CN107761092B - 一种气体动力喷涂铜合金涂层强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气体动力喷涂铜合金涂层强化方法，在不影响表层金属成分、不影响制品尺寸及结构、不需要二次精整加工的前提下，提高现有纯铜及铜合金的表面强度，提高铜及铜合金制品涂层的硬度。
Description
技术领域
本发明涉及材料表面强化加工领域，主要涉及一种强化铜合金涂层硬度的方法，尤其涉及一种气体动力喷涂铜合金涂(镀)层强化方法。
背景技术
铜及铜合金是人类历史上使用最早的金属材料之一，由于磨损是金属构件的主要失效形式之一，在各个工业部门，许多机械装置在其正常使用过程中，表面间会经常发生接触、冲蚀等等，造成模具表层一定程度的磨损、剥落，久而久之，构件会因过度磨损、接触疲劳而失效。当前解决方法之一是在金属构件表面制备一层强化涂层以提高其耐磨损性能。铜合金具有优良的导电性、导热性、成形性及塑性，电极电位是正值，具有很好的耐蚀性能，这些特点是其它材料所不能同时具备的，因此铜或铜合金由于其具有高的导电性、导热性，良好的耐蚀性，好的加工成形性，易连接等性能，广泛应用于航空及其他工业部门如电力、电工、矿山、冶金及机械制造业，特别是对同时要求耐磨、耐蚀、导热或导电的零件具有不可替代性。
制备强化涂层的方法很多，如激光涂覆、热喷涂等高能量密度热源在表面强化技术方面的研究与应用，但是这些技术都存在着一定程度不足。热喷涂的涂层与基体为机械结合，结合强度不高。激光涂覆虽然可以达到冶金结合，但是涂层内容易形成裂纹，表面质量不高，还需进一步进行后续表面处理，而且还要考虑表面对激光能量的吸收效率的问题。
气体动力喷涂技术与众所周知的热气喷涂方法不同，涂层气孔率很低，基体材料和涂层的热负荷很小，材料氧化少，消除了涂层中结晶化不均匀的现象。在机械零件加工和修复时用气体动力喷涂铜合金粉末涂层，随着涂层厚度的增加，其与底板连接的强度也随之降低，涂层最初的硬度也较低。加上喷涂操作过程中，气体的温度、粉末流量、气体粉末流的温度、加工余量都会影响零件的规定性能，特别是硬度不够，严重限制了铜合金在某些领域的应用。
针对涂层与基体材料结合强度不高的问题，专利号为200810203166.8的中国专利公开一种提高涂层与工件结合力的电接触强化装置和方法。这种方法的原理就是使大脉冲电流通过强化涂层与电极之间，金属表面涂层在电极压力作用下利用接触电阻流经脉冲电流时产生的热量使涂层与基体发生熔融扩散以达到冶金结合的目的。这种专利技术可以提高热喷涂后的涂层与金属基体的结合方式，但以涂层制备方法角度看，采用热喷涂方式，有些涂层粉末材料在重复热影响过程中容易发生晶粒长大或氧化脱碳，使涂层性能降低，而且喷涂过程中噪音较大，粉尘污染大。这种方法操作也不够简便，涂层粉末浪费严重，成本较高。专利号为201110366936.2的中国专利公开一种针对铜或铜合金表面渗锡强化的工艺方法。该专利的工艺方法中由于镀锡后进行热处理扩散，使得铜或铜合金表面形成一层厚度大于10μm的渗锡层，该渗锡层硬度≥700HV0.05，从而达到强化铜或铜合金表面硬度的目的，然而该方法中同样采用热喷涂方式，存在与上述文献中相同的问题。
目前对于铜及铜合金制品表面强化的方法复杂，会破坏表层金属的成分，或者需要二次精整及加工处理，不适合用于精密加工器件的表面强化，有待发明一种针对精密加工后的铜及铜合金制品进行表面强化的方法，在不影响表层金属成分、不影响制品尺寸及结构、不需要二次精整加工的前提下，提高现有纯铜及铜合金的表面强度，提高铜及铜合金制品涂层的硬度。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的技术缺陷，从而提供一种气体动力喷涂铜合金涂(镀)层强化方法。
为此，本发明提供一种气体动力喷涂铜合金涂(镀)层强化方法，包括如下步骤：
(1)喷涂前零件脱油，将零件安装在设备上旋转；
(2)激活表面喷涂：喷涂粉末材料Cu-Al-X、气体粉末流温度100-150摄氏度、粉末流量5克/秒、涂层厚度15-20微米；
(3)正常喷涂：提高气体流温度到400摄氏度、粉末流量18克/秒、喷涂间距3-15mm、喷涂厚度1-3mm、保证涂层厚度有足够的机械加工余量；
(4)点状喷涂，消除瑕疵；
(5)进行机械加工，达到设计标准；
(6)将喷涂好的零件放入加温炉中热处理。
优选的，所述步骤(1)中旋转设备优选为相对转速80-150转/分钟的设备，优选为车床。
优选的，所述步骤(2)中喷涂粉末材料的粉末细度15-40微米；
优选的，所述步骤(2)中Cu-Al-X成份按质量百分比为：Cu 40-70％，Al 25-40％，X5-20％。
优选的，所述步骤(2)中优选在喷涂前对粉末进行预处理：先用40-63微米的筛子将粉末过筛，然后放入烘干箱经110-160摄氏度烘干45-70分钟；
优选的，喷涂后，最佳涂层厚度：2-2.5mm，最大涂层厚度5-7mm；
优选的，气体动力喷涂设备的技术性能具体为：工作气体：空气、氮气、氦气；工作气压0.6-40兆帕；气流量0.45-80m3/分钟；工作温度达到650℃。
优选的，所述步骤(6)中热处理温度400±50℃，热处理时间100-150分钟。
采用气体动力喷涂方法得到喷涂好的零件，再放入加温炉中热处理后，其硬度有明显增加，在热处理时将发生铜及合金混合涂层X的扩散过程，当涂层X元素与冷加工的底板相互作用时，同时会使结晶格子的缺陷程度也提高，最终达到提高涂层性能，尤其是硬度的效果。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
图1为结构为钢制底板的液压柱塞泵里液压油的分配器结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。
现有技术中，喷涂操作过程中，气体的温度、粉末流量、气体粉末流的温度、加工余量都会影响零件的规定性能，特别是硬度不够。通常随着涂层厚度的增加，其与底板连接的强度也随之降低，涂层最初的硬度也较低(见表1)。如表1所示，涂层材料Cu-Al-X(X＝Sn,Mo,Ni,Mn,Zn)粉末状的金属的铜合金，其涂层与钢制底板连接的强度随着涂层厚度的增加明显降低，并且涂层硬度也较低。
表1，现有涂层材料厚度与强度关系
实施例1
本发明采用如下气体动力喷涂铜合金的方法进行喷涂，包括以下步骤
(1)喷涂前零件脱油；
(2)将零件安装在相对转速80-150转/分钟的设备上(如车床)旋转；
(3)激活表面喷涂：粉末材料Cu-Al-X、气体粉末流温度100-150摄氏度、粉末流量5克/秒、涂层厚度15-20微米；
(4)正常喷涂：提高气体流温度到400摄氏度、粉末流量18克/秒、喷涂间距3-15mm、喷涂厚度1-3mm、保证涂层厚度有足够的机械加工余量；
(5)点状喷涂，消除瑕疵；
(6)机械加工，达到设计标准；
(7)将喷涂好的零件放入加温炉中热处理，其中热处理温度400±50℃，热处理时间100-120分钟。
其中，粉末细度15-40微米；
Cu-Al-X成份按质量百分比为：Cu 40-70％，Al 25-40％，X 5-20％；
特别的，喷涂前对粉末进行预处理：先用40-63微米的筛子将粉末过筛，然后放入烘干箱经110-160摄氏度烘干45-70分钟；
喷涂后，最佳涂层厚度：2-2.5mm，最大涂层厚度5-7mm；
气体动力喷涂设备的技术性能具体为：工作气体：空气、氮气、氦气；工作气压0.6-40兆帕；气流量0.45-80m3/分钟；工作温度达到650℃。
对上述铜合金涂层进行进一步强化铜合金涂层硬度的方法如下：将喷涂好的零件放入加温炉中热处理，在热处理时将发生铜及合金混合涂层X的扩散过程，当涂层X元素与冷加工的底板相互作用时，同时会使结晶格子的缺陷程度也提高，最终达到提高涂层性能，尤其是硬度。
实施例2
如图1所示，该零配件作为结构是钢制底板的液压柱塞泵里液压油的分配器，直径50-180mm，厚度2-5mm。
采用如下气体动力喷涂铜合金的方法进行喷涂，包括以下步骤
(1)喷涂前零件脱油；
(2)将零件安装在相对转速100转/分钟的设备上(如车床)旋转；
(3)激活表面喷涂：粉末材料Cu-Al-X、气体粉末流温度100-150摄氏度、粉末流量5克/秒、涂层厚度15-20微米；
(4)正常喷涂：提高气体流温度到400摄氏度、粉末流量18克/秒、喷涂间距3-15mm、喷涂厚度1-3mm、保证涂层厚度有足够的机械加工余量；
(5)点状喷涂，消除瑕疵；
(6)机械加工，达到设计标准；
(7)将喷涂好的零件放入加温炉中热处理，其中热处理温度范围350-450℃，热处理时间130-150分钟。
其中，粉末细度15-40微米；
Cu-Al-X成份按质量百分比为：Cu 50％，Al 35％，X15％；
特别的，喷涂前对粉末进行预处理：先用40-63微米的筛子将粉末过筛，然后放入烘干箱经140摄氏度烘干60分钟；
喷涂后，最佳涂层厚度：2-2.5mm，最大涂层厚度5-7mm；
气体动力喷涂设备的技术性能具体为：工作气体：空气、氮气、氦气；工作气压0.6-40兆帕；气流量0.45-80m3/分钟；工作温度达到650℃。
通过按照实施例2中描述，控制不同的实验条件，对上述方法中进行一系列参数设置，并对喷涂后的铜合金的厚度与强度硬度测定结果见表2。
表2，经本发明方法控制不同条件制备的涂层材料厚度与强度及硬度关系
同时，热处理过程中热处理温度及涂层硬度之间的变化如下表3所示。
表3，经本发明方法控制不同热处理温度制备的涂层材料硬度变化
由表3可知，热处理温度对涂层硬度有明显影响，当热处理温度升高至300-450℃时，涂层硬度HV可以到达45-65左右，说明对喷涂后的零件进行热处理后，对其硬度有明显增强。
同时，热处理过程中热处理时间及涂层硬度之间的变化如下表4所示。
表4，经本发明方法控制不同热处理时间制备的涂层材料硬度变化
由表4可知，热处理时间对涂层硬度有明显影响，当热处理时间升高至120-130分钟时，涂层硬度HV可以到达45-65左右，说明对喷涂后的零件进行热处理后，对其硬度有明显增强。
在铜的基础上合金镀层的厚度达1-3mm。在滑动摩擦、高负载率的条件下工作在操作过程中，当工作直径高于临界尺寸1-3mm时，涂层会发生液压磨损。由表1、表2、表3、表4数据分析可知，经本发明气体动力喷涂铜合金涂层并进行硬度强化后，对于涂层材料为Cu-Al-X(X＝Sn,Mo,Ni,Mn,Zn)粉末状的金属的铜合金，其涂层与钢制底板连接的强度随着涂层厚度的增加没有明显降低，并且硬度有明显增加，说明经本发明方法对铜合金涂层的硬度有明显的强化效果，涂层硬度明显增加。
本发明适用于氧-乙炔火焰喷涂、超音速气体动力喷涂等方法形成的铜合金涂层硬度的强化，并不限于上述实施方式。
显然，上述实施例中采用的具体种类仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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它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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种气体动力喷涂铜合金涂层强化方法，包括如下步骤：
(1)喷涂前零件脱油，将零件安装在设备上旋转；
(2)激活表面喷涂：喷涂粉末材料Cu-Al-X、气体粉末流温度100-150摄氏度、粉末流量5克/秒、涂层厚度15-20微米；
(3)正常喷涂：提高气体流温度到400摄氏度、粉末流量18克/秒、喷涂间距3-15mm、喷涂厚度1-3mm、保证涂层厚度有足够的机械加工余量；
(4)点状喷涂，消除瑕疵；
(5)进行机械加工，达到设计标准；
(6)将喷涂好的零件放入加温炉中热处理；
其中所述步骤(6)中热处理温度400±50℃，热处理时间100-150分钟。
2.根据权利要求1所述的气体动力喷涂铜合金涂层强化方法，所述步骤(1)中旋转设备为相对转速80-150转/分钟的设备。
3.根据权利要求1所述的气体动力喷涂铜合金涂层强化方法，所述步骤(1)中旋转设备为车床。
4.根据权利要求1-3任一项所述的气体动力喷涂铜合金涂层强化方法，所述步骤(2)中喷涂粉末材料的粉末细度15-40微米。
5.根据权利要求1-3任一项所述的气体动力喷涂铜合金涂层强化方法，所述步骤(2)中Cu-Al-X成份按质量百分比为：Cu 40-70％，Al 25-40％，X 5-20％。
6.根据权利要求1-3任一项所述的气体动力喷涂铜合金涂层强化方法，所述步骤(2)中优选在喷涂前对粉末进行预处理：先用40-63微米的筛子将粉末过筛，然后放入烘干箱经110-160摄氏度烘干45-70分钟。
7.根据权利要求1-3任一项所述的气体动力喷涂铜合金涂层强化方法，喷涂后，最佳涂层厚度：2-2.5mm。
8.根据权利要求1-3任一项所述的气体动力喷涂铜合金涂层强化方法，气体动力喷涂设备的技术性能具体为：工作气体：空气、氮气、氦气；工作气压0.6-40兆帕；气流量0.45-80m3/分钟；工作温度达到650℃。
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