变化量. 计算得到NiCrSiB镍基粉末每分钟内的升温约为Δt = 4.05 × 10−11 ℃，单颗粉末的升温速率特别慢是上述试验结果中金属粉末几乎不能被感应加热的根本原因.
从文献[20-21]发现，镍基钎料的热导率为13.4 W/(m·K)，传递热量能力较低. 而镍基钎料还通过粘结剂连接，粘结剂属于一种无机盐，本身不导电，在感应钎焊时无法被感应，且粘结剂的导热能力与金属比很差，有阻碍钎料热传导的作用. 此外，钎料粉末之间不仅有粘结剂的存在，还有金刚石的存在. 由于金刚石不导电，在钎焊过程中不会被感应加热，还会在一定程度上使涡流回路内的电阻增加，实际产生的涡流强度以及焦耳热会更小. 因此当没有碳钢基材存在时，利用感应钎焊加热无法实现钎涂金刚石的工艺.
图5为电磁感应与钢基体之间的强作用关系示意图. 电磁感应加热时，碳钢基体内部产生大量的涡流，因此短时间内便被加热至高温红热状态. 图6为电磁感应与粉末的弱作用关系示意图. 金属粉末的涡流极小，可以忽略不计，再加之外围有空隙阻碍了热量的传导，所以就很难升温.
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图 5 钢基体强感应生热示意图Figure 5. Schematic diagram of strong induction heat generation of steel substrate. (a) initial state; (b) end state![]()
图 6 NiCrSiB粉末弱感应示意图Figure 6. Schematic diagram of the weak induction of NiCrSiB powder2.4 感应钎涂传热机制
图7、图8分别为粉状和膏状钎涂材料感应钎涂金刚石时涂层传热方式的示意图. 从图7可以看出，当未添加粘结剂时，钎料粉末颗粒之间及钎料粉末颗粒与金刚石之间存在间隙，类似于粉末包裹了一层空气薄膜[22]. 由于空气导热能力很弱，热导率仅为0.023 W/(m·K)，因此在感应钎焊加热时，底部的热量难以传导至上部，只有贴近碳钢表面极少部分钎料熔化. 当添加适量粘结剂后，钎料粉末颗粒之间及钎料粉末颗粒与金刚石之间的缝隙则被粘结剂所填充，如图8所示. 粘结剂的热导率约为1 ~ 10 W/(m·K)，导热能力相较于空气大幅提高[23-25]，因此，热量很快便能从基体传导至钎料表面，钎料最终都能熔化，金刚石与钎料之间也能有很好的结合. 综上所述，粘结剂不仅具有协助成形、微区隔氧功能，而且具有至关重要的助熔作用.
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图 7 粉状涂料感应钎涂传导示意图Figure 7. Schematic diagram of conduction for powder alloy during induction brazing. (a) initial state; (b) intermediate state; (c) end state![]()
图 8 膏状涂料感应钎涂传导示意图Figure 8. Schematic diagram of conduction for paste alloy during induction brazing. (a) initial state; (b) intermediate state; (c) end state3. 结论
(1) 感应钎涂时涂层材料不能被直接感应加热，钎涂层升温的热源来自于基体. 当基材由导电且能够被感应加热的碳钢替换为陶瓷时，涂层材料升温只能依靠自身生热.
(2) 金刚石在钎焊过程中不会被感应加热，还会在一定程度上使涡流回路内的电阻增加，产生的涡流强度以及焦耳热很小. 在没有碳钢基材存在时，无法实现金刚石的钎涂工艺.
(3) 粉状钎涂材料呈游离态，粉末颗粒之间、以及粉末颗粒与金刚石之间充满气体，基体的热量难以传导至上部，粉末难以熔融；当添加适量粘结剂后，钎料熔化充分，粘结剂具有至关重要的助熔作用.
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图 1 粉状涂料感应钎涂过程
Figure 1. Process of powder alloy by induction brazing coating. (a) coating temperature 50 ℃ at 5 s; (b) coating temperature 150 ℃ at 10 s; (c) coating temperature 550 ℃ at 20 s; (d) coating temperature 730 ℃ at 30 s; (e) coating temperature 960 ℃ at 50 s; (f)coating temperature 1060 ℃ at 60 s; (g) end
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图 2 膏状涂料感应钎涂过程
Figure 2. Process of paste alloy by induction brazing coating. (a) coating temperature 90 ℃ at 5 s ; (b) coating temperature 300 ℃ at 10 s; (c) coating temperature 600 ℃ at 15 s; (d) coating temperature 840 ℃ at 20 s ; (e) coating temperature 890 ℃ at 25 s; (f) coating temperature 995 ℃ at 30 s; (g) end
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图 3 陶瓷基板上粉状涂料感应钎涂过程
Figure 3. Process of powder alloy on ceramic substrates by induction braze coating. (a) initial state; (b) intermediate state; (c) end state
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图 4 陶瓷基板上膏状涂料感应钎涂过程
Figure 4. Process of paste alloy on ceramic substrates by induction braze coating. (a) initial state; (b) intermediate state; (c) end state
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图 5 钢基体强感应生热示意图
Figure 5. Schematic diagram of strong induction heat generation of steel substrate. (a) initial state; (b) end state
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图 6 NiCrSiB粉末弱感应示意图
Figure 6. Schematic diagram of the weak induction of NiCrSiB powder
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图 7 粉状涂料感应钎涂传导示意图
Figure 7. Schematic diagram of conduction for powder alloy during induction brazing. (a) initial state; (b) intermediate state; (c) end state
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图 8 膏状涂料感应钎涂传导示意图
Figure 8. Schematic diagram of conduction for paste alloy during induction brazing. (a) initial state; (b) intermediate state; (c) end state
表 1 Q235和陶瓷板的化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical compositions of Q235 and ceramic plate
类别 C Mn Si S P Fe SiO2 Al2O3 其它氧化物 Q235钢 0.12 ~ 0.20 0.30 ~ 0.70 $\leqslant $ 0.30$\leqslant $ 0.045$\leqslant $ 0.045余量 — — — 陶瓷板 — — — — — — 50.5 ~ 55.0 20.0 ~ 30.0 余量 
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