CN103668177B - 一种碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层的方法，在激光焊机上采用激光熔覆的方法，对碳素钢板进行增强处理，先对碳素钢表面进行喷砂处理，预置锆镍铝铜混合粉，用激光束对其表面进行熔覆，激光束按计算机程序设置的轨迹曲线进行全方位照射，使非晶合金粉末熔解固化在碳素钢表面，形成非晶合金层，大幅度提高了碳素钢表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性，表面硬度比处理前可提高4倍，耐磨性提高4倍，耐腐蚀性提高1000%，此增强方法工艺先进，数据翔实精确，工艺流程短，容易实现，安全稳定可靠，熔覆层牢固，不易脱落，是理想的碳素钢板表面增强方法。

Description

一种碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层的方法

技术领域

本发明涉及一种碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层的方法，属非晶合金表面涂覆金属、激光熔覆、提高耐腐蚀的技术领域。

背景技术

碳素钢是近代工业中使用最早、用量最大的基础材料，世界各工业国家，非常注意改进碳素钢质量，扩大品种和使用范围，广泛应用于建筑、桥梁、铁道、车辆、船舶和机械制造工业，而且在石油化工、海洋开发方面，也得到大量使用。

碳素钢虽然具有很多优点，但由于铁元素的活性，易发生电池反映，氧化铁的疏松多孔结构特性，使其表面耐腐蚀性差，使碳素钢的应用受到了很大局限，故必须对碳素钢的表面进行处理，提高表面的耐蚀性，才可得到更广泛的应用。

目前，碳素钢表面改性有多种方法，例如表面扩渗合金化、气相沉积涂层、镀层处理法、化学表面处理法、机械表面处理法，都有一定效果，但也存在一些弊端。

在碳素钢表面激光熔覆非晶合金涂层是一种新的技术领域，许多国内外科研人员在非晶涂层方面进行了研究，常见的涂层有Zr基非晶涂层，但这种涂层单一，使用效果欠佳，制备涂层过程也存在弊端和不足，仍处于研究阶段。

发明内容

发明目的

本发明的目的就是针对背景技术的现状和不足，在碳钢表面用激光熔覆法，采用锆粉、铝粉、铜粉、镍粉形成非晶合金涂层，以大幅度提高碳钢表面的硬度、强度和耐腐蚀性，改善碳钢的力学性能。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为：碳素钢板、锆粉、铝粉、镍粉、铜粉、氩气、无水乙醇，其组合准备用量如下：以克、毫升、毫米、厘米³为计量单位

碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层方法如下：

（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、纯度控制：

碳素钢板：固态板形

（2）表面处理碳素钢板

①打磨修整碳素钢板表面各部，确定工作表面，使各边垂直；

②在喷砂机上，用石英砂喷砂粗化处理碳素钢板工作表面，表面粗糙度为R_a2.5-5.0μm；

③用无水乙醇擦洗碳素钢板工作表面，擦洗后晾干；

（3）球磨、干燥处理涂层材料

①用球磨机分别研磨锆粉、铝粉、镍粉、铜粉，并用200目筛网分别过筛，成细粉，细粉颗粒直径≤0.075mm；

②合金粉混合：将研磨的锆、铝、镍、铜粉按582：30.8：101：48.3的质量比例置于容器中混合，搅拌均匀；然后用球磨机将混合粉研磨，用400目筛网过筛，细粉颗粒直径≤0.04mm；

③将研磨后的锆镍铝铜混合粉置于烘干箱内干燥，干燥温度110℃，干燥时间240min；

（4）在碳素钢板表面激光熔覆锆镍铝铜混合粉

①将碳素钢板置于激光焊机的三坐标工作台上，工作表面朝上，调整好X、Y、Z坐标距离，并固定；

②将激光头对准碳素钢板，调整激光束聚焦距离，激光器联结氩气导管、氩气瓶；

③将锆镍铝铜混合粉置于碳素钢板工作表面上，混合粉厚度1mm；

④开启氩气瓶，氩气输入速度为40cm³/min；

⑤熔覆混合粉：激光发生器送光，激光头在碳素钢板上对混合粉进行熔覆，用30%搭接率连续扫面，氩气跟随激光头输入扫面，扫面时间3min；

⑥扫面后冷却固化，自然冷却至25℃；

激光束辐照碳素钢板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；

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：3300W

光斑直径：3mm

正离焦量：+20mm

激光束照射固熔温度：1200℃-1500℃

扫描速度：600mm/min

扫描时间：3min

瞬时固熔时间：0.02s

激光束扫描照射固熔后，在碳素钢板工作表面形成熔覆层，即：ZrNiAlCu非晶合金涂层，熔覆后非晶合金涂层厚度为0.6mm，表面呈黄褐色；

（5）碳素钢板冷却后，用砂纸打磨非晶合金涂层表面，表面粗糙度为R_a0.63-1.25μm；

（6）清洗碳素钢板，用无水乙醇进行清洗，清洗后晾干；

（7）检测、分析、表征

对激光重熔后的碳钢板非晶合金层表面进行形貌、显微硬度、XRD物相、耐腐蚀性进行分析和表征；

用金相显微镜、扫描电镜对熔覆层表面形貌进行观察分析；

用显微硬度仪对熔覆层表面进行硬度测试分析；

用XRD分析仪对熔覆层进行物相分析；

用电化学腐蚀试验仪对熔覆层表面进行腐蚀性能检测分析；

结论：

碳素钢板与非晶熔覆层达到冶金结合；

熔覆层由晶体与非晶体组成，其中非晶体体积分数达到55%；

显微硬度：由基体的232.2HV升至828.7HV，表面硬度提高4倍，耐磨性提高4倍；

电化学腐蚀：腐蚀电流由基体的2.261E-5A/cm²升高到2.142E-6A/cm²，耐腐蚀性提高1000%。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，它是根据碳素钢板表面强度低，耐磨性、耐腐蚀性差的状况，对碳素钢板表面采用预置金属粉末、激光熔覆技术，在其表面熔覆了非晶合金涂层，涂层硬度较碳素钢板提高4倍，耐磨性提高4倍，耐腐蚀性提高1000%，熔覆涂层非晶形成能力高，该熔覆增强方法工艺流程短，数据翔实精确，容易实现，安全稳定可靠，固熔层牢固，不易脱落，是十分理想的碳素钢表面的增强方法。

附图说明

图1为碳素钢板表面激光熔覆非晶合金涂层工艺流程图

图2为碳素钢板激光熔覆非晶合金涂层状态图

图3为碳素钢板激光束聚焦照射扫描轨迹图

图4为图3的A—A剖面图

图5为熔覆层整体形貌图

图6为熔覆层非晶组织放大形貌图

图中所示，附图标记清单如下：

1、碳素钢板，2、锆镍铝铜混合粉层，3、激光机座，4、XYZ三坐标工作台，5、温度场测量仪，6、温度传感器，7、激光器，8、光栅，9、反射镜，10、聚焦镜，11、激光束聚焦点，12、观察镜，13、摄像机，14、计算机，15、氩气瓶，16、氩气阀，17、氩气管，18、支架，19、液晶显示屏，20、指示灯，21、固熔温度控制器，22、电源开关，23、摄像机导线，24、激光器导线，25、温度场测量导线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明：

图1所示，为碳素钢板表面激光熔覆非晶合金涂层工艺流程图，要按按量配比，按序操作。

制备使用的化学物质材料的量值是按预先设置的规格、表面积、合金层深度确定的，以克、毫升、厘米³、毫米为计量单位。

碳素钢板表面粗糙度以R_a2.5-5.0μm为宜，以便于非晶涂层附着固化。

非晶涂层是以锆镍铝铜按原子数目比Zr_63.8Ni_17.2Al_11.4Cu_7.6设定的，预置粉末厚度为1mm。

碳素钢板表面的固熔是最重要的工序，要严格进行，各技术参数要严格控制。

激光束聚焦照射时会产生强的温度场，用温度场测量仪、温度传感器和高速摄像装置随时监控熔覆过程及温度场，液晶显示屏显示数值及熔覆状态。

激光器为激光束能量源，要保证有足够的能量值，反射镜、聚焦镜要位置正确，垂直聚焦。

激光束照射过程中，全程用氩气保护，气流量要充足。

图2所示，为碳素钢板激光熔覆非晶合金涂层状态图，各部位置要正确，按量配比，各熔覆参数要严格控制，按序操作。

碳素钢板工作表面激光熔覆非晶合金涂层是在激光机上进行的，是在XYZ三坐标工作台上，在激光束照射、氩气保护下完成的；

激光机座3呈矩形，在激光机座3上设置XYZ三坐标工作台4，在XYZ三坐标工作台4的上部平行置放碳素钢板1，并固定，碳素钢板1工作表面向上，在碳素钢板1上部均匀置放锆镍铝铜混合粉层2，在XYZ三坐标工作台4的正面设置液晶显示屏19、指示灯20、固熔温度控制器21、电源开关22；在激光机座3的左部设有氩气瓶15，氩气瓶15联接氩气阀16、氩气管17，氩气管17由支架18支撑，氩气管17对准锆镍铝铜混合粉层，并输出氩气；在激光机座3的左上部设有激光器7，激光器7右部平行对准光栅8，光栅8平行对准反射镜9，反射镜9垂直对准聚焦镜10，聚焦镜10对准碳素钢板1上的锆镍铝铜混合粉层2；在激光机座3的右上部设有观察镜12、摄像机13，观察镜12、摄像机13对准碳素钢板1上的聚焦熔覆点；在激光机座3的右部设有计算机14，计算机14通过摄像机导线23与摄像机13联接，计算机14通过激光器导线24与激光器7联接，计算机14通过温度场测量导线25与激光机座3联接。

图3、4所示，为碳素钢板激光束聚焦照射扫描轨迹图，轨迹起点可从中间位置左右方向开始，顺时针单道扫描，回程冷却，左右扫描可防止变形。

图5所示，为熔覆层整体形貌图，图中可知：熔覆层与基体达到良好的冶金结合，熔覆层致密性好，少量气孔，无裂纹缺陷。

图6所示，为熔覆层非晶组织放大形貌图，图中可知，非晶含量高，夹杂有晶体存在。

Claims (2)

1.一种碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层的方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：碳素钢板、锆粉、铝粉、镍粉、铜粉、氩气、无水乙醇，其组合准备用量如下：以克、毫升、厘米³、毫米为计量单位

碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层方法如下：

（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、纯度控制：

（2）表面处理碳素钢板

①打磨修整碳素钢板表面各部，确定工作表面，使各边垂直；

②在喷砂机上用石英砂喷砂粗化处理碳素钢板工作面，表面粗糙度为R_a2.5-5.0μm；

③用无水乙醇擦洗碳素钢板工作面，擦洗后晾干；

（3）球磨、干燥处理涂层材料

①用球磨机分别研磨锆粉、铝粉、镍粉、铜粉，并用200目筛网分别过筛，成细粉，细粉颗粒直径≤0.075mm；

②合金粉混合：将研磨的锆、铝、镍、铜粉按582：30.8：101：48.3的质量比置于容器中混合，搅拌均匀，再用球磨机将混合粉研磨，用400目筛网过筛，细颗粒直径≤0.040mm；

③将研磨后的锆镍铝铜混合粉置于烘干箱内干燥，干燥温度110℃，干燥时间240min；

（4）在Q235板表面激光熔覆锆镍铝铜混合粉

①将碳素钢板置于激光焊机的三坐标工作台上，调整好X、Y、Z坐标距离，并固定；

②将激光头对准碳素钢板，调整激光束聚焦距离，激光器联结氩气导管、氩气瓶；

③将锆镍铝铜混合粉置于碳素钢板上，混合粉厚度1mm；

④开启氩气瓶，氩气压力为0.8～1.0kgf/cm²，氩气输入速度为10cm³/min；

⑤熔覆混合粉：激光发生器送光，激光头在碳素钢板上对混合粉进行熔覆，用30%搭接率连续扫面，氩气跟随激光头输入扫面，扫面时间3min；

⑥扫描后冷却固化，自然冷却至25℃；

激光束辐照碳素钢板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；

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：3300W

光斑直径：3mm

正离焦量：+20mm

激光束照射固熔温度：1200-1500℃

扫描速度：600mm/min

扫描时间：3min

瞬时固熔时间：0.02s

激光束扫描照射固熔后，在碳素钢板工作表面形成熔覆层，即：ZrNiAlCu非晶涂层，熔覆后非晶涂层厚度为0.6mm，表面呈黄褐色；

（5）碳素钢板冷却后，用砂纸打磨非晶涂层表面，表面粗糙度为R_a0.63-1.25μm；

（8）清洗碳素钢板，用无水乙醇进行清洗，清洗后晾干；

（9）检测、分析、表征

对激光重熔后的碳钢板合金层表面进行形貌、显微硬度、XRD物相、耐腐蚀性进行分析和表征；

用金相显微镜、扫描电镜对熔覆层表面形貌进行观察分析；

用显微硬度仪对熔覆层表面进行测试分析；

用XRD分析仪对熔覆层进行物相分析；

用电化学腐蚀试验仪对熔覆层表面进行腐蚀性能检测分析；

结论：

碳素钢板与非晶熔覆层达到冶金结合；

熔覆层由晶体与非晶体组成，其中非晶体体积分数达到55%；

显微硬度：由基体的232.2HV升至828.7HV，表面硬度可提高4倍，耐磨性提高4倍；

电化学腐蚀：腐蚀电流由基体的2.261E-5A/cm²升高到2.142E-6A/cm²，耐腐蚀性提高1000%。

2.根据权利要求1所述的一种碳钢表面激光熔覆非晶合金涂层的方法，其特征在于：碳素钢板工作表面激光熔覆非晶涂层是在激光机上进行的，是在XYZ三坐标工作台上，在激光束照射、氩气保护下完成的；

激光机座（3）呈矩形，在激光机座（3）上设置XYZ三坐标工作台（4），在XYZ三坐标工作台（4）的上部平行置放碳素钢板（1），并固定，碳素钢板（1）工作表面向上，在碳素钢板（1）上部均匀置放锆镍铝铜混合粉层（2），在XYZ三坐标工作台（4）的正面设置液晶显示屏（19）、指示灯（20）、固熔温度控制器（21）、电源开关（22）；在激光机座（3）的左部设有氩气瓶（15），氩气瓶（15）联接氩气阀（16）、氩气管（17），氩气管（17）由支架（18）支撑，氩气管（17）对准锆镍铝铜混合粉层（2），并输出氩气；在激光机座（3）的左上部设有激光器（7），激光器右部平行对准光栅（8），光栅（8）平行对准反射镜（9），反射镜（9）垂直对准聚焦镜（10），聚焦镜（10）对准碳素钢板（1）上的锆镍铝铜混合粉层（2）；在激光机座（3）的右上部设有观察镜（12）、摄像机（13），观察镜（12）、摄像机（13）对准碳素钢板（1）上的聚焦熔覆点；在激光机座（3）的右部设有计算机（14），计算机（14）通过摄像机导线（23）与摄像机（13）联接，计算机（14）通过激光器导线（24）与激光器（7）联接，计算机（14）通过温度场测量导线（25）与激光机座（3）联接。