CN107904594A - 一种铜金属及其合金表面耐磨涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种铜金属及其合金表面耐磨涂层的制备方法，先利用热喷涂技术在铜材表面预沉积镍基涂层；再利用激光表面合金化工艺将镍基合金元素注入铜基体表层，以形成镍基合金化层；最后，利用激光熔覆工艺，在合金化层表面制备出硬度及耐磨性明显提高的熔覆强化层。优点：(1)良好的冶金结合。可以大幅度减小脱皮、分离、剥落的几率；(2)对基体材料损害小。不需要进行铜板预热处理，减少了铜板变形和强度降低的几率；(3)结构性能梯度变化，制备的涂层具有铜材→合金化层→耐磨层的梯度结构，硬度呈现连续平滑升高的变化趋势，有利于提高耐磨层的热疲劳性能；(4)熔覆效率高。

Description

一种铜金属及其合金表面耐磨涂层的制备方法
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，尤其涉及一种铜金属及其合金表面耐磨涂层的制备方法。
背景技术
铜金属及其合金材料因其优异的导热和导电性能、良好的塑性而被广泛应用于航空、航天、冶金等领域。然而，当铜作为苛刻条件下的结构部件时直接使用难以满足耐磨的工况要求。激光熔覆技术是一种先进的表面工程技术，已经被较多地应用于钢、钛合金等基体材料的表面强化。但是，铜及其合金材料表面的激光强化技术尚不够成熟，这主要是由于铜材料的导热率高、光反射率高等因素，增大了其表面形成有效熔池的难度，导致难以制备出冶金结合状态良好、无缺陷、具有较高强韧性的激光熔覆强化层。
从目前公开报道来看，普遍使用先预置后熔覆的“两步法”来实现铜金属材料表面激光熔覆。该方法可以较好地降低由于铜表面高反射率而带来的熔覆工艺难度，但仍存在熔覆层开裂、硬度偏低、粘结剂污染、熔覆效率低等诸多问题，具有一定的局限性。铜材料表面合金化可视为解决铜合金表面激光熔覆难题的有效途径。德国铜协会的研究表明，向纯铜金属中添加适量镍元素，可以显著降低其热导率：添加6％的镍合金化后，在20℃温度测试热导率，发现铜材的热导率从纯铜的390W/(m·K)降低到92W/(m·K)；添加10％的镍，热导率降低到59W/(m·K)；添加44％的镍，热导率降低到23W/(m·K)。这种热导率的显著降低，将有助于促进铜材表面在激光熔覆过程中形成有效的熔池，从而提升铜合金表面激光熔覆的效率和质量。因此，从铜材料表面激光合金化出发，结合激光熔覆技术来制备铜金属及其合金材料表面的耐磨涂层是本发明研究的方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、易操作的铜金属及其合金表面耐磨涂层的制备方法，制备的耐磨涂层具有成型效率高、无裂纹、硬度及耐磨性能好的特点。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种铜金属及其合金表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)对铜材表面进行喷砂、除油、干燥处理；
2)采用热喷涂技术在铜板表面预沉积一定厚度的铝包镍涂层；
3)采用小直径光斑的激光束对上述制备的预沉积层进行激光合金化处理，通过激光束的多次搭接，使其与铜材表面形成激光合金化层；
4)对上述激光合金化层进行喷砂处理，去除表面残渣和氧化皮；
5)制备耐磨涂层：采用激光熔覆技术，通过激光束的多次搭接，在上述喷砂处理后的合金化层表面制备耐磨熔覆层，最终获得一种硬度平滑升高的梯度耐磨涂层；
6)最后对耐磨涂层进行机械加工得到所需的激光熔覆耐磨涂层。
作为优选，所述步骤2)在铜板表面预沉积的铝包镍涂层中铝的质量百分比为5％～20％，铝包镍涂层的预沉积厚度为0.5～1.0mm。
作为优选，所述步骤2)的热喷涂技术，主要包括：等离子喷涂技术、超音速火焰喷涂技术或者冷喷涂技术。
作为改进，所述步骤3)的表面合金化处理的工艺参数为：激光束的光斑直径为0.3～0.8mm，功率为1.8～2.3kW，速度为1800～2000mm/min，保护气Ar气流量为14～16L/min，搭接率为29～31％，处理后形成的激光合金化层的厚度为1.5～2.5mm，界面呈锯齿状或波浪状结构。
作为优选，所述步骤5)的激光束的光斑为圆形或长条形，圆形光斑的直径为直径为4～8mm，长条形光斑的尺寸为11～13mm×1.5～2.5mm。
再改进，所述步骤5)的激光熔覆技术的具体参数为：功率为2.1～2.3kW，速度为600～1000mm/min，保护气Ar气流量为16～18L/min，搭接率29～31％。
再改进，所述步骤5)制备的梯度耐磨涂层从内至外依序包含铜材、合金化层和耐磨涂层，耐磨涂层为NiCrBSi系Ni45耐磨涂层或NiCrBSi系Ni60耐磨涂层或钴基合金Tribaloy 800耐磨涂层，耐磨涂层的厚度控制在1.0～1.5mm。
进一步，所述步骤5)制备耐磨涂层不局限于采用激光熔覆技术，还可选用氧乙炔喷焊、等离子堆焊高效表面熔凝技术进行耐磨层的制备。
最后，所述步骤6)的机械加工的要求为：表面光泽，看不见加工痕迹，微辨加工方向，控制涂层表面粗糙度为Ra0.2～0.8等级。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、良好的冶金结合：与电镀、热喷涂工艺相比，本发明制备的耐磨层为冶金结合，可以大幅度减小脱皮、分离、剥落的几率；
2、对基体材料损害小：与喷焊、堆焊等工艺相比，本发明不需要进行铜板预热处理，减少了铜板变形和强度损失；
3、与现有激光处理工艺相比，本发明引入大厚度合金化层，降低了铜材表面的导热系数，也减少了铜材表面的光反射，有利于熔池的形成，降低了激光熔覆的工艺难度；
4、结构性能梯度变化：本发明的合金化层与铜材基体表面完全互溶，铜材→合金化层→耐磨层的硬度依序呈现平滑升高的梯度结构，有利于提高耐磨层的热疲劳性能；
5、熔覆效率高：在形成合金层后，除激光熔覆技术之外，也可以选用氧乙炔喷焊、等离子堆焊等表面熔凝技术进行耐磨层的制备；
本发明的制备方法工艺简单科学，易操作，解决了铜金属及其合金表面容易磨损的问题，制备的耐磨涂层具有成型效率高、无裂纹、硬度及耐磨性能好的特点。
附图说明
图1是本发明提供的实施例1在激光合金化过程的示意图；
图2是实施例1的梯度耐磨涂层的横截面宏观形貌；
图3是实施例1的梯度耐磨涂层即铜材→合金化层→耐磨层的硬度变化趋势图；
图4是实施例子1的铬锆铜基体和梯度耐磨涂层的耐磨性能对比图；
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
(a)对铬锆铜板(w(Cu):w(Cr):w(Zr)＝99.3:0.55:0.15)表面进行喷砂、除油、干燥处理。
(b)采用超音速火焰喷涂技术，在步骤(a)处理后的铜板表面预沉积厚度为0.5mm铝包镍(w(Al):w(Ni)＝5:95)涂层。
(c)采用光斑直径为0.8mm的激光束对步骤(b)制备的预沉积层进行表面合金化处理，形成厚度约为1.8mm的合金化层，激光合金化过程如图1所示，合金化层界面呈锯齿状；功率为1.8kW，速度为2000mm/min，保护气Ar气流量为14L/min，搭接率为30％。
(d)对步骤(c)制备的合金化层进行喷砂处理，去除表面残渣和氧化皮。
(e)采用激光熔覆技术，在步骤(d)处理后的合金化层表面制备NiCrBSi系Ni45耐磨涂层，通过优化工艺参数，涂层的厚度控制在1.3mm左右，光斑尺寸为12mm×2mm，功率为2.1kW，速度为800mm/min，保护气Ar气流量为16L/min，搭接率30％。这样就形成一种硬度平滑升高的梯度耐磨涂层，梯度耐磨涂层的横截面宏观形貌如图2所示。
(f)将铜材表面的耐磨涂层进行机械加工，直至表面光泽，并控制涂层表面粗糙度为Ra0.2等级。
表1为激光合金化前后的导热系数对比数值，可以看出导热系数显著降低。
表1合金化层和铜基体的热物性参数
图3给出的是铜材→合金化层→耐磨层的硬度变化趋势图，可以看到铜材→合金化层→耐磨层的硬度依序呈现平滑升高的梯度结构，有利于提高耐磨层的热疲劳性能。
图4给出的是铬锆铜基体和梯度耐磨涂层的耐磨性能对比图，可以看到梯度耐磨涂层的耐磨性约为铬锆铜基体的3～5倍。
实施例2
(a)对纯铜板表面进行喷砂、除油、干燥处理。
(b)采用等离子喷涂技术，在步骤(a)处理后的铜板表面预沉积厚度为0.7mm铝包镍涂层(w(Al):w(Ni)＝20:80)。
(c)采用光斑直径为0.5mm的激光束对步骤(b)制备的预沉积层进行表面合金化处理，形成厚度约为2mm的合金化层，合金化层界面呈波浪状；功率为2.1kW，速度为1800mm/min，保护气Ar气流量为16L/min，搭接率为30％。
(d)对步骤(c)制备的合金化层进行喷砂处理，去除表面残渣和氧化皮。
(e)采用激光熔覆技术，在步骤(d)处理后的合金化层表面制备NiCrBSi系Ni60耐磨涂层。通过优化工艺参数，涂层的厚度控制在1.0mm左右。光斑直径为8mm，功率为2.3kW，速度为600mm/min，保护气Ar气流量为18L/min，搭接率29％。
(f)将铜板表面的耐磨涂层进行机械加工，直至表面光泽，看不见加工痕迹，微辨加工方向，并控制涂层表面粗糙度为Ra0.4等级。
硬度变化趋势图和性能对比图与实施例子1类似。
实施例3
(a)对铬锆铜板表面进行喷砂、除油、干燥处理。
(b)采用冷喷涂技术，在步骤(a)处理后的铜板表面预沉积厚度为1.0mm铝包镍涂层(w(Al):w(Ni)＝10:90)。
(c)采用光斑直径为0.3mm的激光束对步骤(b)制备的预沉积层进行表面合金化处理，形成厚度约为2.5mm的合金化层，合金化层界面呈锯齿状；功率为2.3kW，速度为1800mm/min，保护气Ar气流量为16L/min，搭接率为31％。
(d)对步骤(c)制备的合金化层进行喷砂处理，去除表面残渣和氧化皮。
(e)采用激光熔覆技术，在步骤(d)处理后的合金化层表面制备钴基合金Tribaloy800耐磨涂层；通过优化工艺参数，涂层的厚度控制在1.5mm左右。光斑直径为4mm，功率为2.3kW，速度为1000mm/min，保护气Ar气流量为18L/min，搭接率30％。
(f)将铜板表面的耐磨涂层进行机械加工，直至表面光泽，看不见加工痕迹，微辨加工方向，并控制涂层表面粗糙度为Ra0.8等级。
硬度变化趋势图和性能对比图与实施例子1类似。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种铜金属及其合金表面耐磨涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)对铜材表面进行喷砂、除油、干燥处理；
2)采用热喷涂技术在铜板表面预沉积一定厚度的铝包镍涂层；
3)采用小直径光斑的激光束对上述制备的预沉积层进行激光合金化处理，通过激光束的多次搭接，使其与铜材表面形成激光合金化层；
4)对上述激光合金化层进行喷砂处理，去除表面残渣和氧化皮；
5)制备耐磨涂层，采用激光熔覆技术，通过激光束的多次搭接，在上述喷砂处理后的合金化层表面制备耐磨涂层，最终获得一种硬度平滑升高的梯度耐磨涂层；
6)最后对耐磨涂层进行机械加工得到所需的激光熔覆耐磨涂层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)在铜板表面预沉积的铝包镍涂层中铝的质量百分比为5％～20％，铝包镍涂层的预沉积厚度为0.5～1.0mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于采用热喷涂技术主要包括等离子喷涂技术、超音速火焰喷涂技术或者冷喷涂技术。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)的激光合金化处理的工艺参数为：激光束的光斑直径为0.3～0.8mm，功率为1.8～2.3kW，速度为1800～2000mm/min，保护气Ar气流量为14～16L/min，搭接率为29～31％，处理后形成的激光合金化层的厚度为1.5～2.5mm，界面呈锯齿状或波浪状结构。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5)的激光束的光斑为圆形或长条形，圆形光斑的直径为直径为4～8mm，长条形光斑的尺寸为11～13mm×1.5～2.5mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5)的激光熔覆技术的具体参数为：功率为2.1～2.3kW，速度为600～1000mm/min，保护气Ar气流量为16～18L/min，搭接率29～31％。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5)制备的梯度耐磨涂层从内至外依序包含铜材、合金化层和耐磨涂层，耐磨涂层为NiCrBSi系Ni45耐磨涂层或NiCrBSi系Ni60耐磨涂层或钴基合金Tribaloy 800耐磨涂层，耐磨涂层的厚度控制在1.0～1.5mm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5)制备耐磨涂层不局限于采用激光熔覆技术，还可选用氧乙炔喷焊或者等离子堆焊高效表面熔凝技术进行耐磨层的制备。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤6)的机械加工的要求为：表面光泽，看不见加工痕迹，微辨加工方向，控制涂层表面粗糙度为Ra0.2～0.8等级。
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