CN106378550A - 一种金属基石墨烯堆焊复合焊料及其制备方法 - Google Patents

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周继扣
张正
王立义
汪锦阳
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Abstract

本发明公开了一种金属基石墨烯堆焊复合焊料及其制备方法，所述复合焊料由管状***材料和充填其中的填料粉末组成；管状***材料为低碳钢或低合金钢，填料粉末为Fe基石墨烯粉末、陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、难熔金属、纳米级Al2O3粉末的混合物，其各成分的重量比为Fe基石墨烯粉末：陶瓷颗粒：B：Cr：Ni：难熔金属：纳米级Al2O3粉末＝50‑80：1‑10：2.6‑5：2‑20：1‑4：1‑5：5‑20，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe与C的质量比为50‑80：2.1‑3.5。本发明的优点在于：本发明提供了一种焊料原材及制备方法，可通过堆焊加工方式在基材表面生成少层石墨烯细化晶粒，从而提高基材表面硬度和耐磨性能。

Description

一种金属基石墨烯堆焊复合焊料及其制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯复合材料技术领域，具体设计一种金属基石墨烯堆焊复合焊料及其制备方法。
背景技术
石墨烯是一种具有独特物理化学特性的新材料。该材料是目前世界上最薄最坚硬的材料之一。同时拥有优异的电学性能(禁带宽度约等于0，载流子迁移率达到2×105cm2·V－1·s－1)、卓越的力学性能(杨氏模量为1100GPa，断裂强度为125GPa)以及良好的热学性能(热导率约为5000W·m－1·K－1，热膨胀系数极低)。自发现以来，石墨烯已经被广泛用来制备各种各样的新材料，特别是功能复合材料。
石墨烯增强结构复合材料的研究起步晚，目前主要集中在制备石墨烯增强Al基，Ni基，Cu基复合材料。在块状石墨烯增强金属基复合材料里，石墨烯分布在晶界上，细化晶粒，提高材料的屈服强度和硬度的作用。这些材料的制备过程繁琐复杂，制造成本居高不下，难以实现规模化量产，它们也都局限于特殊要求的应用领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属基石墨烯堆焊复合焊料及其制备方法，该复合焊料可作为原料，通过堆焊加工方式制备出具有石墨烯增强复合焊层的复合材料，从而提高材料的表面硬度和耐磨性能。
本发明采用如下方案解决上述技术问题之一：一种金属基石墨烯堆焊复合焊料，由管状***材料和充填其中的填料粉末组成；所述管状***材料为低碳钢或低合金钢，所述填料粉末为Fe基石墨烯粉末、陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、难熔金属、纳米级Al2O3粉末的混合物，其各成分的重量比为Fe基石墨烯粉末：陶瓷颗粒：B：Cr：Ni：难熔金属：纳米级Al2O3粉末＝50-80：1-10：2.6-5：2-20：1-4：1-5：5-20，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe与C的质量比为50-80：2.1-3.5。
优化的，所述陶瓷颗粒包含SiC、B4C、BN、SiO2、TiC、Al2O3成分。
优化的，所述难熔金属为V、Nb、Ta、Mo、W中的至少一种。
本发明采用如下方案解决上述技术问题之二：一种如上所述的金属基石墨烯热喷涂复合焊丝的制备方法，包括如下步骤：
a)选取粒径为100-200nm的石墨粉与粒径为53um(270目)-96um(160目)的铁粉，按照重量比1：8-20的比例分别称重；
b)将上述石墨粉及铁粉放入干燥箱中干燥，100-150℃保温0.5-2.0小时；
c)将在步骤b中干燥的石墨粉及铁粉快速转入机械混合容器中，启动机械混合容器绕轴旋转，使所述石墨粉及铁粉相互碰撞结合，所述机械混合容器的转动速度为10–120rpm，混合时间为2-12小时；
d)混合完成后，将上述混合物用270目的格筛进行筛分，保留未经过270目筛孔的粉末，即为所述的金属基石墨烯粉末；
e)将步骤d中得到的金属基石墨烯粉末与所述陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、难熔金属、纳米级Al2O3粉末按上述比例混合，烘干，再放入机械混合容器混合均匀，得到填料粉末，再将填料粉末填充至所述管状***材料中，即得到所述的金属基石墨烯热喷涂复合焊丝；
其中，所述机械混合容器包括圆筒形不锈钢容器罐、水平固定轴以及驱动水平固定轴旋转的驱动装置；所述容器罐两端设置有用于粉末填入和取出的活门，所述容器罐固定在水平固定轴上，且轴芯与水平固定轴成15°-45°夹角，所述容器罐以水平固定轴为轴心进行旋转。
本发明的优点在于：本发明提供了一种用于加工石墨烯增强复合材料的焊料原材及其制备方法，上述焊料原材可通过堆焊加工方式在基材表面生成均匀分布的少层石墨烯细化晶粒，从而提高了基材的表面硬度和耐磨性能；本发明的焊料制备工艺简便，适合大规模生产制造，有利于石墨烯材料的广泛应用。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明中机械混合容器绕机械混合过程示意图。
具体实施方式
实施例1
一种金属基石墨烯堆焊复合焊料，由管状***材料和充填其中的填料粉末组成；所述管状***材料为低碳钢或低合金钢，所述填料粉末为Fe基石墨烯粉末、陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、Ta、纳米级Al2O3粉末的混合物，其各成分的重量比为Fe基石墨烯粉末：陶瓷颗粒：B：Cr：Ni：Ta：纳米级Al2O3粉末＝65：7：2.6：8：1：2：14.4，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe与C的质量比为62：3。
其中，所述陶瓷颗粒包含SiC、B4C、BN、SiO2、TiC、Al2O3成分。
如图1所示，上述金属基石墨烯热喷涂复合焊丝的制备方法，包括如下步骤：
a)选取粒径为100-200nm的石墨粉与粒径为53um(270目)-96um(160目)的铁粉，按照重量比1：16的比例分别称重；
b)将上述石墨粉及铁粉放入干燥箱中干燥，120℃保温1.0小时；
c)将在步骤b中干燥的石墨粉及铁粉快速转入机械混合容器中，启动机械混合容器绕轴旋转，使所述石墨粉及铁粉相互碰撞结合，所述机械混合容器的转动速度为100rpm，混合时间为5小时；
d)混合完成后，将上述混合物用270目的格筛进行筛分，保留未经过270目筛孔的粉末，即为所述的金属基石墨烯粉末；
e)将步骤d中得到的金属基石墨烯粉末与所述陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、Ta、纳米级Al2O3粉末按上述比例混合，烘干，再放入机械混合容器混合均匀，得到填料粉末，再将填料粉末填充至所述管状***材料中，即得到所述的金属基石墨烯热喷涂复合焊丝；
其中，所述机械混合容器包括圆筒形不锈钢容器罐、水平固定轴以及驱动水平固定轴旋转的驱动装置；所述容器罐两端设置有用于粉末填入和取出的活门，所述容器罐固定在水平固定轴上，且轴芯与水平固定轴成30°夹角，所述容器罐以水平固定轴为轴心进行旋转(如图2所示)；所述容器罐的直径与高度比为1∶2。
本发明所述的金属基石墨烯堆焊复合焊料原材，可通过堆焊加工方式在基材表面生成一层均匀分布的少层石墨烯细化晶粒，从而提高了基材的表面硬度和耐磨性能；本发明的焊料制备工艺简便，适合大规模生产制造，有利于石墨烯材料的广泛应用。
实施例2
一种金属基石墨烯堆焊复合焊料，由管状***材料和充填其中的填料粉末组成；所述管状***材料为低碳钢或低合金钢，所述填料粉末为Fe基石墨烯粉末、陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、Nb、纳米级Al2O3粉末的混合物，其各成分的重量比为Fe基石墨烯粉末：陶瓷颗粒：B：Cr：Ni：Nb：纳米级Al2O3粉末＝60：8：3：15：3：3：8，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe与C的质量比为57.5：2.5。
其中，所述陶瓷颗粒包含SiC、B4C、BN、SiO2、TiC、Al2O3成分。
如图1所示，上述金属基石墨烯热喷涂复合焊丝的制备方法，包括如下步骤：
a)选取粒径为100-200nm的石墨粉与粒径为53um(270目)-96um(160目)的铁粉，按照重量比1：12的比例分别称重；
b)将上述石墨粉及铁粉放入干燥箱中干燥，100℃保温2.0小时；
c)将在步骤b中干燥的石墨粉及铁粉快速转入机械混合容器中，启动机械混合容器绕轴旋转，使所述石墨粉及铁粉相互碰撞结合，所述机械混合容器的转动速度为80rpm，混合时间为8小时；
d)混合完成后，将上述混合物用270目的格筛进行筛分，保留未经过270目筛孔的粉末，即为所述的金属基石墨烯粉末；
e)将步骤d中得到的金属基石墨烯粉末与所述陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、Nb、纳米级Al2O3粉末按上述比例混合，烘干，再放入机械混合容器混合均匀，得到填料粉末，再将填料粉末填充至所述管状***材料中，即得到所述的金属基石墨烯热喷涂复合焊丝；
其中，所述机械混合容器包括圆筒形不锈钢容器罐、水平固定轴以及驱动水平固定轴旋转的驱动装置；所述容器罐两端设置有用于粉末填入和取出的活门，所述容器罐固定在水平固定轴上，且轴芯与水平固定轴成45°夹角，所述容器罐以水平固定轴为轴心进行旋转(如图2所示)；所述容器罐的直径与高度比为1∶2。
实施例3
一种金属基石墨烯堆焊复合焊料，由管状***材料和充填其中的填料粉末组成；所述管状***材料为低碳钢或低合金钢，所述填料粉末为Fe基石墨烯粉末、陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、V、纳米级Al2O3粉末的混合物，其各成分的重量比为Fe基石墨烯粉末：陶瓷颗粒：B：Cr：Ni：V：纳米级Al2O3粉末＝70.4：4：3.5：10.1：4：3：7，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe与C的质量比为68：2.4。
其中，所述陶瓷颗粒包含SiC、B4C、BN、SiO2、TiC、Al2O3成分。
如图1所示，上述金属基石墨烯热喷涂复合焊丝的制备方法，包括如下步骤：
a)选取粒径为100-200nm的石墨粉与粒径为53um(270目)-96um(160目)的铁粉，按照重量比1：13的比例分别称重；
b)将上述石墨粉及铁粉放入干燥箱中干燥，100℃保温2.0小时；
c)将在步骤b中干燥的石墨粉及铁粉快速转入机械混合容器中，启动机械混合容器绕轴旋转，使所述石墨粉及铁粉相互碰撞结合，所述机械混合容器的转动速度为120rpm，混合时间为2小时；
d)混合完成后，将上述混合物用270目的格筛进行筛分，保留未经过270目筛孔的粉末，即为所述的金属基石墨烯粉末；
e)将步骤d中得到的金属基石墨烯粉末与所述陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、V、纳米级Al2O3粉末按上述比例混合，烘干，再放入机械混合容器混合均匀，得到填料粉末，再将填料粉末填充至所述管状***材料中，即得到所述的金属基石墨烯热喷涂复合焊丝；
其中，所述机械混合容器包括圆筒形不锈钢容器罐、水平固定轴以及驱动水平固定轴旋转的驱动装置；所述容器罐两端设置有用于粉末填入和取出的活门，所述容器罐固定在水平固定轴上，且轴芯与水平固定轴成40°夹角，所述容器罐以水平固定轴为轴心进行旋转(如图2所示)；所述容器罐的直径与高度比为1∶3。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种金属基石墨烯堆焊复合焊料，其特征在于，由管状***材料和充填其中的填料粉末组成；所述管状***材料为低碳钢或低合金钢，所述填料粉末为Fe基石墨烯粉末、陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、难熔金属、纳米级Al2O3粉末的混合物，其各成分的重量比为Fe基石墨烯粉末：陶瓷颗粒：B：Cr：Ni：难熔金属：纳米级Al2O3粉末＝50-80：1-10：2.6-5：2-20：1-4：1-5：5-20，其中，所述Fe基石墨烯粉末中Fe与C的质量比为50-80：2.1-3.5。
2.如权利要求1所述的金属基石墨烯堆焊复合焊料，其特征在于，所述陶瓷颗粒包含SiC、B4C、BN、SiO2、TiC、Al2O3成分。
3.如权利要求1所述的金属基石墨烯堆焊复合焊料，其特征在于，所述难熔金属为V、Nb、Ta、Mo、W中的至少一种。
4.如权利要求1所述的金属基石墨烯堆焊复合焊料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)选取粒径为100-200nm的石墨粉与粒径为53um-96um的铁粉，按照重量比1：8-20的比例分别称重；
b)将上述石墨粉及铁粉放入干燥箱中干燥，在100-150℃保温0.5-2.0小时；
c)将在步骤b中干燥的石墨粉及铁粉快速转入机械混合容器中，启动机械混合容器绕轴旋转，使所述石墨粉及铁粉相互碰撞结合，所述机械混合容器的转动速度为10–120rpm，混合时间为2-12小时；
d)混合完成后，将上述混合物用270目的格筛进行筛分，保留未经过270目筛孔的粉末，即为所述的金属基石墨烯粉末；
e)将步骤d中得到的金属基石墨烯粉末与所述陶瓷颗粒、B、Cr、Ni、难熔金属、纳米级Al2O3粉末按上述比例混合，烘干，再放入机械混合容器混合均匀，得到填料粉末，再将填料粉末填充至所述管状***材料中，即得到所述的金属基石墨烯堆焊复合焊料；
其中，所述机械混合容器包括圆筒形不锈钢容器罐、水平固定轴以及驱动水平固定轴旋转的驱动装置；所述容器罐两端设置有用于粉末填入和取出的活门，所述容器罐固定在水平固定轴上，且轴芯与水平固定轴成15°-45°夹角，所述容器罐以水平固定轴为轴心进行旋转；所述容器罐的直径与高度比为1∶1-3。
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