CN102500912B - 利用超声纳米焊接方法对金属进行表面改性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用超声纳米焊接方法对金属进行表面改性的方法，属纳米材料技术领域。该方法包括如下步骤：清洁金属需处理区表面；在清洁后的金属表面涂覆纳米粉末材料；对金属表面的纳米粉末材料施加超声纳米焊接方法，得到改性的金属表面。本发明方法操作简单，焊接参数易控。纳米材料与金属基底的焊接区域形成局部互溶体，界面浸润性好，增强了机械结合，有利于充分发挥纳米材料的增强功能；纳米材料在金属表面分布致密均匀，表面光洁，无裂纹和气孔。

Description

利用超声纳米焊接方法对金属进行表面改性的方法

技术领域

本发明涉及一种超声纳米加工技术，尤其涉及一种利用超声纳米焊接方法对金属进行表面改性的方法，属纳米材料技术领域。

背景技术

现代工业的发展对金属材料的要求越来越苛刻，特别是高强度、耐摩擦的金属表面在航天和军事工业中有非常重要的应用。另外，金属表面的氧化和腐蚀不仅造成设备的破坏和材料的浪费，而且带来环境的污染。纳米陶瓷材料由于具有耐磨、耐蚀、高硬度等特点在金属材料改性方面具有广阔的应用前景。传统金属通过表面改性，金属的强度、硬度、耐摩擦及耐腐蚀性能有显著提高。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利“金属表面的纳米涂层工艺”(申请号：200510061928.1，公开号：CN 1807685A)，介绍了一种金属表面的纳米涂层工艺，该专利自述为“根据涂层面积选择相应光斑的激光束进行熔覆处理，并同时对激光熔覆处理区域进行同步的惰性气体保护”，利用该方法可以实现机械装备关键部件性能的提升和易腐易磨报废零部件的修复再生利用，但其所述的大功率高能量激光束较难获得且价格昂贵。中国专利“一种金属表面改性方法”(申请号：200810055540.4，公开号：CN 101338429A)公开了在金属表面磁泳沉积碳纳米管悬浮层，通过压轧冷嵌等步骤获得改性的金属的方法，但碳纳米管与金属的界面浸润性不好、结合强度较低。其他的金属表面改性的方法，如高速电弧喷涂、纳米电镀、电化学复合镀、物理及化学气相沉积等，大部分方法是将纳米粒子机械混合到涂层中，存在技术手段复杂、涂层结合强度差、性能提高不明显等问题。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种新的、技术手段简单的金属表面改性方法，使得经过改性后的金属表面强度高、性能好。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能使改性后的金属表面强度高、性能好的金属表面改性的方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用超声纳米焊接方法对金属进行表面改性的方法。本发明利用高频超声波能量焊接预置于金属表面的纳米颗粒，使纳米颗粒成为金属表面增强相，从而提高金属的表面强度及耐摩擦和耐腐蚀性能。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明的对金属进行表面改性的方法是利用超声纳米焊接方法进行的，包含以下步骤：

步骤一，清洁金属需处理区表面；优选用酒精或丙酮等易挥发的有机溶剂进行清洗处理所述金属的表面；

步骤二，在清洁后的金属表面涂覆纳米粉末材料；

步骤三，对金属表面的纳米粉末材料施加超声纳米焊接方法，得到改性的金属表面。

在本发明的方法中，优选在步骤二涂覆完毕后将涂覆后的金属烘干；然后再施加超声纳米焊接方法。

在本发明的方法中，优选所述金属为铝、钛、铝合金或钛合金。通过实验发现，使用铝合金、钛合金或不纯的铝片、钛片都可以达到相同的效果，因此，在本发明的方法中，对于选择的金属材料的纯度没有特别的要求。

在本发明的方法的优选实施方案中，所述纳米粉末材料为碳化硅、氧化铝、金刚石、氮化铝和氧化硅中的一种。更优选，本发明的方法中所用纳米粉末材料的粒径为1-1000nm。

本发明的方法中，金属表面的涂层厚度可根据需要选择，没有特别限制。

在本发明的方法中，步骤二中所述涂覆纳米粉末材料的方法是丝网印刷、电泳沉积、静电喷雾法、旋涂法、喷雾法、提拉法和LB法的一种。LB法是1935年由朗缪尔(Langmular)和他的学生布洛杰特(Blodgett)建立起来的一种涂覆技术的通称。在本发明的方法中，对于所述涂覆纳米粉末的方法没有特别限制，本领域技术人员可以容易地选择合适的方法将纳米粉末涂覆于所述金属表面。

本发明的方法的一个优选实施方式中，所选用的印刷浆料是使用掺有碳化硅颗粒的乙基纤维素溶液。在本发明的方法的具体实施中，可以选择浓度为10％(重量)的上述溶液。由于实施过程中，溶剂会完全挥发，因此，溶液浓度的选择对于本发明的方法的效果并没有实质的影响。

通常，涂覆完毕后将涂覆后的金属烘干，对于烘干条件没有特别的限制，只要烘干时不破坏涂覆后的金属即可。

在本发明的方法中，所述超声纳米焊接方法为在高频超声波能量的作用下，通过焊头与金属表面接触，使纳米材料与所述金属焊接在一起。在本发明的具体实施中，是将涂覆后的金属置于工作台上，对焊头施加一定压力，使焊头与涂覆后的金属紧密接触，在超声波能量的作用下，纳米材料便可与金属进行焊接。

优选本发明的方法所用的焊接参数为：金属或陶瓷焊头，焊头的面积为1～100mm²，超声焊接方法频率为20～1000kHz，压力为0.1～0.9MPa，焊接功率为1-2000W。

本发明使用数字式显微硬度仪测试金属表面显微硬度，通常测试是在室温下进行的。在本发明的优选实施例中，经本发明的方法处理后得到的碳化硅表面显微硬度由处理前的70HV增大到处理后的130HV；经本发明的方法处理后得到的金刚石表面显微硬度由处理前的90HV增大到处理后的160HV。由于金属表面焊接了氧化铝、碳化硅、金刚石等纳米粉末，经本发明的方法处理后的金属表面增强了机械结合强度及耐摩擦性能。此外，通过用稀酸做的耐腐蚀试验还发现经本发明的方法处理后，耐腐蚀性比处理之前变好。因此，经本发明的方法改性后的金属表面具备硬度高、耐摩擦、耐腐蚀等特点。

本发明的方法与现有技术相比具有如下优点：

1、利用超声纳米焊接方法，在纳米材料与金属基底的焊接区域形成局部互溶体，界面浸润性好，增强了机械结合，有利于充分发挥纳米材料的增强功能；

2、纳米材料在金属表面分布致密均匀，表面光洁，无裂纹和气孔；

3、操作简单，焊接参数易控，可大批量生产。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例(实施例1)制得的改性的金属表面的扫描电子显微镜(SEM)图片。从图中可以看出，通过对金属表面的纳米粉末材料施加超声纳米焊接方法改性后，纳米粉末材料在金属表面分布致密均匀，表面光洁，无裂纹和气孔。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合优选的具体实施例进一步阐述本发明，但应理解这些实施并不是限制本发明的范围，在不违背本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可对本发明作出改变和改进以使其适合不同的使用情况、条件及实施方案。

在本发明的实施例中，所选用的铝片、钛片、铝合金或钛合金均为市售产品，对于金属基底材料没有特别的限制。

在本发明的实施例中，使用的金属基底材料的样品大小为5cm×5cm。

所选用的纳米粉末材料的粒径为：300-500nm。

所选用的测试金属表面显微硬度的仪器为上海泰明公司生产的数字式显微硬度仪，其测试数据是在室温下进行测量得到的。

实施例1

步骤一，使用乙醇清洗铝片(纯度为99.99％，厚度为500微米)的表面；

步骤二，利用丝网印刷方法在铝片表面均匀涂覆碳化硅颗粒，粒径为约500nm，印刷浆料使用掺有碳化硅颗粒的乙基纤维素溶液，浓度为：10％(重量)，涂层厚度为5微米。涂覆完毕后将样品在200℃退火3h烘干；

步骤三，将烘干后的丝网印刷样品进行超声纳米焊接方法，超声频率为20kHz，压力为0.4MPa，陶瓷焊头，焊接功率为10W，经焊接后，得到改性的碳化硅表面。

经测试，经表面改性处理后的铝片的碳化硅表面显微硬度由处理前的70HV增大到处理后的130HV。

实施例2

步骤一，使用丙酮清洗铝合金(厚度为300微米)的表面；

步骤二，利用旋涂方法在铝合金表面均匀涂覆氧化铝颗粒，粒径为约400nm，先将氧化铝颗粒在丙酮中超声分散10min，再用转速设置为1000rpm的甩胶机将分散好的氧化铝的丙酮溶液滴在清洗后的铝合金表面，使氧化铝颗粒均匀分布在铝合金表面，涂层厚度为2微米。涂覆完毕后将样品烘干150℃退火5h烘干。

步骤三，将烘干后的旋涂样品进行超声纳米焊接方法，超声频率为100kHz，压力为0.6MPa，陶瓷焊头，焊接功率为200W，经焊接后，得到改性的碳化硅表面。

经测试，经表面改性处理后的铝合金的氧化铝表面显微硬度由处理前的70HV增大到处理后的120HV。

实施例3

步骤一，使用乙醇清洗钛片(纯度为：90％，厚度为400微米)的表面；

步骤二，利用丝网印刷方法在钛片表面均匀涂覆碳化硅颗粒，粒径为约300nm，涂层厚度为10微米。印刷浆料使用掺有碳化硅颗粒的乙基纤维素溶液，浓度为：10％(重量)。涂覆完毕后将样品在300℃退火2h烘干；

步骤三，将烘干后的钛片样品进行超声纳米焊接方法，超声频率为1000kHz，压力为0.9MPa，硬质合金焊头，焊接功率为2000W，经焊接后得到改性的碳化硅表面。

经测试，经表面改性处理后得到的钛片的碳化硅表面显微硬度由处理前的90HV增大到处理后的150HV。

实施例4

步骤一，使用甲醇清洗钛合金(厚度为500微米)的表面；

步骤二，利用喷雾法方法在钛合金样品表面均匀涂覆金刚石颗粒，粒径为约400nm，涂层厚度为5微米。涂覆完毕后将钛合金喷雾样品直接在60℃烘干；

步骤三，将烘干后的钛合金喷雾样品进行超声纳米焊接方法，超声频率为300kHz，压力为0.3MPa，陶瓷焊头，焊接功率为800W，经焊接后得到改性的金刚石表面。

经测试，经表面改性处理后的钛合金的改性金刚石表面显微硬度由处理前的90HV增大到处理后的160HV。

实施例5

步骤一，使用丙酮清洗铝合金(厚度为400微米)的表面；

步骤二，利用提拉法在铝合金表面均匀涂覆氧化硅颗粒，粒径为约300nm，涂层厚度为6微米。涂覆完毕后将样品直接在70℃烘干；

步骤三，将烘干后的提拉法铝合金样品进行超声纳米焊接方法，超声频率为900kHz，压力为0.4MPa，陶瓷焊头，焊接功率为1500W，经焊接后得到改性的氧化硅表面。

经测试，经表面改性处理后的铝合金的改性氧化硅表面显微硬度由处理前的70HV增大到处理后的125HV。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种对金属进行表面改性的方法，其特征在于，所述对金属进行表面改性的方法是利用超声纳米焊接方法进行的，包括以下步骤：

步骤一，清洁金属需处理区表面；

步骤二，在清洁后的金属表面涂覆纳米粉末材料，涂覆完毕后对样品进行退火处理；

步骤三，对金属表面的纳米粉末材料采用超声纳米焊接方法，通过焊头与所述金属表面接触，使所述纳米粉末材料焊接在所述金属上，以得到改性的金属表面；其中，所述焊头为金属或陶瓷超声焊头，形状为滚轮形，面积为1～100mm²。

2.如权利要求1所述对金属进行表面改性的方法，其特征在于，所述金属为铝、钛、铝合金或钛合金。

3.如权利要求1或2所述对金属进行表面改性的方法，其特征在于，步骤一中所述清洁是用易挥发的有机溶剂清洗处理所述金属的表面。

4.如权利要求1所述对金属进行表面改性的方法，其特征在于，步骤二中所述纳米粉末材料为碳化硅、氧化铝、金刚石、氮化铝或氧化硅。

5.如权利要求1或4所述对金属进行表面改性的方法，其特征在于，步骤二中所述纳米粉末材料的粒径为1-1000nm。

6.如权利要求1所述对金属进行表面改性的方法，其特征在于，步骤二中所述涂覆纳米粉末材料的方法为丝网印刷、电泳沉积、静电喷雾法、旋涂法、喷雾法、提拉法或LB法。

7.如权利要求1所述对金属进行表面改性的方法，其特征在于，步骤三中所述超声纳米焊接方法的超声频率为20～1000kHz，焊接压力为0.1～0.9MPa，焊接功率为1-2000W。