CN108914051A - 金属材料激光表面渗碳工艺及其涂碳装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属材料激光表面渗碳工艺及其涂碳装置，渗碳工艺包括步骤：在金属材料的表面用涂碳装置均匀定量涂敷纳米碳粉‑酒精‑丙酮胶体；对涂敷有纳米碳粉‑酒精‑丙酮胶体的金属材料进行烘干；在气氛保护下使用激光束对烘干后的金属材料进行熔化。本发明的渗碳工艺采用特殊的铺粉方式预制工艺碳，其选择纳米尺寸碳粉作为添加材料，并通过特定配制方式将纳米碳粉制成纳米碳粉胶体，再通过特制涂碳装置将其涂敷在金属表面，从碳粉形状、尺寸、铺展方式和含量控制等多个方面优化工艺，降低铺粉缺陷，使整个渗碳工艺简单、高效。

Description

金属材料激光表面渗碳工艺及其涂碳装置

技术领域

本发明涉及一种金属材料激光表面渗碳工艺及其涂碳装置。

背景技术

断裂、腐蚀和磨损是金属材料三大主要失效方式，对其采取有效的改性措施能够提高材料性能、延长使用寿命、降低成本。激光表面合金化利用高能激光束将基体金属表面熔化，同时加入填充材料，填充材料与熔化的液态金属充分混合，随着快速冷却在表面形成强化层。合金化过程中填充材料不熔化或部分熔化，结晶后形成弥散层提高硬度并改善耐磨耐蚀性，金属材料常见的激光表面合金化添加元素有C、N、B、Ni、Cr、W、Ti、Co、Mn、Mo等元素。

对于低碳钢和部分钛合金而言，激光表面渗碳能够在表面微小熔池冶金过程中形成多种尺寸细小的碳化物，快速凝固后弥散分布于基体，能够有效提高表面耐磨性和耐蚀性。激光渗碳工艺碳的加入方式有：预置纳米碳粉法、同轴输送纳米碳粉法和气体控制法。预置纳米碳粉法是将粉末先预置于基体材料上，在气氛保护下利用激光束进行熔化，相比其他两种方法缺陷少、操作简便快捷，并可以通过调整预置粉末量、激光熔化参数等实现不同的渗碳量，获得不同的表面性能。预置纳米碳粉法激光渗碳的关键在于铺碳工艺，包括碳材料种类(石墨、金刚石、石墨烯等纳米碳)、纳米碳粉形状(片状、球状)、纳米碳粉尺寸、铺展方式、纳米碳粉含量控制方法等，如果铺碳工艺参数设置不当，容易出现纳米碳粉粘连、厚度不均匀，预置纳米碳粉效率低下、纳米碳粉与基材结合力弱、在激光头保护气氛作用下易剥落等问题，影响整个金属合金化进程。

发明内容

本发明的目的是为解决以上问题，本发明提供一种简单、高效的金属材料激光表面渗碳工艺及其涂碳装置。

根据本发明的一个方面，提供一种金属材料激光表面渗碳工艺，包括以下步骤：

在金属材料的表面用涂碳装置均匀定量涂敷纳米碳粉-酒精-丙酮胶体；

对涂敷有纳米碳粉-酒精-丙酮胶体的金属材料进行烘干；

烘干后固定时间段内，在气氛保护下使用激光束对烘干后的金属材料进行熔化。

其中，渗碳工艺还包括位于涂敷纳米碳粉-酒精/丙酮胶体之前的步骤：使用每35g纳米碳粉搭配80ml酒精和20ml丙酮的配比配制纳米碳粉-酒精-丙酮胶体胶体。

其中，固定时间段为10min。

其中，配制纳米碳粉-酒精-丙酮胶体胶体的步骤包括：分两次按照纳米碳粉、酒精和丙酮的顺序将纳米碳粉、酒精和丙酮混合搅拌，形成纳米碳粉-酒精-丙酮胶体，其中第一次使用的纳米碳粉量与第二使用的纳米碳粉量的比值为4～6:2。

其中，配制纳米碳粉-酒精-丙酮胶体胶体的步骤包括：第一次使用的纳米碳粉与第二使用的纳米碳粉比例为5:2，第一次加入的酒精与第二次加入的酒精比例为5:3，第一次加入的丙酮与第二次加入的丙酮比例为1:1。

其中，涂碳装置包括用于放置待涂敷金属材料的载物台、用于涂敷纳米碳粉-酒精-丙酮胶体的毛刷、用于悬吊毛刷的吊杆、用于固定吊杆的支撑杆以及控制器；

支撑杆通过固定装置垂直固定于载物台的一侧，吊杆平行设置于载物台的上方，且一端通过智能固定夹固定于支撑杆，智能固定夹受控制器控制，能够使吊杆移动至支撑杆的任一指定位置并对其限位，支撑杆设有可读刻度，毛刷通过智能旋钮悬吊于吊杆，智能旋钮受控制器控制，能够使毛刷沿着吊杆做匀速运动，对金属材料表面进行均匀涂敷；

涂敷纳米碳粉-酒精-丙酮胶体的步骤包括：

根据目标渗碳量、纳米碳使用量和计算公式计算智能固定夹从毛刷接触试样表面至全部离开后移动的距离h，计算公式为h＝mv/k·πR²M，其中M为纳米碳粉使用量，m为目标渗碳量，V为酒精和丙酮的总体积，k为由于挥发、误差导致的线性系数，取值为0.8～0.85；

在控制器内预先设定数值h，对金属材料的表面进行涂敷。

其中，纳米碳粉的粒度为10nm。

其中，烘干步骤中，烘干温度为50℃，烘干时间为1h。

根据本发明的另一方面，提供一种该金属材料激光表面渗碳工艺使用的涂碳装置，包括用于放置待涂敷金属材料的载物台、用于涂敷纳米碳粉-酒精-丙酮胶体的毛刷、用于悬吊毛刷的吊杆、用于固定吊杆的支撑杆以及控制器。

支撑杆通过固定装置垂直固定于载物台的一侧，吊杆平行设置于载物台的上方，且一端通过智能固定夹固定于支撑杆，智能固定夹受控制器控制，能够使吊杆移动至支撑杆的任一指定位置并对其限位，支撑杆设有可读刻度，毛刷通过智能旋钮悬吊于吊杆，智能旋钮受控制器控制，能够使毛刷沿着吊杆做匀速运动，对金属材料表面进行均匀涂敷。

本发明选择纳米级尺寸的纳米碳粉作为添加材料，通过特定的配制方式获得纳米碳粉胶体，再通过特制涂覆装置可以在金属表面进行均匀、高效地涂碳。与常规的碳材料不同，纳米级纳米碳粉在激光熔化微小熔池内能够充分反应，有利于碳化物的形成；但纳米碳粉同时由于其表面活性高，易团聚，流动性差，直接铺粉容易出现粘连、厚度不均匀，导致预置纳米碳粉效率低、纳米碳粉与基材结合力弱、在激光头保护气氛作用下容易剥落，从而影响整个合金化进程。本发明采用“纳米碳粉-酒精/丙酮胶体”作为添加材料，酒精和丙酮相对容易获得，沸点较低，容易挥发，可以作为纳米碳粉的分散剂，使纳米碳粉均匀地分散，然后将其置于温度较高的环境中加速分散剂的挥发，使得干燥的纳米碳粉依靠分子间作用力粘接在金属表面。

本发明中，使用每35g纳米碳粉搭配80ml酒精和20ml丙酮的配比配制纳米碳粉-酒精-丙酮胶体胶体。在配置纳米碳粉-酒精/丙酮胶体中，若纳米碳粉含量过高，溶液流动性较差，无法均匀涂覆于基材表面；若纳米碳粉含量过小，会影响碳在基材上的留置效率，达不到高效的目的，适当的酒精/丙酮配比和纳米碳粉比例对涂敷碳层的质量至关重要。

本发明具有以下有益效果：

本发明的渗碳工艺采用特殊的铺粉方式预制工艺碳，其选择纳米尺寸碳粉作为添加材料，并通过特定配制方式将纳米碳粉制成纳米碳粉胶体，再通过特制涂碳装置将其涂敷在金属表面，从碳粉形状、尺寸、铺展方式和含量控制等多个方面优化工艺，降低铺粉缺陷，使整个渗碳工艺简单、高效。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明实施方式的纳米碳粉-酒精-丙酮胶体的配制过程示意图；

图2示出了根据本发明实施方式的涂碳装置的示意图；

图3示出了根据本发明实施方式的涂碳后零件的外观图；

图4示出了根据本发明实施方式的涂炭后零件的垂直放置时间和碳粉剥落量的关系示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明的金属材料激光表面渗碳工艺包括①胶体配制、②碳粉涂覆和③迅速烘干④激光熔化碳层四个过程，提出了“碳粉-酒精/丙酮胶体”的最优配比、配制方式，并通过特制的涂覆装置，能够在试样表面实现均匀高效地涂碳。

实施例1金属材料激光表面渗碳工艺

胶体配制。选择平均粒度为10nm的碳粉。为了使碳粉更均匀地分散在酒精、丙酮中，采取如图1所示的碳粉和有机溶剂复合加入的方法。首先，将25g碳粉加入烧杯中，之后依次加入50mL酒精和10mL丙酮，在加入酒精和丙酮时用玻璃棒进行搅拌，直至碳粉无明显团聚。然后，静置5min后加入10g碳粉，再依次加入30mL酒精及10mL丙酮，同样用玻璃棒搅拌，搅拌至形成较为均一的胶体，最后静置5min可得到均匀的“碳粉-酒精/丙酮胶体”两次加碳粉和有机溶剂的过程，第一次目的在于获得粘度较大的胶体，第二次目的在于提高其流动性和分散度。

胶体准备好后，可在特制装置上进行涂碳处理。如图2所示，此装置中，1为待涂抹碳粉金属零件，表面需进行清洁处理，清洗方式为：水洗去除明显脏污→丙酮去除油渍→去离子水清洗、烘干，随后放置于9载物台(表面水平，可覆盖保护布防污渍)上。2为羊毛刷，其端部的毛保持齐平，可在4旋钮的控制下沿杆3水平移动，从而实现毛刷在零件1表面涂抹碳粉；同样，杆3在5固定夹的控制下可沿6上下移动。杆6上有刻度，用于在调节毛刷高度时的定量控制。7和8是两个夹子，可将整个装置固定在桌面边缘。在进行碳粉涂抹时，将工件置于载物台上，先用毛刷充分蘸取碳粉-酒精/丙酮胶体，将其提出胶体后垂直静置1min，待胶体不再成股流下；最后将毛刷固定于旋钮4上，控制5固定夹的位置可调节毛刷距试样表面的高度，缓慢移动4带动毛刷实现碳粉涂抹。

此装置，可保证软毛刷在水平方向平行移动，且在竖直方向上可定量控制，在均匀性和高效性基础上将涂碳进行了定量化，能够增强涂覆后碳粉与基材的结合力。

具体定量方式为，通过目标渗碳量、纳米碳使用量和计算公式计算智能固定夹从接触试样表面至全部离开后移动的距离h，通过预设h实现目标渗碳量的定量控制。计算公式具体为h＝mv/k·πR²M，其中M为纳米碳粉使用量，m为目标渗碳量，V为酒精和丙酮的总体积，k为由于挥发、误差导致的线性系数，取值为0.8～0.85。

本次实验中，各参数如下：

m＝2mg

v＝100mL

k＝0.8

R＝1.5mm

M＝35g

则最终由公式h＝mv/k·πR²M计算得h≈1mm。

最后，将涂抹碳粉-酒精/丙酮胶体后的零件放入烘箱内，设置温度为50℃，1h后可取出进行激光表面渗碳实验。

最终工件涂敷碳粉后的状态如图3所示。可以看出，最终涂敷表面较为平整，涂敷质量较好。

为了对刷碳的效果进行测试，将刷碳后的工件垂直放置，称量碳粉随时间增长的剥落量。由此，以曲线“垂直放置时间X-碳粉剥落量”来量化表示留置效率。曲线如图4所示，可以看出刷碳后10min内，碳粉剥落率为零，此时最适宜做后续渗碳实验。而后随着时间延长，碳粉剥落量趋势逐渐变缓，且表面依旧保持较好状态。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.金属材料激光表面渗碳工艺，其特征在于，包括以下步骤：

在金属材料的表面用涂碳装置均匀定量涂敷纳米碳粉-酒精-丙酮胶体；

对涂敷有纳米碳粉-酒精-丙酮胶体的金属材料进行烘干；

烘干后固定时间段内，在气氛保护下使用激光束对烘干后的金属材料进行熔化。

2.如权利要求1所述的金属材料激光表面渗碳工艺，其特征在于，所述渗碳工艺还包括位于涂敷纳米碳粉-酒精/丙酮胶体之前的步骤：

使用每35g纳米碳粉搭配80ml酒精和20ml丙酮的配比配制纳米碳粉-酒精-丙酮胶体胶体。

3.如权利要求1所述的金属材料激光表面渗碳工艺，其特征在于，

所述固定时间段为10min。

4.如权利要求2所述的金属材料激光表面渗碳工艺，其特征在于，配制纳米碳粉-酒精-丙酮胶体的步骤包括：

分两次按照纳米碳粉、酒精和丙酮的顺序将纳米碳粉、酒精和丙酮混合搅拌，形成纳米碳粉-酒精-丙酮胶体，其中第一次使用的纳米碳粉量与第二使用的纳米碳粉量的比值为4～6:2。

5.如权利要求4所述的金属材料激光表面渗碳工艺，其特征在于，配制纳米碳粉-酒精-丙酮胶体的步骤包括：

第一次使用的纳米碳粉与第二使用的纳米碳粉比例为5:2，第一次加入的酒精与第二次加入的酒精比例为5:3，第一次加入的丙酮与第二次加入的丙酮比例为1:1。

6.如权利要求1所述的金属材料激光表面渗碳工艺，其特征在于，

所述涂碳装置包括用于放置待涂敷金属材料的载物台、用于涂敷纳米碳粉-酒精-丙酮胶体的毛刷、用于悬吊毛刷的吊杆、用于固定吊杆的支撑杆以及控制器；

所述支撑杆通过固定装置垂直固定于载物台的一侧，所述吊杆平行设置于载物台的上方，且一端通过智能固定夹固定于支撑杆上，所述智能固定夹受控制器控制，能够使吊杆移动至支撑杆的任一指定位置并对其限位，所述支撑杆设有可读刻度，所述毛刷通过智能旋钮悬吊于吊杆，所述智能旋钮受控制器控制，能够使毛刷沿着吊杆做匀速运动，对金属材料表面进行均匀涂敷；

涂敷纳米碳粉-酒精-丙酮胶体的步骤包括：

根据目标渗碳量、纳米碳使用量和通用计算公式计算智能固定夹从毛刷接触试样表面至全部离开后移动的距离h，通用计算公式为h＝mv/k·πR²M，其中M为纳米碳粉使用量，m为目标渗碳量，V为酒精和丙酮的总体积，k为由于挥发、误差导致的线性系数，取值为0.8～0.85；

在控制器内预先设定数值h，对金属材料的表面进行涂敷。

7.如权利要求1所述的金属材料激光表面渗碳工艺，其特征在于，

纳米碳粉的粒度为10nm。

8.如权利要求1所述的金属材料激光表面渗碳工艺，其特征在于，

烘干步骤中，烘干温度为50℃，烘干时间为1h。

9.一种如权利要求1～8中任一所述的金属材料激光表面渗碳工艺使用的涂碳装置，其特征在于，包括用于放置待涂敷金属材料的载物台、用于涂敷纳米碳粉-酒精-丙酮胶体的毛刷、用于悬吊毛刷的吊杆、用于固定吊杆的支撑杆以及控制器；

所述支撑杆通过固定装置垂直固定于载物台的一侧，所述吊杆平行设置于载物台的上方，且一端通过智能固定夹固定于支撑杆，所述智能固定夹受控制器控制，能够使吊杆移动至支撑杆的任一指定位置并对其限位，所述支撑杆设有可读刻度，所述毛刷通过智能旋钮悬吊于吊杆，所述智能旋钮受控制器控制，能够使毛刷沿着吊杆做匀速运动，对金属材料表面进行均匀涂敷。