CN116240543A - 一种耐磨损减振降噪且耐腐蚀的激光合金化层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种耐磨损减振降噪且耐腐蚀的激光合金化层及其制备方法，属于金属材料表面改性与强化技术领域。本发明提供的激光合金化层，以灰铸铁为基体材料，以不锈钢粉末作为涂层材料涂覆于基体材料表面，通过激光合金化制得，因为改性表面所具有的激光扫描带实质为较薄的合金层，使得改性表面获得极细的硬化组织，所以能够在具有稳定的摩擦系数的同时，还保证了摩擦面内部良好的韧性，提高了阻尼性能。此外，不锈钢合金化粉末的耐腐蚀性能使得改性表面的防锈耐腐蚀能力大大增强。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料表面改性与强化技术领域，特别涉及一种耐磨损减振降噪且耐腐蚀的激光合金化层及其制备方法。
背景技术
铸铁材料拥有良好的铸造性和优良的力学性能，所以被广泛应用在机械生产、船舶工业和交通运输等行业。铸铁种类繁多，若按照组织中石墨的存在形态，可分为灰铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁。其中，灰铸铁由于可焊接性、耐磨性和减振性能优良，而被广泛应用于生产制造机床、汽缸、齿轮箱以及制动盘等结构铸造件。球墨铸铁因良好的机械加工性能和耐高温性能常用于制造阀门、机动车零部件及农机具等。但是，铸铁件在实际使用过程中也暴露出一定的缺陷。例如，在汽车领域，铸铁制动盘的磨损和腐蚀问题，是生产商迫切需要解决的问题。另外，在制动过程中铸铁制动盘与摩擦片之间的摩擦引起的振动和噪声控制问题，也是汽车主机厂和零部件商们多年来花费大量人力、物力和财力尚未解决的世界难题。
目前，现有的降噪方法大多是通过改进材料结构或增加阻尼的方式来降低摩擦振动和噪声，例如中国发明专利《一种用于盘式制动器降噪的复合阻尼层减振片》(公开号CN101718317A)中利用一种简单实用的高分子阻尼材料对传统盘式制动器减振结构的改进，使直接产生噪声的制动块等的振动，因复合阻尼层的作用而大大增大制动振动能量的损耗，从而达到减振降噪的目的。但是，这种方法结构复杂、成本较高难以推广。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种耐磨损减振降噪且耐腐蚀的激光合金化层及其制备方法，本发明提供的合金化层表面耐磨损、减振降噪并且耐腐蚀。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种耐磨损减振降噪且耐腐蚀的激光合金化层，以铸铁为基体材料，以不锈钢粉末作为涂层材料涂覆于基体材料表面，通过激光合金化制得。
优选的，所述铸铁基体材料为灰铸铁、蠕墨铸铁或球墨铸铁。
优选的，所述不锈钢粉末包括不锈钢304粉末、不锈钢316粉末和不锈钢430粉末。
本发明还提供了所述的耐磨损减振降噪且耐腐蚀的激光合金化层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将基体材料表面进行打磨、清洗，将不锈钢粉末进行干燥处理；
(2)将处理后的不锈钢粉末涂覆于处理后基体材料的表面，待干燥后进行激光合金化处理；
(3)激光扫描完成后，将合金化处理后的基体材料进行低温快速冷却；
(4)将冷却完成后的基体材料打磨抛光。
优选的，步骤(1)所述打磨为使用金相砂纸打磨；所述清洗为使用丙酮和乙醇进行清洗；所述干燥温度为110℃～130℃，干燥时间为2h～4h。
优选的，步骤(2)所述涂敷具体操作为：使用无水乙醇和聚乙烯醇粉末均匀搅拌后作为涂覆粘接剂，与不锈钢粉末充分搅拌后均匀涂覆于基体材料表面；所述涂敷厚度为0.2±0.05mm。
优选的，步骤(2)所述激光合金化扫描功率为1000W～4000W，所述激光扫描带呈相互平行的条状，完全覆盖其一侧表面。
优选的，步骤(3)所述冷却温度为10℃～15℃。
有益技术效果：
本发明提供了一种耐磨损减振降噪且耐腐蚀的激光合金化层及其制备方法。本发明提供的激光合金化层，以铸铁为基体材料，以不锈钢粉末作为涂层材料涂覆于基体材料表面，通过激光合金化制得，因为改性表面所具有的激光扫描带实质为较薄的合金层，使得改性表面获得极细的硬化组织，所以能够在具有稳定的摩擦系数的同时，还保证了摩擦面内部良好的韧性，提高了阻尼性能。此外，合金化粉末的耐腐蚀性能使得改性表面的耐腐蚀能力大大增强。因此，本发明的铸铁材料表面激光合金化层能够降低摩擦噪声及振动的发生，使铸铁材料耐磨损且耐腐蚀，保证恶劣环境下的工作可靠性。
附图说明
图1是本发明的实施例中的灰铸铁表面改性盘的结构示意图；
图2是本发明的实施例中的灰铸铁表面改性盘的金相图，其中，图(a)为10#试样剖面金相组织，图(b)为10#试样合金区和部分热影响区的放大图；
图3是本发明的实施例中的激光合金化试样与原试样振动频谱图，其中图(a)为原试样和试样1#～3#的振动频谱图，图(b)为原试样和试样4#～6#的振动频谱图，图(c)为原试样和试样7#～9#的振动频谱图，图(d)为原试样和试样10#～12#振动频谱图；
图4是本发明的实施例中的激光合金化试样与原试样噪声声压频谱图，其中，图(a)为原试样和试样1#～3#噪声声压频谱图，图(b)为原试样和试样4#～6#噪声声压频谱图，图(c)为原试样和试样7#～9#噪声声压频谱图，图(d)为原试样和试样10#～12#噪声声压频谱图；
图5是本发明的实施例中的激光合金化各试样与原试样电位极化曲线，其中，图(a)为试样1#～3#和原试样的电位极化曲线，图(b)为试样4#～6#和原试样的电位极化曲线，图(c)为试样7#～9#和原试样的电位极化曲线，图(d)为试样10#～12#和原试样的电位极化曲线；
图6是本发明的实施例中的激光合金化各试样与原试样的残余应力图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，但并不是本发明的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种耐磨损减振降噪且耐腐蚀的激光合金化层，以铸铁为基体材料，以不锈钢粉末作为涂层材料涂覆于基体材料表面，通过激光合金化制得。
在本发明中，所述铸铁基体材料为灰铸铁、蠕墨铸铁或球墨铸铁；优选为灰铸铁。
在本发明中，所述不锈钢粉末包括不锈钢304粉末、不锈钢316粉末和不锈钢430粉末。
本发明还提供了所述耐磨损减振降噪且耐腐蚀的激光合金化层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将基体材料表面进行打磨、清洗，将不锈钢粉末进行干燥处理。
在本发明中，对基体材料表面进行打磨、清洗的具体操作为：首先使用金相砂纸打磨，除去待加工表面的氧化层和污渍等，然后使用浸有丙酮和酒精的棉布擦拭去除试样表面的油污和细小杂质等，得到表面光洁无污渍的铸铁盘；对不锈钢粉末的干燥处理具体为：把不锈钢粉末放入真空干燥箱中进行干燥处理，在110℃～130℃的温度环境干燥2h～4h。
(2)将处理后的不锈钢粉末涂覆于处理后基体材料的表面，待干燥后进行激光合金化处理。
在本发明中，所述将处理后的不锈钢粉末涂敷于处理后基体材料的表面具体操作为：使用无水乙醇和聚乙烯醇粉末均匀搅拌后作为涂覆粘接剂，与不锈钢粉末充分搅拌后均匀涂覆于处理后的基体材料表面，置于恒温环境中24小时使其风干，形成厚度为0.2±0.05的涂层；在本发明中，所述激光功率为1000W～4000W，激光扫描速度为100mm/min～500mm/min，所述激光扫描带呈相互平行的条状，完全覆盖其一侧表面。
(3)激光扫描完成后，将合金化处理后的基体材料在10℃～15℃进行低温快速冷却。
(4)冷却完成后用自动研磨机对合金化处理后的合金化层打磨抛光。
在本发明中，所述抛光为先使用粗砂轮自动研磨机再使用细砂轮自动研磨机对合金化层的表面进行打磨。
以下实施例均采用灰铸铁HT250为激光合金化加工的基体材料。
实施例1
步骤1、首先使用金相砂纸打磨，除去待加工表面的氧化层和污渍等，然后使用浸有丙酮和酒精的棉布擦拭去除试样表面的油污和细小杂质等，得到表面光洁无污渍的基体圆盘；将304不锈钢粉末放入真空干燥箱中以120℃的温度干燥3小时；
步骤2、使用无水乙醇和聚乙烯醇粉末均匀搅拌后作为涂覆粘接剂，与304不锈钢粉末充分搅拌后均匀涂覆于圆盘上，置于恒温环境中24小时使其风干，形成厚度为0.2mm的涂层。采用半导体激光器对涂覆好的圆盘进行恒速扫描，使用激光功率为2500W，扫描速度200mm/min；激光扫描带呈相互平行的条状，全部覆盖其一侧表面；
步骤3，停止激光扫描，对所述圆盘进行低温快速冷却，可将所述圆盘放入初始温度为10-15℃的低温柜中冷却；
步骤4，先用粗砂轮自动研磨机再使用细砂轮自动研磨机对合金化后的表面进行打磨，得到表面平整的金属圆盘，记为试样1#。
实施例2
同实施例1，区别在于，激光功率调整为3000W，扫描速度调整为250mm/min，得到表面平整的金属圆盘，记为试样2#。
实施例3
同实施例1，区别在于，激光功率调整为3500W，扫描速度调整为300mm/min，得到表面平整的金属圆盘，记为试样3#。
实施例4
同实施例1，区别在于，将不锈钢粉末为304粉末替换为不锈钢316粉末，激光功率调整为2500W，扫描速度调整为200mm/min，得到表面平整的金属圆盘，记为试样4#。
实施例5
同实施例1，区别在于，将不锈钢粉末为304粉末替换为不锈钢316粉末，激光功率3000W，扫描速度调整为250mm/min，得到表面平整的金属圆盘，记为试样5#。
实施例6
同实施例1，区别在于，将不锈钢粉末为304粉末替换为不锈钢316粉末，激光功率3500W，扫描速度调整为300mm/min，得到表面平整的金属圆盘，记为试样6#。
实施例7
同实施例1，区别在于，将不锈钢粉末为304粉末替换为不锈钢430粉末，激光功率2500W，扫描速度调整为200mm/min，得到表面平整的金属圆盘，记为试样7#。
实施例8
同实施例1，区别在于，将不锈钢粉末为304粉末替换为不锈钢430粉末，激光功率3000W，扫描速度调整为250mm/min，得到表面平整的金属圆盘，记为试样8#。
实施例9
同实施例1，区别在于，将不锈钢粉末为304粉末替换为不锈钢430粉末，激光功率3500W，扫描速度调整为300mm/min，得到表面平整的金属圆盘，记为试样9#。
实施例10
同实施例1，区别在于，激光功率3000W，扫描速度调整为300mm/min，得到表面平整的金属圆盘，记为试样10#。
实施例11
同实施例1，区别在于，将不锈钢粉末为304粉末替换为不锈钢316粉末，激光功率3000W，扫描速度调整为300mm/min，得到表面平整的金属圆盘，记为试样11#。
实施例12
同实施例1，区别在于，将不锈钢粉末为304粉末替换为不锈钢430粉末，激光功率3000W，扫描速度调整为300mm/min，得到表面平整的金属圆盘，记为试样12#。
图2是本发明的实施例中的灰铸铁表面改性盘的金相图，其中，图(a)为10#试样剖面金相组织，图(b)为10#试样放大的金相组织(合金区和部分热影响区)。由图中可以看出，试样可明显分成合金区、热影响区和基体三层，合金化区分布有针状马氏体和枝晶形式的莱氏体组织，具有明显的胞晶形态和枝晶生长特征，而在试样的热影响区，多为珠光体组织、奥氏体残留物以及铁素体组织。
图3是本发明的实施例中的激光合金化试样与原试样振动频谱图，其中图(a)为原试样和试样1#～3#的振动频谱图，图(b)为原试样和试样4#～6#的振动频谱图，图(c)为原试样和试样7#～9#的振动频谱图，图(d)为原试样和试样10#～12#振动频谱图。由图中可以看出，未加工试样的最大振动加速度为137.80mm/s2，经过激光合金化后，试样中，振动加速度幅值最大的为111.98mm/s2(6#试样)，最小的为38.11mm/s2(9#试样)，降低了约89％(99.69mm/s2)。可以看出，激光合金化后，合金层具有良好的吸收振动能量的作用，起到了明显减振效果。
图4是本发明的实施例中的激光合金化试样与原试样噪声声压频谱图，其中，图(a)为原试样和试样1#～3#噪声声压频谱图，图(b)为原试样和试样4#～6#噪声声压频谱图，图(c)为原试样和试样7#～9#噪声声压频谱图，图(d)为原试样和试样10#～12#噪声声压频谱图。由图中可以看出，试样的噪声幅值均发生在1900Hz附近的频域内，其中未加工试样声压值最高，最大声压值为0.87Pa，12个经过激光合金化加工过的试样中，声压值下降最显著的是11#试样(0.21Pa)，降低了约76％(0.66Pa)。可以看出，激光合金化层起到了明显的降低噪声的作用。
图5是本发明的实施例中的激光合金化各试样电位极化曲线，其中，图(a)为试样1#～3#和原试样的电位极化曲线，图(b)为试样4#～6#和原试样的电位极化曲线，图(c)为试样7#～9#和原试样的电位极化曲线，图(d)为试样10#～12#和原试样的电位极化曲线。从图中可以看出，相较于未加工的灰铸铁试样，经激光合金化处理的试样Ecorr降低很明显，数值均接近于0，且icorr绝对值均显著降低，说明铸铁基体与不锈钢粉末合金化后，其耐腐蚀性能显著提高，通过对比10#、11#和12#试样，可以发现对于同一激光能量加工出的试样，耐腐蚀能力与添加的涂层材料密切相关，且耐腐蚀能力从强到弱依次为：430不锈钢粉末、316不锈钢粉末、304不锈钢粉末。对灰铸铁耐腐蚀性影响的最优合金化工艺参数为：430粉末，激光功率3000W，扫描速度300mm/min。
图6是本发明的实施例中的激光合金化各试样的残余应力图。从图中可以看出，经合金化后，试样表面均表现为残余压应力，基本在600MPa以上，提高至6～12倍，表明激光合金化技术可改善铸铁的表层性能，使得组织间更紧密地结合，残余压应力的提高在提高材料抗疲劳性能的同时，其耐磨性也会明显提高，从而解释了铸铁材料表面改性后在摩擦过程中的振动噪声明显降低的现象。
综上所述，本实施例所涉及的灰铸铁表面改性盘，因为摩擦面所具有的激光扫描带实质为较薄的合金层，使得摩擦面获得极细的硬化组织，所以能够在具有稳定的制动摩擦系数的同时，还保证了摩擦面内部良好的韧性，提高了阻尼性能，此外，合金化粉末的耐腐蚀性能使得改性面的耐腐蚀能力大大增强。因此，本发明的灰铸铁表面改性盘能够降低摩擦噪声及振动的发生并使其耐磨损且耐腐蚀，保证在恶劣环境下基体材料使用的可靠性。并且本发明的制备方法简单，无需对基体材料结构进行改变，容易实施。
以上所述仅是本发明的优选实施方案，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 (8)
1.一种耐磨损减振降噪且耐腐蚀的激光合金化层，其特征在于，以铸铁为基体材料，以不锈钢粉末作为涂层材料涂覆于基体材料表面，通过激光合金化制得。
2.根据权利要求1所述的耐磨损减振降噪且耐腐蚀的激光合金化层，其特征在于，所述铸铁基体材料为灰铸铁、蠕墨铸铁或球墨铸铁。
3.根据权利要求1所述的耐磨损减振降噪且耐腐蚀的激光合金化层，其特征在于，所述不锈钢粉末包括不锈钢304粉末、不锈钢316粉末和不锈钢430粉末。
4.权利要求1～3任一项所述的耐磨损减振降噪且耐腐蚀的激光合金化层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将基体材料表面进行打磨、清洗，将不锈钢粉末进行干燥处理；
(2)将处理后的不锈钢粉末涂覆于处理后基体材料的表面，待干燥后进行激光合金化处理；
(3)激光扫描完成后，将合金化处理后的基体材料进行低温快速冷却；
(4)将冷却完成后的基体材料打磨抛光。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述打磨为使用金相砂纸打磨；所述清洗为使用丙酮和乙醇进行清洗；所述干燥温度为110℃～130℃，干燥时间为2h～4h。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述涂敷具体操作为：使用无水乙醇和聚乙烯醇粉末均匀搅拌后作为涂覆粘接剂，与不锈钢粉末充分搅拌后均匀涂覆于基体材料表面；所述涂敷厚度为0.2±0.05mm。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述激光合金化扫描功率为1000W～4000W，所述激光扫描带呈相互平行的条状，完全覆盖其一侧表面。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述冷却温度为10℃～15℃。
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| CN108165981A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-06-15 | 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 | 一种超高速率激光熔覆制备奥氏体不锈钢耐蚀涂层的方法 |
| CN110699614A (zh) * | 2019-11-04 | 2020-01-17 | 南华大学 | B-c-n-o过饱和固溶奥氏体不锈钢粉末及制备、熔覆方法 |
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