CN116024569A - 一种激光熔覆技术制作结晶器铜板硬质金属涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光熔覆领域，具体而言涉及一种激光熔覆技术制作结晶器铜板硬质金属涂层的方法。本发明提供的一种激光熔覆技术制作结晶器铜板硬质金属涂层的方法，包括S1，对工件表面预处理；S2、在铜板表面制备镍基熔覆层，作为过渡层；S3、在镍基过渡层上制备金属熔覆层；S4，将激光熔覆后的工件加工至设定尺寸。镍基过渡层所用原料为镍基熔覆粉末材料，其粒度15‑100μm，成分(质量分数)Ni75％‑100％，Cr8％‑20％，Fe＜3％，Mo＜1％，Si＜2.0％。硬质金属层所用原料为钴基熔覆粉末材料，其粒度15‑100μm，成分(质量分数)Cr25％‑35％，Ni1％‑5％，Fe1％‑5％，W2％‑8％，Mo＜2％，Si＜2.5％，余量为Co。镍基过渡层和硬质金属层均采用同步送粉方式直接将粉末送入熔池进行扫描熔覆功能层。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆领域，具体而言涉及一种激光熔覆技术制作结晶器铜板硬质金属涂层的方法。
背景技术
在激光熔覆的过程中，激光束产生的热能会对合金粉末、陶瓷粉末和基体表面造成影响，从而在高温的环境下，能够使熔覆粉末与基体快速加热、熔化。当激光束移走后，基体表面所形成的熔池会因为温降相对较大而冷凝速度较快，熔覆层与基体冶金结合，其结构越发致密，晶粒更加细化。
镍基过渡层的作用：防止铜基体本身的高反射率和高热传导性对设备及熔覆层造成不利影响；镍基与铜基体有着相近的膨胀系数，熔覆层和基体之间的结合性得到加强。
钴基硬质合金层自身的化学性质相对稳定而且其耐磨性、熔点、强度、弹性模量等性能优异，对提高溶覆层硬度及耐磨性等方面具有十分显著的优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光熔覆技术制作结晶器铜板硬质金属涂层的方法，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种激光熔覆技术制作结晶器铜板硬质金属涂层的方法，其特征在于，包括：
S1、对工件表面预处理；
S2、使用激光熔覆设备在铜板表面制备镍基熔覆层，作为过渡层；
S3、使用激光熔覆设备在镍基过渡层上制备硬质金属熔覆层；
S4、将工件矫直，在机床设备上配合相应工装按照图纸加工至相应使用要求的尺寸。
进一步地，所述表面预处理包括：检查表面气孔；修复表面存在直径大于0.2mm气孔的工件；工件表面进行磨抛和清洗；使用激光熔覆设备在工件表面制备镍基过渡层。
进一步地，所述的工件为铜质工件，其材质包括黄铜、紫铜、高铜合金。
进一步地，所述制备镍基过渡层的原料为纯Ni粉末或者Ni基合金粉，其成分(质量分数)为Ni75％-100％，Cr8％-20％，Fe＜3％，Mo＜1％，Si＜2.0％，粉末粒径为15μm-100μm，镍基过渡层的厚度在0.2mm-1.0mm。
进一步地，所述制备镍基过渡层使用的激光熔覆设备包括常规的激光熔覆设备，以及高速激光熔覆设备。
进一步地，所述制备硬质金属层使用的激光熔覆设备包括常规的激光熔覆设备，以及高速激光熔覆设备。
进一步地，所述硬质金属层的原料为金属粉末材料，其中金属粉末材料包括钴基粉末材料，钴基熔覆粉末材料成分(质量分数)为Cr25％-35％，Ni1％-5％，Fe1％-5％，W2％-8％，Mo＜2％，Si＜2.5％，余量为Co。
进一步地，硬质金属涂层的厚度在0.5-1.5mm。
相对于现有技术，本发明实施例具有以下有益效果：本发明提供的一种铜质基材表面激光熔覆硬质金属层的制备方法，通过在铜制基材表面激光熔覆一层镍基过渡层，实现在镍基过渡层上制备硬质金属层，在高温以及磨损恶劣的工况下保护铜制基材。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的表面预处理的原理框图；
图3是本发明的调试激光熔覆设备的原理框图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明做进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明中的铜板是结晶器铜板，其材质包括黄铜、紫铜、高铜合金等。
本发明中的熔覆技术采用的是激光熔覆技术，包括常规的激光熔覆技术，以及高速激光熔覆技术。与之对应的，制备镍基过渡层使用的激光熔覆设备包括常规的激光熔覆设备，以及高速激光熔覆设备。制备硬质金属层使用的激光熔覆设备包括常规的激光熔覆设备，以及高速激光熔覆设备。
激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，是指激光表面熔覆技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法。如对60#钢进行碳钨激光熔覆后，硬度最高达2200HV以上，耐磨损性能为基体60#钢的20倍左右。在Q235钢表面激光熔覆CoCrSiB合金后，将其耐磨性与火焰喷涂的耐蚀性进行了对比，发现前者的耐蚀性明显高于后者。
激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术，它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本，节约贵重稀有金属材料，因此，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视。
应用于激光熔覆的激光器主要有CO2激光器和固体激光器(主要包括碟片激光器，光纤激光器和二极管激光器，老式灯泵浦激光器由于光电转化效率低，维护繁琐等问题已逐渐淡出市场)。对于连续CO2激光熔覆，国内外学者已做了大量研究。高功率固体激光器的研制发展迅速，主要用于有色合金表面改性。据文献报道，采用CO2激光进行铝合金激光熔覆，铝合金基体在CO2激光辐照条件下容易变形，甚至塌陷。固体激光器，特别是碟片激光器输出波长为1.06μm，较CO2激光波长小1个数量级，因而更适合此类金属的激光熔覆。
如图1至图3所示，本发明提供了一种激光熔覆技术制作结晶器铜板硬质金属涂层的方法，包括：
S1、对工件表面预处理；
S2、使用激光熔覆设备在铜板表面制备镍基熔覆层，作为过渡层；
S3、使用激光熔覆设备在镍基过渡层上制备硬质金属熔覆层；
S4、将工件矫直，在机床设备上配合相应工装按照图纸加工至相应使用要求的尺寸。
S11，检测铜板的可用加工面积。S12，对铜板表面进行磨抛，即磨抛至铜板露出基体材料，并使铜板的表面粗糙度小于Ra6.3。在生产过程中，不仅仅有新加工的铜板，还有一些库存的铜板，库存的铜板表面会有氧化的存在，影响铜板的加工。结晶器铜板表面粗糙度检测采用粗糙度仪检测。S13，对铜板进行探伤，按照NB/T47013.5-2015I级要求执行，即检测铜板表面的气孔直径，此处探伤方法采用无损探伤的方法为着色探伤。当气孔直径不大于0.2mm时，则为合格产品，进入下一道工序；当气孔直径大于0.2mm时，则为不合格产品，铜板转入修复工序，修复铜板，修复后的铜板会再次进入加工流程，最大程度上节省成本。S14，对铜板进行清洗。适于采用酒精或者丙酮清洗。
激光熔覆设备的使用步骤为：输入加工路径；控制加工的路径，便于准确在结晶器铜板上涂层；设置加工参数；开启激光器、激光器冷却系统和激光熔覆送粉器；检查加工路径、启激光器、激光器冷却系统和激光熔覆送粉器的状态；此时是二次检测，防止开启的激光器、激光器冷却系统和激光熔覆送粉器有损坏或者加工参数有问题。
S21、将工件放置在设定位置。S22、在铜板的工作面制备镍基过渡层。镍基过渡层的原料为纯Ni粉末或者Ni基合金粉，其成分(质量分数)为Ni75％-100％，Cr8％-20％，Fe＜3％，Mo＜1％，Si＜2.0％，粉末粒径为15μm-100μm，镍基过渡层的厚度在0.2mm-1.0mm。
S31、在工作面的过渡层再次进行熔覆硬质金属层，熔覆层数不小于一层。通过先制备涂层再制备熔覆层，便于有效控制熔覆的位置。
熔覆通常为全部板面都进行熔覆；面层熔覆需要根据铜板的使用工况要求，全部或者局部进行熔覆。
所述硬质金属层的原料为金属粉末材料，硬质金属层的原料为金属粉末材料，其中金属粉末材料包括钴基粉末材料，钴基熔覆粉末材料成分(质量分数)为Cr25％-35％，Ni1％-5％，Fe1％-5％，W2％-8％，Mo＜2％，Si＜2.5％，余量为Co。硬质金属涂层的厚度在0.5-1.5mm。
激光器的输出功率在1500W-6000W，每一条焊缝的步进距离在0.5mm-2mm，激光熔覆头的行走速度在10mm/s-50mm/s，送粉速度为15g/min-40g/min。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种激光熔覆技术制作结晶器铜板硬质金属涂层的方法，其特征在于，包括：
S1、对工件表面预处理；
S2、使用激光熔覆设备在铜板表面制备镍基熔覆层，作为过渡层；
S3、使用激光熔覆设备在镍基过渡层上制备硬质金属熔覆层；
S4、将工件矫直，在机床设备上配合相应工装按照图纸加工至相应使用要求的尺寸。
2.根据权利要求1所述一种激光熔覆技术制作结晶器铜板硬质金属涂层的方法，其特征在于，所述表面预处理包括：检查表面气孔；修复表面存在直径大于0.2mm气孔的工件；工件表面进行磨抛和清洗；使用激光熔覆设备在工件表面制备镍基过渡层。
3.根据权利要求1所述一种激光熔覆技术制作结晶器铜板硬质金属涂层的方法，其特征在于，所述的工件为铜质工件，其材质包括黄铜、紫铜、高铜合金。
4.根据权利要求2所述一种激光熔覆技术制作结晶器铜板硬质金属涂层的方法，其特征在于，所述制备镍基过渡层的原料为纯Ni粉末或者Ni基合金粉，其成分(质量分数)为Ni75％-100％，Cr8％-20％，Fe＜3％，Mo＜1％，Si＜2.0％，粉末粒径为15μm-100μm，镍基过渡层的厚度在0.2mm-1.0mm。
5.根据权利要求2所述一种激光熔覆技术制作结晶器铜板硬质金属涂层的方法，其特征在于，所述制备镍基过渡层使用的激光熔覆设备包括常规的激光熔覆设备，以及高速激光熔覆设备。
6.根据权利要求1所述一种激光熔覆技术制作结晶器铜板硬质金属涂层的方法，其特征在于，所述制备硬质金属层使用的激光熔覆设备包括常规的激光熔覆设备，以及高速激光熔覆设备。
7.根据权利要求1所述一种激光熔覆技术制作结晶器铜板硬质金属涂层的方法，其特征在于，所述硬质金属层的原料为金属粉末材料，其中金属粉末材料包括钴基粉末材料，钴基熔覆粉末材料成分(质量分数)为Cr25％-35％，Ni1％-5％，Fe1％-5％，W2％-8％，Mo＜2％，Si＜2.5％，余量为Co。
8.根据权利要求1所述一种激光熔覆技术制作结晶器铜板硬质金属涂层的方法，其特征在于，硬质金属涂层的厚度在0.5-1.5mm。
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