CN104947157A - 45#钢表面Fe-ZrO2纳米复合层电沉积—激光重熔强化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及45#钢表面Fe-ZrO₂纳米复合层电沉积—激光重熔强化工艺，其步骤为：(1)配置镀液；镀液组分为二氯化铁、硼酸、抗坏血酸、CTAB的水溶液等。(2)制备电极；阳极与阴极面积比为1.5：1，两极间距30mm平行放置。(3)复合电沉积；电源采用高频脉冲电源。(4)、激光重熔；采用固体脉冲激光加工器进行单道激光重熔，辅助施加的功率超声波、强磁场及高频脉冲电流参数同电沉积过程。本发明把电沉积Fe-ZrO₂纳米复合层技术与激光熔覆技术有机结合起来，提出了一种物理、电化学复合加工新工艺。具有加工效率和质量高，应用面宽的技术特点。可为其它金属零件的高效、高质、高精表面强化与再制造提供技术支持。

Description

45#钢表面Fe-ZrO2纳米复合层电沉积—激光重熔强化工艺

技术领域

本发明涉及非传统加工工艺及表面强化、表面改性处理，具体涉及45#钢表面电沉积—激光重熔Fe-ZrO₂纳米复合层强化工艺。

背景技术

45#钢是一种机械物理性能较好的优质碳素结构钢，由于其具有良好的切削加工、焊接、热处理等特性，目前国内外大多数金属机械零件和构件均采用45#钢制成。机械零件摩擦磨损与腐蚀是机械零件失效的主要原因之一，各类机械装备通常对于各种摩擦副零件的耐磨性要求比较高，尤其是制造时间长、制造成本高、附加值较高的零件，如高功率密度柴油发动机排气机构凸轮轴、大功率船用柴油机曲轴、冶金行业轧机主传动轴、各类冲压模具等均要求其工作面在高速、重载、高温等恶劣工况下具有良好的耐磨性和较长的使用寿命及失效后可行的再制造(修复)功能。在我国，由于磨损、机械损伤与腐蚀等原因导致报废的金属机械零件占其报废总数的80％以上，因此，对以45#钢为基材的金属机械零件进行表面强化以提高使用寿命、对其破损部位进行修复，长期以来一直是制造业中面临的重要问题。

针对45#钢金属零件，传统的表面强化工艺多采用渗碳、渗氮、淬火等热处理的方式对工件进行表面强化处理，但对于零件耐磨性能的提高是有限的。因此常常采用电沉积、等离子喷涂、激光熔覆等特种加工工艺进行表面强化处理。电化学沉积作为常温下重要的表面强化和改性工艺技术，能够在保持基体原有金相组织的前提下，在金属零件表面获得一层厚度均匀、组织致密且含有ZrO₂、TiN、WC等高硬度纳米材料增强相的金属基纳米复合镀层，能够大幅度提高零件表面的耐磨性，尤其是铁基ZrO₂纳米复合镀层，不仅镀层与45#基体的主要成分相同，易形成较好的金属键结合，制备成本相对较低，而且纳米ZrO₂的熔点为2950℃，硬度高，热膨胀系数小，与金属的润湿性良好，作为纳米相掺入铁基镀层中可以进一步提高表面硬度及耐磨性。但是电沉积工艺的特点决定了镀层与基体的结合力不高，对于伴随强冲击、交变载荷的高温摩擦工况，往往无法满足使用要求。等离子喷涂技术由于每次喷涂的厚度比较薄，所以需要多层喷涂，这就导致了强化层之间存在明显的层状结构，层状结构之间很容易夹杂空气，喷涂层与基体之间、不同喷涂层之间呈机械结合，导致其结合强度不足。激光熔覆表面强化技术通过其高能密度激光束骤热骤冷的特性对金属材料表面进行强化处理，制备的强化层与基体能形成牢固的冶金结合，晶粒尺寸会得到进一步细化，同时零件内部的韧性没有改变，使零件耐冲击、抗摩擦性能得到大幅度的提升。相对渗氮、渗碳及淬火等传统热处理工艺，激光熔覆在提高零件表面硬度及耐磨性方面具有更加突出的优点；相对于电沉积、等离子喷涂工艺，激光熔覆可使零件表面镀(涂)层与基体形成牢固的冶金结合，在提高强化层与基体结合强度方面具有不可比拟的优势。鉴于此，本发明针对45#钢金属零件表面强化需求，将激光熔覆技术与复合电沉积技术有机结合，形成一种新的表面强化工艺——“Fe-ZrO₂纳米复合层电沉积—激光重熔强化工艺”。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于45#钢等常用金属材料零件表面强化与修复、具有更高加工效率和加工质量的45#钢表面Fe-ZrO2纳米复合层电沉积—激光重熔强化工艺。

本发明的原理是：采用复合电化学沉积方法，在45#钢表面制备Fe-ZrO₂纳米复合层，采用与层状Fe-ZrO₂纳米复合材料相匹配的激光熔合工艺，对金属零件表面电沉积的复合层进行激光重熔处理：

A、电沉积过程中，利用高频脉冲电流的脉间“喘歇作用”和“脉冲压力波作用”、超声波的空化效应和机械扰动效应、外加强磁场的磁动力学(MHD)作用，改善镀液传质过程、促进基质金属晶的形核、生长，细化金属材料晶粒，提高沉积速率，最终获得纳米ZrO₂粒子含量不同的均质致密、厚度均匀的Fe-ZrO₂纳米复合层。

C、激光重熔过程中，从外部施加物理场(高频脉冲电流、功率超声波、强磁场)，利用脉冲电流在熔池中产生的磁致压缩效应、功率超声波的空化效应、外加强磁场的磁感应作用，有效抑制晶界扩散、改善铁晶生长方式减少熔合层内部冶金缺陷，有效消除重熔层裂纹、孔隙、应力、变形，提高零件的致密度、降低材料的收缩率。

B、Fe-ZrO₂纳米复合层经过激光重熔处理，结合形式由金属键结合转化为冶金结合；Fe-ZrO₂纳米复合层晶粒得到再次细化，纳米ZrO₂粒子得到释放，更好的起到“弥散强化”作用；重熔层的平均表面显微硬度提高到HRC60，硬度分布沿厚度方向呈梯度变化，使工件耐磨性及抗形变能力得到进一步提高。

本发明的技术方案是：45#钢表面Fe-ZrO₂纳米复合层电沉积—激光重熔强化工艺，步骤如下：

(1)配置镀液

镀液为二氯化铁、硼酸、抗坏血酸、CTAB的水溶液，各组分质量百分比如下：

其中，镀液的pH值＝1.0，温度T＝35℃。

将用去离子水配置好的镀液，放在35℃水浴加热的超声清洗槽，加机械搅拌(速率200r/min)分散30min。

(2)制备电极

电沉积过程中采用的阳极为高纯度铁板(纯度>99.9％)，阴极采用45#钢，阳极与阴极面积比为1.5：1，两极间距30mm平行放置。

(3)复合电沉积

45#钢试件经过常规除油、除锈、机械抛光、活化处理后放置于带有水浴加热、超声波发生器、强磁场发生器的镀槽内，电沉积电源采用高频脉冲电源。工艺条件为：超声功率为300W、频率为28KHz，外加平行磁场强度2T，矩形脉冲电流密度8～16/dm²、频率1000Hz、脉宽6～10ms、脉冲占空比20％，电沉积时间60～90min。

(4)激光重熔过程

采用JHM-1GXY-700B型Nd/YAG固体脉冲激光加工器进行单道激光重熔，激光波长1064nm，最大输出功率700W。纯度大于99.9％的氩气作为保护气，气流速度5L/min。激光重熔过程中，采用负离焦进行激光重熔，离焦量为2mm，电流为150A，脉宽为8ms，频率为15Hz，扫描速率250mm/min。辅助施加的功率超声波、强磁场及高频脉冲电流参数同电沉积过程。

45#钢表面Fe-ZrO₂纳米复合层电沉积—激光重熔强化工艺，采用复合电沉积方法，在45#钢样件表面电沉积制备组织致密、表面平整、厚度均匀的Fe-ZrO₂纳米复合镀层(厚度150μm～200μm)，采用激光熔覆技术的基本原理，对电沉积Fe-ZrO₂纳米复合层进行激光重熔加工，通过优选的激光重熔参数，实现Fe-ZrO₂纳米复合层与基体结合形式由机械结合转化为冶金结合，有效消除重熔层裂纹，获得了相对较低的表面粗糙度值(Ra 12.5μm～25μm，精磨后达到Ra 0.8μm)；由于镀层晶粒再次得到细化，纳米TiN得到释放，更好的起到“弥散强化”作用，可获得较高的表面硬度(平均HRC60～65)且重熔层的硬度分布呈梯度变化，工件耐磨性(摩擦系数≤0.45)及抗形变能力得到进一步得到提高。工艺过程绿色环保，大大改善了工作环境。

本发明的有益效果如下：

(1)以电沉积制备的组织致密、表面平整、厚度均匀的Fe-ZrO₂纳米复合镀层取代目前金属零件激光熔覆强化中铺设的粉基材料层或同步输送的金属粉料(丝料)，无需专用的同步送粉或铺粉装置，可有效避免目前激光熔覆技术中存在的预置涂层工艺过程复杂，参数控制难，未熔粉夹杂，熔覆层的致密度低，材料存在一定的收缩率，易出现裂纹、热应力变形等问题。

(2)采用与熔覆层状Fe-ZrO₂纳米复合材料相匹配的激光参数进行金属零件表面激光重熔强化与修复，熔池快速冷却凝固并且与基体形成良好的冶金结合，同时在激光骤热骤冷的作用下，重熔层内部的晶粒得到再次细化，加上熔合的纳米ZrO₂粒子弥散强化和固溶强化作用，大大加强了熔合层的耐高温摩擦磨损特性。

(3)合理利用外加物理场(高频脉冲电流、功率超声波、强磁场)减少熔合层内部冶金缺陷，获得与基体金属结合牢固、耐磨损、耐腐蚀、使用寿命长的表面强化层，可满足零件在高速、高温、大冲击载荷工况下的使用要求。

(4)把电沉积Fe-ZrO₂纳米复合层技术与激光熔覆技术有机结合起来，发明了一种物理、电化学复合加工新工艺。该工艺具有加工效率和加工质量高，应用面较宽的技术特点。可为其它金属零件的高效、高质、高精表面强化与再制造提供技术支持。

具体实施方式

实施例1

加工要求：在45#钢件(大功率柴油发动机排气机构凸轮轴)桃形工作面制备Fe-ZrO₂纳米强化层，强化层厚度120μm，表面硬度达到HRC60，精密磨削加工后表面粗糙度值达到Ra0.8μm。

加工方法步骤如下：

1)复合电沉积

(1)按照如下配方配置镀液：二氯化铁(350g/L)、硼酸(40g/L)、抗坏血酸2g/L、CTAB0.3g/L、纳米ZrO₂(平均粒径30nm，纯度>99.9％)，25g/L)，镀液的pH值＝1.0，温度T＝35℃。

(2)电沉积过程中采用的阳极为电解镍板(纯度>99.9％)，阴极为工件，阳极与阴极面积比为1.5：1，两极间距30mm。

(3)零件经过常规除油、除锈、机械抛光、活化处理后放置于带有水浴加热、超声波发生器、强磁场发生器的镀槽内，电沉积电源采用高频脉冲电源。工艺条件为：超声功率为300W、频率为28KHz，外加平行磁场强度2T，矩形脉冲电流密度14/dm²、频率1000Hz、脉宽10ms、脉冲占空比20％，电沉积时间70min，Fe-ZrO₂纳米复合层平均厚度达到150μm。

2)激光重熔过程

采用JHM-1GXY-700B型Nd/YAG固体脉冲激光加工器进行单道激光重熔，激光波长1064nm，最大输出功率700W。纯度大于99.9％的氩气作为保护气，气流速度5L/min。激光重熔过程中，采用负离焦进行激光重熔，离焦量为2mm，电流为150A，脉宽为8ms，频率为15Hz，扫描速率250mm/min。辅助施加的功率超声波、强磁场及高频脉冲电流参数同电沉积过程。重熔后的Fe-ZrO₂纳米复合层表面硬度达到HRC63，表面粗糙度值Ra25μm。

3)精密磨削加工

在精密曲轴磨床上对激光重熔强化层进行磨削加工，去除单边加工余量30μm后，强化层厚度120μm，表面粗糙度值达到Ra0.8μm，表面硬度达到HRC60，符合加工要求。

实施例2

加工要求：对45#钢件(船用舵叉)磨损超差的工作面进行修复与强化，Fe-ZrO₂纳米复合层厚度180μm，表面硬度达到HRC58，电解磨削加工后表面粗糙度值Ra1.6μm。

加工方法步骤如下：

1)复合电沉积

(1)按照如下配方配置镀液：二氯化铁(350g/L)、硼酸(40g/L)、抗坏血酸2g/L、CTAB0.3g/L、纳米ZrO₂(平均粒径30nm，纯度>99.9％)，35g/L)，镀液的pH值＝1.0，温度T＝35℃。

(2)电沉积过程中采用的阳极为电解镍板(纯度>99.9％)，阴极为工件，阳极与阴极面积比为1.5：1，两极间距30mm。

(3)零件经过常规除油、除锈、机械抛光、活化处理后放置于带有水浴加热、超声波发生器、强磁场发生器的镀槽内，电沉积电源采用高频脉冲电源。工艺条件为：超声功率为300W、频率为28KHz，外加平行磁场强度2T，矩形脉冲电流密度10/dm²、频率1000Hz、脉宽6ms、脉冲占空比20％，电沉积时间90min，Fe-ZrO₂纳米复合层平均厚度达到200μm。

2)激光重熔过程

采用JHM-1GXY-700B型Nd/YAG固体脉冲激光加工器进行单道激光重熔，激光波长1064nm，最大输出功率700W。纯度大于99.9％的氩气作为保护气，气流速度5L/min。激光重熔过程中，采用负离焦进行激光重熔，离焦量为2mm，电流为150A，脉宽为8ms，频率为15Hz，扫描速率250mm/min。辅助施加的功率超声波、强磁场及高频脉冲电流参数同电沉积过程。重熔后的Fe-ZrO₂纳米复合层表面硬度达到HRC60，表面粗糙度值Ra12.5μm。

3)电解磨削加工

在电解磨削机床上对激光重熔强化层进行电解磨削加工，去除单边加工余量20μm后，表面硬度达到HRC58，表面粗糙度值Ra1.6μm。符合加工要求。

Claims (1)

1.45#钢表面Fe-ZrO₂纳米复合层电沉积—激光重熔强化工艺，其特征在于，工艺步骤如下：

(1)配置镀液：镀液为二氯化铁、硼酸、抗坏血酸、CTAB的水溶液，各组分质量百分比如下：

其中，镀液的pH值＝1.0，温度T＝35℃；纳米ZrO₂的平均粒径为30nm，纯度>99.9％，将用去离子水配置好的镀液，放在35℃水浴加热的超声清洗槽，加机械搅拌，搅拌速率为200r/min，分散30min；

(2)制备电极：

电沉积过程中采用的阳极为高纯度铁板，其纯度>99.9％，阴极采用45#钢，阳极与阴极面积比为1.5：1，两极间距30mm平行放置；

(3)复合电沉积：

45#钢试件经过常规除油、除锈、机械抛光、活化处理后放置于带有水浴加热、超声波发生器、强磁场发生器的镀槽内，电沉积电源采用高频脉冲电源。工艺条件为：超声功率为300W、频率为28KHz，外加平行磁场强度2T，矩形脉冲电流密度8～16/dm²、频率1000Hz、脉宽6～10ms、脉冲占空比20％，电沉积时间60～90min；

(4)激光重熔过程：

采用固体脉冲激光加工器进行单道激光重熔，激光波长1064nm，最大输出功率700W，纯度大于99.9％的氩气作为保护气，气流速度5L/min，激光重熔过程中，采用负离焦进行激光重熔，离焦量为2mm，电流为150A，脉宽为8ms，频率为15Hz，扫描速率250mm/min，辅助施加的功率超声波、强磁场及高频脉冲电流参数同电沉积过程。