[发明专利]金属材料激光表面渗碳工艺及其涂碳装置

说明书

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。

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；