CN112575213A - 一种铜合金材料制备激光涂覆喷头的金属加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种铜合金材料制备激光涂覆喷头的金属加工工艺，铜合金材料按照重量百分比计包括：Zr：0.03％‑0.15％、Si：0.01％‑0.03％、Mg：0.01％‑0.02％、P：0.01％‑0.03％、Cr≤0.25％、杂质≤0.03％，Cu余量；工艺包括配料、装炉熔化、除气、成分调整、脱氧、铸锭、加工等步骤。本发明以铬锆铜为基材添加微量强化金属元素熔炼成铜合金新材料，能够提高激光涂覆喷头耐高温性以及高温下耐磨损性，以提高激光喷头的寿命，并且提高喷涂质量减少材料浪费。

Description

一种铜合金材料制备激光涂覆喷头的金属加工工艺
技术领域
本发明属于铜合金制备技术领域，具体涉及一种铜合金材料制备激光涂覆喷头的金属加工工艺。
背景技术
轨道交通用牵引电机的工作原理与一般直流电动机相同，但有特殊的工作条件：空间尺寸受到轨距和动轮直径的限制；在机车运行通过轨缝和道岔时要承受相当大的冲击振动；大、小齿轮啮合不良时电枢上会产生强烈的扭转振动；在恶劣环境中运用时，雨、雪、灰沙容易侵入。因此牵引电动机在设计时要充分利用机体内部空间使结构紧凑，要采用较高级的绝缘材料和导磁材料，零部件需有较高的机械强度和刚度，整台电机需要有良好的通风散热条件和防尘防潮能力，同时转子在装配前还要有表面强化工序，目前欧美较为发达国家采用的是对转子装配前进行喷砂或者抛丸处理，但无论是喷砂还是抛丸，都存在一定的缺陷。
激光涂覆是通过同步或预置材料的方式，将外部材料添加至基体经激光辐照后形成的熔池中，并使二者共同快速凝固形成包覆层的工艺方法，其特点是，熔覆层稀释度低但结合力强，与基体呈冶金结合，可显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化或电气特性，从而达到表面改性或修复的目的，满足材料表面特定性能要求的同时可节约大量的材料成本。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。
其中损耗件激光喷头现状：激光喷头目前绝大多数厂家运用紫铜(T2)材料进行加工，但目前，紫铜熔点约在1083℃，在激光束工作区域高温环境下，其耐磨性，硬度，强度等都会持续下降，磨损加剧，严重影响激光喷头寿命、喷涂均匀程度，甚至导致激光聚焦点与喷料母材偏置，造成母材浪费以及起皮夹杂等质量缺陷。
发明内容
针对以上存在的技术问题，本发明提供一种铜合金材料制备激光涂覆喷头的金属加工工艺。
本发明的技术方案为：一种铜合金材料制备激光涂覆喷头的金属加工工艺，所述铜合金材料的合金成分按照重量百分比计包括：Zr：0.03％-0.15％、Si：0.01％-0.03％、Mg：0.01％-0.02％、P：0.01％-0.03％、Cr≤0.25％、杂质≤0.03％，Cu余量；所述工艺包括以下步骤：
(1)装炉熔炼：将玻璃和熔剂铺设在熔炼炉底部，并依次将片状铜板、大块回炉料、小块回炉料加入熔炼炉内，梯度升高熔炼炉功率进行熔化，使炉内含有熔化层、加热层和预热层，熔炼至各层完全熔化成原铜液，其中，大块回炉料、小块回炉料均为Cu-Cr-Zr三元中间合金；再向原铜液中依次加入Mg原料、Si原料和P原料，继续熔炼至熔体熔清；
(2)除气：当温度升高至1200±50℃时对步骤(1)中所述熔体成分进行第一次取样检测，并通氩气除气15min，氩气压力保持在7Pa；
(3)成分调整：除气结束后根据公式计算Cr块的加入量，进行成分调整，增加30KW功率并搅拌15min，升温至1340±40℃时进行第二次取样检测调整后的熔体成分；
(4)脱氧：成分调整完后加入一定量铜镁中间合金进行脱氧，脱氧结束后出炉，出炉温度为1310℃-1400℃；
(5)铸锭：将脱氧后的熔体浇注入预先加热好的钢制模具中，得到铜合金铸锭；
(6)加工：将所述铜合金铸锭根据加工锻造要求制成激光涂覆喷头。
进一步地，步骤(1)中所述玻璃和熔剂的重量比为5:1，所述熔剂是由氟化钠与氟化钙按照质量比为1:1组成。
更进一步地，步骤(1)中片状铜板、大块回炉料、小块回炉料的质量比为95:4:1。
更进一步地，步骤(1)中所述Mg原料、Si原料和P原料的添加量分别为所述铜原液重量百分比的0.01％-0.02％、0.01％-0.03％、0.01％-0.03％。
进一步地，步骤(1)中所述梯度升高熔炼炉功率具体为：第一步，提升功率至320KW±10KW，保温20min；第二步，提升功率至600KW±10KW，保温20min；第三步，提升功率至850KW±10KW直至熔化成原铜液。
进一步地，步骤(1)所述Cu-Cr-Zr三元中间合金中按照重量百分比计包含1-5wt％Cr，0.6-3wt％Zr，余量为Cu。
进一步地，步骤(3)中所述公式为：Cr块加入量＝(目标Cr含量％-第一次取样测得Cr含量％)×熔体重量，Cr块加入量和熔体重量的单位为kg。
进一步地，步骤(4)中所述铜镁中间合金的加入量为总炉料总重量的0.1-0.16％，铜镁中间合金中包含10wt％的镁。
进一步地，本发明在对铜合金铸锭进行加工前有一个后处理步骤，将所述铜合金铸锭通过采用电极感应气雾化法制成铜合金粉末，在惰性气氛保护下对所述铜合金粉末采用强流脉冲离子束辐照进行改性强化，最后经磁悬浮精炼，冷却后得到铜合金坯料，再将所述铜合金坯料根据加工锻造要求制成激光涂覆喷头。
更进一步地，所述铜合金粉末的粒径为30μm-50μm。
更进一步地，所述电极感应气雾化法的喷嘴压力为7.5-8.5MPa，气流速度为450-560m/s，粉末冷凝采用压力为50-60atm，温度为0-4℃的低温氩气进行冷却，冷却速度为100-140℃/s；采用低温氩气快速冷却粉末，能够细化铜合金内部晶相，提高铜合金材料的强度。
更进一步地，强流脉冲离子束辐照所述铜合金粉末的工艺参数为：将所述铜合金粉末利用铺粉装置将其逐层铺在电解铜板上，采用氩气氛围保护防止氧化，每层铺设厚度为0.1mm-0.5mm，每层铺设完毕后采用能量密度为15-30J/cm2，脉冲宽度为150ns的强流脉冲离子束辐照3-5次；对铜合金粉末进行表面强化处理得到改性强化后铜合金，增加了铜合金粉末的表面硬度。
更进一步地，所述磁悬浮精炼精炼的具体步骤为：将经强流脉冲离子束辐照改性强化后的铜合金粉末装入模具中压制成型并装入真空磁悬浮炉的冷坩埚内，通电，抽真空15min并充入氩气保护，提升功率至100KW-120KW至铜合金粉末完全熔化并在持续的洛伦兹力下保持悬浮状态，精炼时间为5-10min，使得铜合金成分均匀化，冷却，得到铜合金坯料；经过磁悬浮熔炼混合能够使得铜合金粉末内部成分以及经过改性强化的铜合金粉末表层硬质成分充分混合，从内部提高铜合金的硬度，制备的激光涂覆喷头更加耐热和耐磨。
本发明的有益效果为：以铬锆铜为基材添加微量强化金属元素熔炼成铜合金新材料，能够提高激光涂覆喷头耐高温性以及高温下耐磨损性，并可提高激光喷头的寿命，并且提高喷涂质量，减少材料浪费。
具体实施方式
实施例1
一种铜合金材料制备激光涂覆喷头的金属加工工艺，所述铜合金材料的合金成分按照重量百分比计包括：Zr：0.09％、Si：0.02％、Mg：0.02％、P：0.02％、Cr：0.25％、杂质：0.03％，Cu余量；杂质为本领域常规工艺中常见的不可避免的杂质。
所述工艺包括以下步骤：
(1)配料：按照上述比例称取所需Zr、Si、P、Mg、Cu、Cr块，备用；所述Zr原料采用纯度为99.5％的锆块，所述Si原料采用纯度为100％的单晶硅，所述Cu原料采用纯度为99.99％的电解铜板，所述Cr采用纯度为99.99％的铬块，所述P原料采用磷百分含量为40％的铜磷中间合金，所述Mg原料采用镁百分含量为25％的铜镁中间合金；
(2)装炉熔化：将玻璃和熔剂按照重量比为5:1加入到炉底，然后加入Cu原料，炉体启动同时打开炉口燃气保护，逐步提升功率加热升温至Cu原料全部熔化；逐步提升功率具体为：第一步，提升功率至320KW，保温20min；第二步，提升功率至600KW，保温20min；第三步，提升功率至850KW直至溶液熔清；再依次加入Zr原料、Si原料和P原料，继续熔炼至熔体熔清；
(3)除气：当温度升高至1200℃时对熔体成分进行第一次取样检测，并通氩气除气15min；
(4)成分调整：除气结束后根据公式计算Cr块的加入量进行成分调整，提升30KW功率并搅拌15min，升温至1340℃时进行第二次取样检测调整后熔体成分；公式为：Cr块加入量＝(目标Cr含量％-第一次取样测得Cr含量％)×熔体重量，单位为kg；
(5)脱氧：成分调整完后加入Mg原料进行脱氧，脱氧结束后出炉，出炉温度为1350℃；
(6)铸锭：将熔体浇注入预先加热好的钢制模具中，得到铜合金铸锭；
(7)加工：将所述铜合金铸锭根据加工锻造要求制成激光涂覆喷头。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：本实施例在步骤(6)制备得到铜合金铸锭之后，以及加工之前还有铜合金铸锭的后处理步骤，具体为：
S1：将所述铜合金铸锭通过采用电极感应气雾化法制成铜合金粉末，所述电极感应气雾化法的喷嘴压力为8MPa，气流速度为520m/s，粉末冷凝采用压力为55atm，温度为2℃的低温氩气进行冷却，冷却速度为120℃/s；采用低温氩气快速冷却粉末，能够细化铜合金内部晶相，提高铜合金材料的强度；
S2：在惰性气氛保护下对所述铜合金粉末采用强流脉冲离子束辐照进行改性强化，强流脉冲离子束辐照所述铜合金粉末的工艺参数为：将所述铜合金粉末利用铺粉装置将其逐层铺在电解铜板上，采用氩气氛围保护防止氧化，每层铺设厚度为0.3mm，每层铺设完毕后采用能量密度为22J/cm2，脉冲宽度为150ns的强流脉冲离子束辐照4次；对铜合金粉末进行表面强化处理得到改性强化后铜合金，增加了铜合金粉末的表面硬度；
S3：将经强流脉冲离子束辐照改性强化后的铜合金粉末装入模具中压制成型并装入真空磁悬浮炉的冷坩埚内，通电，抽真空15min并充入氩气保护，提升功率至110KW至铜合金粉末完全熔化并在持续的洛伦兹力下保持悬浮状态，精炼时间为8min，使得铜合金成分均匀化，冷却，得到铜合金坯料；最后将该铜合金坯料根据加工锻造要求制成激光涂覆喷头；经过磁悬浮熔炼混合能够使得铜合金粉末内部成分以及经过改性强化的铜合金粉末表层硬质成分充分混合，从内部提高铜合金的硬度，制备的激光涂覆喷头更加耐热和耐磨。
实验例1
对实施例1和实施例2铜合金材料制备的激光熔覆喷头进行机械力学性能对比，采用常规激光熔覆喷头的紫铜材料作为对照组，对比结果如表1所示：
表1不同制备方法制备的铜合金以及紫铜材料的机械力学性能检测结果
Figure BDA0002724383850000061
一般机楲磨损速率和材料的硬度成反比例关系，在环境因素以及材料加工状态保持一致的情况下，根据Holm-Archard公式，磨损速率：△V＝K(L×S)/H其中，△V为磨损量，L为载荷，S为滑动距离，H为磨损表面硬度，因此决定磨损速率的主要材料性能参数为材料的硬度。
从表1可以看出，经本发明实施例1和实施例2制备的铜合金的硬度要远大于纯铜，且实施例2的力学性能更加优于实施例1。
实验例2
对实施例1和实施例2铜合金材料制备的激光熔覆喷头进行高温性能对比，采用常规激光熔覆喷头的紫铜材料作为对照组，对比结果如表2所示：
表2不同制备方法制备的铜合金以及紫铜材料的高温性能检测结果
Figure BDA0002724383850000071
由表2可以看出，无论是常温状态下还是在高温情况下，经本发明实施例1和实施例2制备的铜合金的性能均比对照组的紫铜更为优越，且实施例2的高温性能更加优于实施例1。
由本发明制备的铜合金主要用于制作激光喷头，通过在铜原料中加入铬和锆增加铜合金的硬度，此外还通过对铜合金采用气雾化制粉，并采用强流脉冲离子束辐照对铜合金粉末进行表面强化处理得到改性强化后铜合金，增加了铜合金粉末的表面硬度。最后经磁悬浮熔炼混合能够使得铜合金粉末内部成分以及经过改性强化的铜合金粉末表层硬质成分充分混合，从内部提高铜合金的硬度，制备的激光涂覆喷头可减少母材喷涂时对于喷头的磨损，延长激光喷头寿命，提高喷涂质量，减少材料浪费。

Claims (9)

1.一种铜合金材料制备激光涂覆喷头的金属加工工艺，其特征在于，所述铜合金材料的合金成分按照重量百分比计包括：Zr：0.03％-0.15％、Si：0.01％-0.03％、Mg：0.01％-0.02％、P：0.01％-0.03％、Cr≤0.25％、杂质≤0.03％，Cu余量；所述工艺包括以下步骤：
(1)装炉熔炼：将玻璃和熔剂铺设在熔炼炉底部，并依次将片状铜板、大块回炉料、小块回炉料加入熔炼炉内，梯度升高熔炼炉功率进行熔化，使炉内含有熔化层、加热层和预热层，熔炼至各层完全熔化成原铜液，其中，大块回炉料、小块回炉料均为Cu-Cr-Zr三元中间合金；再向原铜液中依次加入Mg原料、Si原料和P原料，继续熔炼至熔体熔清；
(2)除气：当温度升高至1200±50℃时对步骤(1)中所述熔体成分进行第一次取样检测，并通氩气除气15min，氩气压力保持在7Pa；
(3)成分调整：除气结束后根据公式计算Cr块的加入量，进行成分调整，增加30KW功率并搅拌15min，升温至1340±40℃时进行第二次取样检测调整后的熔体成分；
(4)脱氧：成分调整完后加入一定量铜镁中间合金进行脱氧，脱氧结束后出炉，出炉温度为1310℃-1400℃；
(5)铸锭：将脱氧后的熔体浇注入预先加热好的钢制模具中，得到铜合金铸锭；
(6)加工：将所述铜合金铸锭根据加工锻造要求制成激光涂覆喷头。
2.如权利要求1所述的一种铜合金材料制备激光涂覆喷头的金属加工工艺，其特征在于，步骤(1)中所述玻璃和熔剂的重量比为5:1，所述熔剂是由氟化钠与氟化钙按照质量比为1:1组成。
3.如权利要求1所述的一种铜合金材料制备激光涂覆喷头的金属加工工艺，其特征在于，步骤(1)中片状铜板、大块回炉料、小块回炉料的质量比为95:4:1。
4.如权利要求1所述的一种铜合金材料制备激光涂覆喷头的金属加工工艺，其特征在于，步骤(1)中所述Mg原料、Si原料和P原料的添加量分别为所述铜原液重量百分比的0.01％-0.02％、0.01％-0.03％、0.01％-0.03％。
5.如权利要求1所述的一种铜合金材料制备激光涂覆喷头的金属加工工艺，其特征在于，步骤(1)中所述梯度升高熔炼炉功率具体为：第一步，提升功率至320KW±10KW，保温20min；第二步，提升功率至600KW±10KW，保温20min；第三步，提升功率至850KW±10KW直至熔化成原铜液。
6.如权利要求1所述的一种铜合金材料制备激光涂覆喷头的金属加工工艺，其特征在于，步骤(1)所述Cu-Cr-Zr三元中间合金中按照重量百分比计包含1-5wt％Cr，0.6-3wt％Zr，余量为Cu。
7.如权利要求1所述的一种铜合金材料制备激光涂覆喷头的金属加工工艺，其特征在于，步骤(3)中所述公式为：Cr块加入量＝(目标Cr含量％-第一次取样测得Cr含量％)×熔体重量，Cr块加入量和熔体重量的单位为kg。
8.如权利要求1所述的一种铜合金材料制备激光涂覆喷头的金属加工工艺，其特征在于，步骤(4)中所述铜镁中间合金的加入量为总炉料总重量的0.1-0.16％，铜镁中间合金中包含10wt％的镁。
9.如权利要求1所述的一种铜合金材料制备激光涂覆喷头的金属加工工艺，其特征在于，步骤(4)中脱氧结束后出炉，出炉温度为1310℃-1400℃。
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