一種銅鉻合金表面超硬涂層的制備方法技術

本發明專利技術公開了銅鉻合金表面超硬涂層的制備方法，步驟為1、對Cu?Cr合金進行表面清洗等預處理；2、將W含量6—15?wt.%的Co基合金粉末與聚乙烯醇溶液作為粘結劑的混合漿料均勻涂敷在基材Cu?Cr合金表面，然后烘干，涂層厚度約為1~2?mm；3、用脈沖激光器對涂層進行搭接掃描，掃描功率為400~600?W，離焦量為2~5?mm，掃描速度為2~10?mm/s，脈寬為1~8?ms，頻率為20?Hz。本發明專利技術通過激光在銅鉻合金觸頭材料表面熔覆厚度約為200μm、含W的Co基復合涂層，可使其顯微組織明顯細化、顯微硬度和耐磨性能也大大提高，可改善其耐電壓強度及抗電弧燒損能力等其他綜合機械性能，具有技術可靠、設備簡單、操作方便、質量穩定、效率高等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種銅鉻合金表面制備超硬強化層的方法，具體為一種銅鉻合金表面的激光熔覆工藝，該方法是通過采用脈沖激光輻射加熱相結合的方法在Cu-Cr觸頭材料表面形成高硬度、高耐磨性和高耐電壓強度的合金化層，屬于材料表面處理和強化

技術介紹
Cu-Cr合金結合了Cr的高硬度、耐高溫和Cu良好的導電、導熱性，在制備觸頭材料、電阻焊電極、連鑄機結晶器內襯、集成電路引線框架、電動工具的轉向器、電工開關、耐磨材料、大型高速渦輪發電機轉子導線、電車及電力火車架空導線等方面得到廣泛應用。觸頭材料是真空斷路器的關鍵材料，它直接影響到真空斷路器的電氣性能。高壓觸頭材料在高電壓、大電流、高真空、高溫下反復離合的嚴酷條件下工作，對材料性能提出了苛刻的要求，如壽命、分斷能力、閉合能力、觸頭間隙的耐壓強度、截流能力及截流值，要有較高的耐電壓強度，高的分斷能力和一定的分斷次數，較低的電磨損率，具有一定的抗熔焊能力，較強的機械耐受力等，其發展的兩大核心問題是真空工藝與真空觸頭材料的技術進步。早期對觸頭材料的研究主要集中在材料的選擇和制備方法上。國外關于這方面的研究比較早。在確定Cu-Cr合金為最佳觸頭材料后，又針對生產出的合金產品缺陷問題進行制備工藝優化研究。為了提高材料機械性能，一般采用添加合金元素、表面處理或者兩者并用的方法。Co合金有較好的高溫耐蝕和耐磨性能，且Co元素的加入能增加Cu和Cr的相互固溶度，從而提高潤濕性；W顆粒可作為Cr相的非均勻形核核心，減少Cu-Cr液相的凝固時間，使組織更加均勻細化，Co和W都能改善Cu-Cr合金的顯微組織，細化晶粒，并對Cr進行選擇相強化，可提高Cu-Cr觸頭材料的硬度及耐電壓強度。W、Co和Cr能產生一系列綜合效應，顯著提高Cu-Cr的硬度、耐磨性和耐電壓強度等其他綜合性能。Cu-Cr觸頭材料率先在表面出現疲勞和失效，而在銅合金表面制備冶金結合好、組織均勻，同時又抗熱耐磨、耐電壓強度高的涂層較為困難。三束表面改性技術是解決以上問題的有效手段，其中激光表面改性技術操作方便，設備簡單且效率較高，在近十幾年來得到廣泛的應用并取得了較好的成果，如激光重熔技術、激光合金化和激光熔覆技術，通過激光改性在材料表面獲得強化層或者進行表面修復，延長材料的使用壽命。激光熔覆（Laser Cladding）表面處理技術就是通過大功率的激光束加熱樣品表面，使合金粉末和部分基體熔化，處理后在表面形成一定厚度、主要由合金元素組成的晶粒細小的強化層，從而達到改善表面性能的目的。激光是一種可控性極強的高能高功率密度熱源，材料在激光作用下，其內部組織要經歷一系列復雜的變化。目前，材料激光加工中的焊接、切割技術已在汽車、航空、航天、機械制造等行業獲得越來越廣泛的應用，表面強化處理也正成為國內外研究開發的熱點。激光表面熔化處理可使材料獲得一快速凝固層，由于104~108K/s的快速冷卻，增加了合金元素的飽和度，產生了亞穩相，同時細化了組織，從而強化了材料表面，除了提高耐磨性、耐蝕性以外，還可提高材料表面的熱疲勞抗力耐電壓強度。目前，在Cu-Cr合金表面獲得超硬涂層的具體成分及脈沖激光表面處理技術參數未見報道。
技術實現思路
本專利技術針對Cu-Cr合金觸頭材料在使用過程中表面易磨損、抗電弧燒蝕能力較差、容易失效的情況而設計和提供了一種Cu-Cr合金觸頭材料表面超硬強化層的制備方法，其目的在于通過涂敷法在合金表面鍍膜，然后采用脈沖激光設備對Cu-Cr合金觸頭材料進行表面強化處理，改善合金表面顯微組織，在表面形成一層與Cu-Cr合金基體有良好結合力的熔覆層，提高Cu-Cr合金觸頭材料表面的顯微硬度和耐磨性等力學性能，進而改善其耐電壓強度和抗電弧燒蝕能力。為了實現上述目的，本專利提供了一種銅鉻合金表面制備超硬強化層的方法，采用如下技術方案，其特征在于包括以下步驟：（1）按照工藝要求選取Cu、Cr材料，按照重量比例進行配制，采用機械合金化法、熔滲法、真空感應熔煉法或者混粉燒結法制備Cu-Cr合金，Cu-Cr合金觸頭材料中的Cr wt.%含量范圍為25 wt.%~60 wt.%；通常按照工藝要求選取合格的高純Cu、Cr材料；（2）將制備的Cu-Cr合金觸頭材料機械加工成一定尺寸和形狀的樣品，用砂紙將樣品打磨光亮，放入到裝有酒精或丙酮溶液的超聲波清洗機中使用超聲波清洗，清洗時間一般為8～20 min；然后用清水和酒精清洗干凈，再進行吹干或烘干；超聲波清洗的時間可以為8 min、10 min、12 min、13 min、14 min、15 min、16 min、18 min、20 min等，都能滿足本專利技術的需要；（3）配制一定濃度的聚乙烯醇水溶液作為粘結劑，將預置合金粉末與粘結劑混合，把合金粉末調成糊狀，均勻涂敷在銅鉻合金表面，涂層厚度約為 1~2 mm，然后烘干，選擇適宜溫度進行烘干。所述合金粉末的成分配比為W含量6—15 wt.%的Co基復合粉末；W含量具條可以選取6 wt.%、7 wt.%、8 wt.%、9 wt.%、10 wt.%、11 wt.%、12 wt.%、13 wt.%、14 wt.%、15 wt.%等，都能滿足本專利技術的需要；（4）將樣品置于載物臺，啟動YAG脈沖激光設備進行搭接掃描，對樣品激光表面強化處理；進行選擇現有的脈沖激光設備，如YAG脈沖激光設備；根據需要，還可以采用惰性氣體，如氬氣等，作為保護氣體保護熔池防止合金表面氧化；激光表面強化處理的主要參數范圍是：掃描功率為400~600 W，離焦量為2~5 mm，掃描速度為2~10 mm/s，脈寬為1~8 ms，頻率為20 Hz；本專利技術的掃描功率可以為400 W、450 W、500 W、550 W、600 W；離焦量可以為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm；掃描速度可以為2 mm/s、4 mm/s、6 mm/s、8 mm/s、10 mm/s等；脈寬可以為1 ms、3 ms、5 ms、6 ms、8 ms等，均能實現本專利技術的目的。根據需要，可對熔覆Co的Cu-Cr合金表面質量進行檢測，獲取其硬度和銅鉻合金觸頭材料表面熔覆層厚度等性能參數。所述步驟（4）中激光掃描過程中用于保護熔池防止合金表面氧化的惰性氣體為氬氣。所述步驟（5）中切取激光熔覆的涂層樣品制備表面和截面金相，依次用240#、400#、600#、800#、1000#、1200# 和1500#不同粒度的砂紙將樣品打磨光亮，然后用拋光機進行拋光或采用電解拋光，進行金相和掃描電鏡顯微組織觀察，并對樣品表面熔覆層做硬度測試，銅鉻合金觸頭材料表面熔覆層厚度100~200 μm，最高可達200 μm。本專利技術的技術效果：本專利技術通過激光在銅鉻合金表面熔覆一層超硬復合涂層的方法，是在研究Cu-Cr合金表面強化處理過程中的組織和性能變化規律基礎上形成的，檢測結果表明，本專利技術提供的表面強化處理方法符合Cu-Cr合金觸頭材料的性能變化規律，可有效改善銅鉻合金顯微組織及硬度、強度等力學性能。通過激光在Cu-Cr合金表面熔覆一層復合涂層，能大大提高銅鉻合金的耐磨、耐電壓強度和耐腐蝕能力，是CuCr25基體顯微硬度的8~9倍，顯著提高了CuCr25合金的表面性能；由于激光易于控制且具有良好的聚焦性，在熔覆過程本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種銅鉻合金表面超硬涂層的制備方法，其特征在于包括如下步驟：（1）按照工藝要求，選取Cu、Cr材料，采用機械合金化法、熔滲法、真空感應熔煉法或者混粉燒結法制備Cu?Cr合金觸頭材料，Cu?Cr合金觸頭材料中的Cr?wt.%含量范圍為25~60?wt.%；（2）將Cu?Cr合金觸頭材料機械加工成一定尺寸樣品，用砂紙將樣品打磨光亮，放入到裝有酒精的超聲波清洗機中，清洗時間為8～20?min；然后用清水和酒精清洗干凈，再進行吹干或烘干；（3）將預置合金粉末與粘結劑混合，使合金粉末調成糊狀，均勻涂敷在銅鉻合金表面，涂層厚度約為?1~2?mm，然后烘干；所述合金粉末的成分配比為W含量6—15?wt.%的Co基復合粉末，粘結劑為聚乙烯醇水溶液；（4）將樣品置于載物臺，啟動脈沖激光器進行搭接掃描，在銅鉻合金材料表面熔覆Co基復合涂層；激光表面強化處理的主要參數范圍：掃描功率為400~600?W，離焦量為2~5?mm，掃描速度為2~10?mm/s，脈寬為1~8?ms，頻率為20?Hz。

【技術特征摘要】
1.一種銅鉻合金表面超硬涂層的制備方法，其特征在于包括如下步驟：（1）按照工藝要求，選取Cu、Cr材料，采用機械合金化法、熔滲法、真空感應熔煉法或者混粉燒結法制備Cu-Cr合金觸頭材料，Cu-Cr合金觸頭材料中的Cr wt.%含量范圍為25~60 wt.%；（2）將Cu-Cr合金觸頭材料機械加工成一定尺寸樣品，用砂紙將樣品打磨光亮，放入到裝有酒精的超聲波清洗機中，清洗時間為8～20 min；然后用清水和酒精清洗干凈，再進行吹干或烘干；（3）將預置合金粉末與粘結劑混合，使合金粉末調成糊狀，均勻涂敷在銅鉻合金表面，涂層厚度約為 1~2 mm，然后烘干；所述合金...

【專利技術屬性】
技術研發人員：周志明，肖紅梅，陳光海，夢醒，周昆鳳，黃偉九，涂堅，黃燦，柴林江，
申請(專利權)人：重慶理工大學，
類型：發明
國別省市：重慶;50