製備耐磨耐腐蝕杆件的方法
2023-04-23 14:08:51 1
製備耐磨耐腐蝕杆件的方法
【專利摘要】本發明提供了一種製備耐磨耐腐蝕杆件的方法。該方法包括：步驟A，採用不鏽鋼材料製作杆件基體；步驟B，配置塗層粉末；以及步驟C，採用雷射熔覆工藝在杆件基體表層熔覆塗層粉末，製備耐磨耐腐蝕塗層。本發明通過採用雷射熔覆的方法在杆件基體表面熔覆一層具備耐磨和耐腐蝕能力的塗層，滿足了杆件的強度與耐腐蝕性雙重需求，降低了成本。
【專利說明】製備耐磨耐腐蝕杆件的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及雷射熔覆【技術領域】，尤其涉及一種利用雷射熔覆技術製備耐磨耐腐蝕杆件的方法。
【背景技術】
[0002]單晶爐是直拉法製備矽單晶的最常用設備。籽晶杆、坩堝杆是單晶爐中的關鍵零部件，它們在爐腔的真空室內工作，籽晶杆與坩堝杆內均通水冷卻。多晶揮發物以及冷卻水均有一定腐蝕性，因此，要求籽晶杆、坩堝杆具有一定耐蝕性、耐磨性和較高的機械強度。
[0003]目前製備籽晶杆與坩堝杆的材料主要有貴金屬以及馬氏體不鏽鋼。文獻(一種空心式籽晶杆，專利號CN201220042059.3)公開了一種空心結構的銥金材料製成的籽晶杆。銥金材料能夠滿足籽晶杆性能需求，但是成本過高，隨著貴金屬價格的不斷上漲，嚴重製約了其應用。文獻(楊景星，單晶爐籽晶杆的熱處理.熱處理，1992.3:38-43.)報導了採用4Crl3馬氏體不鏽鋼材料製作籽晶杆，為了滿足機械性能需求進行了相應的熱處理。但是4Crl3不鏽鋼含碳量高(0.35-0.45% )，放腐蝕能力差，由於空氣和水的酸汙染，此類不鏽鋼在很多場合都容易生鏽，而且硬度較高，容易脆性裂斷；同時空心長杆件的熱處理難度很大，且容易變形。
【發明內容】
[0004](一 )要解決的技術問題
[0005]鑑於上述技術問題，本發明提供了一種利用雷射熔覆技術製備耐磨耐腐蝕杆件的方法。
[0006]( 二 )技術方案
[0007]本發明製備耐磨耐腐蝕杆件的方法包括:步驟A，採用不鏽鋼材料製作杆件基體；步驟B，配置塗層粉末；以及步驟C，採用雷射熔覆工藝在杆件基體表層熔覆塗層粉末，製備耐磨耐腐蝕塗層。
[0008](三)有益效果
[0009]本發明中，在304奧氏體不鏽鋼杆件基材上通過雷射熔覆耐磨耐腐蝕塗層，同時滿足了強度、耐腐蝕性、耐磨性多方面要求，且成本較低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為根據本發明實施例製備耐磨耐腐蝕杆件方法的流程圖；
[0011]圖2為根據本發明實施例製備耐磨耐腐蝕杆件方法的示意圖；
[0012]圖3為採用圖1和圖2所述方法製備的籽晶杆的剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0013]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示範，但應了解，參數無需確切等於相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似於相應的值。實施例中提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明的保護範圍。
[0014]本發明採用雷射熔覆的方法在杆件基體表面熔覆一層具備耐磨和耐腐蝕能力的塗層，滿足了杆件的強度與耐腐蝕性雙重需求，降低了成本。
[0015]在本發明的一個示例性實施例中，提供了一種製備耐磨耐腐蝕杆件的方法。圖1為根據本發明實施例製備耐磨耐腐蝕杆件方法的流程圖。請參照圖1，本實施例製備耐磨耐腐蝕杆件方法包括:
[0016]步驟A，採用不鏽鋼材料製作杆件基體；
[0017]本發明中，杆件基體的材料為304奧氏體不鏽鋼，對應國內牌號為0Crl8Ni9或06Crl9Nil0,304不鏽鋼是一種很常見的奧氏體不鏽鋼，具較高的Cr、Ni含量，業內也叫做18/8不鏽鋼，耐腐蝕耐高，加工性能好。
[0018]本步驟中，按照實際需求，通過機械加工，採用304奧氏體不鏽鋼材料加工成單晶爐籽晶杆與坩堝杆基體。基體杆件外徑尺寸比最終成品尺寸少0.6~1mm，表面粗糙度達到Ra3.2以上。[0019]步驟B，配置塗層粉末；
[0020]本實施例中，塗層粉末中各元素質量百分比(wt.% )為:Cr:12_15%、B:1.5~3%, Si:1 ~2%、Mo:0.5 ~1%、C:0.3 ~1%、Ni:12 ~15%、Fe:62 ~67%，如表 I 所示:
[0021]表1
[0022]
Cr [B [Si[Mo[C[Ni[Fe
12 ~15 1.5 ~3 I ~2 0.5 ~I 0.3 ~I 12 ~15 62 ~66
[0023]步驟C，採用雷射熔覆工藝在上述杆件基體表層熔覆所述塗層粉末，製備耐磨耐腐蝕塗層；
[0024]本發明中，304不鏽鋼含碳量小，鉻和鎳含量都很高，有較強的防水防酸能力，韌性好，不易裂斷。但是其淬透性差，難以通過熱處理增加其耐磨性，此外，雷射熔覆由於局部加熱、快速冷卻特點，熱變形小，滿足了籽晶杆與坩堝杆對於形變的要求。
[0025]請參照圖2，該步驟C具體包括:
[0026]子步驟Cl，制定雷射熔覆的工藝參數，包括:
[0027]雷射功率:900-1200W；
[0028]離焦:採用負離焦方式，離焦量12-20_ ；
[0029]送粉量:送粉量8-15g/min,純氮氣載粉,載氣流量3~5L/min ；
[0030]數控轉盤轉速:根據夾持杆件的外徑，調整轉盤轉速，使杆件線速度3~8mm/s，轉盤轉速=杆件線速度/杆件半徑X 6.28,單位,轉/s ；[0031]雷射熔覆搭接率:25-35%，搭接率30%左右時，熔覆層平整度最佳，搭接率含義是(單層熔覆層寬度-相鄰熔覆層中心間距)/單層熔覆層寬度；
[0032]雷射頭軸向移動速度:根據軸的直徑與搭接量確定，軸向移動速度=(1-搭接率)X單道熔覆層寬度X轉盤轉速，單位mm/s ;其中單道熔覆層寬度可根據實驗測定，即預先按照選定雷射功率、離焦量、送粉量、杆件線速度等參數在平板件上進行單道雷射熔覆，並測量其熔覆層高度與寬度。
[0033]子步驟C2，將杆件基體夾緊於雷射熔覆平臺的數控轉盤和尾座之間；
[0034]子步驟C3，按照預設的工藝參數，利用塗層材料對雷射熔覆平臺上的杆件基體進行雷射熔覆；
[0035]控制數控轉盤⑴帶動杆件(5)以設置好的轉速轉動，同時雷射頭⑶發射雷射束(4)，聯同送粉噴嘴(2)沿杆件軸線同步直線移動。雷射頭及送粉噴嘴安裝固定與機械手或工具機上，通過機械手或工具機與數控轉盤、雷射器的聯動控制，實現杆件轉動與雷射頭直線運動兩種運動的合理配合，完成杆件表面的雷射熔覆過程。
[0036]子步驟C4，將表層熔覆的耐磨耐腐蝕塗層的杆件從雷射熔覆平臺取下。
[0037]步驟D，對杆件表層熔覆的耐磨耐腐蝕塗層進行處理，達到預設的厚度和表面粗糙度。
[0038]本步驟中，主要是採用機械加工工藝對杆件進行外圓磨削，加工至最終合格尺寸範圍，表面粗糙度達到要求 。製備的籽晶杆的剖面示意圖如圖3所示。
[0039]以下結合具體應用場景，以製備籽晶杆和坩堝杆為例對本發明進一步詳細說明:
[0040]籽晶杆製備:
[0041]步驟1:採用304奧氏體不鏽鋼，加工出籽晶杆基體，基體外徑27.4_。表面粗糙度Ra3.2,籽晶杆結構示意圖如圖2所示。
[0042]步驟2:將基體杆件安裝的數控轉盤上；
[0043]步驟3:調配熔覆粉末，粉末成分如表2所示:
[0044]表2
[0045]
【權利要求】
1.一種製備耐磨耐腐蝕杆件的方法，其特徵在於，包括: 步驟A，採用不鏽鋼材料製作杆件基體； 步驟B，配置塗層粉末；以及 步驟C，採用雷射熔覆工藝在所述杆件基體表層熔覆所述塗層粉末，製備耐磨耐腐蝕塗層。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟A中的不鏽鋼材料為304奧氏體不鏽鋼。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟B中所述塗層粉末中各元素質量百分比為:Cr:12-15%,B:1.5 ~3%、Si:1 ~2%、Mo:0.5 ~1%、C:0.3 ~l%、N1:12 ~15%,Fe:62 ~66%。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述塗層粉末中各元素質量百分比為:Cr:13.8%, B:1.98%, Si:1.76%,Mo:0.64%, C:0.56%, N1:14.34%, Fe:66.92%。
5.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述塗層粉末中各元素質量百分比為:Cr:14.76%, B:2.08%, Si:1.92%,Mo:1.0%, C:0.4%, Ni:14.84%, Fe:65%。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟C包括: 子步驟Cl，制定雷射熔覆的 工藝參數 子步驟C2，將所述杆件基體夾緊於雷射熔覆平臺的數控轉盤和尾座之間； 子步驟C3，按照預設的工藝參數，利用所述塗層材料對所述雷射熔覆平臺上的所述杆件基體進行雷射熔覆；以及 子步驟C4，將表層熔覆的耐磨耐腐蝕塗層的杆件從所述雷射熔覆平臺取下。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述雷射熔覆的工藝參數包括:雷射功率、離焦、送粉量、數控轉盤轉速和雷射熔覆搭接率。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述工藝參數的具體取值如下: 雷射功率:900-1200W ； 離焦:採用負離焦方式，離焦量12-20mm ； 送粉量:送粉量8-15g/min,純氮氣載粉,載氣流量3~5L/min ； 數控轉盤轉速:使杆件線速度3~8mm/s，轉盤轉速=杆件線速度/杆件半徑X 6.28，單位，轉/s ； 雷射熔覆搭接率:25-35% ； 雷射頭軸向移動速度:根據軸的直徑與搭接量確定。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其特徵在於，所述步驟C之後還包括: 步驟D，對杆件表層熔覆的耐磨耐腐蝕塗層進行處理，達到預設的厚度和/或表面粗糙度。
10.根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其特徵在於，所述杆件為籽晶杆或坩堝杆。
【文檔編號】C22C38/54GK103695900SQ201310741336
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】趙樹森, 林學春, 周春陽, 高文焱, 王奕博, 劉發蘭 申請人:中國科學院半導體研究所