专利名称：一种激光陶瓷合金涂料及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明属于金属材料激光强化和吸光涂料制备技术领域，特别涉及一种激光陶瓷 合金涂料及其制备方法和应用。
背景技术：
传统金属热处理工艺中有渗碳、渗氮、渗金属技术，并已得到广泛应用。如公开号 为CN1126123的专利文献中提到了一种将液体铝或铝合金渗入由碳化硅组成的强化相中， 从而提高金属表层的强度、硬度和耐磨性能的方法。但是，渗碳、渗氮、渗金属技术用于局部 强化有极大困难，而且所得金属的耐磨性能与淬火强化工艺为同一档次。陶瓷烧结在刀具领域也有广泛应用，例如申请号为CN98122105的中国发明专利 公开了一种陶瓷一硬质合金复合刀具及其工艺。但该工艺也存在脆性、高成本和无法局部 强化等问题。
发明内容
为了弥补现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种激光陶瓷合金 涂料。本发明的另一目的在于提供上述激光陶瓷合金涂料的制备方法。本发明的又一目的在于提供一种由上述激光陶瓷合金涂料制备而成的激光陶瓷 合金化部件。本发明的再一目的在于提供一种上述激光陶瓷合金化部件的制备方法。本发明的目的通过下述技术方案实现一种激光陶瓷合金涂料，该激光陶瓷合金 涂料由以下按重量份数计的组分组成
纳米氮化硅 硅烷偶联剂 纳米Y2O3 纳米CeO2 丙酮
50 55份 8 9份 2 3份 1 2份 2500 2600 份松香树脂DS-896 15 20份。上述的一种激光陶瓷合金涂料的制备方法，包括以下操作步骤将纳米氮化硅、硅 烷偶联剂、纳米Y2O3、纳米CeO2和松香树脂DS-896放入超声波分散仪的分散槽中，将三分之 二重量的丙酮倒入分散槽中，盖上分散槽的槽盖；启动超声波分散仪，分散搅拌反应40 90分钟，得到激光陶瓷合金涂料；分散过程中使用余下三分之一重量的丙酮进行温度调 节，将温度控制在80°C以下，在分散搅拌反应结束前10 20分钟将丙酮全部倒入分散槽 中。制备过程要求在通风环境下进行。所述硅烧偶联剂为HG-560、HG-550、HG-570、A-1100 或 KBM-903。所述松香树脂DS-896来自广州雷幅科技有限公司。
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所述分散槽的容积为激光陶瓷合金涂料体积的2 2. 5倍；所述分散槽的槽盖是 具有良好导热性的金属盖，优选为不锈钢盖。一种由上述的激光陶瓷合金涂料制备而成的激光陶瓷合金化部件。上述的激光陶瓷合金化部件的制备方法，包括以下操作步骤(1)将待处理的金属部件的表面清理干净；(2)用刷涂法或喷涂法将激光陶瓷合金涂料涂布到待处理的金属部件的表面，涂 布厚度为0. 01 0. 03mm，要求厚薄均勻，不堆积，也不过薄而明显见到基体；(3)采用激光扫描涂布有激光陶瓷合金涂料的金属部件的表面，得到激光陶瓷合 金化部件；所述激光扫描使用积分宽带光斑或聚焦矩形光斑；光斑要求均勻，无孔洞，无缺 口 ；所述光斑的静态功率密度为70 80W/mm2，所述扫描的速度是以点加热时间为0. 5 0.6秒进行扫描。步骤(1)所述清理干净是将待处理的金属部件的表面去油污去铁锈。步骤(3)所述激光是采用CO2激光器发出。本发明的原理是本发明应用了纳米技术、稀土应用技术和不同性质的物质之间 的偶联技术，采用纳米陶瓷粉体作为主强化剂，采用偶联剂HG-560使陶瓷相与金属相紧密 结合，采用纳米稀土作为活性剂同时提高强化层的致密度，采用松香防止涂料沉淀。本发明引进了 “点加热时间”的概念；所谓“点加热时间”是某一个加工点激光照 射的时间；利用金属的导热性能远好于空气这一性质，通过扫描速度和光斑大小来控制点 加热时间，扫描速度越小，光斑越大，某一个点激光照射的时间就越长，可得到的强化层就 越厚；静态功率密度=激光输出功率+光斑面积。激光陶瓷合金化是个扩渗过程，他得益于纳米材料的活性，稀土的活化助推，激光 加热的瞬间高温打开表层通道，从而获得陶瓷合金化层。生产中需根据日常配制量来选用型号规格；超声波分散仪的分散槽的大小要和制 备量匹配，要求槽的容积是制备量的2倍左右；所选用的超声波分散仪的槽盖要求是导热 良好的金属盖，且具有自收集回流到槽中的冷凝丙酮的功能。本发明与现有技术相比具有如下的优势本发明激光陶瓷合金化涂料，在C02激 光器激光加热环境下，把陶瓷成分渗进金属中，获得0. 10 0. 25mm陶瓷合金化层，可用于 部件的局部强化；经陶瓷合金化的部件，除了获得陶瓷合金化层外，其次表层仍为激光淬火 层；采用本涂料作为金属材料工件激光强化的吸光涂料可提高工件的耐磨性能；采用本涂 料进行金属材料激光淬火吸光预处理，与激光淬火目前所采用的黑涂料、灰涂料和磷化吸 光预处理相比，耐磨性能可提高一倍；与未经淬火的工件相比，耐磨性能可提高一倍；经激 光陶瓷合金化的部件，其耐磨性能与渗碳、渗氮、激光强化相比可提高一倍左右，涂料成本 低于0.03元/cm2。
图1是激光陶瓷合金化金相图。
具体实施例方式下面结合具体的实例与附图对本发明作进一步详细的叙述，但本发明的实施方法 灵活，不仅仅限于此例所述的具体操作方式。实施例1将50重量份纳米氮化硅、8重量份硅烷偶联剂HG_560、2重量份纳米Y203、1重量 份纳米CeO2和20重量份松香树脂DS-896 (购于广州雷幅科技有限公司)放入超声波分散 仪的分散槽中(分散槽的容积为激光陶瓷合金涂料体积的2倍)，将1667重量份丙酮(工 业纯)倒入分散槽中，盖上分散槽的不锈钢盖；启动超声波分散仪，分散搅拌反应60分钟， 得到浅灰色乳液状的激光陶瓷合金涂料；分散过程中使用833重量份丙酮(工业纯)进行 温度调节，将温度控制在80°C以下，在分散搅拌反应结束前10分钟将丙酮全部倒入分散槽 中。制备过程要求在通风环境下进行。采用上述所得激光陶瓷合金涂料制备激光陶瓷合金化部件，制备包括以下操作步骤(1)将待处理的金属部件的表面清理干净，去油污，去铁锈；(2)用刷涂法或喷涂法将激光陶瓷合金涂料涂布到待处理的金属部件的表面，涂 布厚度为0.01mm，要求厚薄均勻，不堆积，也不过薄而明显见到基体；(3)采用CO2激光器发出的激光扫描涂布有激光陶瓷合金涂料的金属部件的表面， 得到激光陶瓷合金化部件；所述激光扫描使用积分宽带光斑；光斑要求均勻，无孔洞，无缺 口 ；所述光斑的静态功率密度为78W/mm2，所述扫描的速度是以点加热时间为0. 5秒进行扫 描。实施例2将55重量份纳米氮化硅、8. 7重量份硅烷偶联剂HG-550、2. 5重量份纳米Y2O3U. 8 重量份纳米CeO2和15重量份松香树脂DS-896 (购于广州雷幅科技有限公司)放入超声波 分散仪的分散槽中(分散槽的容积为激光陶瓷合金涂料体积的2. 5倍)，将1733重量份丙 酮(工业纯)倒入分散槽中，盖上分散槽的不锈钢盖；启动超声波分散仪，分散搅拌反应50 分钟，得到浅灰色乳液状的激光陶瓷合金涂料；分散过程中使用867重量份丙酮(工业纯) 进行温度调节，将温度控制在80°C以下，在分散搅拌反应结束前20分钟将丙酮全部倒入分 散槽中。制备过程要求在通风环境下进行。采用上述所得激光陶瓷合金涂料制备激光陶瓷合金化部件，制备包括以下操作步 骤(1)将待处理的金属部件的表面清理干净，去油污，去铁锈；(2)用刷涂法或喷涂法将激光陶瓷合金涂料涂布到待处理的金属部件的表面，涂 布厚度为0. 02mm，要求厚薄均勻，不堆积，也不过薄而明显见到基体；(3)采用CO2激光器发出的激光扫描涂布有激光陶瓷合金涂料的金属部件的表面， 得到激光陶瓷合金化部件；所述激光扫描使用聚焦矩形光斑；光斑要求均勻，无孔洞，无缺 口 ；所述光斑的静态功率密度为75W/mm2，所述扫描的速度是以点加热时间为0. 6秒进行扫 描。实施例3将52重量份纳米氮化硅、8. 5重量份硅烷偶联剂HG_570、3重量份纳米Y2O3U. 5重 量份纳米CeO2和18重量份松香树脂DS-896 (购于广州雷幅科技有限公司)放入超声波分散仪的分散槽中(分散槽的容积为激光陶瓷合金涂料体积的2. 2倍)，将1700重量份丙酮 (工业纯)倒入分散槽中，盖上分散槽的不锈钢盖；启动超声波分散仪，分散搅拌反应40分 钟，得到浅灰色乳液状的激光陶瓷合金涂料；分散过程中使用850重量份丙酮(工业纯)进 行温度调节，将温度控制在80°C以下，在分散搅拌反应结束前15分钟将丙酮全部倒入分散 槽中。制备过程要求在通风环境下进行。采用上述所得激光陶瓷合金涂料制备激光陶瓷合金化部件，制备包括以下操作步 骤(1)将待处理的金属部件的表面清理干净，去油污，去铁锈；(2)用刷涂法或喷涂法将激光陶瓷合金涂料涂布到待处理的金属部件的表面，涂 布厚度为0. 02mm，要求厚薄均勻，不堆积，也不过薄而明显见到基体；(3)采用CO2激光器发出的激光扫描涂布有激光陶瓷合金涂料的金属部件的表面， 得到激光陶瓷合金化部件；所述激光扫描使用积分宽带光斑；光斑要求均勻，无孔洞，无缺 口 ；所述光斑的静态功率密度为70W/mm2，所述扫描的速度是以点加热时间为0. 55秒进行 扫描。实施例4将54重量份纳米氮化硅、9重量份硅烷偶联剂A-1100 (购于美国联合碳化物公 司)、2重量份纳米Y203、2重量份纳米CeO2和16重量份松香树脂DS-896 (购于广州雷幅科 技有限公司)放入超声波分散仪的分散槽中(分散槽的容积为激光陶瓷合金涂料体积的2 倍)，将1667重量份丙酮(工业纯)倒入分散槽中，盖上分散槽的不锈钢盖；启动超声波分 散仪，分散搅拌反应70分钟，得到浅灰色乳液状的激光陶瓷合金涂料；分散过程中使用833 重量份丙酮(工业纯)进行温度调节，将温度控制在80°C以下，在分散搅拌反应结束前18 分钟将丙酮全部倒入分散槽中。制备过程要求在通风环境下进行。采用上述所得激光陶瓷合金涂料制备激光陶瓷合金化部件，制备包括以下操作步 骤(1)将待处理的金属部件(外圆直径为40mm、厚度为IOmm的45#钢圆环)的表面
清理干净，去油污，去铁锈；(2)用刷涂法或喷涂法将激光陶瓷合金涂料涂布到待处理的金属部件的表面，涂 布厚度为0.01mm，要求厚薄均勻，不堆积，也不过薄而明显见到基体；(3)采用CO2激光器发出的激光扫描涂布有激光陶瓷合金涂料的金属部件的表面， 得到激光陶瓷合金化部件Tl ；所述激光扫描使用聚焦矩形光斑；光斑要求均勻，无孔洞，无 缺口 ；所述光斑的静态功率密度为80W/mm2，所述扫描的速度是以点加热时间为0. 58秒进 行扫描。而后在光学显微镜上观察，结果如图1所示。实施例5将51重量份纳米氮化硅、8重量份硅烷偶联剂KBM-903 (购于日本信越化学工业株 式会社)、3重量份纳米Y203、1重量份纳米CeO2和19重量份松香树脂DS-896 (购于广州雷 幅科技有限公司)放入超声波分散仪的分散槽中(分散槽的容积为激光陶瓷合金涂料体积 的2.5倍)，将1667重量份丙酮(工业纯)倒入分散槽中，盖上分散槽的不锈钢盖；启动超 声波分散仪，分散搅拌反应90分钟，得到浅灰色乳液状的激光陶瓷合金涂料；分散过程中使用833重量份丙酮(工业纯)进行温度调节，将温度控制在80°C以下，在分散搅拌反应结 束前12分钟将丙酮全部倒入分散槽中。制备过程要求在通风环境下进行。采用上述所得激光陶瓷合金涂料制备激光陶瓷合金化部件，制备包括以下操作步 骤(1)将待处理的金属部件(外圆直径为40mm、厚度为IOmm的45#钢圆环)的表面
清理干净，去油污，去铁锈；(2)用刷涂法或喷涂法将激光陶瓷合金涂料涂布到待处理的金属部件的表面，涂 布厚度为0. 03mm，要求厚薄均勻，不堆积，也不过薄而明显见到基体；(3)采用CO2激光器发出的激光扫描涂布有激光陶瓷合金涂料的金属部件的表面， 得到激光陶瓷合金化部件T2 ；所述激光扫描使用积分宽带光斑；光斑要求均勻，无孔洞，无 缺口 ；所述光斑的静态功率密度为80W/mm2，所述扫描的速度是以点加热时间为0. 52秒进 行扫描。实施例6 磨损试验将两个外圆直径为40mm、厚度为IOmm的45#钢圆环分别进行激光表面淬火，得到 激光淬火试样，分别编号为Cl和C2 ；以实施例4所得Tl和实施例5所得T2为激光陶瓷合
金化试样。试验条件磨损试验在M-200型磨损试验机上进行，采用两轮对滚，滚动加滑动的试验。试验方法下轮转速为400转/分，上轮转速为360转/分钟，相对滑动速度为5 米/分钟，正压力为15Kgf(147N)，干磨，磨损时间均为10小时。试验结果试验结果见表1所示。表1磨损试验结果 磨损试验结果分析从磨损试验结果可看出，在同等的磨损条件下，45钢经过陶 瓷表面合金化处理的试样耐磨性能明显优于只经过激光表面淬火的试样。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含 本发明的保护范围之内。
权利要求
一种激光陶瓷合金涂料，其特征在于该激光陶瓷合金涂料由以下按重量份数计的组分组成纳米氮化硅50～55份硅烷偶联剂8～9份纳米Y2O3 2～3份纳米CeO2 1～2份丙酮 2500～2600份松香树脂DS-89615～20份。
2.根据权利要求1所述的一种激光陶瓷合金涂料，其特征在于所述硅烷偶联剂为 HG-560、HG-550、HG-570、A-1100 或 KBM-903。
3.根据权利要求1所述的一种激光陶瓷合金涂料的制备方法，其特征在于包括以下操 作步骤将纳米氮化硅、硅烷偶联剂、纳米Y203、纳米Ce02和松香树脂DS-896放入超声波分 散仪的分散槽中，将三分之二重量的丙酮倒入分散槽中，盖上分散槽的槽盖；启动超声波分 散仪，分散搅拌反应40 90分钟，得到激光陶瓷合金涂料；分散过程中使用余下三分之一 重量的丙酮进行温度调节，将温度控制在80°C以下，在分散搅拌反应结束前10 20分钟， 将丙酮全部倒入分散槽中。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述分散槽的容积为激光陶瓷合金 涂料体积的2 2. 5倍；所述分散槽的槽盖是具有良好导热性的金属盖。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述分散槽的槽盖是不锈钢盖。
6.一种由权利要求1所述的激光陶瓷合金涂料制备而成的激光陶瓷合金化部件。
7.根据权利要求6所述的激光陶瓷合金化部件的制备方法，其特征在于包括以下操作 步骤(1)将待处理的金属部件的表面清理干净；(2)用刷涂法或喷涂法将激光陶瓷合金涂料涂布到待处理的金属部件的表面，涂布厚 度为 0. 01 0. 03mm ；(3)采用激光扫描涂布有激光陶瓷合金涂料的金属部件的表面，得到激光陶瓷合金化 部件；所述激光扫描使用积分宽带光斑或聚焦矩形光斑，所述光斑的静态功率密度为70 80W/mm2，所述扫描的速度是以点加热时间为0. 5 0. 6秒进行扫描。
8.根据权利要求7所述的激光陶瓷合金化部件的制备方法，其特征在于步骤(1)所 述清理干净是将待处理的金属部件的表面去油污去铁锈。
9.根据权利要求7所述的激光陶瓷合金化部件的制备方法，其特征在于步骤(3)所 述激光是采用C02激光器发出。纳米氮化硅 硅烷偶联剂 纳米y20350 55份 8 9份 2 3份 1 2份纳米Ce02 丙酮 2500 2600 份
全文摘要
本发明公开了一种激光陶瓷合金涂料及其制备方法和应用。该激光陶瓷合金涂料由以下按重量份数计的组分组成纳米氮化硅50～55份、硅烷偶联剂8～9份、纳米Y2O32～3份、纳米CeO21～2份、丙酮2500～2600份和松香树脂DS-896 15～20份。该激光陶瓷合金涂料可应用于制备激光陶瓷合金化部件。采用本涂料作为金属材料工件激光强化的吸光涂料可提高工件的耐磨性能；采用本涂料进行金属材料激光淬火吸光预处理，与激光淬火目前所采用的黑涂料、灰涂料和磷化吸光预处理相比，耐磨性能可提高一倍；与未经淬火的工件相比，耐磨性能可提高一倍，涂料成本低于0.03元/cm2。
文档编号C23C24/08GK101880483SQ201010187680
公开日2010年11月10日 申请日期2010年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者冯荣元 申请人:广州富通光科技术有限公司;广州市富通激光有限公司