[发明专利]一种钢基表面激光钎焊熔覆铜合金层的方法

摘要

本发明涉及一种钢基表面激光钎焊熔覆铜合金层的方法，在激光机上采用氩气送粉+激光钎焊熔覆+真空热处理的方法，对钢基表面进行激光钎焊熔覆铜合金层，采用激光机先对钢基表面进行重熔固化，激光束按计算机程序设置圆环钢的轨迹曲线进行全方位照射，使铜合金粉+硼砂粉熔解固化在钢基表面，形成铜合金层，铜合金层厚度为0.5mm，其平均显微硬度为375HV0.2，为钢基体的2倍，耐磨性比基体提高了52.8％，耐腐蚀性比基体提高了45.3％，此方法工艺先进，参数合理，固熔层金相组织紧密牢固，不易脱落，可对多种型面的钢基表面进行钎焊熔覆合金层，此方法可在多种型面和异性非标准型面上进行熔覆合金层，以大幅度提高钢基表面的性能。

主权项

1.一种激光钎焊熔覆制备铜基复合涂层的方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：碳钢、铜粉、锡粉、铅粉、磷粉、硼砂、无水乙醇、氩气、石英砂，其量值如下：以克、毫升、厘米³、毫米为计量单位碳钢：Fe               φ130×160mm铜粉：Cu                1300g±10g锡粉：Sn                80±1g铅粉：Pb                20g±0.1g磷粉：P                 20g±0.1g硼砂：Na₂B₄O₇·10H₂O    400g±10g无水乙醇：C₂H₆O         3000ml±10ml氩气：Ar                100000cm³±100cm³石英砂：φ0.1mm         2000g±50g钢基表面激光钎焊熔覆铜基合金层的方法如下：(1)精选化学物质材料对使用的化学物质材料要进行精选，并进行精度、质量纯度控制：碳钢：固态固体 含铁量99％铜粉：固态粉体 99.9％锡粉：固态粉体 99.9％铅粉：固态粉体 99.9％磷粉：固态粉体 99.9％硼砂：固态粉体 95％无水乙醇：液态液体 99.7％氩气：气态气体 99.9％石英砂：固体颗粒(2)粗车碳钢：在车床上粗车碳钢表面，粗糙度R_a0.63-1.25μm，车外圆、搪内孔，成：φ120×φ80×150mm，圆环状；(3)石英砂喷砂粗化碳钢表面，用2000g石英砂在喷砂机内喷砂粗化，圆环碳钢表面粗糙度为R_a2.5-5.0μm；(4)用超声波清洗圆环碳钢表面，加入无水乙醇1000ml，超声清洗10min，晾干备用；(5)球磨、干燥处理铜合金粉、硼砂粉①用球磨机分别研磨铜粉、锡粉、铅粉、磷粉、硼砂粉，并用250目筛网分别过筛，球磨过筛反复进行，成细粉，细粉粒径≤0.094mm；②合金粉混合：称取球磨后的铜粉1200g、锡粉70g、铅粉10g、磷粉5g、硼砂粉350g，置于不锈钢容器中混合，用搅拌器搅拌均匀，成：铜合金粉+硼砂粉混合细粉；③将铜合金粉+硼砂粉混合粉置于石英产物舟中，然后置于干燥箱内干燥，干燥温度80℃±2℃，干燥时间120min±5min；(6)在送粉器内置放铜合金粉+硼砂粉混合粉①在20℃±2℃下，用漏斗将铜合金粉+硼砂粉混合粉加入激光机的送粉器内；②调节送粉器，使送粉器达到预送粉状态；(7)在激光机上，激光束扫描照射，同步送粉，表面合金化①将圆环碳钢夹于激光机的三爪卡盘上，并用尾座顶紧，调整同心度，使前后同心，并固定；②将氩气管与送粉器相连；③将激光头调至起始位置，调整激光头垂直距离，为正离焦量10mm；④调整送粉器送粉头和激光束的相对位置，成45度角，其延长线与激光束相交；⑤开启送粉载气氩气，氩气流速为40cm³/min，将送粉器打开，氩气载粉量为15g/min；⑥开启激光器，激光器产生激光束通过光栅传至反射镜，反射镜折射后垂直传至聚焦镜，聚焦后产生激光束，垂直对准圆环钢表面；⑦激光束对准圆环钢上的铜合金粉+硼砂粉混合粉，按编辑程序轨迹曲线进行照射固熔；激光束照射轨迹，按圆环钢设置成顺时针螺旋轨迹曲线；圆环钢装卡后按顺时针方向匀速转动，转动速度2.5r/min，起始点为A，终止点为B，形成单旋向单线螺纹轨迹，螺旋升角为1°25′；激光束熔覆圆环钢表面的合金涂层轨迹由计算机程序控制并完成，程序由G代码编制；G代码程序：G041000M92G01X150Y0Z0A27000F279M91M02激光束照射固熔参数：激光器：CO₂气体激光器激光波长：10.6μm激光束输出功率：2000W光斑直径：3mm正离焦量：10mm激光束照射固熔温度：1200-1500℃激光束照射固熔线速度：300mm/min激光束照射固熔时间：50min±2min激光束扫描照射固熔后，在圆环钢表面形成铜合金层，固熔后合金层厚度为0.5mm，表面呈褐红色；硼砂在激光熔覆过程中蒸发；在激光束照射固熔过程中将进行合金化反应，反应式如下：式中：CuSnPbP：铜锡铅磷合金(8)激光固熔后圆环钢及熔覆层自然冷却至20℃±2℃；(9)圆环钢冷却后，用300号砂纸打磨合金层表面，表面粗糙度为R_a0.63-1.25μm；(10)超声清洗合金化后的圆环钢表面，在超声清洗器中加入无水乙醇1000ml进行超声清洗，然后晾干；(11)真空高温热处理将激光钎焊熔覆铜基合金层的圆环钢置于真空热处理炉中，抽取炉内真空，使炉内真空度恒定在1.5Pa，开启加热器，温度升至600℃±5℃，在此温度恒温保温180min±2min，去除在激光熔覆钎焊过程中工件内残留的内应力，使铜合金层组织结构更加紧密牢固；(12)检测、分析、表征对激光熔覆后的钢基铜合金层的金相组织、界面形貌、显微硬度、耐磨性、耐腐蚀性进行分析和表征；用电子扫描电镜对钢基铜合金层表面形貌及断面结合面进行观察分析；用显微硬度仪对钢基铜合金层表面及断面显微硬度进行测试分析；用磨损试验机对钢基铜合金层表面进行磨损试验；用电化学腐蚀试验仪对钢基铜合金层表面进行腐蚀性能检测分析；结论：钢基与铜合金层达到冶金结合，铜合金层厚度为0.5mm；显微硬度：熔覆层的平均显微硬度为375HV_0.2，为钢基体的2倍；耐磨性：熔覆层的耐磨性比基体提高了52％；电化学腐蚀：熔覆层耐腐蚀性比基体提高了45％；(13)储存包装对制备的激光钎焊熔覆的钢基铜合金层圆环钢试件用软质材料包装，储存于阴凉、干燥、洁净环境，要防水、防潮、防酸碱盐侵蚀，储存温度20±2℃，相对湿度≤10％。