CN101805903A - 一种钢基表面激光钎焊熔覆铜合金层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢基表面激光钎焊熔覆铜合金层的方法，在激光机上采用氩气送粉+激光钎焊熔覆+真空热处理的方法，对钢基表面进行激光钎焊熔覆铜合金层，采用激光机先对钢基表面进行重熔固化，激光束按计算机程序设置圆环钢的轨迹曲线进行全方位照射，使铜合金粉+硼砂粉熔解固化在钢基表面，形成铜合金层，铜合金层厚度为0.5mm，其平均显微硬度为375HV_0.2，为钢基体的2倍，耐磨性比基体提高了52.8％，耐腐蚀性比基体提高了45.3％，此方法工艺先进，参数合理，固熔层金相组织紧密牢固，不易脱落，可对多种型面的钢基表面进行钎焊熔覆合金层，此方法可在多种型面和异性非标准型面上进行熔覆合金层，以大幅度提高钢基表面的性能。

Description

一种钢基表面激光钎焊熔覆铜合金层的方法

技术领域

本发明涉及一种钢基表面激光钎焊熔覆铜合金层的方法，属金属表面增强改性的技术领域。

背景技术

在有色金属合金中，铜合金具有良好的导电导热性、优良的减摩性和耐磨性，具有很高的弹性极限和疲劳极限及良好的加工性能，而且对大气和水的抗蚀能力很高，因此，铜合金在航空航天、电子工业、仪表工业、造船工业及机械制造工业中获得了广泛的应用。

铜合金具有很多的优点，但铜的储量较小，价格昂贵，属于应节约使用的材料，只有在特别需要的情况下，如要求有特殊的磁性、耐蚀性、加工性能、力学性能等条件下，才考虑使用。

锡青铜在造船、化工、机械、仪表等工业中广泛应用，主要制造轴承、轴套等耐磨零件以及抗蚀、抗磁零件等，大多数铜合金零件整体成型，成本较高，也较浪费，使铜合金的应用受到很大限制，因此，选择廉价的钢材料作基材、铜合金作覆层的复合材料应运而生。

目前，在金属表面制备铜合金复合涂层的方法有多种，例如表面烧结、表面喷涂、表面电镀、表面机械处理等，虽然应用于不同的技术领域，但也存在诸多弊端，例如涂层不均匀、结合强度低、易脱落，有的工艺复杂，成本高，均不够理想，有待进一步探讨和研究。

发明内容

发明目的

本发明的目的就是针对背景技术的不足，在钢基表面激光钎焊熔覆铜基合金粉末，形成铜合金层，以提高零件表面的力学性能，以节约铜及铜合金，降低成本。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为：碳钢、铜粉、锡粉、铅粉、磷粉、硼砂、无水乙醇、氩气、石英砂，其量值如下：以克、毫升、厘米3、毫米为计量单位

碳钢：Fe    φ130×160mm

铜粉：Cu    1300g±10g

锡粉：Sn    80±1g

铅粉：Pb    20g±0.1g

磷粉：P     20g±0.1g

硼砂：Na₂B₄O₇·10H₂O    400g±10g

无水乙醇：C₂H₆O         3000ml±10ml

氩气：Ar    100000cm³±100cm³

石英砂：φ0.1mm         2000g±50g

钢基表面激光钎焊熔覆铜基合金层的方法如下：

(1)精选化学物质材料

对使用的化学物质材料要进行精选，并进行精度、质量纯度控制：

碳钢：固态固体  含铁量  99％

铜粉：固态粉体  99.9％

锡粉：固态粉体  99.9％

铅粉：固态粉体  99.9％

磷粉：固态粉体  99.9％

硼砂：固态粉体  95％

无水乙醇：液态液体  99.7％

氩气：气态气体  99.9％

石英砂：固体颗粒

(2)粗车碳钢：在车床上粗车碳钢表面，粗糙度R_a0.63-1.25μm，车外圆、搪内孔，成：φ120×φ80×150mm，圆环状；

(3)石英砂喷砂粗化碳钢表面，用2000g石英砂在喷砂机内喷砂粗化，圆环碳钢表面粗糙度为R_a2.5-5.0μm；

(4)用超声波清洗圆环碳钢表面，加入无水乙醇1000ml，超声清洗10min，晾干备用；

(5)球磨、干燥处理铜合金粉、硼砂粉

①用球磨机分别研磨铜粉、锡粉、铅粉、磷粉、硼砂粉，并用250目筛网分别过筛，球磨过筛反复进行，成细粉，细粉粒径≤0.094mm；

②合金粉混合：称取球磨后的铜粉1200g、锡粉70g、铅粉10g、磷粉5g、硼砂粉350g，置于不锈钢容器中混合，用搅拌器搅拌均匀，成：铜合金粉+硼砂粉混合细粉；

③将铜合金粉+硼砂粉混合粉置于石英产物舟中，然后置于干燥箱内干燥，干燥温度80℃±2℃，干燥时间120min±5min；

(6)在送粉器内置放铜合金粉+硼砂粉混合粉

①在20℃±2℃下，用漏斗将铜合金粉+硼砂粉混合粉加入激光机的送粉器内；

②调节送粉器，使送粉器达到预送粉状态；

(7)在激光机上，激光束扫描照射，同步送粉，表面合金化

①将圆环碳钢夹于激光机的三爪卡盘上，并用尾座顶紧，调整同心度，使前后同心，并固定；

②将氩气管与送粉器相连；

③将激光头调至起始位置，调整激光头垂直距离，为正离焦量10mm；

④调整送粉器送粉头和激光束的相对位置，成45度角，其延长线与激光束相交；

⑤开启送粉载气氩气，氩气流速为40cm³/min，将送粉器打开，氩气载粉量为15g/min；

⑥开启激光器，激光器产生激光束通过光栅传至反射镜，反射镜折射后垂直传至聚焦镜，聚焦后产生激光束，垂直对准圆环钢表面；

⑦激光束对准圆环钢上的铜合金粉+硼砂粉混合粉，按编辑程序轨迹曲线进行照射固熔；

激光束照射轨迹，按圆环钢设置成顺时针螺旋轨迹曲线；

圆环钢装卡后按顺时针方向匀速转动，转动速度2.5r/min，起始点为A，终止点为B，形成单旋向单线螺纹轨迹，螺旋升角为1°25′；

激光束熔覆圆环钢表面的合金涂层轨迹由计算机程序控制并完成，程序由G代码编制；

G代码程序：

G04 1000

M92

G01 X150 Y0 Z0 A27000 F279

M91

M02

激光束照射固熔参数：

激光器：CO₂气体激光器

激光波长：10.6μm

激光束输出功率：2000W

光斑直径：3mm

正离焦量：10mm

激光束照射固熔温度：1200-1500℃

激光束照射固熔线速度：300mm/min

激光束照射固熔时间：50min±2min

激光束扫描照射固熔后，在圆环钢表面形成铜合金层，固熔后合金层厚度为0.5mm，表面呈褐红色；

硼砂在激光熔覆过程中蒸发；

在激光束照射固熔过程中将进行合金化反应，反应式如下：

式中：

CuSnPbP：铜锡铅磷合金

(8)激光固熔后圆环钢及熔覆层自然冷却至20℃±2℃；

(9)圆环钢冷却后，用300号砂纸打磨合金层表面，表面粗糙度为R_a0.63-1.25μm；

(10)超声清洗合金化后的圆环钢表面，在超声清洗器中加入无水乙醇1000ml进行超声清洗，然后晾干；

(11)真空高温热处理

将激光钎焊熔覆铜基合金层的圆环钢置于真空热处理炉中，抽取炉内真空，使炉内真空度恒定在1.5Pa，开启加热器，温度升至600℃±5℃，在此温度恒温保温180min±2min，去除在激光熔覆钎焊过程中工件内残留的内应力，使铜合金层组织结构更加紧密牢固；

(12)检测、分析、表征

对激光熔覆后的钢基铜合金层的金相组织、界面形貌、显微硬度、耐磨性、耐腐蚀性进行分析和表征；

用电子扫描电镜对钢基铜合金层表面形貌及断面结合面进行观察分析；

用显微硬度仪对钢基铜合金层表面及断面显微硬度进行测试分析；

用磨损试验机对钢基铜合金层表面进行磨损试验；

用电化学腐蚀试验仪对钢基铜合金层表面进行腐蚀性能检测分析；

结论：

钢基与铜合金层达到冶金结合，铜合金层厚度为0.5mm；

显微硬度：熔覆层的平均显微硬度为375HV_0.2，为钢基体的2倍；

耐磨性：熔覆层的耐磨性比基体提高了52％；

电化学腐蚀：熔覆层耐腐蚀性比基体提高了45％；

(13)储存包装

对制备的激光钎焊熔覆的钢基铜合金层圆环钢试件用软质材料包装，储存于阴凉、干燥、洁净环境，要防水、防潮、防酸碱盐侵蚀，储存温度20±2℃，相对湿度≤10％。

所述的圆环钢表面激光钎焊熔覆铜合金层，是在激光机上进行的，在机座1上设置坐标工作台2，在坐标工作台2的正面设有温度场测量仪3，在坐标工作台2的两侧对称设置温度传感器4、5，在工作平台26上部设有三爪卡盘24并夹住圆环钢23，后部由顶尖25固定圆环钢23，在坐标工作台2上部垂直设置激光器6，激光器6通过光栅7发出激光束，激光束对准反射镜8，经反射镜8反射后垂直传递至聚焦镜9，并形成激光束10；激光束10垂直对准圆环钢23表面；氩气管16联接氩气阀15、氩气瓶14，氩气管16联接送粉器17；硼砂和铜合金粉通过加粉口18加入送粉器17，送粉器17通过导线33与计算机13联接，送粉器17上设有流量计19、控制开关20，氩气将送粉器17内的硼砂和铜合金粉送入送粉管21，然后送出，对准圆环钢23表面，中间由支架22支撑；在聚焦镜9右侧面设置观察镜11并联接摄像机12，摄像机12通过导线31联接计算机13并传递摄像信息；激光器6通过导线32与计算机13联接；温度场测量仪3上设有液晶显示屏27、指示灯28、控制器29，电源开关30。

所述的钢基表面激光钎焊熔覆铜合金层后进行真空热处理，真空热处理是在真空处理炉内进行的，在真空热处理炉34下部为炉座37，炉座37上设置显示屏38，指示灯40，控制开关39；真空热处理炉34内下部为工件台座36，台座36上置放圆环钢试件35，热处理炉34左部设置真空泵41、真空阀42、真空管43。

所述的熔覆铜合金层粉末的配比比例为：铜粉76-80％、锡粉9-10％、铅粉4-5％、磷粉0.5-1.0％、硼砂30-35％。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，采用新的合金材料和工艺流程，在圆环钢基表面上激光钎焊熔覆铜合金层，然后进行真空热处理，使钢基层和铜合金层结合更加紧密牢固，物理化学性能更加稳定，力学性能得到进一步提高；钢基铜合金层表面光滑均匀，具有良好的硬度、耐磨性及耐蚀性，冶金结合处不易开裂、剥落，不产生气孔；采用激光熔覆，试件变形小，热影响区小，加工精度高，可替代铜合金整体产品，可直接使用；激光熔覆速度快，效率高，稳定性好，污染小；此激光钎焊熔覆方法，工艺先进，参数合理，固熔层牢固，产品质量好，可直接进行工业化应用，是十分理想的钢基表面激光钎焊熔覆铜合金层的方法，此方法也可在平面零件、多边形零件及多种异形非标准零件上进行熔覆。

附图说明

图1为圆环钢基表面激光钎焊熔覆铜基合金层状态图

图2为圆环钢基表面激光束聚焦扫描轨迹图

图3为圆环钢基试件表面激光扫描后表面形貌图

图4为圆环钢基试件图3的E-E剖面图

图5为圆环钢基熔覆铜合金层后真空热处理状态图

图6为圆环钢基表面熔覆铜合金层后横切面金相组织结构图

图7为圆环钢基表面熔覆铜合金层后横切面熔合状态图

图8为圆环钢基表面熔覆铜合金层后显微硬度分布图

图中所示，附图标记清单如下：

1、机座，2、坐标工作台，3、温度场测量仪，4、温度传感器，5、温度传感器，6、激光器，7、光栅，8、反射镜，9、聚焦镜，10、激光束，11、观察镜，12、摄像机，13、计算机，14、氩气瓶，15、氩气阀，16、氩气管，17、送粉器，18、加粉口，19、流量计，20、控制开关，21、送粉管22、支架，23、低碳钢圆环，24、三爪卡盘，25、尾座顶尖，26、工作平台，27、液晶显示屏，28、指示灯，29、控制器，30、电源开关，31、导线，32、导线，33、导线，34、真空热处理炉，35、圆环钢试件，36、工件台座，37、炉座，38、显示屏，39、控制开关，40、指示灯，41、真空泵，42真空阀，43、真空管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明；

图1所示，为圆环钢基表面激光钎焊熔覆铜合金层状态图，在激光机上，圆环钢要夹紧顶牢，前后同心，并匀速转动，顺时针转动激光照射，逆时针回程冷却。

载气氩气与送粉器配合使用，使送粉均匀。

激光束与圆环钢同步平行移动，以使照射均匀，防止堆焊。

激光束功率要保持一致，量值合理适中，激光照射按程序控制，按螺旋升角匀速转动，照射圆环钢，为单一起点和终点。

工艺中使用的化学物质材料是按圆环钢的表面积合金层的深度计算设置的，以克、毫升、厘米³为计量单位。

对于矩形、多边形零件及异形非标准零件也可在激光机上钎焊熔覆合金层。

图2、3、4所示为圆环钢表面激光钎焊熔覆铜合金层轨迹、剖面结构图，是圆环钢在匀速转动下形成的激光束照射轨迹，A为照射起始点、B为终止点，螺旋轨迹由计算机程序按螺旋升角控制形成。

图5所示，为圆环钢熔覆铜合金层后真空热处理状态图，在真空度为1.5Pa，温度为600℃±5℃状态下进行高温热处理，使合金层与钢基结合更加紧密，改善合金层力学性能。

图6、7所示，为碳钢基层与铜合金层横切面金相组织图，图中可见钢基与铜合金层结合紧密，层次清晰，熔合在一起。

图8所示，为铜合金层显微硬度图，图中可知：钢基表面熔覆铜合金层后，合金层的平均显微硬度达375HV_0.2，明显高于基体的180HV_0.2。

Claims (5)

1.一种激光钎焊熔覆制备铜基复合涂层的方法，其特征在于：

使用的化学物质材料为：碳钢、铜粉、锡粉、铅粉、磷粉、硼砂、无水乙醇、氩气、石英砂，其量值如下：以克、毫升、厘米³、毫米为计量单位

碳钢：Fe               φ130×160mm

铜粉：Cu                1300g±10g

锡粉：Sn                80±1g

铅粉：Pb                20g±0.1g

磷粉：P                 20g±0.1g

硼砂：Na₂B₄O₇·10H₂O    400g±10g

无水乙醇：C₂H₆O         3000ml±10ml

氩气：Ar                100000cm³±100cm³

石英砂：φ0.1mm         2000g±50g

钢基表面激光钎焊熔覆铜基合金层的方法如下：

(1)精选化学物质材料

对使用的化学物质材料要进行精选，并进行精度、质量纯度控制：

碳钢：固态固体 含铁量99％

铜粉：固态粉体 99.9％

锡粉：固态粉体 99.9％

铅粉：固态粉体 99.9％

磷粉：固态粉体 99.9％

硼砂：固态粉体 95％

无水乙醇：液态液体 99.7％

氩气：气态气体 99.9％

石英砂：固体颗粒

(2)粗车碳钢：在车床上粗车碳钢表面，粗糙度R_a0.63-1.25μm，车外圆、搪内孔，成：φ120×φ80×150mm，圆环状；

(3)石英砂喷砂粗化碳钢表面，用2000g石英砂在喷砂机内喷砂粗化，圆环碳钢表面粗糙度为R_a2.5-5.0μm；

(4)用超声波清洗圆环碳钢表面，加入无水乙醇1000ml，超声清洗10min，晾干备用；

(5)球磨、干燥处理铜合金粉、硼砂粉

①用球磨机分别研磨铜粉、锡粉、铅粉、磷粉、硼砂粉，并用250目筛网分别过筛，球磨过筛反复进行，成细粉，细粉粒径≤0.094mm；

②合金粉混合：称取球磨后的铜粉1200g、锡粉70g、铅粉10g、磷粉5g、硼砂粉350g，置于不锈钢容器中混合，用搅拌器搅拌均匀，成：铜合金粉+硼砂粉混合细粉；

③将铜合金粉+硼砂粉混合粉置于石英产物舟中，然后置于干燥箱内干燥，干燥温度80℃±2℃，干燥时间120min±5min；

(6)在送粉器内置放铜合金粉+硼砂粉混合粉

①在20℃±2℃下，用漏斗将铜合金粉+硼砂粉混合粉加入激光机的送粉器内；

②调节送粉器，使送粉器达到预送粉状态；

(7)在激光机上，激光束扫描照射，同步送粉，表面合金化

①将圆环碳钢夹于激光机的三爪卡盘上，并用尾座顶紧，调整同心度，使前后同心，并固定；

②将氩气管与送粉器相连；

③将激光头调至起始位置，调整激光头垂直距离，为正离焦量10mm；

④调整送粉器送粉头和激光束的相对位置，成45度角，其延长线与激光束相交；

⑤开启送粉载气氩气，氩气流速为40cm³/min，将送粉器打开，氩气载粉量为15g/min；

⑥开启激光器，激光器产生激光束通过光栅传至反射镜，反射镜折射后垂直传至聚焦镜，聚焦后产生激光束，垂直对准圆环钢表面；

⑦激光束对准圆环钢上的铜合金粉+硼砂粉混合粉，按编辑程序轨迹曲线进行照射固熔；

激光束照射轨迹，按圆环钢设置成顺时针螺旋轨迹曲线；

圆环钢装卡后按顺时针方向匀速转动，转动速度2.5r/min，起始点为A，终止点为B，形成单旋向单线螺纹轨迹，螺旋升角为1°25′；

激光束熔覆圆环钢表面的合金涂层轨迹由计算机程序控制并完成，程序由G代码编制；

G代码程序：

G041000

M92

G01X150Y0Z0A27000F279

M91

M02

激光束照射固熔参数：

激光器：CO₂气体激光器

激光波长：10.6μm

激光束输出功率：2000W

光斑直径：3mm

正离焦量：10mm

激光束照射固熔温度：1200-1500℃

激光束照射固熔线速度：300mm/min

激光束照射固熔时间：50min±2min

激光束扫描照射固熔后，在圆环钢表面形成铜合金层，固熔后合金层厚度为0.5mm，表面呈褐红色；

硼砂在激光熔覆过程中蒸发；

在激光束照射固熔过程中将进行合金化反应，反应式如下：

式中：

CuSnPbP：铜锡铅磷合金

(8)激光固熔后圆环钢及熔覆层自然冷却至20℃±2℃；

(9)圆环钢冷却后，用300号砂纸打磨合金层表面，表面粗糙度为R_a0.63-1.25μm；

(10)超声清洗合金化后的圆环钢表面，在超声清洗器中加入无水乙醇1000ml进行超声清洗，然后晾干；

(11)真空高温热处理

将激光钎焊熔覆铜基合金层的圆环钢置于真空热处理炉中，抽取炉内真空，使炉内真空度恒定在1.5Pa，开启加热器，温度升至600℃±5℃，在此温度恒温保温180min±2min，去除在激光熔覆钎焊过程中工件内残留的内应力，使铜合金层组织结构更加紧密牢固；

(12)检测、分析、表征

对激光熔覆后的钢基铜合金层的金相组织、界面形貌、显微硬度、耐磨性、耐腐蚀性进行分析和表征；

用电子扫描电镜对钢基铜合金层表面形貌及断面结合面进行观察分析；

用显微硬度仪对钢基铜合金层表面及断面显微硬度进行测试分析；

用磨损试验机对钢基铜合金层表面进行磨损试验；

用电化学腐蚀试验仪对钢基铜合金层表面进行腐蚀性能检测分析；

结论：

钢基与铜合金层达到冶金结合，铜合金层厚度为0.5mm；

显微硬度：熔覆层的平均显微硬度为375HV_0.2，为钢基体的2倍；

耐磨性：熔覆层的耐磨性比基体提高了52％；

电化学腐蚀：熔覆层耐腐蚀性比基体提高了45％；

(13)储存包装

对制备的激光钎焊熔覆的钢基铜合金层圆环钢试件用软质材料包装，储存于阴凉、干燥、洁净环境，要防水、防潮、防酸碱盐侵蚀，储存温度20±2℃，相对湿度≤10％。

2.根据权利要求1所述的一种激光钢基表面激光钎焊熔覆铜合金层的方法，其特征在于：所述的圆环钢表面激光钎焊熔覆铜合金层，是在激光机上进行的，在机座(1)上设置坐标工作台(2)，在坐标工作台(2)的正面设有温度场测量仪(3)，在坐标工作台(2)的两侧对称设置温度传感器(4)、(5)，在工作平台(26)上部设有三爪卡盘(24)并夹住圆环钢(23)，后部由顶尖(25)固定圆环钢(23)，在坐标工作台(2)上部垂直设置激光器(6)，激光器(6)通过光栅(7)发出激光束，激光束对准反射镜(8)，经反射镜(8)反射后垂直传递至聚焦镜(9)，并形成激光束(10)；激光束(10)垂直对准圆环钢(23)表面；氩气管(16)联接氩气阀(15)、氩气瓶(14)，氩气管(16)联接送粉器(17)；硼砂和铜合金粉通过加粉口(18)加入送粉器(17)，送粉器(17)通过导线(33)与计算机(13)联接，送粉器(17)上设有流量计(19)、控制开关(20)，氩气将送粉器(17)内的硼砂和铜合金粉送入送粉管(21)，然后送出，对准圆环钢(23)表面，中间由支架(22)支撑；在聚焦镜(9)右侧面设置观察镜(11)并联接摄像机(12)，摄像机(12)通过导线(31)联接计算机(13)并传递摄像信息；激光器(6)通过导线(32)与计算机(13)联接；温度场测量仪(3)上设有液晶显示屏(27)、指示灯(28)、控制器(29)，电源开关(30)。

3.根据权利要求1所述的一种激光钎焊熔覆制备铜基复合涂层的方法，其特征在于：所述的钢基表面激光钎焊熔覆铜合金层后进行真空热处理，真空热处理是在真空处理炉内进行的，在真空热处理炉(34)内下部为炉座(37)，炉座(37)上设置显示屏(38)，指示灯(40)，控制开关(39)；真空热处理炉(34)内下部工件台座(36)，台座(36)上置放圆环钢试件(35)，热处理炉左部设置真空泵(41)、真空阀(42)、真空管(43)。

4.根据权利要求1所述的一种钢基表面激光钎焊熔覆铜合金层的方法，其特征在于：熔覆剂为硼砂粉，硼砂粉在1200-1500℃熔覆过程中蒸发。

5.根据权利要求1所述的一种钢基表面激光钎焊熔覆铜合金层的方法，其特征在于：熔覆铜合金层粉末的配比比例为：铜粉76-80％、锡粉9～10％、铅粉4～5％、磷粉0.5～1.0％、硼砂30～35％。

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