CN105324182B - 用于改善耐磨性的激光辅助间隙合金化 - Google Patents

Abstract

一种增强金属性基材的耐磨损性的方法，包括将包括间隙元素的涂层施加到所述基材的表面。将激光束引导到涂覆有间隙元素的金属性基材的局部区域上，从而将金属性基材的温度局部升高到使间隙元素扩散到基材的温度。在金属性基材的局部区域上产生包括间隙元素的合金层。激光束的焦点位于从基材表面间隔开用于在基材的表面处优化激光束的功率密度。除去未扩散到基材的间隙元素的涂层，从而暴露包括间隙元素的合金层。

Description

用于改善耐磨性的激光辅助间隙合金化

现有应用

本申请要求2013年4月18提交的美国临时专利申请序列号61/813297的优先权。

技术领域

本发明整体涉及一种用于增加软金属性基材的硬度的改善方法。更具体而言，本发明涉及使用激光辅助软金属性基材的间隙合金化。

背景技术

当选择用于工业过程或经受摩擦力的机械设备的金属性基材时，存在二极性(dichotomy)。在制造过程或成型过程中，优选地选择用于容易成型的软材料。然而，选择软材料的基材将导致差的耐久性，尤其是当该设备经受摩擦力时。因此，当需要机械设备的耐久性时，选择硬金属性基材，其在制造或成型所述设备时造成问题。

已经进行了各种尝试来涂覆软金属性基材以改善耐磨性和已知引起基材的不利的尺寸改变的相关材料损失。例如，已经使用等离子体涂层和焊接堆焊层，但是提供有限的耐久性，并且由于必要的后加工操作而显著增加制造成本。气相沉积已用于增加表面硬度。然而，涂层和基材之间的机械接合弱，导致涂层劣化或失去附着性，引起气相沉积具有有限的用途。

已经采用硬度值比软合金基材高的间隙元素的扩散进行了实验，但没有达到显著的工业应用。相对于间隙合金化改善控制的各种尝试未被证明是有效的(affective)。因此，将会需要提供一种通过的间隙合金的扩散提高基材的硬度的增强方法。

发明内容

一种增强金属性基材的耐磨损性的方法，包括将包括间隙元素的涂层施加到所述基材的表面。将激光束引导到涂覆有间隙元素的金属性基材的局部区域上。激光束将金属性基材的温度局部升高到使间隙元素扩散到基材内的温度，从而在金属性基材的局部区域上提供包括间隙元素的合金层。激光束的焦点位于与基材表面间隔开的位置从而在基材的表面处优化激光束的功率密度。除去未扩散到基材内的间隙元素的涂层，从而暴露包括间隙元素的合金层。

本发明的方法提供一种控制基材分子的激发的增强能力，以控制间隙元素到软金属性基材内的扩散。通过相对于基材表面控制焦点，实现了对扩散过程增强控制的最佳能量束和能量配置。

附图的简要描述

将容易理解本发明的其它优点，因为当与附图结合考虑时，通过参考如下详细说明，更好理解它们：

图1示出了金属性基材；

图2示出了具有局部施加包括间隙元素的涂层的金属性基材；

图3示出了激光加热具有包括间隙元素的涂层的软金属性基材的局部区域；

图4示出了局部升高软金属性基材的温度的替代性方法；

图5示出经受本发明的方法的圆柱部件；

图6示出了使用检流计(galvanometer)以重新引导所述本发明的激光束来扩散管状部件内部的过程；

图7示出了经受本发明的方法的基材的实验硬度图表。

具体实施方式

参见图1，总体上以10显示平面部件形式的金属性基材。考虑由金属例如各种钢、镍合金、钴合金、铝合金和铜合金形成金属性基材10。预期通过研磨、机加工或车削将基材10机加工或成型为最终形状，如本领域的技术人员已知的那样。发明人考虑基材10为任何经受已知降解(degrade)基材10的几何形状和功能的摩擦或其它机械力的基材10。

认为经受磨损的刀具，机械零件，例如活塞头，其它内燃机元件和任何金属性部件都能得到本发明的方法的增强。在加工之后，期望该基材10包括具有小于约20微米Ra值和小于约100微米的Rt值的表面粗糙度。如上所述，零件的几何形状包括平面刀刃、旋转刀刃、发动机气缸衬里、或发动机的活塞环。本领域普通技术人员应该明白的是，在本发明的范围包括任何受到耐久性要求的金属性基材。

图2示出了金属性基材10，其具有施加在已知要经受摩擦力的感兴趣区域上方的涂层12。该涂层包括间隙元素，该间隙元素具有已知允许扩散进入合金的晶格结构中的原子尺寸。更具体地，涂层包括氢、硼、碳、或氮中的至少一种。此外，在发明的范围内包括这些间隙元素的组合以进一步增强金属性基材10的耐磨损性。

以粉末或液体施加涂层12，在所述情况下，使用溶剂以液化和悬浮所选择的间隙元素。溶剂为水或有机物，但被选择为从基材10的表面闪蒸(flash)而不需要大量的时间或热。当将液体涂层12施加到基材10时，在烘箱中预热基材10到约240℃的温度20分钟左右，使得基材(或部件)接受均匀的温度。本领域普通技术人员应当理解，选择的从涂层12闪蒸溶剂的温度低于基材10合金的熔融温度以防止在不利地影响该部件的尺寸配置。在预热之后，从烘箱移动该部件和施加包括炭黑粉末的涂层，或通过气溶胶或喷雾方法施加其它间隙元素。该涂层在需要改善耐磨性的表面上方包括均匀的厚度。作为替代，将包含间隙元素的粘合带(tape)施加于需要增强磨损保护的感兴趣的区域。

现在参考图3，显示了将激光束16(或能量束)投射感兴趣的区域18上的激光器14，所述区域已有包括间隙元素的涂层12。该激光器包括CO₂激光器、二极管激光器、光纤激光器、或能够引导所述激光束16到基材的感兴趣的局部区域18的任何等效能量源。激光束16限定了位于与基材10表面间隔开的位置的激光焦点20，以优化在基材10表面处的激光束的功率密度。例如，认为将该焦点定位在基材10的表面或太靠近基材的表面产生产生导致铸铁表面，已知其不提供由间隙元素的适当扩散所实现的耐久性质。因此，预先确定焦点20的位置以提供适量能量以激发基材合金材料的晶格结构，已知该合金材料允许间隙元素扩散至适当深度。

在一个实施方案中，激光束是发散的激光束，其中焦点20在基材10表面22的之上间隔开。这样的情形也在本发明的范围内：该激光束为会聚激光束，其中焦点20将会设置在基材10的表面22之下。

在最佳情况下，基材10的表面22不熔融。避免导致间隙元素与基材10合金反应的共晶反应是期望的。在基材上激光(或能量)束16的最佳效果是只激发基材10合金的分子晶格。这样，基于基材合金和间隙元素的所需扩散深度，对于每一施加预先确定最优的激光功率和速度。在一个实施方案中，CO₂激光器对该基材10提供足量的能量。在其他实施方案中，优选二极管激光器。另外，改变激光器14以将交替形状的激光束16投射到基材10的感兴趣的区域。在某些应用中，矩形形状的激光束16是优选的，例如12×1毫米或20×1毫米形状的激光束。进一步的应用使用2毫米或4毫米直径的圆形点，或椭圆形。在此方面，使用成形喷嘴36(图6)。

在一些应用中，间隙元素到基材10内的快速扩散需要建立蛇形路径24。这在图4中得到最好呈现，其中激光束折返(zig zags)从而比单一穿过金属性基材10的感兴趣的区域能覆盖更多的表面面积。基于需要将间隙元素扩散到基材10中所需的能量水平确定最佳行进路径，其将会在基材10的表面22处决定激光束16的尺寸。本领域普通技术人员应该理解，激光器14或基材10是可移动的，使得激光束16对基材10提供足量的激发能量。

图5显示了本发明方法将间隙元素扩散到具有多种三维结构的部件的能力。在这种情况下，柱形元件例如活塞相对于激光束16旋转，以围绕部件的外表面26提供单个环形带24。本发明人考虑圆形工具路径或矩形工具路径对该基材10提供了足够程度的激发能量。

为了进一步控制间隙元素的扩散，激光器14连接于计算机辅助设计(CAD)数据以调整激光束16的焦点位置从而保持与三维基材10表面的的恒定距离。使用CAD数据引导激光以调整相对于基材10的物理位置或通过控制器(未示出)调整焦点20。或者，通过控制器相对于激光器14移动基材10。

在图6中示出了又一个实施方案，其中在管状部件30的内表面28上期望到基材10内的间隙扩散。在该实施方案中，将激光束32引向检流计控制的镜子34以重新引导激光束32。一旦重新引导，激光束32穿过成形喷嘴36，从而将发散束38引导到管状部件30的内表面28上的感兴趣的区域40。

实验已经表明，间隙元素的扩散范围为30μm-500μm深度。图7所示的表格中提供了测试结果，其中距离刀刃(未示出)边缘实现了达10毫米的显著硬度改善。在该实施例中，1018钢涂覆有碳粉末和通过激光束16，38经受激发，如上所述。对于9毫米，实现约900VHS的最大硬度，表明间隙碳化物的密度相似或相同于在表面处的间隙碳化物的密度。通过调节基材10上感兴趣区域的激光处理的强度和速度实现给定应用的硬度要求。将其中硬度从高于800VHS降低到未合金化基材的硬度(或在该实例中约300VHS)的与刀具边缘的深度范围被识别为过渡区。在11毫米处，硬度降低到非合金化基材的硬度。

在部件的处理后，将金属性基材10的表面22抛光以去除未扩散到基材10内的间隙元素。在一个实施方案中，清洁表面，且用金刚石糊料抛光，所述糊料具有混入煤油溶液中的0.3微米尺寸的金刚石颗粒。然而，本领域普通技术人员应该理解，替代性的抛光方法将会足够。

显然，鉴于上述教导，本发明的许多改变和变型是可能的。已经按照相关法律标准记载了前述发明；因此，该描述在性质上是示例性而非限制性的。对于本领域技术人员来说，对所公开实施方案的变型和改变是清楚的，且落在本发明的范围内。因此，本发明的法律保护范围只能通过研究以下权利要求确定。

Claims (15)

1.一种增强金属性基材的耐磨性的方法，包括以下步骤：

提供金属性基材；

向所述基材的表面施加包括间隙元素的涂层；

引导激光束到涂覆有间隙元素的金属性基材的局部区域上，从而将金属性基材的温度局部升高到低于金属性基材的熔点温度的温度，使间隙元素扩散进入基材内，且在所述金属性基材的局部区域上提供包括间隙元素的间隙合金层；

将激光束的焦点定位在与基材表面间隔开的位置，用于在基材表面处优化激光束的功率密度；和

去除未扩散到基材的间隙元素的涂层，由此暴露包括间隙元素的间隙合金层。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述引导激光束的步骤进一步由沿金属性基材的三维表面引导激光束限定。

3.根据权利要求2的所述方法，其中所述沿金属性基材的三维表面引导激光束的步骤进一步由采用限定所述金属性基材的构造的计算机数据引导所述激光束限定。

4.根据权利要求1的所述方法，其中施加间隙元素的涂层的所述步骤进一步由提供包含氢、硼、碳、氮中的至少一种或它们的组合的涂层限定。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述提供金属性基材的步骤进一步由提供铁合金、镍合金、钴合金、铝合金、和铜合金限定。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述提供金属性基材的步骤进一步由提供具有表面粗糙度的金属性基材限定，所述表面粗糙度具有小于50微米的Ra值和小于100微米的Rt。

7.根据权利要求1所述的方法，其中使间隙元素扩散进入基材内从而提供包括间隙元素的合金层的所述步骤进一步由使间隙元素扩散进入基材内30微米－500微米的深度限定。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括通过调节激光束的功率密度和激光移动速度控制间隙元素的扩散深度。

9.根据权利要求1所述的方法，其中向基材施加间隙元素的涂层的所述步骤进一步由使用气溶胶喷射或施加包含间隙元素的粘结带向预定位置施加粉末状间隙元素限定。

10.根据权利要求1所述的方法，其中引导激光束到金属性基材的局部区域上进一步由调整投射到金属性基材的局部区域上的激光束的形状限定。

11.根据权利要求1所述的方法，其中引导激光束到金属性基材的局部区域上的所述步骤进一步由提供将激光束直接传递到基材表面的激光束限定，所述激光束包括CO₂激光、二极管激光、光纤激光器和其等同物。

12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在施加间隙元素的涂层期间或之前加热金属性基材的步骤，用于蒸发设置在间隙元素的涂层中的溶剂。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述施加间隙元素的涂层的步骤进一步由施加包括间隙元素的涂层限定，其包括当基材置于环境温度下时能够从包括间隙元素的涂层蒸发的挥发性溶剂。

14.根据权利要求1所述方法，其中所述引导激光束到金属性基材的局部区域上的所述步骤进一步由引导发散的激光束到金属性基材上限定。

15.根据权利要求5所述方法，其中所述铁合金是钢。