CN107217224A - 一种金属材料表面的改性方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属材料表面的改性方法，包括以下步骤：一、采用电子束对被处理的金属表面进行毛化；二、利用惰性气体吹送，对形成的凹坑金属表面喷涂合金粉末材料；三、取以含铁催化剂催化化学气相沉积法制备碳纳米管原料，研磨后取环氧树脂和二甲苯溶剂混合调制复合层基体物，再将研磨好的碳纳米管原料和调制好的复合层基体物按照重量比0.5∶1的比例混合形成溶融物；四、将溶融物敷于金属表面，使金属表面得到厚度在2‑4mm的含有碳纳米管的悬浮层，再将金属引入磁场进行磁泳沉积，形成含有定向碳纳米管悬浮层；五、再对悬浮层进行压制成型即可。本发明生产原料成本低廉、工艺过程简单易控，设备投资少，适于连续批量生产。

Description

一种金属材料表面的改性方法
技术领域
本发明属于金属材料的表面处理技术领域，具体涉及一种金属材料表面的改性方法。
背景技术
金属表面的氧化、腐蚀不仅带给我们是设备的破坏及材料的大量浪费，而且还带来环境的污染。金属表面具有更好的抗拉、抗压及抗折能力和良好的耐磨性质、抗氧化、自润滑性意味着材料消耗更少，更利于环保。
碳纳米管由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，碳纳米管具有很强的抗拉、抗压及抗折能力。碳纳米管的拉伸强度是钢的100倍左右，其弹性模量可高达与金刚石的弹性模量相同，约为钢的5倍，其弹性应变约为5％，最高可达12％，约为钢的60倍，而密度仅为钢的1/6-1/7。碳纳米管具有优异的物理、化学、力学性能。如：高耐磨性、高热稳定性和耐腐蚀性，无论是强度还是韧性，都远远优于任何纤维材料。将碳纳米管作为复合材料增强体，可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性。
目前，采用碳纳米管参与金属表面改性的方法一般分为两类，一类是在金属基体上直接生长定向和非定向的碳纳米管层，该方法以处理过的铝膜为过渡层采用化学气相沉积在不锈钢基底上制备尺寸均匀的碳纳米管束，这类方法需要较高的温度、规定的保护性气氛，工艺、设备较为复杂。另一类是以碳纳米管悬浮液为基础，采用电镀的方法制备碳纳米管复合镀层。还有采用电化学沉积方法及化学镀沉积制备复合镀层以及化学共沉积的方法。这一类方法镀层耐磨性、硬度、厚度、致密度及碳纳米管的分散混匀程度及在复合镀层中的形式和其他元素的结合力有关，控制因素较多，并且未能使得镀层中的碳纳米管有序定向排列。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属材料表面的改性方法，与现有技术相比，本发明的金属材料表面改性技术大大地拓展了高硬度合金、金属陶瓷等材料方面的应用范围，能有力地带动新材料产业的发展，涂层所选材料原则上不受限制，本发明方法生产原料成本低廉、工艺过程简单易控，设备投资少，适于连续批量生产。
本发明提供了如下的技术方案：
一种金属材料表面的改性方法，包括以下步骤：
一、采用电子束对被处理的金属表面进行毛化，形成微小的毛化凹坑；
二、利用惰性气体吹送，对形成的凹坑金属表面喷涂合金粉末材料，形成涂层；
三、取以含铁催化剂催化化学气相沉积法制备碳纳米管原料，研磨至300-500目，取环氧树脂和二甲苯溶剂混合调制复合层基体物，再将研磨好的碳纳米管原料和调制好的复合层基体物按照重量比0.5∶1的比例混合形成溶融物；
四、将溶融物敷于金属表面，使金属表面得到厚度在2-4mm的含有碳纳米管的悬浮层，再将金属引入磁场进行磁泳沉积，形成含有定向碳纳米管悬浮层；
五、再对悬浮层进行压制成型即可。
优选的，所述步骤一的电子束毛化过程在真空条件下完成。
优选的，所述步骤一的毛化凹坑的直径为0.3-0.8mm，深度为0.13-0.22mm。
优选的，所述步骤二的喷涂方式可采用火焰喷涂、电弧喷涂或等离子喷涂。
优选的，所述步骤二的合金粉末材料为Co基合金或Ni基合金。
优选的，所述步骤三的溶融物粘度80-150Pa.s，并用60-80w/cm2高能超声波分散溶融物40-60min。
优选的，所述步骤四的磁场强度600-800mT，磁场方向与碳纳米管悬浮层相平行，磁泳沉积时间60-80min。
优选的，所述步骤五的压力在80-100T，压制一次在5-8s。
本发明的有益效果是：
本发明可以使金属表面复合层的碳纳米管有序定向，并且可根据应用目的调节复合层的厚度。
本发明给普通金属材料表层赋于了碳纳米管的优异特性，使其抗氧化，耐磨性，自润滑性，强度等技术指标大幅度提高，可广泛应用于黑色，有色金属的表面改性，具有很好的发展前景。与现有技术相比，本发明方法生产原料成本低廉、工艺过程简单易控，设备投资少，适于连续批量生产。
本发明的金属材料表面改性技术大大地拓展了高硬度合金、金属陶瓷等材料方面的应用范围，能有力地带动新材料产业的发展，涂层所选材料原则上不受限制，通过该技术能实现耐高温、耐腐蚀、抗冲击、抗疲劳、抗应力腐蚀以及其它特殊功能的复合涂层或梯度涂层，涂层与基体为冶金结合，结合强度接近熔化焊的强度，比常规的热喷涂涂层结合强度可提高1.5-10倍，涂层组织均匀致密，从而可大大地拓宽应用范围。
具体实施方式
实施例1
一种金属材料表面的改性方法，包括以下步骤：
一、采用电子束对被处理的金属表面进行毛化，形成微小的毛化凹坑；
二、利用惰性气体吹送，对形成的凹坑金属表面喷涂合金粉末材料，形成涂层；
三、取以含铁催化剂催化化学气相沉积法制备碳纳米管原料，研磨至500目，取环氧树脂和二甲苯溶剂混合调制复合层基体物，再将研磨好的碳纳米管原料和调制好的复合层基体物按照重量比0.5∶1的比例混合形成溶融物；
四、将溶融物敷于金属表面，使金属表面得到厚度在4mm的含有碳纳米管的悬浮层，再将金属引入磁场进行磁泳沉积，形成含有定向碳纳米管悬浮层；
五、再对悬浮层进行压制成型即可。
步骤一的电子束毛化过程在真空条件下完成。
步骤一的毛化凹坑的直径为0.8mm，深度为0.13mm。
步骤二的喷涂方式可采用电弧喷涂。
步骤二的合金粉末材料为Co基合金。
步骤三的溶融物粘度150Pa.s，并用60w/cm2高能超声波分散溶融60min。
步骤四的磁场强度600mT，磁场方向与碳纳米管悬浮层相平行，磁泳沉积时间80min。
步骤五的压力在80T，压制一次在8s。
实施例2
一种金属材料表面的改性方法，包括以下步骤：
一、采用电子束对被处理的金属表面进行毛化，形成微小的毛化凹坑；
二、利用惰性气体吹送，对形成的凹坑金属表面喷涂合金粉末材料，形成涂层；
三、取以含铁催化剂催化化学气相沉积法制备碳纳米管原料，研磨至300目，取环氧树脂和二甲苯溶剂混合调制复合层基体物，再将研磨好的碳纳米管原料和调制好的复合层基体物按照重量比0.5∶1的比例混合形成溶融物；
四、将溶融物敷于金属表面，使金属表面得到厚度在2mm的含有碳纳米管的悬浮层，再将金属引入磁场进行磁泳沉积，形成含有定向碳纳米管悬浮层；
五、再对悬浮层进行压制成型即可。
步骤一的电子束毛化过程在真空条件下完成。
步骤一的毛化凹坑的直径为0.3mm，深度为0.13mm。
步骤二的喷涂方式可采用等离子喷涂。
步骤二的合金粉末材料为Ni基合金。
步骤三的溶融物粘度80Pa.s，并用60w/cm2高能超声波分散溶融物40min。
步骤四的磁场强度600mT，磁场方向与碳纳米管悬浮层相平行，磁泳沉积时间60min。
步骤五的压力在80T，压制一次在5s。
实施例3
一种金属材料表面的改性方法，包括以下步骤：
一、采用电子束对被处理的金属表面进行毛化，形成微小的毛化凹坑；
二、利用惰性气体吹送，对形成的凹坑金属表面喷涂合金粉末材料，形成涂层；
三、取以含铁催化剂催化化学气相沉积法制备碳纳米管原料，研磨至500目，取环氧树脂和二甲苯溶剂混合调制复合层基体物，再将研磨好的碳纳米管原料和调制好的复合层基体物按照重量比0.5∶1的比例混合形成溶融物；
四、将溶融物敷于金属表面，使金属表面得到厚度在4mm的含有碳纳米管的悬浮层，再将金属引入磁场进行磁泳沉积，形成含有定向碳纳米管悬浮层；
五、再对悬浮层进行压制成型即可。
步骤一的电子束毛化过程在真空条件下完成。
步骤一的毛化凹坑的直径为0.8mm，深度为0.22mm。
步骤二的喷涂方式可采用火焰喷涂。
步骤二的合金粉末材料为Co基合金。
步骤三的溶融物粘度150Pa.s，并用80w/cm2高能超声波分散溶融物60min。
步骤四的磁场强度800mT，磁场方向与碳纳米管悬浮层相平行，磁泳沉积时间80min。
步骤五的压力在100T，压制一次在8s。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种金属材料表面的改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、采用电子束对被处理的金属表面进行毛化，形成微小的毛化凹坑；
二、利用惰性气体吹送，对形成的凹坑金属表面喷涂合金粉末材料，形成涂层；
三、取以含铁催化剂催化化学气相沉积法制备碳纳米管原料，研磨至300-500目，取环氧树脂和二甲苯溶剂混合调制复合层基体物，再将研磨好的碳纳米管原料和调制好的复合层基体物按照重量比0.5∶1的比例混合形成溶融物；
四、将溶融物敷于金属表面，使金属表面得到厚度在2-4mm的含有碳纳米管的悬浮层，再将金属引入磁场进行磁泳沉积，形成含有定向碳纳米管悬浮层；
五、再对悬浮层进行压制成型即可。
2.根据权利要求1所述的一种金属材料表面的改性方法，其特征在于，所述步骤一的电子束毛化过程在真空条件下完成。
3.根据权利要求1所述的一种金属材料表面的改性方法，其特征在于，所述步骤一的毛化凹坑的直径为0.3-0.8mm，深度为0.13-0.22mm。
4.根据权利要求1所述的一种金属材料表面的改性方法，其特征在于，所述步骤二的喷涂方式可采用火焰喷涂、电弧喷涂或等离子喷涂。
5.根据权利要求1所述的一种金属材料表面的改性方法，其特征在于，所述步骤二的合金粉末材料为Co基合金或Ni基合金。
6.根据权利要求1所述的一种金属材料表面的改性方法，其特征在于，所述步骤三的溶融物粘度80-150Pa.s，并用60-80w/cm2高能超声波分散溶融物40-60min。
7.根据权利要求1所述的一种金属材料表面的改性方法，其特征在于，所述步骤四的磁场强度600-800mT，磁场方向与碳纳米管悬浮层相平行，磁泳沉积时间60-80min。
8.根据权利要求1所述的一种金属材料表面的改性方法，其特征在于，所述步骤五的压力在80-100T，压制一次在5-8s。
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