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CN103725945A - 一种高硬度碳化钨基耐磨涂层材料及其制备方法 - Google Patents

一种高硬度碳化钨基耐磨涂层材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高硬度碳化钨基耐磨涂层材料及其制备方法，属于热喷涂涂层材料技术领域，所述方法包括：以75～88wt％的WC、2～15wt％的TiH2和金属粘结相粉末为原料；在所述原料中加入预定量的去离子水和消泡剂以及占所述原料总重量2～15％的粘接剂后进行混合球磨，制得混合料浆；将所述混合料浆经过喷雾干燥后制得团聚颗粒，再将所述团聚颗粒经过烧结和破碎后制得所述碳化钨基耐磨涂层材料。本发明制备的粉末颗粒熔化效果较好、涂层结合强度较高、耐磨性较好，制备的涂层硬度较高、韧性较好。

Description

一种高硬度碳化钨基耐磨涂层材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高硬度碳化钨基耐磨涂层材料及其制备方法，属于热喷涂涂层材料技术领域。
背景技术
热喷涂技术可以在工件表面迅速的制备一层防护涂层，赋予工件表面耐磨、耐蚀、减摩、封严等不同性能。碳化钨基金属陶瓷具有硬度高、韧性好等性能，被广泛应用于航空航天、冶金、石化、机械等行业。在工业应用方面，超音速火焰喷涂因其喷涂速度快、燃烧温度相对较低，碳化物脱碳少，涂层结合强度高，是目前最适合喷涂碳化钨基金属陶瓷的方法。常见的热喷涂用碳化钨基金属陶瓷包括WC-12Co、WC-17Co、WC-10Co4Cr、WC-Cr3C2-Ni、WC-Ni等。
热喷涂过程是利用高速气流将熔融或半熔融状态粒度堆积在基体表面的过程，粉末材料的熔化程度对涂层性能影响极大。超音速火焰喷涂的温度在2200～3000℃之间，粒子加热时间短，部分粒子在运动过程分布在焰流高温区以外，这些都会引起喷涂过程中出现未熔颗粒，从而造成涂层沉积率低、涂层夹生等现象，严重降低涂层的结合强度和耐磨性等性能。虽然可以通过改变喷涂工艺参数提高粉末整体的熔化程度，但提高程度有限。另外喷涂过程中，由于喷涂焰流温度场的不均匀性，会使一部分粉末发生过熔，过熔的粉末中的WC会熔解在金属粘结相钴或镍中，在冷却过程中析出η相碳化钨(CoxW6-xC)，这种η相碳化钨降低了碳化钨的硬度和金属陶瓷的韧性，成为影响碳化钨基涂层性能的主要因素。
发明内容
本发明提出了一种高硬度碳化钨基耐磨涂层材料及其制备方法，以解决现有的热喷涂过程中会降低碳化钨的硬度和金属陶瓷的韧性的问题。为此，本发明提出了如下的技术方案：
一种高硬度的碳化钨基耐磨涂层材料，包括75～88wt％的WC、2～15wt％的单质金属Ti，余量为金属Ni或Co或NiCo合金。
一种高硬度碳化钨基耐磨涂层材料的制备方法，包括：
以75～88wt％的WC、2～15wt％的TiH2和金属粘结相粉末为原料；
在所述原料中加入预定量的去离子水和消泡剂以及占所述原料总重量2～15％的粘接剂后进行混合球磨，制得混合料浆；
将所述混合料浆经过喷雾干燥后制得团聚颗粒，再将所述团聚颗粒经过烧结和破碎后制得所述碳化钨基耐磨涂层材料。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用本发明提供的方法制备的粉末颗粒熔化效果较好、涂层结合强度较高、耐磨性较好，制备的涂层硬度较高、韧性较好。
具体实施方式
本发明的具体实施方式提出了一种高硬度碳化钨基耐磨涂层材料及其制备方法，其原理是利用喷涂原料中的自放热反应可以提高喷涂粉末的熔化程度，如镍包铝复合粉末，利用喷涂过程中镍和铝之间的反应提高了粉末的熔化程度。因此本发明在碳化钨WC基金属陶瓷中添加适量的钛金属单质，利用喷涂过程中的热量引发钛与碳化钨的反应，提高粉末的熔化程度；在粉末颗粒冷却过程中，由于钛是比钨更强的碳化物形成元素，η相碳化钨(CoxW6-xC)中的碳会优先与钛结合，生成Ti1-xC或TixW1-xC，减少η相碳化钨(CoxW6- xC)的产生，同时Ti1-xC或TixW1-xC的硬度(约为HV2200以上)比WC(HV1800)更高，有利于提高涂层硬度，同时η相碳化钨(CoxW6-xC)的减少也有利于涂层韧性的提高。
进一步地，为了保证成分的均匀性，原料粉末的粒径一般要求在10μm以下，本具体实施方式采用的TiH2容易获得粒径在5μm以下的细颗粒粉末，且氧含量低，同时TiH2在真空600～800℃分解出纯钛粉。
具体的，本具体实施方式提供的高硬度的碳化钨基耐磨涂层材料包括75～88wt％的WC、2～15wt％的单质金属Ti，余量为金属Ni或Co或NiCo合金。
本具体实施方式提供的高硬度碳化钨基耐磨涂层材料的制备方法包括：
步骤1，以WC(0.8～8μm)、TiH2、金属粘结相粉末(钴粉、镍粉或钴粉与铬粉的混合物)为原料，其中WC占的重量百分比为75～88％，TiH2占的重量百分比为2～15％，其中WC和TiH2所占的重量百分比总和不大于90％，余量为金属粘结相粉末；
步骤2，在上述原料中加入适量的去离子水为湿磨介质，加入占原料总重量2～15％的聚乙烯醇为粘结剂，加入适量消泡剂等，球磨4小时以上，制得混合料浆；
步骤3，将上述混合料浆输入离心雾化喷雾干燥设备，进口温度180～280℃，出口温度100～190℃，雾化盘转速5000～20000r/min，送料量100～400ml／min，获得团聚颗粒；
步骤4，将上述团聚颗粒置于真空脱胶炉中加热，在800℃保温1小时以上，然后在1150～1300℃烧结，保温2小时后随炉冷却至100℃下后出炉；
步骤5，将烧结后的坯料破碎筛分分级，获得使用要求粒径的粉末。
下面通过具体的实施例对本发明提出的球形磁性复合材料的制备方法作详细说明。
实施例1：
以WC(0.8～2μm)、TiH2、钴粉为原料，其中WC占75％，TiH2占15％，Co粉占10％；将WC、TiH2、Co混合球磨，加入适量的去离子水为湿磨介质，加入占混合粉末总重10％的聚乙烯醇为粘结剂，加入适量消泡剂等，球磨8小时；将混合料浆输入离心雾化喷雾干燥设备，进口温度270℃，出口温度180℃，雾化盘转速18000r/min，送料量300ml／min，在出口处获得团聚颗粒；将团聚后的颗粒置于真空脱胶炉中，抽真空，真空度小于3Pa时开始加热，加热至800℃时保温1小时，然后升温至1280℃烧结，保温2小时后随炉冷却至100℃下后出炉；将烧结后的坯料破碎筛分分级，选取15～45μm的粉末作为成品。检测可知粉末中含有WC约占77％，Ti占14％，钴为余量。该粉末经超音速火焰喷涂后制备的涂层中无夹杂的未熔颗粒，涂层显微硬度大于HV1400，涂层结合强度大于70MPa。
实施例2：
以WC(5～8μm)、TiH2、钴粉为原料，其中WC占85％，TiH2占3％，Co粉占12％；将WC、TiH2、Co混合球磨，加入适量的去离子水为湿磨介质，加入占混合粉末总重15％的聚乙烯醇为粘结剂，加入适量消泡剂等，球磨8小时；将混合料浆输入离心雾化喷雾干燥设备，进口温度220℃，出口温度130℃，雾化盘转速12000r/min，送料量200ml／min，在出口处获得团聚颗粒；将团聚后的颗粒置于真空脱胶炉中，抽真空，真空度小于3Pa时开始加热，加热至800℃时保温1小时，然后升温至1180℃烧结，保温3小时后随炉冷却至100℃下后出炉；将烧结后的坯料破碎筛分分级，选取10～45μm的粉末作为成品。检测可知粉末中含有WC约占84％，Ti占2.5％，钴为余量。该粉末经超音速火焰喷涂后制备的涂层中无夹杂的未熔颗粒，涂层显微硬度大于HV1600，涂层结合强度大于70MPa。
实施例3：
以WC(2～5μm)、TiH2、钴粉、铬粉为原料，其中WC占75％，TiH2占11％，Co粉占10％，Cr粉占4％；将WC、TiH2、Co、Cr混合球磨，加入适量的去离子水为湿磨介质，加入占混合粉末总重15％的聚乙烯醇为粘结剂，加入适量消泡剂等，球磨8小时；将混合料浆输入离心雾化喷雾干燥设备，进口温度220℃，出口温度130℃，雾化盘转速12000r／min，送料量200ml／min，在出口处获得团聚颗粒；将团聚后的颗粒置于真空脱胶炉中，抽真空，真空度小于3Pa时开始加热，加热至800℃时保温1小时，然后升温至1230℃烧结，保温3小时后随炉冷却至100(2下后出炉；将烧结后的坯料破碎筛分分级，选取10～45μm的粉末作为成品。检测可知粉末中含有WC约占75％，Ti占10.5％，钴为11％，余量为铬。该粉末经超音速火焰喷涂后制备的涂层中无夹杂的未熔颗粒，涂层显微硬度大于HV1500，涂层结合强度大于70MPa。
采用本具体实施方式提供的技术方案，制备的粉末颗粒熔化效果较好、涂层结合强度较高、耐磨性较好，制备的涂层硬度较高、韧性较好。
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实施例揭露的技术范围内，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种高硬度的碳化钨基耐磨涂层材料，其特征在于，包括75～88wt％的WC、2～15wt％的单质金属Ti，余量为金属Ni或Co或NiCo合金。
2.一种高硬度碳化钨基耐磨涂层材料的制备方法，其特征在于，包括：
以75～88wt％的WC、2～15wt％的TiH2和金属粘结相粉末为原料；
在所述原料中加入预定量的去离子水和消泡剂以及占所述原料总重量2～15％的粘接剂后进行混合球磨，制得混合料浆；
将所述混合料浆经过喷雾干燥后制得团聚颗粒，再将所述团聚颗粒经过烧结和破碎后制得所述碳化钨基耐磨涂层材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，WC和TiH2的wt％总和不超过90％。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述金属粘结相粉末为钴粉、镍粉或钴粉与铬粉的混合物。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述粘接剂为聚乙烯醇。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的时间为至少4小时。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述喷雾干燥采用离心雾化喷雾干燥设备，在喷雾干燥过程中，所述离心雾化喷雾干燥设备的尽快温度为180～280℃，出口温度为100～190℃，雾化盘转速为5000～20000r/min，送料量为100～400ml／min。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述烧结包括在800℃保温至少1小时，然后在1150～1300℃条件下烧结，保温2小时后随炉冷却至100℃下后出炉。
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