CN117568798A - 一种铜合金基体激光熔覆材料、高导耐磨涂层和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铜合金基体表面激光熔覆技术领域，具体涉及一种铜合金基体激光熔覆材料、高导耐磨涂层和制备方法，由如下重量百分含量组分组成，Cu 48~67%，Cr 28~47%，Al2O3 3~7%；本发明能具有良好耐磨性能的同时保持较好的导电性能。
Description
技术领域
本发明属于铜合金基体表面激光熔覆技术领域，具体涉及一种铜合金基体激光熔覆材料、高导耐磨涂层和制备方法。
背景技术
铜合金因具有良好的导电导热性能，被广泛应用于电子、电气、机械制造等工艺部门。但随着各行业的不断发展，传统铜合金的性能已经无法满足一些特殊工作环境下的使用需求，所以需要采用激光熔覆这种材料表面改性手段进一步提高铜合金的使用性能。同轴送粉激光熔覆是一种广泛应用于金属材料表面改性的技术手段，可以有效达到改善金属基体表面性能，使之适应特殊工作环境。
张维平,马海波.铜合金表面激光熔覆研究现状.机械工程材料, 2009(9):4.DOI:CNKI:SUN:GXGC.0.2009-09-003.公开了：鉴于铜合金自身的物理化学性质，目前用于铜合金表面激光熔覆材料主要有镍基合金、钴基合金、铁基合金和金属陶瓷。前三种为自溶性合金粉。这些材料中加入了具有强烈脱氧和自熔作用的硅、硼等元素，在激光熔爱过程中，硅和硼等元素具有造渣功能，它们优先与合金粉中的氧和工件表面氧化物一起熔融生成低熔点的硼硅酸盐等覆盖在熔池表面，防止液态金属过度氧化，从而改善熔体对基体金属的润湿能力，减少熔覆层中的夹杂物和氧含量，提高熔覆层的工艺成型性能。
镍基自熔性合金粉以其良好的润湿性、耐蚀性、高温自淮滑性能，主要适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗疲劳的零件；钴基自熔性合金粉具有良好的高温性能和耐蚀、耐磨性能；铁基合金粉适用于要求局部耐磨且容易变形的雾件；陶瓷粉在高温下能获得较高的强度，热稳定性好，化学稳定性高，适用于要求耐磨耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。
在以上几种材料体系中，镍基合金熔覆层应用最多，除了镍基合金本身较好的耐磨、耐蚀性且具有一定的韧性和良好的润湿润滑性能之外，还有铜和镍的原子半径、密度、此热都很接近，并且铜和镍均具有面心立方结构，在固态和液态都能形成无限或有限互溶，有利于在基体和熔覆层之间形成良好的冶金结合。Liu等采用先热喷涂再激光重熔的方法在镍基合金粉里加入铜粉制成的熔覆材料熔覆在纯铜表面，不但增加了熔覆层与基体的结合力，而且减少了裂纹、气孔等缺陷的产生。
CN114807818A公开了一种铜合金表面耐磨导电陶瓷金属熔覆涂层的制备方法，是以70～90wt.%Cu粉末、2～8wt.%Ni粉末、2～8wt.%Si粉末、5～15wt.%TiB2陶瓷粉末和0.1～0.5wt.%La粉末混合制成喷涂粉末，以火焰喷涂方式喷涂到铜合金基体表面形成涂层，再采用激光重熔方式对涂层进行重熔处理得到少或无气孔裂纹、组织致密、晶粒细小的熔覆涂层，最后对熔覆涂层进行人工时效处理，制备得到铜合金表面耐磨导电陶瓷金属熔覆涂层。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种铜合金基体激光熔覆材料、高导耐磨涂层和制备方法，其能具有良好耐磨性能的同时保持较好的导电性能。
本发明实施例提供一种铜合金基体激光熔覆材料，由如下重量百分含量组分组成，Cu 48~67%，Cr 28~47%，Al2O33~7%。
优选的，铜合金基体激光熔覆材料由如下重量百分含量组分组成，Cu 50~65%，Cr32~43%，Al2O33~7%。
作为一个实施例，Cu、Cr和Al2O3均为粉状，粒径为300-500目。
本发明实施例提供一种高导耐磨涂层的制备方法，步骤为，所述的铜合金基体激光熔覆材料喷射到铜合金基体表面（优选采用同轴送粉激光熔覆设备），通过激光熔覆的方式将铜合金基体激光熔覆材料融化并覆着到铜合金基体表面，得到高导耐磨涂层。
作为一个实施例，所述铜合金基体的温度为280~380℃，可以采用加热激光源或乙炔焰对铜合金基体进行预热，使其达到上述温度。
作为一个实施例，所述激光熔覆的工作参数为：熔覆光斑直径5 mm，激光功率为4000 ~5000 W，送粉率10-30g/min，扫描速度30~50 mm/s，搭接率40-80%，熔覆次数2-4次。
作为一个实施例，喷射时，采用氩气、氮气或氦气为载气。
作为一个实施例，载气的流量为14-20 L/min。
作为一个实施例，铜合金基体在喷射前进行处理，处理方式为对铜合金基体进行打磨。
本发明提供一种高导耐磨涂层，采用所述的制备方法得到，涂层厚度为0.8-2.4mm。
本发明的有益效果是，本发明的覆层采用Cu粉、Cr粉、Al2O3粉三种原料粉体，经混粉工艺达到均匀混合后通过同轴送粉激光熔覆覆着到铜合金基体上。其中Cr具有极高的硬度，且与Cu在常温下溶解度小于0.4%，无法形成固溶相，对合金材料的导电率影响较小，能有效提高覆层材料的硬度和耐摩擦磨损性能。氧化铝又称为刚玉，是一种高硬度的化合物，熔点为2054℃，可用于激光熔覆，能进一步提高覆层材料的耐摩擦磨损性能。Cr的含量和Al2O3的含量通过调试最终确定在28~47%和3~7%，其中Cr 的含量过低会导致覆层材料硬度过低，而过高会影响覆层材料的电导率；Al2O3的含量过低无法起到弥散强化效果，而过高易引起覆层的缺陷和开裂。
同轴送粉激光熔覆技术，可以有效减少激光熔覆的操作步骤，不需要进行铺粉作业。同时，部分激光束能量直接作用于基体，使得基体表面产生局部融化，有利于形成熔池使得覆层与基体形成冶金结合。铜合金基体的激光吸收率小于15%，因此在激光熔覆过程中，如果不进行预热的话，基体与覆层难以有效结合，采用乙炔焰加热或预热激光加热，可使的基体达到一定温度，提高基体的激光吸收率，形成熔池，有效强化了覆层与基体的结合。
本发明采用Cu、Cr和Al2O3粉末作为铜合金高导耐磨覆层的原始粉料，其中Cu粉基体能保证覆层具有良好的导电率，且能与基体铜合金之间形成良好的冶金结合。Cr和Al2O3粉末能为覆层提供较高硬度和良好的耐摩擦磨损性能。该覆层使用维氏硬度计测试得出其硬度处在170-240HV区间，使用涡流电导仪测试得出其导电率处在35-55% IACS；使用干滑动摩擦磨损试验设备（参照GB/T 12444-2006），在20N加载压力下，以面粗糙度为0.8、外径40mm的GCr15钢环作为摩擦配副，测得平均摩擦系数为0.16-0.38，质量磨损率为8-14mg/km。
本发明采用同轴送粉激光熔覆技术，与传统激光熔覆技术相比，本发明生产工艺简单，生产速度快，适用于大批量工业化制造。同轴送粉激光熔覆可将部分激光能量直接作用于基体，使熔融粉末与表层液化的基体形成熔池，覆层与基体结合紧密，具有较高结合强度。
附图说明
图1为实施例1（左）、实施例2（中）和实施例3（右）的激光熔覆Cu-Cr-Al2O3覆层的宏观形貌。
图2为对比例1（左）和对比例2（右）的激光熔覆Cu-Cr-Al2O3覆层的宏观形貌。
图3为实施例1（左）、实施例2（中）和实施例3（右）的激光熔覆Cu-Cr-Al2O3覆层的微观截面形貌。
图4为对比例1的激光熔覆Cu-Cr-Al2O3覆层的微观截面形貌。
图5为实施例1、实施例2、实施例3、对比例1和对比例2的激光熔覆Cu-Cr-Al2O3覆层的电导率。
图6为实施例1、实施例2、实施例3、对比例1和对比例2的激光熔覆Cu-Cr-Al2O3覆层的维氏硬度。
图7为实施例1、实施例2、实施例3、对比例1和对比例2的激光熔覆Cu-Cr-Al2O3覆层的质量磨损率。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，应当指出的是，具体实施方式只是对本发明的详细说明，不应视为对本发明的限定。
本发明在铜合金基体上采用同轴送粉激光熔覆制得Cu-Cr-Al2O3高导耐磨覆层的步骤如下：
（1）使用试验天平称取相应质量的Cu粉、Cr粉和Al2O3粉，并进行混合，粉末质量配比为Cu粉48~67%，Cr粉 28~47%，Al2O3粉3~7%，将混合粉体置入混粉机中混合6-8小时，得到均匀粉体；
（2）用刚玉砂纸或碳化硅砂纸对铜合金基体表面进行同向擦拭以清除油污氧化物；
（3）将用混粉机混合均匀的粉末加入同轴送粉激光熔覆设备的料筒之中，将砂纸清洁后的铜合金基体固定于同轴送粉激光熔覆设备工作台上，开启激光熔覆设备并完成熔覆前各系统的检查；
（4）通过加热激光源或乙炔焰对铜合金基体进行预热，加热激光源可使用分光器从熔覆激光源提取，或者采用额外安装的单独加热激光器，通过调节加热激光功率使其满足基体加热需求；乙炔焰加热需控制好乙炔焰的流量好作用距离，并实时监控基体温度；通过加热使基体温度达到280℃-380℃。
（5）对经过预热的铜合金样品进行激光熔覆作业，熔覆参数为：熔覆光斑直径5mm，激光功率为4000 W~5000 W，送粉率10-30g/min，扫描速度30 mm/s~50 mm/s的，搭接率40%-80%，熔覆次数2-4次，铜合金样品表面进行扫描，最终得到覆层厚度为1.5 mm~2.8 mm的耐磨Cu-Cr-Al2O3覆层试样。
实施例1
（1）使用试验天平称取相应质量的Cu粉、Cr粉和Al2O3粉，并进行混合，粉末质量配比为Cu粉65%，Cr粉 32%，Al2O3粉3%，将混合粉体置入混粉机中混合8小时，得到均匀粉体；
（2）用刚玉砂纸或碳化硅砂纸对铜合金基体表面进行同向擦拭以清除油污氧化物；
（3）将用混粉机混合均匀的粉末加入同轴送粉激光熔覆设备的料筒之中，将砂纸清洁后的铜合金基体固定于同轴送粉激光熔覆设备工作台上，开启激光熔覆设备并完成熔覆前各系统的检查；
（4）通过加热激光源对铜合金基体进行预热，额外安装的单独加热激光器作为加热激光源，加热激光源与熔覆激光源工作距离相差8mm，加热激光功率4kw，光斑直径5mm，通过加热使基体温度达到300℃。
（5）对经过预热的铜合金样品进行激光熔覆作业，熔覆参数为：熔覆光斑直径5mm，激光功率为4400W，送粉率20g/min，扫描速度40 mm/s的，搭接率80%，熔覆次数3次，铜合金样品表面进行扫描，最终得到覆层厚度为2.2mm的耐磨Cu-Cr-Al2O3覆层试样。
（6）对所得到的熔覆覆层进行性能测试，使用维氏硬度计测试得出其硬度为171.9HV，使用涡流电导仪测试得出其导电率处在48% IACS；使用干滑动摩擦磨损试验设备（参照GB/T 12444-2006），在20N加载压力下，以面粗糙度为0.8、外径40mm的GCr15钢环作为摩擦配副，测得摩擦系数为0.34，质量磨损率为14mg/km。
实施例2
（1）使用试验天平称取相应质量的Cu粉、Cr粉和Al2O3粉，并进行混合，粉末质量配比为Cu粉65%，Cr粉 32%，Al2O3粉3%，将混合粉体置入混粉机中混合8小时，得到均匀粉体；
（2）用刚玉砂纸或碳化硅砂纸对铜合金基体表面进行同向擦拭以清除油污氧化物；
（3）将用混粉机混合均匀的粉末加入同轴送粉激光熔覆设备的料筒之中，将砂纸清洁后的铜合金基体固定于同轴送粉激光熔覆设备工作台上，开启激光熔覆设备并完成熔覆前各系统的检查；
（4）通过乙炔焰对铜合金基体进行预热，乙炔焰喷枪距离试样80mm，加热时长20s，通过加热使基体温度达到320℃左右。
（5）对经过预热的铜合金样品进行激光熔覆作业，熔覆参数为：熔覆光斑直径5mm，激光功率为4400W，送粉率20g/min，扫描速度40 mm/s的，搭接率80%，熔覆次数3次，铜合金样品表面进行扫描，最终得到覆层厚度为2.2mm的耐磨Cu-Cr-Al2O3覆层试样。
（6）对所得到的熔覆覆层进行性能测试，使用维氏硬度计测试得出其硬度为182.6HV，使用涡流电导仪测试得出其导电率处在44% IACS；使用干滑动摩擦磨损试验设备（参照GB/T 12444-2006），在20N加载压力下，以面粗糙度为0.8、外径40mm的GCr15钢环作为摩擦配副，测得摩擦系数为0.32，质量磨损率为13mg/km。
实施例3
（1）使用试验天平称取相应质量的Cu粉、Cr粉和Al2O3粉，并进行混合，粉末质量配比为Cu粉50%，Cr粉 43%，Al2O3粉7%，将混合粉体置入混粉机中混合8小时，得到均匀粉体；
（2）用刚玉砂纸或碳化硅砂纸对铜合金基体表面进行同向擦拭以清除油污氧化物；
（3）将用混粉机混合均匀的粉末加入同轴送粉激光熔覆设备的料筒之中，将砂纸清洁后的铜合金基体固定于同轴送粉激光熔覆设备工作台上，开启激光熔覆设备并完成熔覆前各系统的检查；
（4）通过加热激光源对铜合金基体进行预热，额外安装的单独加热激光器作为加热激光源，加热激光源与熔覆激光源工作距离相差8mm，加热激光功率4kw，光斑直径5mm；通过加热使基体温度达到300℃。
（5）对经过预热的铜合金样品进行激光熔覆作业，熔覆参数为：熔覆光斑直径5mm，激光功率为4400W，送粉率20g/min，扫描速度40 mm/s的，搭接率80%，熔覆次数3次，铜合金样品表面进行扫描，最终得到覆层厚度为2.1mm的耐磨Cu-Cr-Al2O3覆层试样。
（6）对所得到的熔覆覆层进行性能测试，使用维氏硬度计测试得出其硬度为232.2HV，使用涡流电导仪测试得出其导电率处在35% IACS；使用干滑动摩擦磨损试验设备（参照GB/T 12444-2006），在20N加载压力下，以面粗糙度为0.8、外径40mm的GCr15钢环作为摩擦配副，测得摩擦系数为0.18，质量磨损率为8mg/km。
对比例1
（1）使用试验天平称取相应质量的Cu粉、Cr粉和SiO2粉，并进行混合，粉末质量配比为Cu粉65%，Cr粉 32%，SiO2粉3%，将混合粉体置入混粉机中混合8小时，得到均匀粉体；
（2）用刚玉砂纸或碳化硅砂纸对铜合金基体表面进行同向擦拭以清除油污氧化物；
（3）将用混粉机混合均匀的粉末加入同轴送粉激光熔覆设备的料筒之中，将砂纸清洁后的铜合金基体固定于同轴送粉激光熔覆设备工作台上，开启激光熔覆设备并完成熔覆前各系统的检查；
（4）通过加热激光源对铜合金基体进行预热，额外安装的单独加热激光器作为加热激光源，加热激光源与熔覆激光源工作距离相差8mm，加热激光功率4kw，光斑直径5mm，通过加热使基体温度达到300℃
（5）对未经过预热的铜合金样品进行激光熔覆作业，熔覆参数为：熔覆光斑直径5mm，激光功率为4400W，送粉率20g/min，扫描速度40 mm/s的，搭接率80%，熔覆次数3次，铜合金样品表面进行扫描，最终得到覆层厚度为2.2mm的耐磨Cu-Cr-Al2O3覆层试样。
（6）对所得到的熔覆覆层进行性能测试，使用维氏硬度计测试得出其硬度为192.9HV，使用涡流电导仪测试得出其导电率处在19% IACS；使用干滑动摩擦磨损试验设备（参照GB/T 12444-2006），在20N加载压力下，以面粗糙度为0.8、外径40mm的GCr15钢环作为摩擦配副，测得摩擦系数为0.17，质量磨损率为18mg/km。由于基体未经预热，低温下铜合金基体激光反射率大，基体在熔覆时未形成熔池，覆层呈颗粒状分布于基体表面，与基体结合效果不好，其微观截面形貌如图4所示，同时由于Si元素进入覆层金属组织的晶格间隙，增强了电子传导的散射效果，降低了覆层的电导率。
对比例2
（1）使用试验天平称取相应质量的Cu粉、Cr粉和Al2O3粉，并进行混合，粉末质量配比为Cu粉85%，Cr粉 13%，Al2O3粉2%，将混合粉体置入混粉机中混合8小时，得到均匀粉体；
（2）用刚玉砂纸或碳化硅砂纸对铜合金基体表面进行同向擦拭以清除油污氧化物；
（3）将用混粉机混合均匀的粉末加入同轴送粉激光熔覆设备的料筒之中，将砂纸清洁后的铜合金基体固定于同轴送粉激光熔覆设备工作台上，开启激光熔覆设备并完成熔覆前各系统的检查；
（4）通过加热激光源对铜合金基体进行预热，额外安装的单独加热激光器作为加热激光源，加热激光源与熔覆激光源工作距离相差8mm，加热激光功率4kw，光斑直径5mm；通过加热使基体温度达到300℃。
（5）对经过预热的铜合金样品进行激光熔覆作业，熔覆参数为：熔覆光斑直径5mm，激光功率为4400W，送粉率20g/min，扫描速度40 mm/s的，搭接率80%，熔覆次数3次，铜合金样品表面进行扫描，最终得到覆层厚度为2.3mm的耐磨Cu-Cr-Al2O3覆层试样。
（6）对所得到的熔覆覆层进行性能测试，使用维氏硬度计测试得出其硬度为89.2HV，使用涡流电导仪测试得出其导电率处在62% IACS；使用干滑动摩擦磨损试验设备（参照GB/T 12444-2006），在20N加载压力下，以面粗糙度为0.8、外径40mm的GCr15钢环作为摩擦配副，测得摩擦系数为0.39，质量磨损率为38mg/km。由于覆层原料的Cr粉和Al2O3粉比例偏低，导致覆层的硬度和耐摩擦磨损性能不足。
对比例3
对比例3和实施例1相比，区别在于粉末质量配比为Cu粉60%，Cr粉 32%，Al2O3粉3%，5% SiO2粉，其他和实施例1相同。
使用维氏硬度计测试得出其硬度为147.3HV，使用涡流电导仪测试得出其导电率处在14% IACS；使用干滑动摩擦磨损试验设备（参照GB/T 12444-2006），在20N加载压力下，以面粗糙度为0.8、外径40mm的GCr15钢环作为摩擦配副，测得摩擦系数为0.42，质量磨损率为32mg/km。由于添加多种不同氧化物硬质相，提高了覆层的脆性，在摩擦磨损试验中脱落的硬质碎粒增强了磨粒磨损效果，降低了覆层的耐磨性，同时由于Si元素进入覆层金属组织的晶格间隙，增强了电子传导的散射效果，降低了覆层的电导率。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的保护范围限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请中一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本申请中一个或多个实施例旨在涵盖落入本申请的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1. 一种铜合金基体激光熔覆材料，其特征是，由如下重量百分含量组分组成，Cu 48~67%，Cr 28~47%，Al2O3 3~7%。
2. 如权利要求1所述的铜合金基体激光熔覆材料，其特征是，由如下重量百分含量组分组成，Cu 50~65%，Cr 32~43%，Al2O3 3~7%。
3.如权利要求1所述的铜合金基体激光熔覆材料，其特征是，Cu、Cr和Al2O3均为粉状，粒径为300-500目。
4.一种高导耐磨涂层的制备方法，其特征是，如权利要求1-3任一项所述的铜合金基体激光熔覆材料喷射到铜合金基体表面，通过激光熔覆的方式将铜合金基体激光熔覆材料融化并覆着到铜合金基体表面，得到高导耐磨涂层。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征是，所述铜合金基体的温度为280~380℃。
6. 如权利要求4所述的制备方法，其特征是，所述激光熔覆的工作参数为：熔覆光斑直径5 mm，激光功率为4000 ~5000 W，送粉率10-30g/min，扫描速度30~50 mm/s，搭接率40-80%，熔覆次数2-4次。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征是，喷射时，采用氩气、氮气或氦气为载气。
8. 如权利要求7所述的制备方法，其特征是，载气的流量为14-20 L/min。
9.如权利要求4所述的制备方法，其特征是，铜合金基体在喷射前进行处理，处理方式为对铜合金基体进行打磨。
10.一种高导耐磨涂层，其特征是，采用如权利要求4-9任一项所述的制备方法得到，涂层厚度为0.8-2.4mm。
Priority Applications (1)
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2023
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