CN106011841A - 一种铜铬合金表面超硬涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了铜铬合金表面超硬涂层的制备方法，步骤为1、对Cu‑Cr合金进行表面清洗等预处理；2、将W含量6—15 wt.%的Co基合金粉末与聚乙烯醇溶液作为粘结剂的混合浆料均匀涂敷在基材Cu‑Cr合金表面，然后烘干，涂层厚度约为1~2 mm；3、用脉冲激光器对涂层进行搭接扫描，扫描功率为400~600 W，离焦量为2~5 mm，扫描速度为2~10 mm/s，脉宽为1~8 ms，频率为20 Hz。本发明通过激光在铜铬合金触头材料表面熔覆厚度约为200μm、含W的Co基复合涂层，可使其显微组织明显细化、显微硬度和耐磨性能也大大提高，可改善其耐电压强度及抗电弧烧损能力等其他综合机械性能，具有技术可靠、设备简单、操作方便、质量稳定、效率高等优点。

Description

一种铜铬合金表面超硬涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种铜铬合金表面制备超硬强化层的方法，具体为一种铜铬合金表面的激光熔覆工艺，该方法是通过采用脉冲激光辐射加热相结合的方法在Cu-Cr触头材料表面形成高硬度、高耐磨性和高耐电压强度的合金化层，属于材料表面处理和强化技术领域。

背景技术

Cu-Cr合金结合了Cr的高硬度、耐高温和Cu良好的导电、导热性，在制备触头材料、电阻焊电极、连铸机结晶器内衬、集成电路引线框架、电动工具的转向器、电工开关、耐磨材料、大型高速涡轮发电机转子导线、电车及电力火车架空导线等方面得到广泛应用。触头材料是真空断路器的关键材料，它直接影响到真空断路器的电气性能。高压触头材料在高电压、大电流、高真空、高温下反复离合的严酷条件下工作，对材料性能提出了苛刻的要求，如寿命、分断能力、闭合能力、触头间隙的耐压强度、截流能力及截流值，要有较高的耐电压强度，高的分断能力和一定的分断次数，较低的电磨损率，具有一定的抗熔焊能力，较强的机械耐受力等，其发展的两大核心问题是真空工艺与真空触头材料的技术进步。

早期对触头材料的研究主要集中在材料的选择和制备方法上。国外关于这方面的研究比较早。在确定Cu-Cr合金为最佳触头材料后，又针对生产出的合金产品缺陷问题进行制备工艺优化研究。为了提高材料机械性能，一般采用添加合金元素、表面处理或者两者并用的方法。Co合金有较好的高温耐蚀和耐磨性能，且Co元素的加入能增加Cu和Cr的相互固溶度，从而提高润湿性；W颗粒可作为Cr相的非均匀形核核心，减少Cu-Cr液相的凝固时间，使组织更加均匀细化，Co和W都能改善Cu-Cr合金的显微组织，细化晶粒，并对Cr进行选择相强化，可提高Cu-Cr触头材料的硬度及耐电压强度。W、Co和Cr能产生一系列综合效应，显著提高Cu-Cr的硬度、耐磨性和耐电压强度等其他综合性能。Cu-Cr触头材料率先在表面出现疲劳和失效，而在铜合金表面制备冶金结合好、组织均匀，同时又抗热耐磨、耐电压强度高的涂层较为困难。三束表面改性技术是解决以上问题的有效手段，其中激光表面改性技术操作方便，设备简单且效率较高，在近十几年来得到广泛的应用并取得了较好的成果，如激光重熔技术、激光合金化和激光熔覆技术，通过激光改性在材料表面获得强化层或者进行表面修复，延长材料的使用寿命。

激光熔覆（Laser Cladding）表面处理技术就是通过大功率的激光束加热样品表面，使合金粉末和部分基体熔化，处理后在表面形成一定厚度、主要由合金元素组成的晶粒细小的强化层，从而达到改善表面性能的目的。激光是一种可控性极强的高能高功率密度热源，材料在激光作用下，其内部组织要经历一系列复杂的变化。目前，材料激光加工中的焊接、切割技术已在汽车、航空、航天、机械制造等行业获得越来越广泛的应用，表面强化处理也正成为国内外研究开发的热点。激光表面熔化处理可使材料获得一快速凝固层，由于10⁴~10⁸K/s的快速冷却，增加了合金元素的饱和度，产生了亚稳相，同时细化了组织，从而强化了材料表面，除了提高耐磨性、耐蚀性以外，还可提高材料表面的热疲劳抗力耐电压强度。目前，在Cu-Cr合金表面获得超硬涂层的具体成分及脉冲激光表面处理技术参数未见报道。

发明内容

本发明针对Cu-Cr合金触头材料在使用过程中表面易磨损、抗电弧烧蚀能力较差、容易失效的情况而设计和提供了一种Cu-Cr合金触头材料表面超硬强化层的制备方法，其目的在于通过涂敷法在合金表面镀膜，然后采用脉冲激光设备对Cu-Cr合金触头材料进行表面强化处理，改善合金表面显微组织，在表面形成一层与Cu-Cr合金基体有良好结合力的熔覆层，提高Cu-Cr合金触头材料表面的显微硬度和耐磨性等力学性能，进而改善其耐电压强度和抗电弧烧蚀能力。

为了实现上述目的，本专利提供了一种铜铬合金表面制备超硬强化层的方法，采用如下技术方案，其特征在于包括以下步骤：

（1）按照工艺要求选取Cu、Cr材料，按照重量比例进行配制，采用机械合金化法、熔渗法、真空感应熔炼法或者混粉烧结法制备Cu-Cr合金，Cu-Cr合金触头材料中的Cr wt.%含量范围为25 wt.%~60 wt.%；通常按照工艺要求选取合格的高纯Cu、Cr材料；

（2）将制备的Cu-Cr合金触头材料机械加工成一定尺寸和形状的样品，用砂纸将样品打磨光亮，放入到装有酒精或丙酮溶液的超声波清洗机中使用超声波清洗，清洗时间一般为8～20 min；然后用清水和酒精清洗干净，再进行吹干或烘干；超声波清洗的时间可以为8 min、10 min、12 min、13 min、14 min、15 min、16 min、18 min、20 min等，都能满足本发明的需要；

（3）配制一定浓度的聚乙烯醇水溶液作为粘结剂，将预置合金粉末与粘结剂混合，把合金粉末调成糊状，均匀涂敷在铜铬合金表面，涂层厚度约为 1~2 mm，然后烘干，选择适宜温度进行烘干。所述合金粉末的成分配比为W含量6—15 wt.%的Co基复合粉末；W含量具条可以选取6 wt.%、7 wt.%、8 wt.%、9 wt.%、10 wt.%、11 wt.%、12 wt.%、13 wt.%、14 wt.%、15 wt.%等，都能满足本发明的需要；

（4）将样品置于载物台，启动YAG脉冲激光设备进行搭接扫描，对样品激光表面强化处理；进行选择现有的脉冲激光设备，如YAG脉冲激光设备；根据需要，还可以采用惰性气体，如氩气等，作为保护气体保护熔池防止合金表面氧化；激光表面强化处理的主要参数范围是：扫描功率为400~600 W，离焦量为2~5 mm，扫描速度为2~10 mm/s，脉宽为1~8 ms，频率为20 Hz；本发明的扫描功率可以为400 W、450 W、500 W、550 W、600 W；离焦量可以为2 mm、3 mm、4 mm、5 mm；扫描速度可以为2 mm/s、4 mm/s、6 mm/s、8 mm/s、10 mm/s等；脉宽可以为1 ms、3 ms、5 ms、6 ms、8 ms等，均能实现本发明的目的。

根据需要，可对熔覆Co的Cu-Cr合金表面质量进行检测，获取其硬度和铜铬合金触头材料表面熔覆层厚度等性能参数。

所述步骤（4）中激光扫描过程中用于保护熔池防止合金表面氧化的惰性气体为氩气。

所述步骤（5）中切取激光熔覆的涂层样品制备表面和截面金相，依次用240#、400#、600#、800#、1000#、1200# 和1500#不同粒度的砂纸将样品打磨光亮，然后用抛光机进行抛光或采用电解抛光，进行金相和扫描电镜显微组织观察，并对样品表面熔覆层做硬度测试，铜铬合金触头材料表面熔覆层厚度100~200 μm，最高可达200 μm。

本发明的技术效果：本发明通过激光在铜铬合金表面熔覆一层超硬复合涂层的方法，是在研究Cu-Cr合金表面强化处理过程中的组织和性能变化规律基础上形成的，检测结果表明，本发明提供的表面强化处理方法符合Cu-Cr合金触头材料的性能变化规律，可有效改善铜铬合金显微组织及硬度、强度等力学性能。通过激光在Cu-Cr合金表面熔覆一层复合涂层，能大大提高铜铬合金的耐磨、耐电压强度和耐腐蚀能力，是CuCr25基体显微硬度的8~9倍，显著提高了CuCr25合金的表面性能；由于激光易于控制且具有良好的聚焦性，在熔覆过程中，热影响区域小，能够良好地控制熔池范围，因此，易于控制熔覆层厚度，且不易产生变形、裂纹等缺陷。本发明对Cu-Cr合金表面进行激光处理，是一种效率高、经济实用且显微组织和性能良好的表面强化工艺。

附图说明

图1为实施例提供激光熔覆Co基复合涂层的CuCr25合金表面显微硬度压痕的金相照片。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施方式，对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种铜铬合金表面制备超硬强化层的方法，其特征在于包括如下步骤：

本专利提供了一种铜铬合金表面制备超硬强化层的方法，采用如下技术方案，其特征在于包括以下步骤：

（1）按照工艺要求选取Cu、Cr材料，按照重量比例进行配制，采用机械合金化法、熔渗法、真空感应熔炼法或者混粉烧结法制备Cu-Cr合金，Cu-Cr合金触头材料中的Cr wt.%含量范围为25 wt.%~60 wt.%；通常按照工艺要求选取合格的高纯Cu、Cr材料；机械合金化法、熔渗法、真空感应熔炼法或者混粉烧结法制备Cu-Cr合金，都是现有技术，在此不作进一步介绍；

（2）将制备的Cu-Cr合金触头材料机械加工成一定尺寸和形状的样品，如棒状、圆盘状、长方体状等，用砂纸将样品打磨光亮，放入到装有酒精或丙酮溶液的超声波清洗机中使用超声波清洗，清洗时间一般为8～20 min；然后用清水和酒精清洗干净，再进行吹干或烘干；超声波清洗的时间可以为8 min、10 min、12 min、13 min、14 min、15 min、16 min、18 min、20 min等，都能满足本发明的需要；

（3）配制一定浓度的聚乙烯醇水溶液作为粘结剂，将预置合金粉末与粘结剂混合，把合金粉末调成糊状，均匀涂敷在铜铬合金表面，涂层厚度约为 1~2 mm，然后烘干，选择适宜温度进行烘干。所述合金粉末的成分配比为W含量6—15 wt.%的Co基复合粉末；W含量具条可以选取6 wt.%、7 wt.%、8 wt.%、9 wt.%、10 wt.%、11 wt.%、12 wt.%、13 wt.%、14 wt.%、15 wt.%等，都能满足本发明的需要；

（4）将样品置于载物台，启动YAG脉冲激光设备进行搭接扫描，对样品激光表面强化处理，在CuCr25合金材料表面熔覆Co基复合涂层，即为CuCr25铜铬合金表面获得的超硬强化层；进行选择现有的脉冲激光设备，如YAG脉冲激光设备；根据需要，还可以采用惰性气体，如氩气等，作为保护气体保护熔池防止合金表面氧化；激光表面强化处理的主要参数范围是：扫描功率为400~600 W，离焦量为2~5 mm，扫描速度为2~10 mm/s，脉宽为1~8 ms，频率为20 Hz；本发明的扫描功率可以为400 W、450 W、500 W、550 W、600 W；离焦量可以为2 mm、3 mm、4 mm、5 mm；扫描速度可以为2 mm/s、4 mm/s、6 mm/s、8 mm/s、10 mm/s等；脉宽可以为1 ms、3 ms、5 ms、6 ms、8 ms等，均能实现本发明的目的。

（5）对熔覆Co的Cu-Cr合金表面质量进行检测；根据需要，对熔覆Co的Cu-Cr合金表面质量进行检测，获取其硬度和铜铬合金触头材料表面熔覆层厚度等性能参数。

所述步骤（4）中激光扫描过程中用于保护熔池防止合金表面氧化的惰性气体为氩气。

所述步骤（5）中切取激光熔覆的涂层样品制备表面和截面金相，依次用240#、400#、600#、800#、1000#、1200# 和1500#不同粒度的砂纸将样品打磨光亮，然后用抛光机进行抛光或采用电解抛光，进行金相和扫描电镜显微组织观察，并对样品表面熔覆层做硬度测试，铜铬合金触头材料表面熔覆层厚度100~200 μm。

实施例1：

用真空感应熔炼法制备Cr wt.%含量为25 wt.%的CuCr25合金，机械加工成直径30 mm、高5 mm的圆块合金试样，用砂纸将样品打磨光亮，然后将CuCr25试样放入到装有酒精的超声波清洗机中清洗8 min；随后依次用清水和酒精清洗干净，清洗后采用电吹风进行吹干。取少量聚乙烯醇颗粒溶于100 ml沸水中，配制聚乙烯醇水溶液作为粘结剂。将W含量8 wt.%的Co基复合粉末与粘结剂均匀混合成糊状后涂敷于干净的CuCr25合金圆块表面，然后在80℃温度条件下干燥3 h。将干燥后的样品置于激光设备载物台，启动Nd：YAG脉冲激光设备进行搭接扫描，搭接率为30%，激光表面强化处理的主要参数为：扫描功率500 W，离焦量4 mm，扫描速度4 mm/s，脉宽5 ms，频率20 Hz，激光扫描过程中采用氩气保护熔池。

激光表面强化处理后，取出熔覆Co基复合涂层的CuCr25合金材料，检查工件表面质量。切取激光熔覆后的涂层样品制备表面和截面金相，依次用240#、400#、600#、800#、1000#、1200# 和1500#不同粒度的砂纸将样品打磨光亮，然后用70%的磷酸酒精溶液进行电解抛光，抛光温度为 -20℃，抛光电压为 20 V。抛光过程中磁转子缓慢搅拌，同时不断晃动试样，25 s后迅速将样品取出，用清水和酒精依次清洗样品表面，最后用电吹风吹干其表面，吹干后试样的表面没有水渍的痕迹。然后进行金相和扫描电镜显微组织观察，并对样品表面熔覆层进行硬度测试。

经检测，利用本发明的激光熔覆表面强化法处理的W含量8 wt.%的Co基合金涂层CuCr25合金具有良好的显微组织，且熔覆层平均厚度在190 μm。熔覆层表面平均显微硬度可达950 HV，且在离表层一定厚度范围内均维持在800 HV以上，是CuCr25基体显微硬度的8倍，显著提高了CuCr25合金的表面性能。

实施例2：

用真空感应熔炼法制备Cr wt.%含量为25 wt.%的CuCr25合金，机械加工成直径30 mm、高5 mm的圆块合金试样，用砂纸将样品打磨光亮，然后将CuCr25试样放入到装有酒精的超声波清洗机中清洗10 min；随后依次用清水和酒精清洗干净，清洗后采用电吹风进行吹干。取少量聚乙烯醇颗粒溶于100 ml沸水中，配制聚乙烯醇水溶液作为粘结剂。将W含量10 wt.%的Co基复合粉末与粘结剂均匀混合成糊状后涂敷于干净的CuCr25合金圆块表面，然后在80℃温度条件下干燥3 h。将干燥后的样品置于激光设备载物台，启动Nd：YAG脉冲激光设备进行搭接扫描，搭接率为30%，激光表面强化处理的主要参数为：扫描功率550 W，离焦量3mm，扫描速度4 mm/s，脉宽5 ms，频率20 Hz，激光扫描过程中采用氩气保护熔池。

激光表面强化处理后，取出熔覆Co基复合涂层的CuCr25合金材料，检查工件表面质量。切取激光熔覆后的涂层样品制备表面和截面金相，依次用240#、400#、600#、800#、1000#、1200# 和1500#不同粒度的砂纸将样品打磨光亮，然后用70%的磷酸酒精溶液进行电解抛光，抛光温度为 -20℃，抛光电压为 20 V。抛光过程中磁转子缓慢搅拌，同时不断晃动试样，25 s后迅速将样品取出，用清水和酒精依次清洗样品表面，最后用电吹风吹干其表面，吹干后试样的表面没有水渍的痕迹。然后进行金相和扫描电镜显微组织观察，并对样品表面熔覆层进行硬度测试。

经检测，利用本发明的激光熔覆表面强化法处理的W含量10 wt.%的Co基合金涂层CuCr25合金具有良好的显微组织，且熔覆层平均厚度在180 μm。熔覆层表面平均显微硬度可达950 HV，且在离表层一定厚度范围内均维持在800 HV以上，是CuCr25基体显微硬度的9倍，显著提高了CuCr25合金的表面性能。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种铜铬合金表面超硬涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）按照工艺要求，选取Cu、Cr材料，采用机械合金化法、熔渗法、真空感应熔炼法或者混粉烧结法制备Cu-Cr合金触头材料，Cu-Cr合金触头材料中的Cr wt.%含量范围为25~60 wt.%；

（2）将Cu-Cr合金触头材料机械加工成一定尺寸样品，用砂纸将样品打磨光亮，放入到装有酒精的超声波清洗机中，清洗时间为8～20 min；然后用清水和酒精清洗干净，再进行吹干或烘干；

（3）将预置合金粉末与粘结剂混合，使合金粉末调成糊状，均匀涂敷在铜铬合金表面，涂层厚度约为 1~2 mm，然后烘干；所述合金粉末的成分配比为W含量6—15 wt.%的Co基复合粉末，粘结剂为聚乙烯醇水溶液；

（4）将样品置于载物台，启动脉冲激光器进行搭接扫描，在铜铬合金材料表面熔覆Co基复合涂层；激光表面强化处理的主要参数范围：扫描功率为400~600 W，离焦量为2~5 mm，扫描速度为2~10 mm/s，脉宽为1~8 ms，频率为20 Hz。

2.根据权利要求1所述的铜铬合金表面超硬涂层的制备方法，其特征在于：激光扫描过程中采用氩气保护熔池以防止表面氧化。

3.根据权利要求1所述的铜铬合金表面超硬涂层的制备方法，其特征在于：铜铬合金触头材料表面熔覆层厚度为100~200 μm。