CN111534818A - 一种铁基表面氧化陶瓷的制备方法 - Google Patents

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严志军
申子玉
王剑豪
方勋
朱新河
程东
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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Abstract

本发明公开了一种铁基表面氧化陶瓷的制备方法，包括以下步骤：将硅酸钠溶于水形成硅酸钠溶液；将铁基浸入硅酸钠溶液中；打开激光发射器，使激光穿过硅酸钠溶液，扫描铁基表面；铁基表面形成氧化陶瓷层。本发明提供的一种金属表面氧化陶瓷的制备方法，在加工过程中，硅酸钠水溶液吸收一部分激光的能量，防止待加工的金属工件表面能量过于集中，而且，水的比热容较大，可以快速吸收金属表面的热量，避免金属工件表面温度过高，从而避免损伤金属表面，并制备完整致密的氧化陶瓷层，有效提升金属表面的抗腐蚀性和耐磨性。

Description

一种铁基表面氧化陶瓷的制备方法
技术领域
本发明涉及铁基表面处理领域，尤其涉及一种铁基表面氧化陶瓷的制备方法。
背景技术
金属表面处理是工业生产制造过程中重要的一环，在金属或合金表面制备氧化膜可以使氧化膜下的金属基体得到保护，是金属表面处理的一项重要技术。现有的技术主要通过阳极氧化法、围护氧化法等对金属表面进行氧化膜的制备。但是这两种方法对金属表面加工区域难以选择，加工工艺复杂，且对环境污染较大。
利用激光对金属进行表面处理具有操作简单、能量集中、效率高、加工精度高、污染小等优点，但目前无法直接应用激光在铁基表面直接处理制备氧化层或氧化陶瓷层，激光能量过于集中在铁基表面，极易使铁基表面温度过高并导致金属熔化，对金属工件造成损伤，并使氧化层被破坏。
发明内容
本发明提供一种金属表面氧化陶瓷的制备方法，避免激光能量损伤金属表面，并制备完整的氧化陶瓷层。
一种铁基表面氧化陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
S1：将硅酸钠溶于水形成硅酸钠溶液；
S2：将铁基浸入硅酸钠溶液中；
S3：打开激光发射器，使激光穿过硅酸钠溶液，扫描铁基表面；
S4：铁基表面形成氧化陶瓷层。
进一步地，硅酸钠溶液的浓度为5g/L-80g/L。
进一步地，将铁基浸入硅酸钠溶液之前，打磨铁基表面，去除铁基表面的氧化物。
进一步地，铁基浸入硅酸钠溶液后，铁基表面距离硅酸钠溶液液面2mm-5mm。
进一步地，硅酸钠溶液盛放在敞口容器中，激光从硅酸钠溶液液面射入。
进一步地，激光的加工功率为1W-20W，激光的频率为10Hz-200Hz，激光扫描速度为50-500mm/s。
进一步地，所述硅酸钠纯度为AR级。
本发明提供的一种金属表面氧化陶瓷的制备方法，在加工过程中，硅酸钠水溶液吸收一部分激光的能量，防止待加工的金属工件表面能量过于集中，而且，水的比热容较大，可以快速吸收金属表面的热量，避免金属工件表面温度过高，从而避免损伤金属表面，并制备完整致密的氧化陶瓷层，有效提升金属表面的抗腐蚀性和耐磨性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中金属表面氧化陶瓷的制备方法的操作示意图；
图2为本发明实施例中制备的氧化陶瓷层在电子显微镜下的观测图。
图中：1、硅酸钠溶液；2、铁片；3、激光发射器；4、透镜；5、激光振镜扫描系统。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，一种金属表面氧化陶瓷的制备方法，步骤如下：
将硅酸钠溶于水并加热，形成硅酸钠溶液；将铁基浸入硅酸钠溶液中；打开激光发射器，通过激光振镜扫描系统调整激光参数，并通过透镜使激光汇聚，穿过硅酸钠溶液，照射到金属表面；激光在金属表面形成瞬间高温，使金属表面形成致密的氧化陶瓷层。
金属基体的高温使贴与水溶液的氧离子结合生成金属氧化物，其中一部分金属氧化物与硅酸钠反应生成金属氧硅化合物，金属氧硅化合物与金属氧化物共同组成氧化陶瓷层。
具体过程如下：
用电子计重器称取质量为10.015g的硅酸钠，本实施例中的所用到的是纯度为AR级(分析纯)的硅酸钠粉末(分子式NaSiO3·9H2O，相对分子质量284.22)，将硅酸钠溶于500ml水中，使用玻璃棒搅拌均匀并加热，再使用超声波搅拌5min，形成浓度为20.03g/L的硅酸钠溶液1；
选取铁片2作为待处理金属基体，利用砂纸打磨铁片表面，去掉铁片表面污物及氧化铁，打磨后，将铁片置于硅酸钠溶液1中，铁片表面距离硅酸钠溶液液面3mm；
打开激光发射器3，调整透镜4位置，使激光穿过溶液，汇聚在铁片2表面，并调整激光振镜扫描系统5，激光的加工次数10，扫描速度200mm/s,频率20Hz，功率选取最大功率的80％。本实施例采用的SHGX-20激光器，是一种连续型分光式光纤激光器。激光的最大功率为20W，激光波长为1064nm，冷却系统采用内置风冷，供电电源：200V，10A交流电,重复精度：±0.002。
激光对铁片表面进行扫描，经过扫描的铁片表面即形成致密的氧化陶瓷层。
铁片处于溶液中，在激光的作用下，铁与溶液中的氧离子结合生成铁氧化物，包括Fe2O3和Fe3O4，其中一部分Fe2O3继续氧化成Fe3O4，另一部分Fe2O3与硅酸钠反应生成Fe2(SiO3)3，即铁氧硅化合物，氧化陶瓷层主要由Fe3O4和铁氧硅化合物组成。
对制备的氧化陶瓷层进行分析，在电子显微镜下如图2所示，深色条纹为凹陷条纹，浅色条纹为凸出条纹。凸出条纹和凹陷条纹均为氧化陶瓷层，条纹为激光扫描路径。激光扫描过程中，对铁表面有一定的刻蚀效果，形成略微凹陷的条纹。由于存在条纹凹陷，在摩擦中，细小的磨粒可以容纳在凹陷条纹中，减小对工件表面的摩擦。
经过对氧化陶瓷层成分的检测，得知氧化陶瓷层中Si元素的质量含量为4.8％，即氧化陶瓷层成功制备。
实施例2：
用电子计重器称取质量为19.907g的硅酸钠，本实施例中的所用到的是纯度为AR级(分析纯)的硅酸钠粉末(分子式NaSiO3·9H2O，相对分子质量284.22)，将硅酸钠溶于500ml水中，使用玻璃棒搅拌均匀并加热，再使用超声波搅拌5min，形成浓度为39.81g/L的硅酸钠溶液1；
选取铁片2作为待处理金属基体，利用砂纸打磨铁片表面，去掉铁片表面污物及氧化铁，打磨后，将铁片置于硅酸钠溶液1中，铁片表面距离硅酸钠溶液液面5mm；
打开激光发射器3，调整透镜4位置，使激光穿过溶液，汇聚在铁片2表面，并调整激光振镜扫描系统5，激光的加工次数10，扫描速度150mm/s,频率20Hz，功率选取最大功率的80％。本实施例采用的SHGX-20激光器，是一种连续型分光式光纤激光器。激光的最大功率为20W，激光波长为1064nm，冷却系统采用内置风冷，供电电源：200V，10A交流电,重复精度：±0.002。
激光对铁片表面进行扫描，经过扫描的铁片表面即形成致密的氧化陶瓷层。
经过对氧化陶瓷层成分的检测，得知氧化陶瓷层中Si元素的质量含量为4.9％，即氧化陶瓷层成功制备。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种铁基表面氧化陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将硅酸钠溶于水形成硅酸钠溶液；
S2：将铁基浸入硅酸钠溶液中；
S3：打开激光发射器，使激光穿过硅酸钠溶液，扫描铁基表面；
S4：铁基表面形成氧化陶瓷层。
2.根据权利要求1所述的一种铁基表面氧化陶瓷的制备方法，其特征在于，硅酸钠溶液的浓度为5g/L-80g/L。
3.根据权利要求1所述的一种铁基表面氧化陶瓷的制备方法，其特征在于，将铁基浸入硅酸钠溶液之前，打磨铁基表面，去除铁基表面的氧化物。
4.根据权利要求1所述的一种铁基表面氧化陶瓷的制备方法，其特征在于，铁基浸入硅酸钠溶液后，铁基表面距离硅酸钠溶液液面2mm-5mm。
5.根据权利要求1所述的一种铁基表面氧化陶瓷的制备方法，其特征在于，硅酸钠溶液盛放在敞口容器中，激光从硅酸钠溶液液面射入。
6.根据权利要求1所述的一种铁基表面氧化陶瓷的制备方法，其特征在于，激光的加工功率为1W-20W，激光的频率为10Hz-200Hz，激光扫描速度为50-500mm/s。
7.根据权利要求1所述的一种铁基表面氧化陶瓷的制备方法，其特征在于，所述硅酸钠纯度为AR级。
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