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一种金属材料表面处理方法

阅读:831发布:2021-04-13

专利汇可以提供一种金属材料表面处理方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及金属材料表面,具体涉及一种金属材料 表面处理 方法,包括:在基体金属表面布置待植入金属颗粒;通过激光冲击将步骤S1的待植入金属颗粒压入基体金属。用本发明方法,被植入的金属颗粒可以根据需要设计为微米至毫米量级,可以布置为各种形状;根据最终使用性能,设计金属粒子的最优形态和分布,通过激光冲击压入基体金属表面,获得最优使用性能。,下面是一种金属材料表面处理方法专利的具体信息内容。

1.一种金属材料表面处理方法,其特征在于,包括:
步骤S1,在基体金属表面布置待植入金属颗粒;
步骤S2,通过激光冲击将步骤S1的待植入金属颗粒压入基体金属。
2.根据权利要求1所述的金属材料表面处理方法,其特征在于,所述基体金属为合金材料。
3.根据权利要求2所述的金属材料表面处理方法,其特征在于,所述合金材料为CuCr合金或7系合金。
4.根据权利要求3所述的金属材料表面处理方法,其特征在于,所述待植入金属颗粒为Cr粒子。
5.根据权利要求1所述的金属材料表面处理方法,其特征在于,所述激光冲击采用波长
532nm的激光,功率密度23.5MW/cm2~94.4MW/cm2。
6.根据权利要求1所述的金属材料表面处理方法,其特征在于,所述待植入金属颗粒均匀布置于基体金属表面。
7.根据权利要求6所述的金属材料表面处理方法,其特征在于,步骤S1中,所述待植入金属颗粒布置为网格状。
8.根据权利要求7所述的金属材料表面处理方法,其特征在于,所述网格状金属颗粒通过金属3D打印机打印定型。
9.根据权利要求1所述的金属材料表面处理方法,其特征在于,所述基体金属表面设有吸收保护层和约束层。
10.根据权利要求1所述的金属材料表面处理方法,其特征在于,所述基体金属表面经过清洗和烘干处理。

说明书全文

一种金属材料表面处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及金属材料表面,具体涉及一种金属材料表面处理方法。

背景技术

[0002] 众所周知,金属的破坏往往起源于材料表面,为了提高金属材料的性能,往往对金属材料表面进行强化处理,而在金属表面布置耐磨、耐腐蚀的金属颗粒,可以大大提高金属材料的性能,增加其使用寿命。
[0003] 例如,铬(Cr)是一种白色金属,质地硬而脆。铬是硬度最高的金属,仅次于钻石,具有很高的耐腐蚀性。铬在金属表面的分布,对金属材料的性能有着非常重要的影响。CuCr合金中表面,如果Cr颗粒分布均匀,会极大提升导电及触头材料的高压闭合性能。7系合金作为新型的轻量化材料,广泛应用于结构件中,采用7系铝合金制备高速列车的牵引拉杆,如在表面加入Cr元素能有效提升其耐磨性
[0004] 如何在金属材料表面分布耐磨、耐腐蚀的金属颗粒是材料领域有待解决的问题。

发明内容

[0005] 为解决金属材料表面植入耐磨、耐腐蚀金属颗粒的技术问题,本发明提供一种金属材料表面处理方法。
[0006] 本发明的技术方案:一种金属材料表面处理方法,包括:
[0007] 步骤S1,在基体金属表面布置待植入金属颗粒;
[0008] 步骤S2,通过激光冲击将步骤S1的待植入金属颗粒压入基体金属。
[0009] 进一步的,所述基体金属为合金材料。
[0010] 进一步的,所述合金材料为CuCr合金或7系铝合金。
[0011] 进一步的,所述待植入金属颗粒为Cr粒子。
[0012] 进一步的,所述激光冲击采用波长532nm的激光,功率密度23.5MW/cm2~94.4MW/cm2。
[0013] 进一步的,所述待植入金属颗粒均匀布置于基体金属表面。
[0014] 进一步的,步骤S1中,所述待植入金属颗粒布置为网格状。
[0015] 进一步的,所述网格状金属颗粒通过金属3D打印机打印定型。
[0016] 进一步的,所述基体金属表面设有吸收保护层和约束层。
[0017] 进一步的,所述基体金属表面经过清洗和烘干处理。
[0018] 本发明与现有技术相比的有益效果:
[0019] (1)被植入的金属颗粒可以根据需要设计为微米至毫米量级,可以布置为各种形状;根据最终使用性能,设计金属粒子的最优形态和分布,通过激光冲击压入基体金属表面,获得最优使用性能。
[0020] (2)本发明中,金属表面的植入金属粒子形态分布可控,便于调整控制。附图说明
[0021] 图1为制备过程示意图,其中a为激光冲击前示意图,b为激光冲击后效果示意图;
[0022] 图2为被植入金属颗粒不同形态图,其中a为网格状,b为不规则分布;
[0023] 图3为激光冲击后金属颗粒的表面形貌微观图,其中a为现有技术制备的技术表面形貌;b为本发明方法制备后的表面形貌;
[0024] 图4为7系铝合金表面Cr粒子分布图。

具体实施方式

[0025] 下面结合发明人的具体研究实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种修改或改动,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0026] 传统合金的制备方法如下:
[0027] CuCr合金制备:CuCr合金的发明是真空开关触头材料的重大突破,真空开关采用CuCr合金制成触头后,其开断能、耐压性能、抗熔焊性能和截流特性都得到很大的提高,从而把真空开关向高电压、大容量方向推进了一大步。因其综合性能的优异,已经取代传统的触头材料,成为中高压大功率真空开关触头材料的首选。然而,影响CuCr的触头材料性能的因素主要有原料性能、合金组成和制取工艺三个方面。
[0028] 就CuCr合金而言,烧结温度为接近或高于Cu的熔点,因此Cu相的粒度对最终产品的影响性能较小。Cr相的粒度选择应适应制备工艺的要求,一般来说,熔渗工艺要求采用较粗的粉,以利于熔渗骨架及连通孔隙的形成,保证渗透顺利进行。混粉烧结工艺则需要较细的Cr粉,以保证材料的致密化。Cr粉的粒度及分布对触头材料的性能影响较大。Cr颗粒尺寸的减小,会使CuCr触头的总腐蚀速率有所增加;Cr颗粒的减小,将使截流值得最大值有所降低,耐压性能有明显提高。一般认为,Cr相的粒度应大于30μm而小于250μm,同时应具有较好的粒度分布。
[0029] 7系铝合金的制备:以7075铝合金为例,7075铝合金是一种冷处理锻压合金,强度高,具有良好机械性能和普通抗腐蚀性能。7075材料一般都加入、铬等合金提高其耐磨和抗腐蚀性能。铬元素在7075铝合金表面的分布,极大影响7075的使用性能。
[0030] CuCr合金材料及7系铝合金性能的优劣,Cr粒子的尺寸和形态分布起着至关重要的作用。
[0031] 本发明的方法,激光作用于基体合金上较薄的石墨层,石墨层气化产生等离子体冲击波而形成力效应,形成的冲击波由于外层玻璃的约束作用,在高压条件下,将被植入金属压入基体合金法。制备过程如图1所示。
[0032] 该方法可以依据CuCr触头合金材料及7系铝合金最终使用性能,设计Cr粒子的最优形态和分布,将Cr粒子的最优状态通过激光冲击方法植入基体金属中,最终获得合金材料的最优使用性能。该制备方法相比于传统CuCr材料及7系的制备工艺,具有制备工艺简单、Cr粒子相形态可控、可根据需要任意改变Cr粒子在合金表面分布形貌。
[0033] 本发明的方法适用于HB<200的金属材料。
[0034] 实施例1
[0035] 采用本发明方法,改变铬元素在CuCr合金表面的分布,具体步骤包括:
[0036] 步骤1:制备铜合金基材
[0037] 采用混合熔铸法,合金成分Zn为2wt%、Mg为0.4wt%、Co为0.04wt%、余量为Cu;Zn用于调控合金电导率,Co的加入能够改善硬度、抗拉强度、机加性能等,Mg可以改善延展性。制备成铜合金,浇筑成铸锭,冷却至室温,待用。
[0038] 步骤2:铜合金表面预处理
[0039] 将待用铜合金采用机加手段,制备所需试样,对制取的试样表面进行清洗、烘干,保证铜合金基材的表面清洁。
[0040] 步骤3:3D打印所需纯Cr金属构架
[0041] 使用金属3D打印机打印80μm纯Cr金属网格;
[0042] 步骤4:Cu合金表面激光冲击雕刻
[0043] 调节激光冲击强化设备参数,激光冲击采用波长532nm的激光,功率密度23.5MW/cm2~94.4MW/cm2;将3D打印后的Cr金属网格放置于Cu合金表面,随后在Cr金属网格上放置BK7玻璃片;使用激光冲击强化方法将Cr金属构架压入Cu合金表面,则可制备出Cr分布及形态满足要求的CuCr合金表面。
[0044] 图3为原CuCr合金表面与本技术制备本发明方法处理后的表面对比。图中灰色部分为Cu合金基体,白色部分为Cr元素形态分布。可以看出,原CuCr合金表面Cr元素颗粒粗大、且分布杂乱;而通过本发明方法处理可以将3D打印好的所需形态的Cr金属网格雕刻于Cu合金基体上,Cr元素形态的改变可以有效改善CuCr合金表面的电接触性能,使用性能优于原表面性能。
[0045] 采用该技术制备后的电触头材料电学性能如表1所示。
[0046] 表1 CuCr合金电触头不同制备工艺的电学性能
[0047] 制备工艺 传统工艺 本发明耐压(kV) 10 25.4
截流值(μs) 45 25
表面状态 烧蚀集中 烧蚀分散
[0048] 实施例2
[0049] 采用本发明方法改变铬元素在7系铝合金表面分布,具体步骤主要包括:
[0050] 步骤1:制备7系铝合金基材
[0051] 采用铸造法,合金成分Zn为6.1wt%、Mg为2.9wt%、Cu为2.0wt%、余量为Al;Zn和Mg为主要合金元素,可形成强化效果显著的MgZn2;随后采用热锻方式对铸造件进行处理后待用。
[0052] 步骤2:7系铝合金表面预处理
[0053] 将待用7系铝合金采用机加手段,制备所需试样,对制取的试样表面进行清洗、烘干,保证铜合金基材的表面清洁。
[0054] 步骤3:3D打印所需纯Cr金属构架
[0055] 使用金属3D打印机打印120μm、网状的纯Cr金属构架;
[0056] 步骤4:7系铝合金表面激光冲击
[0057] 调节激光冲击强化设备参数,采用波长532nm波长的激光,激光冲击采用波长532nm的激光,功率密度23.5MW/cm2~94.4MW/cm2;将3D打印后的Cr金属构架放置于7系铝合金表面,随后在Cr金属构架上放置BK7玻璃片;使用激光冲击强化方法将Cr金属构架压入7系铝合金表面,则可制备出Cr分布及形态满足要求7系铝合金表面。
[0058] 如图4所示,为在7系铝合金表面制备分布的Cr合金构架,网状Cr合金表面可以提升7系铝合金的耐磨性和耐腐蚀性能,同时Cr合金的网孔可以做储油槽,增加润滑功能。
[0059] 经本方法制备的7系铝合金,性能如表2所示。
[0060] 表2 7系铝合金不同制备工艺性能
[0061]制备工艺 传统工艺 本发明
磨损率(g/cm2) 14 8.3
耐腐蚀性 局部点蚀 表面生成油膜、未腐蚀
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