用于改善耐磨性的激光輔助間隙合金化的制作方法
【專利說明】用于改善耐磨性的激光輔助間隙合金化
[0001]現(xiàn)有應(yīng)用
[0002]本申請要求2013年4月18提交的美國臨時(shí)專利申請序列號61/813297的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明整體涉及一種用于增加軟金屬性基材的硬度的改善方法。更具體而言，本發(fā)明涉及使用激光輔助軟金屬性基材的間隙合金化。
【背景技術(shù)】
[0004]當(dāng)選擇用于工業(yè)過程或經(jīng)受摩擦力的機(jī)械設(shè)備的金屬性基材時(shí)，存在二極性(dichotomy)。在制造過程或成型過程中，優(yōu)選地選擇用于容易成型的軟材料。然而，選擇軟材料的基材將導(dǎo)致差的耐久性，尤其是當(dāng)該設(shè)備經(jīng)受摩擦力時(shí)。因此，當(dāng)需要機(jī)械設(shè)備的耐久性時(shí)，選擇硬金屬性基材，其在制造或成型所述設(shè)備時(shí)造成問題。
[0005]已經(jīng)進(jìn)行了各種嘗試來涂覆軟金屬性基材以改善耐磨性和已知引起基材的不利的尺寸改變的相關(guān)材料損失。例如，已經(jīng)使用等離子體涂層和焊接堆焊層，但是提供有限的耐久性，并且由于必要的后加工操作而顯著增加制造成本。氣相沉積已用于增加表面硬度。然而，涂層和基材之間的機(jī)械接合弱，導(dǎo)致涂層劣化或失去附著性，引起氣相沉積具有有限的用途。
[0006]已經(jīng)采用硬度值比軟合金基材高的間隙元素的擴(kuò)散進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，但沒有達(dá)到顯著的工業(yè)應(yīng)用。相對于間隙合金化改善控制的各種嘗試未被證明是有效的(affective)。因此，將會需要提供一種通過的間隙合金的擴(kuò)散提高基材的硬度的增強(qiáng)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]—種增強(qiáng)金屬性基材的耐磨損性的方法，包括將包括間隙元素的涂層施加到所述基材的表面。將激光束引導(dǎo)到涂覆有間隙元素的金屬性基材的局部區(qū)域上。激光束將金屬性基材的溫度局部升高到使間隙元素?cái)U(kuò)散到基材內(nèi)的溫度，從而在金屬性基材的局部區(qū)域上提供包括間隙元素的合金層。激光束的焦點(diǎn)位于與基材表面間隔開的位置從而在基材的表面處優(yōu)化激光束的功率密度。除去未擴(kuò)散到基材內(nèi)的間隙元素的涂層，從而暴露包括間隙元素的合金層。
[0008]本發(fā)明的方法提供一種控制基材分子的激發(fā)的增強(qiáng)能力，以控制間隙元素到軟金屬性基材內(nèi)的擴(kuò)散。通過相對于基材表面控制焦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對擴(kuò)散過程增強(qiáng)控制的最佳能量束和能量配置。
[0009]附圖的簡要描述
[0010]將容易理解本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)與附圖結(jié)合考慮時(shí)，通過參考如下詳細(xì)說明，更好理解它們:
[0011]圖1示出了金屬性基材；
[0012]圖2示出了具有局部施加包括間隙元素的涂層的金屬性基材；
[0013]圖3示出了激光加熱具有包括間隙元素的涂層的軟金屬性基材的局部區(qū)域；
[0014]圖4示出了局部升高軟金屬性基材的溫度的替代性方法；
[0015]圖5示出經(jīng)受本發(fā)明的方法的圓柱部件；
[0016]圖6示出了使用檢流計(jì)(galvanometer)以重新引導(dǎo)所述本發(fā)明的激光束來擴(kuò)散管狀部件內(nèi)部的過程；
[0017]圖7示出了經(jīng)受本發(fā)明的方法的基材的實(shí)驗(yàn)硬度圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0018]參見圖1，總體上以10顯示平面部件形式的金屬性基材。考慮由金屬例如各種鋼、鎳合金、鈷合金、招合金和銅合金形成金屬性基材10。預(yù)期通過研磨、機(jī)加工或車削將基材10機(jī)加工或成型為最終形狀，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的那樣。發(fā)明人考慮基材10為任何經(jīng)受已知降解(degrade)基材10的幾何形狀和功能的摩擦或其它機(jī)械力的基材10。
[0019]認(rèn)為經(jīng)受磨損的刀具，機(jī)械零件，例如活塞頭，其它內(nèi)燃機(jī)元件和任何金屬性部件都能得到本發(fā)明的方法的增強(qiáng)。在加工之后，期望該基材10包括具有小于約20微米Ra值和小于約100微米的Rt值的表面粗糙度。如上所述，零件的幾何形狀包括平面刀刃、旋轉(zhuǎn)刀刃、發(fā)動機(jī)氣缸襯里、或發(fā)動機(jī)的活塞環(huán)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該明白的是，在本發(fā)明的范圍包括任何受到耐久性要求的金屬性基材。
[0020]圖2示出了金屬性基材10，其具有施加在已知要經(jīng)受摩擦力的感興趣區(qū)域上方的涂層12。該涂層包括間隙元素，該間隙元素具有已知允許擴(kuò)散進(jìn)入合金的晶格結(jié)構(gòu)中的原子尺寸。更具體地，涂層包括氫、硼、碳、或氮中的至少一種。此外，在發(fā)明的范圍內(nèi)包括這些間隙元素的組合以進(jìn)一步增強(qiáng)金屬性基材10的耐磨損性。
[0021]以粉末或液體施加涂層12，在所述情況下，使用溶劑以液化和懸浮所選擇的間隙元素。溶劑為水或有機(jī)物，但被選擇為從基材10的表面閃蒸(flash)而不需要大量的時(shí)間或熱。當(dāng)將液體涂層12施加到基材10時(shí)，在烘箱中預(yù)熱基材10到約240°C的溫度20分鐘左右，使得基材(或部件)接受均勻的溫度。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，選擇的從涂層12閃蒸溶劑的溫度低于基材10合金的熔融溫度以防止在不利地影響該部件的尺寸配置。在預(yù)熱之后，從烘箱移動該部件和施加包括炭黑粉末的涂層，或通過氣溶膠或噴霧方法施加其它間隙元素。該涂層在需要改善耐磨性的表面上方包括均勻的厚度。作為替代，將包含間隙元素的粘合帶(tape)施加于需要增強(qiáng)磨損保護(hù)的感興趣的區(qū)域。
[0022]現(xiàn)在參考圖3，顯示了將激光束16 (或能量束)投射感興趣的區(qū)域18上的激光器14，所述區(qū)域已有包括間隙元素的涂層12。該激光器包括C02激光器、二極管激光器、光纖激光器、或能夠引導(dǎo)所述激光束16到基材的感興趣的局部區(qū)域18的任何等效能量源。激光束16限定了位于與基材10表面間隔開的位置的激光焦點(diǎn)20，以優(yōu)化在基材10表面處的激光束的功率密度。例如，認(rèn)為將該焦點(diǎn)定位在基材10的表面或太靠近基材的表面產(chǎn)生產(chǎn)生導(dǎo)致鑄鐵表面，已知其不提供由間隙元素的適當(dāng)擴(kuò)散所實(shí)現(xiàn)的耐久性質(zhì)。因此，預(yù)先確定焦點(diǎn)20的位置以提供適量能量以激發(fā)基材合金材料的晶格結(jié)構(gòu)，已知該合金材料允許間隙元素?cái)U(kuò)散至適當(dāng)深度。
[0023]在一個(gè)實(shí)施方案中，激光束是發(fā)散的激光束，其中焦點(diǎn)20在基材10表面22的之上間隔開。這樣的情形也在本發(fā)明的范圍內(nèi):該激光束為會聚激光束，其中焦點(diǎn)20將會設(shè)置在基材10的表面22之下。
[0024]在最佳情況下，基材10的表面22不熔融。避免導(dǎo)致間隙元素與基材10合金反應(yīng)的共晶反應(yīng)是期望的。在基材上激光(或能量)束16的最佳效果是只激發(fā)基材10合金的分子晶格。這樣，基于基材合金和間隙元素的所需擴(kuò)散深度，對于每一施加預(yù)先確定最優(yōu)的激光功率和速度。在一個(gè)實(shí)施方案中，0)2激光器對該基材10提供足量的能量。在其他實(shí)施方案中，優(yōu)選二極管激光器。另外，改變激光器14以將交替形狀的激光束16投射到基材10的感興趣的區(qū)域。在某些應(yīng)用中，矩形形狀的激光束16是優(yōu)選的，例如12X 1毫米或20X1毫米形狀的激光束。