采用电弧重熔对铜基粉末冶金构件进行表面强化的方法

1.本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种采用电弧重熔对铜基粉末冶金构件进行表面强化的方法。


背景技术：

2.在机械制造领域，粉末冶金是一种较为常见的成型方法。粉末冶金是指利用金属粉末作为原料，经过压制、烧结后得到零部件的材料制造方法，具有节省材料、制造精度高、可成型复杂形状零件的优点。目前，粉末冶金已在工业生产中得到了广泛应用，利用该方法，可加工制造铁基、铜基、铝基、银基等多种类型的材料。然而，金属粉末的流动性较差，内部的孔隙难以完全消除，导致采用粉末冶金技术制造的构件致密度较低，这严重影响了构件的强度、韧性等力学性能，且在某些重载条件下，其表面耐磨性不能满足服役要求。
3.表面改性是改善材料表面耐磨性的重要手段，目前常用的材料表面改性方法主要有激光重熔、电子束重熔、电弧重熔等。以上方法都是利用热源将材料表层部分熔化，并使其快速冷却，从而得到致密、晶粒细小、强度硬度较高的表层组织，具有较好的强化效果。但激光重熔和电子束重熔成本较高，对工艺、设备和加工条件的要求也较高，而电弧重熔可利用焊接设备直接进行，具有成本低廉、操作简便、灵活性高等优点，因此，将电弧重熔方法用于粉末冶金构件的表面强化具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种采用电弧重熔对铜基粉末冶金构件进行表面强化的方法，该方法可在铜基粉末冶金构件表面制备一层致密的强化层，提高其表面硬度和耐磨性能。
5.本发明所采用的第一个技术方案是，采用电弧重熔对铜基粉末冶金构件进行表面强化的方法，具体步骤如下：
6.步骤1：根据质量百分比分别称取合金粉末：镍粉15％～20％，铁粉6％～9％，铬粉5％～8％，石墨粉1％～5％，余量为铜粉，以上组分质量百分比之和为100％；
7.步骤2：将步骤1称取的合金粉末混合均匀，放入模具中先进行预压，然后进行热压烧结，制得所需的粉末冶金构件；
8.步骤3：利用夹具将步骤2中制得的构件进行固定，调整焊机参数，使用tig焊接设备对粉末冶金构件表面进行重熔；
9.步骤4：待重熔后的构件冷却至室温后，将其放入箱式炉中进行热处理；
10.步骤5：将热处理后的构件表面进行磨削，使其表面质量达到使用要求。
11.本发明的特征还在于，
12.步骤2中，预压工艺参数为：预压压力450mpa～550mpa，保压时间1min～3min。
13.步骤2中，热压烧结工艺参数为：烧结温度900℃～950℃，烧结压力2mpa～3mpa，保温时间1h～1.5h。
14.步骤3中，电弧重熔工艺参数为：重熔电流80a～130a，重熔速度0.1m/min～0.15m/min，保护气体为99.99％的氩气，气体流量15l/min。
15.步骤4中，热处理工艺为：940℃
×
1h固溶 460℃
×
1.5h时效。
16.本发明的有益效果是：
17.(1)本发明的采用电弧重熔对铜基粉末冶金构件进行表面强化的方法，可减少甚至消除粉末冶金材料表面的孔隙，使其表面致密化，从而提高表面性能。
18.(2)本发明的采用电弧重熔对铜基粉末冶金构件进行表面强化的方法，由于电弧重熔冷却速度快的特性，可细化粉末冶金构件表面的晶粒，提高表面硬度、耐磨性等性能。
19.(3)本发明的采用电弧重熔对铜基粉末冶金构件进行表面强化的方法，与激光重熔、电子束重熔等方法相比，成本低廉、操作简单，对设备、人员、工艺的要求较低，适合大规模生产。
附图说明
20.图1是本发明实施例1制备的粉末冶金构件电弧重熔层的微观组织图；
21.图2是本发明实施例2制备的粉末冶金构件电弧重熔层的微观组织图；
22.图3是本发明实施例3制备的粉末冶金构件电弧重熔层的微观组织图；
23.图4是本发明实施例4制备的粉末冶金构件电弧重熔层的微观组织图；
24.图5是本发明实施例5制备的粉末冶金构件电弧重熔层的微观组织图。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
26.本发明提供一种采用电弧重熔对铜基粉末冶金构件进行表面强化的方法，具体步骤如下：
27.步骤1：根据质量百分比分别称取合金粉末：镍粉15％～20％，铁粉6％～9％，铬粉5％～8％，石墨粉1％～5％，余量为铜粉，以上组分质量百分比之和为100％；
28.步骤2：将步骤1称取的合金粉末混合均匀，放入模具中先进行预压，然后进行热压烧结，制得所需的粉末冶金构件；
29.步骤2中，预压工艺参数为：预压压力450mpa～550mpa，保压时间1min～3min；
30.步骤2中，热压烧结工艺参数为：烧结温度900℃～950℃，烧结压力2mpa～3mpa，保温时间1h～1.5h；
31.步骤3：利用夹具将步骤2中制得的构件进行固定，调整焊机参数，使用tig焊接设备对粉末冶金构件表面进行重熔；
32.步骤3中，电弧重熔工艺参数为：重熔电流80a～130a，重熔速度0.1m/min～0.15m/min，保护气体为99.99％的氩气，气体流量15l/min；
33.步骤4：待重熔后的构件冷却至室温后，将其放入箱式炉中进行热处理；
34.步骤4中，热处理工艺为：940℃
×
1h固溶 460℃
×
1.5h时效；
35.步骤5：将热处理后的构件表面进行磨削，使其表面质量达到使用要求。
36.实施例1
37.步骤1：根据质量百分比分别称取合金粉末：镍粉17.7％，铁粉7％，铬粉7.2％，石
墨粉1.2％，余量为铜粉，以上组分质量百分比之和为100％；
38.步骤2：将步骤1称取的合金粉末混合均匀，放入模具中先进行预压，预压工艺参数为：预压压力450mpa～550mpa，保压时间1min～3min；然后进行热压烧结，工艺参数为：烧结温度900℃～950℃，烧结压力2mpa～3mpa，保温时间1h～1.5h，从而制得所需的粉末冶金构件；
39.步骤3：利用夹具将步骤2中制得的构件进行固定，调整焊机参数，使用tig焊接设备对粉末冶金构件表面进行重熔，电弧重熔工艺参数为：重熔电流120a，重熔速度0.15m/min，保护气体为99.99％的氩气，气体流量15l/min；
40.步骤4：待重熔后的构件冷却至室温后，将其放入箱式炉中进行热处理，热处理工艺为：940℃
×
1h固溶 460℃
×
1.5h时效；
41.步骤5：将热处理后的构件表面进行磨削，使其表面质量达到使用要求。
42.实施例1中制备的粉末冶金构件，其电弧重熔层的微观组织如图1所示，可见重熔层无裂纹、气孔等缺陷，组织主要为细小的树枝晶。经力学性能测试，熔覆层平均硬度为212.5hv
0.2
；经摩擦磨损试验，熔覆层磨损量为2.5mg，摩擦系数为0.219，具有良好的耐磨性。
43.实施例2
44.步骤1：根据质量百分比分别称取合金粉末：镍粉17.7％，铁粉6％，铬粉7.2％，石墨粉1.2％，余量为铜粉，以上组分质量百分比之和为100％；
45.步骤2：将步骤1称取的合金粉末混合均匀，放入模具中先进行预压，预压工艺参数为：预压压力450mpa～550mpa，保压时间1min～3min；然后进行热压烧结，工艺参数为：烧结温度900℃～950℃，烧结压力2mpa～3mpa，保温时间1h～1.5h，从而制得所需的粉末冶金构件；
46.步骤3：利用夹具将步骤2中制得的构件进行固定，调整焊机参数，使用tig焊接设备对粉末冶金构件表面进行重熔，电弧重熔工艺参数为：重熔电流110a，重熔速度0.15m/min，保护气体为99.99％的氩气，气体流量15l/min；
47.步骤4：待重熔后的构件冷却至室温后，将其放入箱式炉中进行热处理，热处理工艺为：940℃
×
1h固溶 460℃
×
1.5h时效；
48.步骤5：将热处理后的构件表面进行磨削，使其表面质量达到使用要求。
49.实施例2中制备的粉末冶金构件，其电弧重熔层的微观组织如图2所示，可见重熔层无裂纹、气孔等缺陷，组织主要为细小的树枝晶。经力学性能测试，熔覆层平均硬度为268.3hv
0.2
；经摩擦磨损试验，熔覆层磨损量为1.6mg，摩擦系数为0.217，具有良好的耐磨性。
50.实施例3
51.步骤1：根据质量百分比分别称取合金粉末：镍粉15％，铁粉6％，铬粉8％，石墨粉1.2％，余量为铜粉，以上组分质量百分比之和为100％；
52.步骤2：将步骤1称取的合金粉末混合均匀，放入模具中先进行预压，预压工艺参数为：预压压力450mpa～550mpa，保压时间1min～3min；然后进行热压烧结，工艺参数为：烧结温度900℃～950℃，烧结压力2mpa～3mpa，保温时间1h～1.5h，从而制得所需的粉末冶金构件；
53.步骤3：利用夹具将步骤2中制得的构件进行固定，调整焊机参数，使用tig焊接设备对粉末冶金构件表面进行重熔，电弧重熔工艺参数为：重熔电流130a，重熔速度0.1m/min，保护气体为99.99％的氩气，气体流量15l/min；
54.步骤4：待重熔后的构件冷却至室温后，将其放入箱式炉中进行热处理，热处理工艺为：940℃
×
1h固溶 460℃
×
1.5h时效；
55.步骤5：将热处理后的构件表面进行磨削，使其表面质量达到使用要求。
56.实施例3中制备的粉末冶金构件，其电弧重熔层的微观组织如图3所示，可见重熔层无裂纹、气孔等缺陷，组织中析出了较多富铬相。经力学性能测试，熔覆层平均硬度为235.7hv
0.2
；经摩擦磨损试验，熔覆层磨损量为2.1mg，摩擦系数为0.216，具有良好的耐磨性。
57.实施例4
58.步骤1：根据质量百分比分别称取合金粉末：镍粉18％，铁粉8％，铬粉8％，石墨粉2％，余量为铜粉，以上组分质量百分比之和为100％；
59.步骤2：将步骤1称取的合金粉末混合均匀，放入模具中先进行预压，预压工艺参数为：预压压力450mpa～550mpa，保压时间1min～3min；然后进行热压烧结，工艺参数为：烧结温度900℃～950℃，烧结压力2mpa～3mpa，保温时间1h～1.5h，从而制得所需的粉末冶金构件；
60.步骤3：利用夹具将步骤2中制得的构件进行固定，调整焊机参数，使用tig焊接设备对粉末冶金构件表面进行重熔，电弧重熔工艺参数为：重熔电流80a，重熔速度0.1m/min，保护气体为99.99％的氩气，气体流量15l/min；
61.步骤4：待重熔后的构件冷却至室温后，将其放入箱式炉中进行热处理，热处理工艺为：940℃
×
1h固溶 460℃
×
1.5h时效；
62.步骤5：将热处理后的构件表面进行磨削，使其表面质量达到使用要求。
63.实施例4中制备的粉末冶金构件，其电弧重熔层的微观组织如图4所示，可见重熔层无裂纹、气孔等缺陷，组织主要为树枝晶和富铬析出相。经力学性能测试，熔覆层平均硬度为266.5hv
0.2
；经摩擦磨损试验，熔覆层磨损量为1.8mg，摩擦系数为0.218，具有良好的耐磨性。
64.实施例5
65.步骤1：根据质量百分比分别称取合金粉末：镍粉19％，铁粉8.5％，铬粉7.5％，石墨粉1％，余量为铜粉，以上组分质量百分比之和为100％；
66.步骤2：将步骤1称取的合金粉末混合均匀，放入模具中先进行预压，预压工艺参数为：预压压力450mpa～550mpa，保压时间1min～3min；然后进行热压烧结，工艺参数为：烧结温度900℃～950℃，烧结压力2mpa～3mpa，保温时间1h～1.5h，从而制得所需的粉末冶金构件；
67.步骤3：利用夹具将步骤2中制得的构件进行固定，调整焊机参数，使用tig焊接设备对粉末冶金构件表面进行重熔，电弧重熔工艺参数为：重熔电流100a，重熔速度0.12m/min，保护气体为99.99％的氩气，气体流量15l/min；
68.步骤4：待重熔后的构件冷却至室温后，将其放入箱式炉中进行热处理，热处理工艺为：940℃
×
1h固溶 460℃
×
1.5h时效；
69.步骤5：将热处理后的构件表面进行磨削，使其表面质量达到使用要求。
70.实施例5中制备的粉末冶金构件，其电弧重熔层的微观组织如图5所示，可见重熔层无裂纹、气孔等缺陷，组织主要为树枝晶和富铬析出相。经力学性能测试，熔覆层平均硬度为272.6hv
0.2
；经摩擦磨损试验，熔覆层磨损量为1.7mg，摩擦系数为0.219，具有良好的耐磨性。