[发明专利]一种钢基表面激光钎焊熔覆铜合金层的方法

权利要求书

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、干燥处理合金混合粉末

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细粉混合：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， 成合金混合粉；

③将合金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)在送粉器内置放合金混合粉

①在20℃±2℃下，用漏斗将合金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合金混合粉，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：

G04 1000

M92

G01 X150 Y0 Z0 A27000 F279

M91

M02

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％。