45钢镀铜后激光合金化

45钢镀铜后激光合金化（吕禹）摘要英文摘要关键词一绪论1T45钢的性能45号钢是优质碳素结构钢.它的强度是61.HRC是48-55,有良好的强度和韧性，即有良好的总和力学性能，同时又有良好的机械加工性能。.机械上用的比较多.用以制造蒸汽透平机.压缩机.泵的运动零件，还可代替渗碳钢制造齿轮.轴.活塞销等零件（零件需经高频或火焰表面淬火），并可用作铸件.。但45钢有一很大的缺点就是易腐蚀，几乎每年钢铁产量的，三分之一由于腐蚀而报废。因此如何减轻腐蚀而又不影响它的机械性能便成为一项重要的工作。2电镀技术1）概述电镀是金属的化学和电化学防护方法的发展。它是一种电化学过程，也是一种氧化还原过程。通过这种电化学过程，使金属或非金属工件的表面上再沉积一层金属的方法就叫做电镀。采用适当的工艺可以在金属或非金属工件的表面上获得所需要的不同种类的镀层，在国民经济的各个生产和科学发展领域里，如机械、无线电、仪表、交通、航空及船舶工业中，在日用品的生产和医疗器械等设备的制造中，金属镀层都有极为广泛而应用。世界各国由于钢铁所造成的损失数据是相当惊人的，几乎每年钢铁产量的，三分之一由于腐蚀而报废，当然电镀层不可能完全解决这个问题，但是良好的金属镀层还是能在这方面做出较大贡献的。电镀则是获得金属防护层的有效方法。电镀方法所得到的金属镀层，结品细致紧密，结合力良好，它不但具有良好的防腐性能，而且满足工业某些特殊用途。2）电镀铜技术的国内外进展电镀铜层因其具有良好的导电性、导热性和机械延展性等优点而被广泛应用于电子信息产品领域，电镀铜技术也因此渗透到了整个电子材料制造领域，从印制电路板（PCB）制造到IC封装，再到大规模集成线路（芯片）的铜互连技术等电子领域都离不开它，因此电镀铜技术已成为现代微电子制造中必不可少的关键电镀技术之一。电子行业的电镀铜技术含量很高，电镀铜层的功能、质量和精度以及电镀方法等方面与传统的装饰性防护性电镀铜技术有所不同。中国的电子信息产业正在迅速崛起，有资料表明，中国的印制电路产值2003年已经超过美国居世界第二位，成为名副其实的PCB生产大国，并且有望在2008年超过日本居世界第一，而以上海为中心的长三角地区的集成电路产业也在飞速发展，逐渐成为该地区的支柱性产业［1-3］。这些产业的发展必将推动电镀铜技术的应用领域进一步扩大。为了满足具有高科技含量电子产品制造的要求，出现了许多新的电镀铜技术，如脉冲电镀铜技术、水平直接电镀铜技术、超声波电镀铜技术、激光诱导选择电镀铜技术等。3激光表面合金化1）激光技术激光英文全名为LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation（LASER）o于1960年面世，是一种因刺激产生辐射而强化的光。科学家在电管中以光或电流的能量来撞击某些晶体或原子易受激发的物质，使其原子的电子达到受激发的高能量状态，当这些电子要回复到平静的低能量状态时，原子就会射出光子，以放出多余的能量；而接着，这些被放出的光子又会撞击其它原子，激发更多的原子产生光子，引发一连串的「连锁反应」，并且都朝同一个方前进，形成强烈而且集中朝向某个方向的光就是激光。激光是一种单色光，具有高亮度，方向性强，相干性好的特性。激光技术包括激光器技术与激光应用技术。自第一台激光器诞生后，激光器技术一直是激光技术的一个重要部分,至今已研制了上百种激光器。按工作物质可以将它们划分为：固体激光器、气体激光器、半导体激光器等。目前固体激光器领域最活跃的话题是二极管泵浦固体激光器，相应的半导体激光器中激光二极管成为了它的重要发展方向，气体激光器中以CO2激光器的研究最成熟也发展最快。自诞生之初至今，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。由于具有适应性强，加工质量好，精度高，效率高，效益好，加工方法多，无污染等优点，激光技术被广泛用于工业领域。目前全球业界公认的发展最快的、应用日趋广泛的最重要的高新技术就是光电技术，他必将成为21世纪的支柱产业。而在光电技术中，其基础技术之一就是激光技术。科学界预测，到2010年，以光电信息技术为主导的信息产业将形成5万亿美元的产业规模，到2010年至2015年，光电产业可能会取代传统电子产业。光电技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命和进步。激光技术与产业的发展将支撑并推进高速、宽带、海量的光通信以及网络通信，并将引发一场照明技术革命，小巧、可靠、寿命长、节能半导体(LED)将主导市场，此外将推出品种繁多的光电子消费类产品(如VCD、DVD、数码相机、新型彩电、掌上电脑电子产品、智能手机、手持音响播放设备、摄影、投影和成像、办公自动化光电设备如激光打印、传真和复印等）以及新型的信息显示技术产品（如CRT、LCD及PDP、FED、OEL平板显示器等）并进入人们的日常生活中。激光产品已成为现代武器的"眼睛"和"神经"，光电子军事装备将改变21世纪战争的格局2）表面处理技术疲劳、腐蚀、摩擦和磨损而引起工程的破坏大多发生在表面，这是因为：1）表面的应力通常最高；2）表面暴露在环境中。工程上解决办法是给材料提供不同于基体的表面性能目，前有两种有效办法。第一种是用渗碳、渗氮液体碳氮共渗、物理或化学沉积、表面涂敷、表面合金化等方法进行表面成分的调整；第二种是通过相变实现表面硬化，包括普通火焰加热淬火和感应加热淬火。目前像电子束和激光束这样的能源已被用于刚和铸铁的表面硬化，提高其抗疲劳、耐磨损和耐腐蚀性能在切割、焊接、表面热处理等各种材料加工过程中，像激光这类定向能源的因公比过去使用能源要广泛得多。激光表面处理的目的是改变表面层的成分和纤维结构，从而提高表面性能，以适应基体材料的需要。用激光获取表面合金化曾是一种新颖的方法。控制激光参数可以获得所需的并具有独特显微结构的表面合金，为了改变表面成分的激光改性技术可分激光表面合金化和激光熔敷两类。3）激光表面合金化激光表面合金化就是利用激光照射使基体表层熔化并把供给表面（预敷或喷射）的合合金元素的物质熔化，混合均匀，以便在基体表面形成一个理想的合金层，从而改善表面性质的工艺.这一工艺具有巨大应用前景.人们已对不同的基体和合金元素的组合做了大量研究.激光表面合金化的主要目的是提高材料的物理性能、化学性能及耐磨性.阻碍激光表面合金化广泛应用的障碍，除设备投资大、成本高外，就是在材料处理过程中表面易产生气孔、裂纹以及表面平整度的下降.针对后者，研究者根据具体情况加强研究，已经摸索出一些可行的办法.实验证明，激光表面合金化是提高低碳钢耐腐蚀性能的一种可行的办法。①优点合金化时，试样表层和涂层都溶化，被熔的基体材料与表面涂敷合金元素均匀扩散或化合，形成成分与原基体材料不同的新合金层。通常采用的渗碳、渗氮、渗铭等合金化方法，需要将工件整体放入扩散炉中经长时间加热，通过碳、铭、氮等元素的扩散和气相沉积，来改变金属表面的化学成分，这种方法周期长、变形大、消耗的合金元素多。相比之下，激光表面合金化具有效率高、能量消耗少、合金化元素消耗少、变形小等优点。如：对汽车阀座嵌套的处理，若采用高温合金基材，成本高，加工难，而对灰铁基体工作部位，采用激光合金化解决了这一难题。先涂一层铭，用6.5kW的CO2激光器溶化形成。.75mm厚的抗回火含铭耐热表面层，硬度达HRC55，能经受540T耐磨要求。A3钢板上进行NiCrSiB合金的激光合金化处理后，与超合金相当，具有耐高温、抗磨损、耐腐蚀的新合金表面。曾经对铝合金表面进行过FeNiCr合金化处理，发现铝合金表面出现Al9NiFe和电力机车技术A1FeNiSi硬化相，强化了铝合金表面。激光表面合金化比他的竞争对于一一普通电弧表面硬化和等离子喷涂有些优越性。在电弧表面硬化和离子喷涂中，辐射能量分散，因而不能通过空气进行远距离的传播，与激光的高度集中型相比，他们的热分布要分散得多。他们的功率密度可接近激光的水平。Q应用北京机床研究所张魁武等人，用复合合金粉末激光合金化处理的45钢基无心磨床托板，在生产车间使用，比原来CrWMn钢淬火的托板寿命提高3〜4倍。重庆大学、北京工业大学等单位采用激光表面合金化工艺，用于电地冲棒、无缝钢管穿孔顶头及泥浆泵叶轮等零件的处理，都取得了很好的效果。北京机电研究所曾对拖拉机换向拨叉、螺母攻丝机料道、轴承扩孔模、冲材模、电厂排粉机叶片及铝活塞等零件上的应用研究，都取得了很好的效果。拨叉，料道使用寿命提高10倍以上。冲材模、排粉机叶片使用寿命提高2〜3倍。激光表面合金化用于铝活塞环槽强化，经装车试验，运行14.2万km以后拆检结果，头道环槽的侧隙仅为0.11mm，如果减去0.04〜0.05mm的原始侧隙，则环槽最大磨损量仅有0.07mm。所以激光表面合金化用于铝合金的强化是十分有效的。Q国内外进展近一二十年来，许多国家和地区投入了大量的人力与物力进行了激光表面合金化的研究。在基材方面，除研究了多种黑色金属外，还研究了Al合金、Ti合金、Cu合金、Ni基合金等。添加的合金元素有Ni、Cr、W、Ti、Co、Mn、Mo、B等。研究重点有如下四个方面。1）工艺研究。包括工艺方法、合金元素和工艺参数（激光光斑形状与尺寸、功率、扫描速度）的选配等研究工作。2）理论分析。激光表面合金化的传热、传热数学模型计算。3）合会层的组织与性能研究。重点侧重于耐磨性循研究。有的也进行了耐腐蚀及抗氧化的研究。4）应用研究。如在排气阀门、阀座、高速钢刀具及汽车活塞等零件上的应用。4本文主要研究内容为了获得45钢更高的硬度与耐磨性，提高它的防腐性能，本文用激光作为热源对45钢进行了热处理——激光表面合金化（向激光熔池内添加合金元素的方法是在45钢表面电镀铜）。分别用400，600，800，1000，1200的金相砂纸粗磨，用抛光机抛光后制作了金相试样，并对其观察分析，研究不同激光参数对电镀铜层45钢基材组织与性能可能产生的影响，从而为以后金相试样的制作提供简便方法，巩固电镀技术的应用以及为激光表面合金化在改善基体性能上的应用提供理论依据。二实验部分1电镀1）电镀理论电镀过程及反应图1是一个简单的电镀原理图。将直流电流的正负极分别用导线连接到渡槽的阴、阳极上，当直流电通过两电极及两极间含金属离子的电解液时，电镀液中的阴、阳离子由于受到电场作用，发生有规则的移动，阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，这种现象叫“电迁移”。此时，金属离子在阴极上还原沉积成镀层，而阳极氧化将金属转移为离子。图1电镀原理图当然，离子的移动除电迁移外，还可以通过对流和扩散迁移。当阴，阳离子到达阳，阴极表面时，就会发生氧化还原反应：<1>阴极还原反应：Cu2++2e=Cu<2>阳极氧化反应：Cu-2e=Cu2+。实际上，阴极上还可能发生:2H++2e=H2（易引起氢脆，应避免）。当阳极发生钝化时，阳极上也可能发生：OH-—4e=2H2O+O2以上就是电镀的过程及反应。但实际上，在大部分电镀过程中，并不是如上所说的那么简单.因为一般的电镀液并不只是简单盐的电解液，而是含有络合物的电解液，在阴极上的还原反应并不只是简单金属离子的放电，而是络离子化学还原。这需要一系列步骤才能达到。首先，电解液中重要的络离子在电极表面上转化成能在电极上直接放电的表面络合物，即金属离子周围的配位体改组或配位数减少（因为配位数较高的离子有较高的活化能，所以在阴极上还原需克服较高的势垒，而配位数较低的络离子或水化离子有适中的活化能，所以容易发生放电还原反应），然后表面络合物在电极上直接放电。所以电镀全过程可以归纳为三个步骤：<1>金属的水合离子或络离子从溶液内部迁移到阴极表面。<2>金属水合离子脱水或络离子解离，金属离子在阴极上得到电子发生还原反应生成金属原子。<3>还原的原子进入晶格结点。2）电解液成分及工艺规范配方及各成分的作用（1）硫酸铜含量为每升175-250克，它供给铜离子的主盐。（2）硫酸含量为每升45-70克，它可以提高电解液的导电性，防止硫酸铜的水解。操作规范（1）温度15-35°C（2）阴极电流密度每平方分米1-2安常见故障及消除方法故障现象故障原因消除方法镀层粗糙电解液中有悬浮物；流太大；硫酸或添加剂不足过滤电解液;降低电流；补充硫酸或添加剂分散能力差硫酸偏低；分散能力差补充硫酸；分析调整成分结合力不好镀前处理不良；预镀层质量差加强预处理；改善预镀镀层太软温度过高；硫酸太少降低温度；补充硫酸2激光表面合金化1）激光表面合金化技术向激光熔池内添加合金元素的方法有预沉积和共沉积法。预沉积法包括在基体表面上电镀、热喷涂、真空蒸镀、渗氮、渗硼、渗碳、粘涂疏松的粉末以及安放薄的金属片或丝材等，所有这些都是在激光熔化前完成的。共沉积法是在基体上激光熔化的同时，往熔池内喷注合金粉末、或送入合金线材或棒料。2）激光表面合金化工艺参数激光合金化所用的激光，按其重要性递减的顺序为二氧化碳激光、掺钕钇铝石榴石激光、掺钕玻璃激光和掺铭氧化铝激光。脉冲型和连续性波都可以用。有时采用光电开关在很短的时间内获得高峰值功率脉冲。在激光表面合金化处理过程中，高能激光束和预涂敷的样品保持相对高速运动并发生作用。工件常数放置在x-y工作台上，由计算机数控其速度。为了方便，激光束保持静止而样品高速移动。控制参数是：激光功率光板尺寸⑴光枪输出时的光束构型④产生预期光束形状的光学积分器®发生振动光速的光学扫描器®激光扫描多道打叠⑦工件移动速率®预涂敷方法①预涂敷粉末粒度尺寸和流动速度(0预涂敷层厚度O预涂敷组成G基体预热C3基体的表面状况受控参数：①吸收系数⑵合金化熔池的成分梯度①合金化熔池深度和覆盖速率①表面和接近表面层的显微结构①硬度①残余应力⑦热影响区的大小①腐蚀特性①磨损特性(D疲劳特性①冲击韧度G合金化区域的缺陷①>表面粗糙度和完整性3金像试样的制备粗糙的试样表面对入射光会产生漫反射，因而无法用显微镜观察其内部组织，通常采用磨光和抛光的方法对其进行加工，得到光亮如镜面的试样表面。然后采用合适的浸蚀剂对其进行浸蚀，使试样表面有选择性地溶解掉某些部分（如晶界），从而呈现微小的凹凸不平（如图2），这些凹凸不平在光学显微镜的景深范围内可以显示出试样的组织形貌、大小和分布即金相组织。图2金相组织的显示金相试样制备步骤1）取样取样时，应保证被观察的截面由于截取而产生组织变化，因此对不同的材料要采用不同的截取方法：对于软材料，可以用锯、车、刨等加工方法；对于硬材料，可以用砂轮切片机切割或电火花切割等方法。对于硬而脆的材料，可以用锤击方法。在大工件上取样，可用氧气切割等方法。在用砂轮切割或电火花切割时，应采取冷却措施，以免试样因受热而引起组织变化。本次试验用锯截取直径25cm，厚8cm的半圆形试样。2）镶嵌一般情况下，如果试样大小合适，则不需要镶样，但试样尺寸过小或形状极不规则者，如带、丝、片、管，制备试样十分困难，就必须把试样镶嵌起来。镶嵌分冷镶嵌和热镶嵌二种。目前一般多采用塑料镶嵌。镶嵌材料有热凝性塑料（如胶木粉）、热塑性塑料（如聚氯乙烯）、冷凝性塑料（环氧树脂加固化剂）及医用牙托粉加牙托水等。这些材料都各有其特点。胶木粉不透明，有各种颜色，而且比较硬，试样不易倒角，但抗强酸强碱的耐腐蚀性能比较差。聚氯乙烯为半透明或透明的，抗酸碱的耐腐蚀性能好，但较软。用这两种材料镶样均需用专门的镶样机加压加热才能成型。金相试样镶样机主要包括加压设备、加热设备及压模三部分。对温度及压力极敏感的材料（如淬火马氏体与易发生塑性变形的软金属），以及微裂纹的试样，应采用冷镶、洗涤后可在室温下固化，将不会引起试样组织的变化。环氧树脂、牙托粉镶嵌法对粉末金属，陶瓷多孔性试样特别适用。电解制样时，可加入铜粉等金属填料以产生导电性，还可加入耐磨填料如A12O3等来增加硬度及耐磨性，保持试样的边缘，填料一般在制样前加入到压镶塑料中去。机械镶嵌法，适用外形比较规则像圆柱体，薄板等.低熔点合金镶嵌法，利用融溶的低溶点合金溶液浇铸镶嵌成合适的金相试样。将欲镶嵌的细小试样放置在一块平整的铁板上，用合适的金属圈或塑料圈套在试样外面，将低熔点合金注入圈内待冷却后即可。牙托粉加牙托水镶嵌法，这种方法操作方便。室温下将牙托粉加适量的牙托水调成糊状（不能太稀），将欲镶嵌的细小试样放置在一块平整的玻璃上，用合适的金属圈或塑料圈套在试样外面，室温下将牙托粉加适量的牙托水调成糊状（不能太稀），并迅速注入金属圈或塑料圈内待30分钟后即固化，目前这样方法完全可取代低熔点合金镶嵌法。3）磨制磨光分为粗磨与精磨粗磨粗磨的目的是为整平试样，并磨成合适的形状。金相试样的磨光除了要使表面光滑平整外，更重要的是应尽可能减少表层损伤。每一道磨光工序必须除去前一道工序造成的变形层（至少应使前一道工序产生的变形层减少到本道工序产生的变形层深度），而不是仅仅把前一道工序的磨痕除去；同时，该道工序本身应做到尽可能减少损伤，以便于进行下一道工序。最后一道磨光工序产生的变形层深度应非常浅，保证能在下一道抛光工序中除去。图2-3为试样经过切割加工及四道磨光工序后，表面变形层厚度变化示意图。图中A、B、C均为变形层，越往里，变形量越小，D为未受损伤的组织。此过程要注意防止金属过分发热。精磨精磨的目的是消除粗磨时留下的较深的磨痕，为下一步抛光打好基础。精磨通常是在砂纸上进行，砂纸分水砂纸和金相砂纸。通常水砂纸为SiC磨料不溶于水，金相砂纸的磨料有人造刚玉、碳化硅、氧化铁等，性均极硬，呈多边棱角，具有良好的切削性能，精磨时可用水作润滑剂进行手工湿磨或机械湿磨，通常使用粒度为240、320、400、600四种水砂纸进行磨光后即可进行抛光，对于较软金属，应用更细的金相砂纸磨光后再抛光。图3-5示出手工操作的砂纸湿磨设备的外形图，砂纸朝外向下倾斜（从操作者方向看），粘贴在平板玻璃上磨制时，将试样磨面平后在砂纸上，直线向前推退回时离开砂纸，这种反复进行，直到旧的磨痕全部消失，在整个磨面上得到方向一致均匀的新磨痕边止，每换一道砂纸之前，必须先用水洗去样品和手上的砂粒，并擦干，然后将试样旋转90°在次级砂纸上磨制。使用时流动的水不停地从砂纸表面流过，及时地把绝大部分磨屑和脱落的磨粒冲走。这样在整个磨光操作过程中，磨粒的尖锐棱角始终与试样的表面接触，保持其良好的磨削作用。湿磨法的另一优点是，水的冷却作用可以减少磨光时在试样表面产生的摩擦热，避免显微组织发生变化。整个磨光工序可以在同设备上完成。图3不能更换砂纸图图3不能更换砂纸图4可以更换砂纸手工磨光示意图图5磨制方法示意除此以外还可以采用机械磨制（图2-5）将不同粒度的碳化硅砂纸分别置于边缘略有突起放了一些水的电动转盘上，则随着转盘转动，砂纸下面的水被甩出，砂纸被吸附在转盘上，即可进行机械湿磨，磨光效率能进一步提高。图2-6示出转盘式金相预磨机，使用时用水作润滑剂和冷却剂。配有微型计算机的自动磨光机，可以对磨光过程进行程序控制，整个磨光过程可以在数分钟内完成。4）抛光抛光的目的是要尽快把磨光留下的细微磨痕成为光亮无痕的镜面。并使抛光产生的变形层不影响显微组织的观察。抛光与磨光的机制基本相同，即嵌在抛光织物纤维上的每颗磨粒可以看成是一把刨刀，根据它的取向，有的可以切除金属，有的则只能使表面产生划痕。由于磨粒只能以弹性力与试样作用（图2-7），它所产生的切屑、划痕及变形层都要比磨光时细小和浅得多。抛光操作的关键是要设法得到最大的抛光速率，以便尽快除去磨光时产生的损伤层，同时要使抛光产生的变形层不致影响最终观察到的组织，即不会产生假象。这两个要求是有矛盾的，前者要求使用较粗的磨料，但会使抛光变形层较深；后者要求使用最细的磨料，但抛光速率较低。解决这个矛盾的最好办法是把抛光分为两个阶段来进行。首先是粗抛，目的是除去磨光的变形层，这一阶段应具有最大的抛光速率，粗抛本身形成的变形层是次要的考虑，不过也应尽可能小。其次是精抛（又称终抛），其目的是除去粗抛产生的变形层，使抛光损伤减到最小。以往，粗抛常用的磨料是粒度为10〜20pm的a-Al2O3、Cr2O3或Fe2O3，加水配成悬浮液使用。目前，人造金刚石磨料已逐渐取代了氧化铝等磨料，因其具有以下优点：1）与氧化铝等相比，粒度小得多的金刚石磨粒，抛光速率要大得多，例如4〜8pm金刚石磨粒的抛光速率与10〜20呻氧化铝或碳化硅的抛光速率相近；2）表面变形层较浅；3）抛光质量最好。通常，使用金刚石膏状磨料的抛光速率远比悬浮液大。金刚石磨料的价格虽高，但抛光速率大，切削能力保持的时间也长，因此它的消耗量少，只要注意节约使用，并合理选择抛光机的转速（采用机械抛光时应为250〜300r/min，自动抛光时应为150r/min），就可以充分发挥其优越性。用金刚石研磨膏进行粗抛时，一般先使用粒度为3.5pm的磨料，然后再使用粒度为1pm的磨料，对于较软的材料要使用粒度为0.5pm的磨料才可获得最佳效果。尽管对于磨光及粗抛已经有了比较成熟的原则，但是对于精抛，还要求操作者有较高的技巧。常用的精抛磨料为MgO及Y-A12O3,其中MgO的抛光效果最好，但抛光效率低