CN103992669A - 一种基于KAl2(AlSi3O10)(OH)2制备的新型光热转换涂料 - Google Patents

一种基于KAl2(AlSi3O10)(OH)2制备的新型光热转换涂料 Download PDF

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Abstract

发明专利涉及到一种基于KAl2(AlSi3O10)(OH)2粉体制备的新型光热转换涂料，主要粉体采用2000目～3000目的超细云母粉作为骨料(主要成分为KAl2(AlSi3O10)(OH)2)；氧化铬(Cr2O3)作为辅料；水玻璃(Na2SiO3·H2O)作为粘合剂；磷酸铁(FePO4)、氧化锌(ZnO)、硼砂(Na2B4O7.10H2O)作为添加剂组成混合粉体。溶剂组分为：乙醇(C6H12O6)，去离子水(H2O)，联接剂缩水甘油醚类环氧树脂三种；如上所述的溶剂与混合粉体混合重量比为7∶3～9∶1之间。本发明的有益效果是：克服了水基／醇基涂料中粉体的悬浮性、均匀性难题；涂覆后成膜紧密均匀；全封闭的制粉方式，对环境污染极小；涂层对激光的吸收率较高；新型涂料能够较好的在工件表面上成膜均匀，粘着力强，膜内粉料之间的内聚力较强；表面残余涂层易于清理。

Description

一种基于KAl2(AlSi3O10)(OH)2制备的新型光热转换涂料
技术领域本发明专利涉及到一种工程材料的表面改性涂覆材料，尤其是一种应用于二氧化碳激光进行材料的表面热处理的光热转换涂料。
背景技术激光在材料加工中有能量传递方便集中且加工效率高、无污染的显著优点。采用大功率密度的激光束以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却，使金属材料表面在瞬间(毫秒甚至微秒级)被加热或熔化后高速冷却，来实现其表面改性的工艺方法得到了广泛的应用。表面处理后使材料表面形成有一定厚度的能与本体冶金结合的、含有高度弥散的均匀细小的、具有极好的耐磨及耐蚀性的工作层。目前采用激光表面改性的应用领域主要包括激光硬化(激光淬火)、激光表面合金化、激光熔覆等。这些方法的目的和应用都是为了使工作面(各种钢材及铸铁零件表面)获得基材无法达到或者需要太大代价才能得到的高硬度、高耐磨性以及高耐腐蚀性等性能，从而实现既节约成本，又满足工作要求的目的。
基于激光表面改性技术的应用领域，均为对不同材质的钢材的表面处理。其核心是将光能转化为热能。这就要求被处理的钢材对激光的反射率要非常低，才能达到高效节能的目的。通过检索文献，对各种不同材质的导电性良好的钢材吸收激光的效率进行分析，我们发现绝大多数导电性良好的金属表面对CO2激光反射率高达90％以上，阻碍了激光作为高能密度热源在热处理中的应用。为了提高金属表面对激光的吸收率，需要在采用激光表面改性热处理的金属表面进行涂覆对激光吸收性能良好的一层光热转换层，以增强金属材料对激光的吸收，提高表面改性热处理的效率。
经检索文献相关文献，目前主要对被处理材料的表面预处理采用的主要工艺有如下几种：(1)磷化法工艺法；(2)黑漆(86-1型黑漆)法；(3)石墨加氧化物法；(4)SiO2型涂料法；(5)Nextel101涂料，胶体涂料法。经实验研究与实践使用证明，采用上述方案能够起到一定的效果，但均存在在不少的涂覆工序复杂或价格较贵的缺点。
针对光热转换涂层相关专利的检索，发明专利：200810228064.1一种激光表面改性用新型光热转换涂料，该专利中提及到骨料为膨润土(主要成分为蒙脱石：Al2O3·4SiO2·3H2O)。该发明在实际使用过程中存在涂料中微粒的悬浮时间不够长的缺点。
综合上述分析，发明一种新型的价格低廉并且对激光吸收率较高的，同时能够保证涂料的悬浮微粒能够在正常使用周期内保持均匀分散的悬浊状态的光热转换涂料，对促进激光表面改性技术的推广意义重大。
发明内容本发明旨在解决现有光热转换层的诸多不足，如涂层经激光处理后在工件表面晶间出现微裂纹，工件表面粗糙度增加，释放有害气体等缺点。旨在开发一种既能增强基体材料对激光的吸收率，使吸收率达到95％以上，又能同步完成表面合金化的的光热转换新涂层。
本发明专利解决其技术问题所采用的方案是：一种基于KAl2(AlSi3O10)(OH)2制备的新型光热转换涂料，主要粉体采用2000目～3000目的超细云母粉，其主要成分为KAl2(AlSi3O10)(OH)2，作为骨料；氧化铬(Cr2O3)作为辅料；水玻璃(Na2SiO3·H2O)作为粘合剂；磷酸铁(FePO4)、氧化锌(ZnO)、硼砂(Na2B4O7.10H2O)作为添加剂组成混合粉体。将混合粉体采用气流磨磨至粒度为2000目～3000目的超细粉体，将粉体与溶剂按一定比例混合均匀，工件表面热处理前涂覆该悬浊液于待处理金属材质的表面。
其中，如上所述的溶剂组分为：乙醇(C6H12O6)，去离子水(H2O)，联接剂缩水甘油醚类环氧树脂三种；按体积分数比∶乙醇(C6H12O6)30～40％，去离子水(H2O)40～50％，联接剂为占10～30％的缩水甘油醚类环氧树脂。
如上所述的混合粉体组分为：超细云母粉，主要成分为KAl2(AlSi3O10)(OH)2，其添加量占混合粉体总重量的85～95wt％；氧化铬(Cr2O3)其添加量占混合粉体总重量的5～10wt％；水玻璃(Na2SiO3·H2O)其添加量占混合粉体总重量的3～6wt％；磷酸铁(FePO4)其添加量占混合粉体总重量的1～3wt％、氧化锌(ZnO)其添加量占混合粉体总重量的1～3wt％、硼砂(Na2B4O7.10H2O)其添加量占混合粉体总重量的1～8wt％。
如上所述的溶剂与混合粉体混合比例范围为∶溶剂总重量／混合粉体总重量介于7∶3～9∶1之间。混和粉料与混合溶剂采用球磨机湿混球磨2h。
本发明专利的有益效果是：
经过实验结果分析比较，本发明专利解决了已有的激光表面处理用涂料的有关难题，有显著的效果。克服了目前已有相关技术中存在的水基／醇基涂料中粉体的悬浮性，均匀性难题。由于骨料的主要成分为KAl2(AlSi3O10)(OH)2，使得该水基／醇基涂料种富含有K+离子。离子所带的电性，增加了超细粉粒的悬浮时间。本发明专利悬浮时间达到20～24小时，满足实际处理工件工艺要求，且涂覆在工件表面的均匀性良好，涂覆后成膜紧密均匀。采用的超细云母粉，主要成分为KAl2(AlSi3Om)(OH)2，为一种较为廉价的矿石粉料，且加工过程采用气流磨全封闭的制粉方式，对环境污染极小。涂层对激光的吸收率较高，经实验检验，涂层对激光的吸收率达到95％，这比传统的碳黑涂层吸收率68.8％高20多个百分点。新型涂料能够较好的在工件表面上成膜均匀，粘着力强，膜内粉料之间的内聚力较强；溶剂配方利于涂敷和成膜，且能在2～3分钟内完全干透，满足多层涂覆的实际工艺要求，经激光处理，表面残余涂层易于清理。
附图说明
图1所示为本发明专利的新型光热转换涂料制备流程示意图。
具体实施方式：
实施例1：采用2000目～3000目的超细云母粉，其主要成分为KAl2(AlSi3O10)(OH)2，作为骨料；氧化铬(Cr2O3)作为辅料；水玻璃(Na2SiO3·H2O)作为粘合剂；磷酸铁(FePO4)、氧化锌(ZnO)、硼砂(Na2B4O7.10H2O)作为添加剂组成混合粉体。将混合粉体采用气流磨磨至粒度为2000目～3000目的超细粉体，将粉体与溶剂按一定比例混合均匀，工件表面热处理前涂覆该悬浊液于待处理金属材质的表面。
其中，如上所述的溶剂组分为：乙醇(C6H12O6)，去离子水(H2O)，联接剂缩水甘油醚类环氧树脂三种；按体积分数比∶乙醇(C6H12O6)40％，去离子水(H2O)50％，联接剂缩水甘油醚类环氧树脂10％。
如上所述的混合粉体组分为：超细云母粉，主要成分为KAl2(AlSi3O10)(OH)2，其添加量占混合粉体总重量的85wt％；氧化铬(Cr2O3)其添加量占混合粉体总重量的7wt％；水玻璃(Na2SiO3·H2O)其添加量占混合粉体总重量的3wt％；磷酸铁(FePO4)其添加量占混合粉体总重量的1wt％、氧化锌(ZnO)其添加量占混合粉体总重量的1wt％、硼砂(Na2B4O7.10H2O)其添加量占混合粉体总重量的3wt％。
如上所述的溶剂与混合粉体混合比例为∶溶剂总重量／混合粉体总重量=8∶1，混和粉料与混合溶剂采用球磨机湿混球磨2h。
本发明专利悬浮时间达到20～24小时，且涂覆在工件表面的均匀性良好，涂覆后成膜紧密均匀。涂料能够较好的在工件表面上成膜均匀，粘着力强，膜内粉料之间的内聚力较强；溶剂配方利于涂敷和成膜，且在涂刷后能在2～3分钟内完全干透，满足多层涂覆的实际工艺要求，经激光处理，表面残余涂层易于清理。
将上述涂料涂敷于工件(2Cr13材质，尺寸为30mm*30mm*10mm)表面。涂敷厚度45～60μm，淬火激光工艺参数为：功率2800W，扫描速度10mm／s，功率密度0.495*104J／cm2。淬火处理后经DMH-2LS型显微硬度计检测，采用载荷25g，加载时间15s。实验结果表明：样块显微硬度由586HK变为1085.9HK，淬硬深度达到0.75mm。
实施例2：采用2000目～3000目的超细云母粉，其主要成分为KAl2(AlSi3O10)(OH)2，作为骨料；氧化铬(Cr2O3)作为辅料；水玻璃(Na2SiO3·H2O)作为粘合剂；磷酸铁(FePO4)、氧化锌(ZnO)、硼砂(Na2B4O7.10H2O)作为添加剂组成混合粉体。将混合粉体采用气流磨磨至粒度为2000目～3000目的超细粉体，将粉体与溶剂按一定比例混合均匀，工件表面热处理前涂覆该悬浊液于待处理金属材质的表面。
其中，如上所述的溶剂组分为：乙醇(C6H12O6)，去离子水(H2O)，联接剂缩水甘油醚类环氧树脂三种；按体积分数比∶乙醇(C6H12O6)55％，去离子水(H2O)40％，联接剂缩水甘油醚类环氧树脂5％。
如上所述的混合粉体组分为：超细云母粉，主要成分为KAl2(AlSi3O10)(OH)2，其添加量占混合粉体总重量的80wt％；氧化铬(Cr2O3)其添加量占混合粉体总重量的8wt％；水玻璃(Na2SiO3·H2O)其添加量占混合粉体总重量的4wt％；磷酸铁(FePO4)其添加量占混合粉体总重量的2wt％、氧化锌(ZnO)其添加量占混合粉体总重量的2wt％、硼砂(Na2B4O7.10H2O)其添加量占混合粉体总重量的4wt％。
如上所述的溶剂与混合粉体混合比例为∶溶剂总重量／混合粉体总重量=8.5∶1，混和粉料与混合溶剂采用球磨机湿混球磨2h。
本发明专利悬浮时间达到20～24小时，且涂覆在工件表面的均匀性良好，涂覆后成膜紧密均匀。涂料能够较好的在工件表面上成膜均匀，粘着力强，膜内粉料之间的内聚力较强；溶剂配方利于涂敷和成膜，且在涂刷后能在2～3分钟内完全干透，满足多层涂覆的实际工艺要求，经激光处理，表面残余涂层易于清理。
将上述涂料涂敷于工件(45号钢材材质，尺寸为30mm*30mm*10mm)表面。涂敷厚度45～60μm，淬火激光工艺参数为：功率2800W，扫描速度10mm／s，功率密度0.495*104J／cm2。淬火处理后经DMH—2LS型显微硬度计检测，采用载荷25g，加载时间15s。实验结果表明：样块显微硬度由542.4HK变为735.9HK，淬硬深度达到0.55mm。
实施例3：采用2000目～3000目的超细云母粉，其主要成分为KAl2(AlSi3O10)(OH)2，作为骨料；氧化铬(Cr2O3)作为辅料；水玻璃(Na2SiO3·H2O)作为粘合剂；磷酸铁(FePO4)、氧化锌(ZnO)、硼砂(Na2B4O7.10H2O)作为添加剂组成混合粉体。将混合粉体采用气流磨磨至粒度为2000目～3000目的超细粉体，将粉体与溶剂按一定比例混合均匀，工件表面热处理前涂覆该悬浊液于待处理金属材质的表面。
其中，如上所述的溶剂组分为：乙醇(C6H12O6)，去离子水(H2O)，联接剂缩水甘油醚类环氧树脂三种；按体积分数比∶乙醇(C6H12O6)45％，去离子水(H2O)44％，联接剂缩水甘油醚类环氧树脂11％。
如上所述的混合粉体组分为：超细云母粉，主要成分为KAl2(AlSi3O10)(OH)2，其添加量占混合粉体总重量的82wt％；氧化铬(Cr2O3)其添加量占混合粉体总重量的10wt％；水玻璃(Na2SiO3·H2O)其添加量占混合粉体总重量的3wt％；磷酸铁(FePO4)其添加量占混合粉体总重量的1wt％、氧化锌(ZnO)其添加量占混合粉体总重量的1wt％、硼砂(Na2B4O7.10H2O)其添加量占混合粉体总重量的3wt％。
如上所述的溶剂与混合粉体混合比例为∶溶剂总重量／混合粉体总重量=8.3∶1，混和粉料与混合溶剂采用球磨机湿混球磨2h。
本发明专利悬浮时间达到20～24小时，且涂覆在工件表面的均匀性良好，涂覆后成膜紧密均匀。涂料能够较好的在工件表面上成膜均匀，粘着力强，膜内粉料之间的内聚力较强；溶剂配方利于涂敷和成膜，且在涂刷后能在2～3分钟内完全干透，满足多层涂覆的实际工艺要求，经激光处理，表面残余涂层易于清理。
将上述涂料涂敷于工件(Cr15材质，尺寸为30mm*30mm*10mm)表面。涂敷厚度45～60μm，淬火激光工艺参数为：功率2800W，扫描速度10mm／s，功率密度0.495*104J／cm2。淬火处理后经DMH—2LS型显微硬度计检测，采用载荷25g，加载时间15s。实验结果表明：样块显微硬度由576.3HK变为1125.9HK，淬硬深度达到0.65mm。

Claims (3)

1.一种基于KAl2(AlSi3O10)(OH)2制备的新型光热转换涂料，其特征在于：涂料包括混合粉体和溶剂两部分；混合粉体的组成包括超细云母粉，其主要成分为KAl2(AlSi3O10)(OH)2作为骨料，氧化铬(Cr2O3)作为辅料，水玻璃(Na2SiO3·H2O)作为粘合剂，磷酸铁(FePO4)、氧化锌(ZnO)、硼砂(Na2B4O7.10H2O)作为添加剂，其中超细云母粉添加量占混合粉体总重量的85～95wt％，氧化铬(Cr2O3)添加量占混合粉体总重量的5～10wt％，水玻璃(Na2SiO3·H2O)添加量占混合粉体总重量的3～6wt％，磷酸铁(FePO4)添加量占混合粉体总重量的1～3wt％、氧化锌(ZnO)添加量占混合粉体总重量的1～3wt％、硼砂(Na2B4O7.10H2O)添加量占混合粉体总重量的1～8wt％；溶剂组分为：乙醇(C6H12O6)，去离子水(H2O)，联接剂缩水甘油醚类环氧树脂三种，其中体积比为乙醇(C6H12O6)30～40％、去离子水(H2O)40～50％、联接剂缩水甘油醚类环氧树脂10～30％；溶剂与混合粉体重量配比范围为∶溶剂总重量／混合粉体总重量介于7∶3～9∶1之间。
2.根据权利要求1所述的一种基于KAl2(AlSi3O10)(OH)2制备的新型光热转换涂料，其特征在于超细云母粉粉料粒度在2000目～3000目。
3.根据权利要求1所述的一种基于KAl2(AlSi3O10)(OH)2制备的新型光热转换涂料，其特征在于混和粉料与混合溶剂采用球磨机湿混球磨2h。
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