CN103695900A

CN103695900A - 制备耐磨耐腐蚀杆件的方法

Info

Publication number: CN103695900A
Application number: CN201310741336.9A
Authority: CN
Inventors: 赵树森; 林学春; 周春阳; 高文焱; 王奕博; 刘发兰
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2014-04-02

Abstract

本发明提供了一种制备耐磨耐腐蚀杆件的方法。该方法包括：步骤A，采用不锈钢材料制作杆件基体；步骤B，配置涂层粉末；以及步骤C，采用激光熔覆工艺在杆件基体表层熔覆涂层粉末，制备耐磨耐腐蚀涂层。本发明通过采用激光熔覆的方法在杆件基体表面熔覆一层具备耐磨和耐腐蚀能力的涂层，满足了杆件的强度与耐腐蚀性双重需求，降低了成本。

Description

制备耐磨耐腐蚀杆件的方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术领域，尤其涉及一种利用激光熔覆技术制备耐磨耐腐蚀杆件的方法。

背景技术

单晶炉是直拉法制备硅单晶的最常用设备。籽晶杆、坩埚杆是单晶炉中的关键零部件，它们在炉腔的真空室内工作，籽晶杆与坩埚杆内均通水冷却。多晶挥发物以及冷却水均有一定腐蚀性，因此，要求籽晶杆、坩埚杆具有一定耐蚀性、耐磨性和较高的机械强度。

目前制备籽晶杆与坩埚杆的材料主要有贵金属以及马氏体不锈钢。文献(一种空心式籽晶杆，专利号CN201220042059.3)公开了一种空心结构的铱金材料制成的籽晶杆。铱金材料能够满足籽晶杆性能需求，但是成本过高，随着贵金属价格的不断上涨，严重制约了其应用。文献(杨景星，单晶炉籽晶杆的热处理.热处理，1992.3：38-43.)报道了采用4Cr13马氏体不锈钢材料制作籽晶杆，为了满足机械性能需求进行了相应的热处理。但是4Cr13不锈钢含碳量高(0.35-0.45％)，放腐蚀能力差，由于空气和水的酸污染，此类不锈钢在很多场合都容易生锈，而且硬度较高，容易脆性裂断；同时空心长杆件的热处理难度很大，且容易变形。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种利用激光熔覆技术制备耐磨耐腐蚀杆件的方法。

(二)技术方案

本发明制备耐磨耐腐蚀杆件的方法包括：步骤A，采用不锈钢材料制作杆件基体；步骤B，配置涂层粉末；以及步骤C，采用激光熔覆工艺在杆件基体表层熔覆涂层粉末，制备耐磨耐腐蚀涂层。

(三)有益效果

本发明中，在304奥氏体不锈钢杆件基材上通过激光熔覆耐磨耐腐蚀涂层，同时满足了强度、耐腐蚀性、耐磨性多方面要求，且成本较低。

附图说明

图1为根据本发明实施例制备耐磨耐腐蚀杆件方法的流程图；

图2为根据本发明实施例制备耐磨耐腐蚀杆件方法的示意图；

图3为采用图1和图2所述方法制备的籽晶杆的剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明采用激光熔覆的方法在杆件基体表面熔覆一层具备耐磨和耐腐蚀能力的涂层，满足了杆件的强度与耐腐蚀性双重需求，降低了成本。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种制备耐磨耐腐蚀杆件的方法。图1为根据本发明实施例制备耐磨耐腐蚀杆件方法的流程图。请参照图1，本实施例制备耐磨耐腐蚀杆件方法包括：

步骤A，采用不锈钢材料制作杆件基体；

本发明中，杆件基体的材料为304奥氏体不锈钢，对应国内牌号为0Cr18Ni9或06Cr19Ni10，304不锈钢是一种很常见的奥氏体不锈钢，具较高的Cr、Ni含量，业内也叫做18/8不锈钢，耐腐蚀耐高，加工性能好。

本步骤中，按照实际需求，通过机械加工，采用304奥氏体不锈钢材料加工成单晶炉籽晶杆与坩埚杆基体。基体杆件外径尺寸比最终成品尺寸少0.6～1mm，表面粗糙度达到Ra3.2以上。

步骤B，配置涂层粉末；

本实施例中，涂层粉末中各元素质量百分比(wt.％)为：Cr：12-15％、B：1.5～3％、Si：1～2％、Mo：0.5～1％、C：0.3～1％、Ni：12～15％、Fe：62～67％，如表1所示：

表1

Cr

B

Si

Mo

C

Ni

Fe

12～15

1.5～3

1～2

0.5～1

0.3～1

12～15

62～66

步骤C，采用激光熔覆工艺在上述杆件基体表层熔覆所述涂层粉末，制备耐磨耐腐蚀涂层；

本发明中，304不锈钢含碳量小，饹和镍含量都很高，有较强的防水防酸能力，韧性好，不易裂断。但是其淬透性差，难以通过热处理增加其耐磨性，此外，激光熔覆由于局部加热、快速冷却特点，热变形小，满足了籽晶杆与坩埚杆对于形变的要求。

请参照图2，该步骤C具体包括：

子步骤C1，制定激光熔覆的工艺参数，包括：

激光功率：900-1200W；

离焦：采用负离焦方式，离焦量12-20mm；

送粉量：送粉量8-15g/min，纯氮气载粉，载气流量3～5L/min；

数控转盘转速：根据夹持杆件的外径，调整转盘转速，使杆件线速度3～8mm/s，转盘转速＝杆件线速度/杆件半径×6.28，单位，转/s；

激光熔覆搭接率：25-35％，搭接率30％左右时，熔覆层平整度最佳，搭接率含义是(单层熔覆层宽度-相邻熔覆层中心间距)/单层熔覆层宽度；

激光头轴向移动速度：根据轴的直径与搭接量确定，轴向移动速度＝(1-搭接率)×单道熔覆层宽度×转盘转速，单位mm/s；其中单道熔覆层宽度可根据实验测定，即预先按照选定激光功率、离焦量、送粉量、杆件线速度等参数在平板件上进行单道激光熔覆，并测量其熔覆层高度与宽度。

子步骤C2，将杆件基体夹紧于激光熔覆平台的数控转盘和尾座之间；

子步骤C3，按照预设的工艺参数，利用涂层材料对激光熔覆平台上的杆件基体进行激光熔覆；

控制数控转盘(1)带动杆件(5)以设置好的转速转动，同时激光头(3)发射激光束(4)，联同送粉喷嘴(2)沿杆件轴线同步直线移动。激光头及送粉喷嘴安装固定与机械手或机床上，通过机械手或机床与数控转盘、激光器的联动控制，实现杆件转动与激光头直线运动两种运动的合理配合，完成杆件表面的激光熔覆过程。

子步骤C4，将表层熔覆的耐磨耐腐蚀涂层的杆件从激光熔覆平台取下。

步骤D，对杆件表层熔覆的耐磨耐腐蚀涂层进行处理，达到预设的厚度和表面粗糙度。

本步骤中，主要是采用机械加工工艺对杆件进行外圆磨削，加工至最终合格尺寸范围，表面粗糙度达到要求。制备的籽晶杆的剖面示意图如图3所示。

以下结合具体应用场景，以制备籽晶杆和坩埚杆为例对本发明进一步详细说明：

籽晶杆制备：

步骤1：采用304奥氏体不锈钢，加工出籽晶杆基体，基体外径27.4mm。表面粗糙度Ra3.2，籽晶杆结构示意图如图2所示。

步骤2：将基体杆件安装的数控转盘上；

步骤3：调配熔覆粉末，粉末成分如表2所示：

表2

Cr	B	Si	Mo	C	Ni	Fe
							13.8	1.98	1.76	0.64	0.56	14.34	66.92

步骤4：调整激光头位置，设置激光熔覆工艺参数：

激光功率：1000W

离焦：采用负离焦方式，离焦量15mm；

送粉量：送粉量10g/min，纯氮气载粉，载气流量3L/min；

数控转盘转速：0.07转/s(14.3s/转)；

激光熔覆搭接率：30％，

激光头轴向移动速度：0.157mm/s，其中单道熔覆层宽度测量结果为3.25mm；

步骤5：开启激光器、转盘、机械手或机床，开始进行激光熔覆工艺，直到熔覆过程结束，熔覆万籽晶杆外径为28.6mm。

步骤6：将激光熔覆后的籽晶杆与坩埚杆通过外圆磨削至直径28mm，表面粗糙度达到Ra1.6以上，测试表面平均硬度为HRC50。

坩埚杆制备：

步骤1：采用304奥氏体不锈钢，加工出坩埚杆基体，基体外径27.4mm。表面粗糙度Ra3.2，坩埚杆较籽晶杆短，结构与籽晶杆相似。

步骤2：将基体杆件安装的数控转盘上；

步骤3：调配熔覆粉末，粉末成分如表3所示：

表3

Cr	B	Si	Mo	C	Ni	Fe
							14.76	2.08	1.92	1.0	0.4	14.84	65

步骤4：调整激光头位置，设置激光熔覆工艺参数：

激光功率：900W

离焦：采用负离焦方式，离焦量15mm；

送粉量：送粉量9.5g/min，纯氮气载粉，载气流量3L/min；

数控转盘转速：0.07转/s(14.3s/转)；

激光熔覆搭接率：30％，

激光头轴向移动速度：0.155mm/s，其中单道熔覆层宽度测量结果为3.2mm；

步骤5：开启激光器、转盘、机械手或机床，开始进行激光熔覆工艺，直到熔覆过程结束，熔覆万籽晶杆外径为28.8mm；

步骤6：将激光熔覆后的籽晶杆与坩埚杆通过外圆磨削至直径28mm，表面粗糙度达到Ra1.6以上，测试表面平均硬度为HRC52。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明制备耐磨耐腐蚀杆件的方法有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

综上所述，本发明利用激光熔覆技术制备耐磨耐腐蚀杆件的方法以奥氏体不锈钢为材料，加工出杆件基体，采用激光熔覆工艺在杆件基体表层熔覆耐磨耐腐蚀涂层，最后通过后续机加工对涂层进行处理，达到规定尺寸与表面粗糙度。采用本发明方法制备的籽晶杆与坩埚杆耐腐蚀性、耐磨性高，强度可靠，并且由于未采用贵金属，因此成本较低。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种制备耐磨耐腐蚀杆件的方法，其特征在于，包括：

步骤A，采用不锈钢材料制作杆件基体；

步骤B，配置涂层粉末；以及

步骤C，采用激光熔覆工艺在所述杆件基体表层熔覆所述涂层粉末，制备耐磨耐腐蚀涂层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中的不锈钢材料为304奥氏体不锈钢。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B中所述涂层粉末中各元素质量百分比为：Cr：12-15％、B：1.5～3％、Si：1～2％、Mo：0.5～1％、C：0.3～1％、Ni：12～15％、Fe：62～66％。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述涂层粉末中各元素质量百分比为：Cr：13.8％、B：1.98％、Si：1.76％、Mo：0.64％、C：0.56％、Ni：14.34％、Fe：66.92％。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述涂层粉末中各元素质量百分比为：Cr：14.76％、B：2.08％、Si：1.92％、Mo：1.0％、C：0.4％、Ni：14.84％、Fe：65％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C包括：

子步骤C1，制定激光熔覆的工艺参数

子步骤C2，将所述杆件基体夹紧于激光熔覆平台的数控转盘和尾座之间；

子步骤C3，按照预设的工艺参数，利用所述涂层材料对所述激光熔覆平台上的所述杆件基体进行激光熔覆；以及

子步骤C4，将表层熔覆的耐磨耐腐蚀涂层的杆件从所述激光熔覆平台取下。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述激光熔覆的工艺参数包括：激光功率、离焦、送粉量、数控转盘转速和激光熔覆搭接率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述工艺参数的具体取值如下：

激光功率：900-1200W；

离焦：采用负离焦方式，离焦量12-20mm；

送粉量：送粉量8-15g/min，纯氮气载粉，载气流量3～5L/min；

数控转盘转速：使杆件线速度3～8mm/s，转盘转速＝杆件线速度/杆件半径×6.28，单位，转/s；

激光熔覆搭接率：25-35％；

激光头轴向移动速度：根据轴的直径与搭接量确定。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤C之后还包括：

步骤D，对杆件表层熔覆的耐磨耐腐蚀涂层进行处理，达到预设的厚度和/或表面粗糙度。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述杆件为籽晶杆或坩埚杆。