CN107541725A - 一种镍基铜包碳化硅激光熔覆层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镍基铜包碳化硅激光熔覆层的制备方法，包括如下步骤：S1将铜包碳化硅与低硬度镍基自熔合金粉末按一定比例混合球磨；S2将基体钢板进行表面处理，清洗晾干待用；S3将步骤S1球磨后的粉末直接预铺在基体钢板表面，采用激光在空气环境中对复合粉末进行熔覆，获得具有未分解碳化硅颗粒的激光熔覆层。本发明的有益效果是：1)因此本发明镍基铜包碳化硅激光熔覆层保留了未分解的SiC；2)熔覆层无裂纹；3)本发明使用于各种工模具及结构零部件的表面强化，特别适合于提高磨损严重工模具及零部件的寿命。

Description

一种镍基铜包碳化硅激光熔覆层的制备方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术，具体涉及一种镍基铜包碳化硅激光熔覆层的制备方法。

背景技术

工模具或机械零部件在工作过程中的主要失效形式为磨损、腐蚀和断裂。而磨损是其失效的最主要的形式。工模具或机械零部件磨损失效主要发生在表面。所以提高他们的表面性能是提高其寿命的最主要措施。激光熔覆技术与其它表面处理技术相比，它具有适用材料体系广、稀释率低、基体和熔覆层结合强度高、基体热变形小等优点。常常被用于工模具或零部件的表面改性及表面修复。这提高了工模具或零部件表面的耐磨耐腐蚀和耐高温性能，降低了贵重金属消耗，提高了工模具和零部件的使用寿命，降低了企业的生产成本。目前，应用广泛的激光熔覆材料主要为镍基、铁基和钴基自熔合金粉末，而镍基自熔合金粉末性能和价格介于铁基和钴基之间而被大量应用。但是单纯的自熔合金粉末对耐磨性的提高程度有限，很难胜任磨损严重的场合。为了提高熔覆层硬度，常采用硬度高的自熔合金粉末，但这导致激光熔覆层产生热裂纹。为此，国内外常常在低硬度自熔合金粉末体系中加入一定含量的高熔点和高硬度的陶瓷材料形成复合粉末体系。因为碳化钨具有高的熔点和硬度，并且和铁、钴和镍自熔合金具有零浸润角，其为最常用激光熔覆硬质增强相。碳化硅陶瓷具有比碳化钨更高硬度也常常被用于高能束熔覆。目前，在钢铁材料上激光熔覆碳化硅增强镍基熔覆层有大量研究，但是，碳化硅与镍的浸润性太差导致熔覆层质量不高且其在高温下极易发生烧损、分解，很难保持初始颗粒形态，从而失去颗粒增强作用。虽说其形成的低熔点脆性硅化物也能提高耐磨性，但是提高程度有限。因此，如何提高碳化硅与镍的浸润性，防止碳化硅在激光熔覆过程中分解是必须解决的问题。

公布号CN104831270A公布了一种铁基镍包碳化钨激光熔覆材料的制备方法，采用氩气保护其在45钢上激光熔覆镍包碳化钨和铁基粉末。公开号CN101439973A公布了一种铜包碳化硅复合材料及其制备。这些方法都没有涉及到如何采用无氩气保护激光熔覆的方法在钢铁基体上制备具有碳化硅初始颗粒形态的碳化硅增强镍基熔覆层。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种镍基铜包碳化硅激光熔覆层的制备方法，所形成的熔覆层中含有未分解碳化硅颗粒，从而提高碳化硅与镍的浸润性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：镍基铜包碳化硅激光熔覆层的制备方法，包括如下步骤：

S1将铜包碳化硅与低硬度镍基自熔合金粉末按一定比例混合球磨；

S2将基体钢板进行表面处理，清洗晾干待用；

S3将步骤S1球磨后的粉末直接预铺在基体钢板表面，采用激光在空气环境中对复合粉末进行熔覆，获得具有未分解碳化硅颗粒的激光熔覆层。

按上述方案，所述的铜包碳化硅的制备方法是：将碳化硅粉末进行提纯、清洗、粗化、敏化、活化、化学镀铜、清洗过滤及干燥，形成具有核-壳结构的铜包碳化硅包覆粉末，镀铜层厚度2-10μm。

按上述方案，步骤S1所述的球磨时间为8-12小时。

按上述方案，步骤S3预铺厚度0.5-3mm。

按上述方案，步骤S2所述的表面处理为应力缓解、真空硬化和二次回火热处理，随后打磨得使基体钢板得到平整光洁的表面。

按上述方案，步骤S3激光功率2-5KW，熔覆速度v＝2-7mm·s^-1，光斑直径D＝3-6mm。

按上述方案，所述的镍基铜包碳化硅激光熔覆层搭接率30-60％。

按上述方案，所述的低硬度镍基自熔合金粉末为Ni35、Ni25或Ni45。

按上述方案，所述的铜包碳化硅与低硬度镍基自熔合金粉末质量比为8-10：1。

本发明采用预制覆层，将粉末混合后直接铺到钢板表面，为了防止氩气将粉末吹走，一般要在粉末里面加粘结剂(就是将粉末和粘结剂做成牙膏状，然后涂在钢表面，然后干燥，这样粉末被粘结剂粘住并贴在钢表面)，但是加粘结剂效果一般不好，主要是因为粘结剂是杂质(主要为C,H,O元素)，激光熔覆过程中，会产生气体影响覆层质量，同时也会有部分粘结剂去除不尽保留在覆层里。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)获得具有未分解碳化硅颗粒的镍基碳化硅激光熔覆层：本发明的包覆金属铜的碳化硅除了提高了浸润性以外，还可以减弱激光与碳化硅的直接作用，避免碳化物发生烧损，失碳和挥发现象；因此本发明镍基铜包碳化硅激光熔覆层保留了未分解的SiC；

2)熔覆层无裂纹，本发明采用镍基粉末牌号(Ni35)其主要成分为Ni,Cr,B,Si,通过调整四种元素成分来调整粉末硬度值，本文最后的附表1，主要为铁、钴，镍三种自熔性合金粉末的牌号和成分。用镍基粉末Ni60 60表示硬度，虽说制备出来的熔覆层硬度高，但是在激光熔覆过程中在极冷极热的环境下过硬的熔覆层一般韧性不好导致产生裂纹，而本专利采用硬度较低韧性好的Ni35、Ni25、Ni45保证了熔覆层制备过程中无裂纹；

3)本发明使用于各种工模具及结构零部件的表面强化，特别适合于提高磨损严重工模具及零部件的寿命。

附图说明

图1为实施例1中所得的铜包碳化硅粉末剖面金相图；

图2为实施例1中所得的铜包碳化硅粉末的扫描电镜及EDS图谱；

图3为实施例1中所得的激光熔覆层断面金相图；

图4为实施例1中所得的激光熔覆层断面扫描电镜及EDS图谱；

图5为实施例1中所得的熔覆层中未分解的碳化硅颗粒扫描电镜及EDS图谱。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅局限于下面的实施例。

本发明所用的化工原料均为工业级产品。

铜包碳化硅粉末观察方法：用Axio Scope A1(Carl Zeiss)型光学显微镜对铜包碳化硅粉末剖面进行金相组织观察(如图1所示)；用带能谱仪的Philips XL30 TMP型扫描电镜观察铜包碳化硅粉末形貌并分析其成分(如图2所示)。

覆层形貌观测方法：用Axio Scope A1(Carl Zeiss)型光学显微镜对激光熔覆层断面进行金相组织观察(如图3所示)，用带能谱仪的Philips XL30 TMP型扫描电镜观察激光覆层断面形貌并分析其成分(如图4和图5)。

实施例1

一种镍基铜包碳化硅激光熔覆层的制备方法，它包括如下步骤：

(1)首先将SiC粉末提纯，将粒度为300目～350目的SiC粉末放入800℃的坩埚炉内保温2小时，以去除SiC粉末中混入的游离碳、金属与其它有机物杂质；接着对SiC粉末清洗，用去离子水对SiC粉末进行超声波清洗，随后使用10wt％的NaOH对SiC粉末进行脱脂，再通过10wt％的稀盐酸浸泡处理以中和上一步的NaOH，最后采用无水乙醇对SiC进行超声波清洗，直至清洗后液体澄清；再接着对SiC粉末粗化处理，使用5wt％的HF溶液在超声波的条件下对SiC粉末进行浸泡处理5min来提高SiC表面粗糙度，粗化结束后使用去离子水将粉末清洗干净；随后对SiC粉末进行敏化处理，将SiC粉末放入80g/L氯化亚锡和80ml/L 浓盐酸的混合溶液中15min后用去离子水多次漂洗至中性；再随后对SiC粉末进行活化处理，将SiC粉末放入0.5g/L氯化钯和30ml/L浓盐酸的混合溶液中后用去离子水多次漂至中性洗然后过滤，在真空烘干箱中70℃下进行干燥。最后对SiC粉末进行化学镀铜处理，将活化完的SiC粉体倒入镀槽，迅速搅拌，过程中每隔5分钟检测一次pH值，通过补加氢氧化钠溶液来维持pH稳定在11.5～12之间，20min后停止反应，待镀液冷却后，用循环水真空泵过滤，然后去离子水冲洗复合粉体3-4次，将清洗干净的复合粉体置入真空干燥箱中烘干，烘干温度70℃，烘干时间2h。其中，化学镀铜的配方为：硫酸铜4g/L，甲醛7ml/L，氢氧化钠13g/L, 乙二胺四乙酸32g/L，联吡啶30mg/L，得到具有核-壳结构的铜包碳化硅包覆粉末，镀铜层厚度2-10μm。

(2)将Ni35粉末与铜包SiC包覆粉末按质量比9：1混合球磨10h。

(3)将基体H13钢板进行应力缓解、真空硬化和二次回火热处理，随后用砂纸打磨得到平整光洁的表面，最后用丙酮清洗晾干待用。

(4)将球磨后的粉末在无粘接剂的条件下预铺在基材H13钢表面，预铺粉厚度1mm，采用无氩气保护多道搭接熔覆方案对复合粉末进行熔覆获得具有未分解碳化硅颗粒的激光熔覆层。其中，激光功率2.5KW，熔覆速度v＝4mm·s^-1，光斑直径D＝4mm，搭接率50％。

经上述工艺处理后的激光熔覆层，具有如下效果：

(1)熔覆层中含有未分解碳化硅颗粒。

(2)熔覆层无裂纹。

实施例2

一种镍基铜包碳化硅激光熔覆层的制备方法，它包括如下步骤：

(1)首先将SiC粉末提纯，将粒度为300目～350目的SiC粉末放入700℃的坩埚炉内保温2小时，以去除SiC粉末中混入的游离碳、金属与其它有机物杂质。接着对SiC粉末清洗，用去离子水对SiC粉末进行超声波清洗，随后使用10wt％的NaOH对SiC粉末进行脱脂，再通过10wt％的稀盐酸浸泡处理以中和上一步的NaOH，最后采用无水乙醇对SiC进行超声波清洗，直至清洗后液体澄清。再接着对SiC粉末粗化处理，使用5wt％的HF溶液在超声波的条件下对SiC粉末进行5min浸泡处理来提高SiC表面粗糙度以加强后续步骤的效果，粗化结束后使用去离子水将粉末清洗干净。随后对SiC粉末进行敏化处理，将SiC粉末放入 80g/L氯化亚锡和80ml/L浓盐酸的混合溶液中15min后用去离子水多次漂洗至中性。再随后对SiC粉末进行活化处理，将SiC粉末放入0.5g/L氯化钯和30ml/L浓盐酸的混合溶液中后用去离子水多次漂至中性洗然后过滤，在真空烘干箱中70℃下进行干燥。最后对SiC粉末进行化学镀铜处理，将活化完的SiC粉体倒入镀槽，迅速搅拌，过程中每隔5分钟检测一次pH 值，通过补加氢氧化钠溶液来维持pH稳定在11.5～12之间，20min后停止反应，待镀液冷却后，用循环水真空泵过滤，然后去离子水冲洗复合粉体3-4次，将清洗干净的复合粉体置入真空干燥箱中烘干，烘干温度70℃，烘干时间2h。其中，化学镀铜的配方为：硫酸铜4g/L，甲醛7ml/L，氢氧化钠13g/L，乙二胺四乙酸32g/L，联吡啶30mg/L，得到具有核-壳结构的铜包碳化硅包覆粉末，镀铜层厚度2-10μm。

(2)将Ni45粉末与铜包SiC包覆粉末按质量比10：1混合球磨8h。

(3)将基体45号钢板进行应力缓解、真空硬化和二次回火热处理，随后用砂纸打磨得到平整光洁的表面，最后用丙酮清洗晾干待用。

(4)将球磨后的粉末在无粘接剂的条件下预铺在基材45号钢表面，预铺粉厚度1.1mm，采用无氩气保护多道搭接熔覆方案对复合粉末进行熔覆获得具有未分解碳化硅颗粒的激光熔覆层。其中，激光功率3KW，熔覆速度v＝4.5mm·s^-1，光斑直径D＝4mm，搭接率45％。

经上述工艺处理后的激光熔覆层，具有如下效果：

(1)熔覆层中含有未分解碳化硅颗粒。

(2)熔覆层无裂纹。

实施例3

一种镍基铜包碳化硅激光熔覆层的制备方法，它包括如下步骤：

(1)首先将SiC粉末提纯，将粒度为300目～350目的SiC粉末放入900℃的坩埚炉内保温2小时，以去除SiC粉末中混入的游离碳、金属与其它有机物杂质。接着对SiC粉末清洗，用去离子水对SiC粉末进行超声波清洗，随后使用10wt％的NaOH对SiC粉末进行脱脂，再通过10wt％的稀盐酸浸泡处理以中和上一步的NaOH，最后采用无水乙醇对SiC进行超声波清洗，直至清洗后液体澄清。再接着对SiC粉末粗化处理，使用5wt％的HF溶液在超声波的条件下对SiC粉末进行5min浸泡处理来提高SiC表面粗糙度以加强后续步骤的效果，粗化结束后使用去离子水将粉末清洗干净。随后对SiC粉末进行敏化处理，将SiC粉末放入 80g/L氯化亚锡和80ml/L浓盐酸的混合溶液中15min后用去离子水多次漂洗至中性。再随后对SiC粉末进行活化处理，将SiC粉末放入0.5g/L氯化钯和30ml/L浓盐酸的混合溶液中后用去离子水多次漂至中性洗然后过滤，在真空烘干箱中70℃下进行干燥。最后对SiC粉末进行化学镀铜处理，将活化完的SiC粉体倒入镀槽，迅速搅拌，过程中每隔5分钟检测一次pH 值，通过补加氢氧化钠溶液来维持pH稳定在11.5～12之间，20min后停止反应，待镀液冷却后，用循环水真空泵过滤，然后去离子水冲洗复合粉体3-4次，将清洗干净的复合粉体置入真空干燥箱中烘干，烘干温度70℃，烘干时间2h。其中，化学镀铜的配方为：硫酸铜4g/L，甲醛7ml/L，氢氧化钠13g/L，乙二胺四乙酸32g/L，联吡啶30mg/L，得到具有核-壳结构的铜包碳化硅包覆粉末，镀铜层厚度2-10μm。

(2)将Ni25粉末与铜包SiC包覆粉末按质量比8：1混合球磨9h。

(3)将基体Cr12钢板进行应力缓解、真空硬化和二次回火热处理，随后用砂纸打磨得到平整光洁的表面，最后用丙酮清洗晾干待用。

(4)将球磨后的粉末在无粘接剂的条件下预铺在基材Cr12钢表面，预铺粉厚度0.8mm，采用无氩气保护多道搭接熔覆方案对复合粉末进行熔覆获得具有未分解碳化硅颗粒的激光熔覆层。其中，激光功率2KW，熔覆速度v＝3.8mm·s^-1，光斑直径D＝4mm，搭接率52％。

经上述工艺处理后的激光熔覆层，具有如下效果：

(1)熔覆层中含有未分解碳化硅颗粒。

(2)熔覆层无裂纹。

附表1常用的国产自熔性合金粉末

Claims (7)

1.镍基铜包碳化硅激光熔覆层的制备方法，包括如下步骤：

S1将铜包碳化硅与低硬度镍基自熔合金粉末按一定比例混合球磨；

S2将基体钢板进行表面处理，清洗晾干待用；

S3将步骤S1球磨后的粉末直接预铺在基体钢板表面，采用激光在空气环境中对复合粉末进行熔覆，获得具有未分解碳化硅颗粒的激光熔覆层。

2.根据权利要求1所述的镍基铜包碳化硅激光熔覆层的制备方法，其特征在于所述的铜包碳化硅的制备方法是：将碳化硅粉末进行提纯、清洗、粗化、敏化、活化、化学镀铜、清洗过滤及干燥，形成具有核-壳结构的铜包碳化硅包覆粉末，镀铜层厚度2-10μm。

3.根据权利要求1所述的镍基铜包碳化硅激光熔覆层的制备方法，其特征在于步骤S1所述的球磨时间为8-12小时。

4.根据权利要求1所述的镍基铜包碳化硅激光熔覆层的制备方法，其特征在于步骤S3预铺厚度0.5-3mm。

5.根据权利要求1所述的镍基铜包碳化硅激光熔覆层的制备方法，其特征在于步骤S2所述的表面处理为应力缓解、真空硬化和二次回火热处理，随后打磨得使基体钢板得到平整光洁的表面。

6.根据权利要求2所述的镍基铜包碳化硅激光熔覆层的制备方法，其特征在于步骤S3激光功率2-5KW，熔覆速度v＝2-7mm·s^-1，光斑直径D＝3-6mm。

7.根据权利要求2所述的镍基铜包碳化硅激光熔覆层的制备方法，其特征在于所述的镍基铜包碳化硅激光熔覆层搭接率30-60％。