一种二氧化碳激光表面改性新型复合涂层

摘要

本发明专利涉及到一种二氧化碳激光表面改性新型复合涂层，其特征是涂层分为A型微合金化层与B型抗氧化层两部分；A型微合金化层为混合粉体与混合溶剂组成的悬浊液，其中混合粉体为二氧化硅、亚微米级铜粉、钕铁合金粉料、硬脂酸锌；混合溶剂为乙醇、硼酸、去离子水、聚苯乙烯二乙烯苯树脂；B型抗氧化层涂料以麝香草酚与硬脂酸钙按照摩尔比1：1组成混合粉体，溶剂为辛烷。本发明专利的有益效果是：同时提高了工件表面的物理耐磨性能与化学抗腐蚀性能；采用钕铁合金粉料（NdFe）作为提供点阵空隙率的添加剂，使得工件表面形成一个富硅层，提高了抗腐蚀性能；涂层均匀、成膜紧密，对激光的吸收率达到85～92%，表面残余涂层易于清理。

权利要求

1.一种二氧化碳激光表面改性复合涂层的制备方法，其特征是涂层分为A型微合金化层与B型抗氧化层两部分；涂覆在工件表面时，先将A型微合金化层涂料均匀涂覆于工件表面0.3～1mm，待其完全干燥后涂刷B型抗氧化层涂料，厚度为0.1～0.3mm；A型微合金化层为混合粉体与混合溶剂组成的悬浊液；其中混合粉体以粒径1000～3000目的超细二氧化硅粉末作为吸收激光能量的主料，亚微米级铜粉作为微合金化主料，500～1000目的钕铁合金粉料作为提供点阵空隙率的辅料，硬脂酸锌作为粉体粘合剂，采用球磨机干混球磨30分钟得到混合粉体；混合溶剂以乙醇作为主料，硼酸作为添加剂，少量的去离子水作为耦合剂，聚苯乙烯二乙烯苯树脂作为悬浮剂，采用混料机混合30分钟得到混合溶剂；B型抗氧化层涂料以麝香草酚与硬脂酸钙按照摩尔比1：1组成混合粉体，溶剂为辛烷。

2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳激光表面改性复合涂层的制备方法，其特征在于A型微合金化层混合粉体各组分为：超细二氧化硅粉末其添加量占混合粉体总重量的85～90wt%，亚微米级铜粉其添加量占混合粉体总重量的5～10 wt%，钕铁合金粉料其添加量占混合粉体总重量的3～6 wt%，硬脂酸锌其添加量占混合粉体总重量的1～8wt%；混合溶剂各组成成分按体积分数比：乙醇占40～50%，去离子水占3～5%，聚苯乙烯二乙烯苯树脂占20～35%，硼酸占5～15%。

3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳激光表面改性复合涂层的制备方法，其特征在于A型微合金化层混合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，混合粉体与混合溶剂采用球磨机混料30分钟。

4.根据权利要求1所述的一种二氧化碳激光表面改性复合涂层的制备方法，其特征在于B型抗氧化层涂料其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

5:2～5:3之间，混合粉体与溶剂采用球磨机混料30分钟。

说明书

一种二氧化碳激光表面改性新型复合涂层

技术领域

[0001] 本发明专利涉及到一种材料的表面改性用工件预处理涂覆涂层，尤其是一种应用于二氧化碳激光进行材料的表面微合金化与淬火硬化处理的新型复合涂层。

背景技术

[0002] 激光的热能聚集效应被广泛应用于材料的热处理工艺过程，其具有热处理效率高、无环境污染的显著优点。采用大功率高能量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效应，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，来实现材料表面改性的工艺方法越来越受科研人员的关注。表面处理后材料表面形成有一定厚度的能与本体冶金结合、 含有高度弥散、均匀细小的具有极好耐磨及耐蚀性的工件强化工作层。

[0003] 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。

[0004] 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表面硬化处理，工艺过程的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，才能达到高效利用激光能源的目的。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工件表面涂刷涂覆层，此涂覆层对激光产生的热量具有良好的吸收作用，以此增强金属材料工件表面的聚热效应，提高表面改性热处理的效率。

[0005] 经检索激光光热转换层的相关文献，目前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，同时被处理工件的表面易于形成工件表面不平整，易于形成局部点蚀同时工件表面的耐腐蚀性能没能得到提升。

[0006] 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）。

[0007] 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，同时也未能提高工件表面的抗腐蚀性能。

[0008] 经检索采用激光处理工件以提升其耐腐蚀性能的相关文献，如Mazumder等用激光使1016低碳钢表面以铬、锰、碳合金化，处理后工件表面生成的树枝状组织和铬的碳化物，能提高工件的耐磨性，但对工件表面的抗腐蚀性未能进行相关的研究分析。

[0009] 综合上述分析，目前国内对激光热能的利用仅仅停留在提升工件表面单一的物理、化学性能的阶段，尚无一种能提升工件表面综合性能的有效手段，这对于激光能源的浪费是极大的。因此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颗粒能够在正常使用周期内保持均匀分散的悬浊状态，又能提升工件表面的物理、化学综合性能的涂覆材料，能够极大的提升工件的使用寿命，达到资源高效合理利用的目的，并对促进激光表面改性技术的推广意义重大。

发明内容

[0010]  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工件表面粗糙度增加，在工件表面晶间出现微裂纹，涂覆层成分经高温分解后产生有害气体等缺点；在解决此问题的前提下，同时对工件表面进行微合金化处理，以获得综合性能优异的产品，达到提高激光使用效率的目的。

[0011] 本发明专利解决其技术问题所采用的方案是：一种二氧化碳激光表面改性新型复合涂层

[0012] ，其特征是涂层分为A型微合金化层与B型抗氧化层两部分；涂覆在工件表面时，先将A型微合金化层涂料均匀涂覆于工件表面0.3～1mm，待其完全干燥后涂刷B型抗氧化层涂料，厚度为0.1～0.3mm；A型微合金化层为混合粉体与混合溶剂组成的悬浊液；其中混合粉体以粒径1000～3000目的超细二氧化硅粉末作为吸收激光能量的主料，亚微米级铜粉（Cu）作为微合金化主料，500～1000目的钕铁合金粉料（NdFe）作为提供点阵空隙率的辅料，硬脂酸锌（C36H70O4Zn）作为粉体粘合剂，采用球磨机干混球磨30分钟得到混合粉体；混合溶剂以乙醇（C6H12O6）作为主料，硼酸（H3BO3）作为添加剂，少量的去离子水（H2O）作为耦合剂，聚苯乙烯二乙烯苯树脂作为悬浮剂，采用混料机混合30分钟得到混合溶剂；B型抗氧化层涂料以麝香草酚（C10H14O）与硬脂酸钙（C36H70O4Ca）按照摩尔比1：1组成混合粉体，溶剂为辛烷（C8H18 ）。

[0013] 如上所述的A型微合金化层混合粉体各组分为：超细二氧化硅粉末其添加量占混合粉体总重量的85～95wt%，亚微米级铜粉（Cu）其添加量占混合粉体总重量的5～10 wt%，钕铁合金粉料（NdFe）其添加量占混合粉体总重量的3～6 wt%，硬脂酸锌（C36H70O4Zn）其添加量占混合粉体总重量的1～8wt%。

[0014] 如上所述的A型微合金化层混合溶剂各组成成分按体积分数比：乙醇（C6H12O6）占40～50%，去离子水（H2O）占3～5%，聚苯乙烯二乙烯苯树脂占20～35%，硼酸（H3BO3）占5～
15%。

[0015] 如上所述的A型微合金化层混合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，混和粉体与混合溶剂采用球磨机混料30分钟。

[0016] 如上所述的B型抗氧化层涂料其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5:2～5:3之间，混和粉体与混合溶剂采用球磨机混料30分钟。

[0017] 本发明专利的有益效果是：

[0018] 经过对实验结果的研究分析，本发明专利解决了激光表面处理工艺中对激光能源利用效率低下的难题，使得工艺过程中在对工件的表面淬火硬化处理的同时，将表面进行了局部微合金化处理，同时提高了工件表面的物理耐磨性能与化学抗腐蚀性能；采用钕铁合金粉料（NdFe）作为提供点阵空隙率的添加剂，增加了二氧化硅高温分解后产生的硅渗入工件表面的几率，使得工件表面形成一个富硅层，极大的提高了工件的抗腐蚀性能；涂层均匀性良好，涂覆后成膜紧密均匀，涂层对激光的吸收率达到85～92%；涂层粘着力强，膜内粉料之间的内聚力较强，涂料涂敷后且能在2～3分钟内完全干透，满足多层涂覆的实际工艺要求，且表面残余涂层易于清理。

附图说明

[0019] 图1为本发明专利的新型复合涂层制备流程示意图。

[0020] 图2为本发明专利的新型复合涂层中A型微合金化层混合粉体示意图。

[0021] 图3为本发明专利的新型复合涂层中B型抗氧化层混合粉体示意图。

[0022] 图4为本发明专利的新型复合涂层中A型微合金化层其混合溶剂与混合粉体按照重量比7:3配比所得的涂料示意图。

[0023] 图5为本发明专利的新型复合涂层中B型抗氧化层其混合溶剂与混合粉体按照重量比7:3配比所得的涂料示意图。

[0024] 具体实施方式：

[0025] 实施例1：采用本发明专利的一种二氧化碳激光表面改性新型复合涂层对2Cr13材质进行表面改性处理。

[0026] 涂层分为A型微合金化层与B型抗氧化层两部分；涂覆在工件表面时，先将A型微合金化层涂料均匀涂覆于工件表面0.6mm，待其完全干燥后涂刷B型抗氧化层涂料，厚度为0.1mm；A型微合金化层为混合粉体与混合溶剂组成的悬浊液；其中混合粉体以粒径3000目的超细二氧化硅粉末作为吸收激光能量的主料，亚微米级铜粉（Cu）作为微合金化主料，
8000目的钕铁合金粉料（NdFe）作为提供点阵空隙率的辅料，硬脂酸锌（C36H70O4Zn）作为粉体粘合剂，采用球磨机干混球磨30分钟得到混合粉体；混合溶剂以乙醇（C6H12O6）作为主料，硼酸（H3BO3）作为添加剂，少量的去离子水（H2O）作为耦合剂，聚苯乙烯二乙烯苯树脂作为悬浮剂，采用混料机混合30分钟得到混合溶剂；B型抗氧化层涂料以麝香草酚（C10H14O）与硬脂酸钙（C36H70O4Ca）按照摩尔比1：1组成混合粉体，溶剂为辛烷（C8H18 ）。

[0027] 如上所述的A型微合金化层混合粉体各组分为：超细二氧化硅粉末其添加量占混合粉体总重量的85wt%，亚微米级铜粉（Cu）其添加量占混合粉体总重量的5wt%，钕铁合金粉料（NdFe）其添加量占混合粉体总重量的6wt%，硬脂酸锌（C36H70O4Zn）其添加量占混合粉体总重量的4wt%；如上所述的A型微合金化层混合溶剂各组成成分按体积分数比：乙醇（C6H12O6）占50%，去离子水（H2O）占5%，聚苯乙烯二乙烯苯树脂占30%，硼酸（H3BO3）占15%；如上所述的A型微合金化层混合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，混和粉体与混合溶剂采用球磨机混料30分钟。

[0028] 如上所述的B型抗氧化层涂料其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5:2～5:3之间，混和粉体与混合溶剂采用球磨机混料30分钟。

[0029] 本发明专利的有益效果是：工件表面硬度提高，且局部被微合金化处理，工件表面的物理耐磨性能与化学抗腐蚀性能均有所提高；工件表面形成一个富硅层，极大的提高了工件的抗腐蚀性能；涂层均匀性良好，涂覆后成膜紧密均匀，涂层对激光的吸收率达到85～92%；涂层粘着力强，膜内粉料之间的内聚力较强，涂料涂敷后且能在2～3分钟内完全干透，满足多层涂覆的实际工艺要求，且表面残余涂层易于清理。

[0030] 将上述涂料涂敷于工件（2Cr13材质，尺寸为30mm*30mm*10mm）表面。涂敷总厚度0.7mm，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：样块表面的显微硬度由586HK变为1085.9HK，淬硬深度达到0.75mm。

[0031] 实施例2：采用本发明专利的一种二氧化碳激光表面改性新型复合涂层对45号钢材质进行表面改性处理。

[0032] 涂层分为A型微合金化层与B型抗氧化层两部分；涂覆在工件表面时，先将A型微合金化层涂料均匀涂覆于工件表面0.5mm，待其完全干燥后涂刷B型抗氧化层涂料，厚度为0.2mm；A型微合金化层为混合粉体与混合溶剂组成的悬浊液；其中混合粉体以粒径3000目的超细二氧化硅粉末作为吸收激光能量的主料，亚微米级铜粉（Cu）作为微合金化主料，
8000目的钕铁合金粉料（NdFe）作为提供点阵空隙率的辅料，硬脂酸锌（C36H70O4Zn）作为粉体粘合剂，采用球磨机干混球磨30分钟得到混合粉体；混合溶剂以乙醇（C6H12O6）作为主料，硼酸（H3BO3）作为添加剂，少量的去离子水（H2O）作为耦合剂，聚苯乙烯二乙烯苯树脂作为悬浮剂，采用混料机混合30分钟得到混合溶剂；B型抗氧化层涂料以麝香草酚（C10H14O）与硬脂酸钙（C36H70O4Ca）按照摩尔比1：1组成混合粉体，溶剂为辛烷（C8H18 ）。

[0033] 如上所述的A型微合金化层混合粉体各组分为：超细二氧化硅粉末其添加量占混合粉体总重量的82wt%，亚微米级铜粉（Cu）其添加量占混合粉体总重量的6wt%，钕铁合金粉料（NdFe）其添加量占混合粉体总重量的7wt%，硬脂酸锌（C36H70O4Zn）其添加量占混合粉体总重量的5wt%；如上所述的A型微合金化层混合溶剂各组成成分按体积分数比：乙醇（C6H12O6）占55%，去离子水（H2O）占5%，聚苯乙烯二乙烯苯树脂占25%，硼酸（H3BO3）占15%；如上所述的A型微合金化层混合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，混和粉体与混合溶剂采用球磨机混料30分钟。

[0034] 如上所述的B型抗氧化层涂料其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5:2～5:3之间，混和粉体与混合溶剂采用球磨机混料30分钟。

[0035] 本发明专利的有益效果是：工件表面硬度提高，且局部被微合金化处理，工件表面的物理耐磨性能与化学抗腐蚀性能均有所提高；工件表面形成一个富硅层，极大的提高了工件的抗腐蚀性能；涂层均匀性良好，涂覆后成膜紧密均匀，涂层对激光的吸收率达到85～92%；涂层粘着力强，膜内粉料之间的内聚力较强，涂料涂敷后且能在2～3分钟内完全干透，满足多层涂覆的实际工艺要求，且表面残余涂层易于清理。

[0036] 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。

[0037] 实施例3：采用本发明专利的一种二氧化碳激光表面改性新型复合涂层对Cr15材质进行表面改性处理。

[0038] 涂层分为A型微合金化层与B型抗氧化层两部分；涂覆在工件表面时，先将A型微合金化层涂料均匀涂覆于工件表面0.5mm，待其完全干燥后涂刷B型抗氧化层涂料，厚度为0.1mm；A型微合金化层为混合粉体与混合溶剂组成的悬浊液；其中混合粉体以粒径2000目的超细二氧化硅粉末作为吸收激光能量的主料，亚微米级铜粉（Cu）作为微合金化主料，
8000目的钕铁合金粉料（NdFe）作为提供点阵空隙率的辅料，硬脂酸锌（C36H70O4Zn）作为粉体粘合剂，采用球磨机干混球磨30分钟得到混合粉体；混合溶剂以乙醇（C6H12O6）作为主料，硼酸（H3BO3）作为添加剂，少量的去离子水（H2O）作为耦合剂，聚苯乙烯二乙烯苯树脂作为悬浮剂，采用混料机混合30分钟得到混合溶剂；B型抗氧化层涂料以麝香草酚（C10H14O）与硬脂酸钙（C36H70O4Ca）按照摩尔比1：1组成混合粉体，溶剂为辛烷（C8H18 ）。

[0039] 如上所述的A型微合金化层混合粉体各组分为：超细二氧化硅粉末其添加量占混合粉体总重量的80wt%，亚微米级铜粉（Cu）其添加量占混合粉体总重量的8wt%，钕铁合金粉料（NdFe）其添加量占混合粉体总重量的7wt%，硬脂酸锌（C36H70O4Zn）其添加量占混合粉体总重量的5wt%；如上所述的A型微合金化层混合溶剂各组成成分按体积分数比：乙醇（C6H12O6）占50%，去离子水（H2O）占5%，聚苯乙烯二乙烯苯树脂占30%，硼酸（H3BO3）占15%；如上所述的A型微合金化层混合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，混和粉体与混合溶剂采用球磨机混料30分钟。

[0040] 如上所述的B型抗氧化层涂料其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5:2～5:3之间，混和粉体与混合溶剂采用球磨机混料30分钟。

[0041] 本发明专利的有益效果是：工件表面硬度提高，且局部被微合金化处理，工件表面的物理耐磨性能与化学抗腐蚀性能均有所提高；工件表面形成一个富硅层，极大的提高了工件的抗腐蚀性能；涂层均匀性良好，涂覆后成膜紧密均匀，涂层对激光的吸收率达到85～92%；涂层粘着力强，膜内粉料之间的内聚力较强，涂料涂敷后且能在2～3分钟内完全干透，满足多层涂覆的实际工艺要求，且表面残余涂层易于清理。

[0042] 将上述涂料涂敷于工件（Cr15材质，尺寸为30mm*30mm*10mm）表面。涂敷总厚度0.6mm，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。