CN101054670A - 一种在金属表面上熔覆高硬度碳化钨涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在金属表面上利用激光熔覆高硬度碳化钨涂层的方法。首先将制备的介孔结构空心球状碳化钨粉末与吸光剂均匀混合，并作为预置涂层的材料涂覆于金属基体材料表面上，然后控制合适的条件通过激光熔覆，即得所述的高硬度碳化钨涂层。本发明提出的方法工艺简单，控制简便，得到的碳化钨熔覆层硬度高、耐磨性优良，并且在高硬度下不会出现裂纹，熔覆层韧性好，具有广阔的应用前景。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种在金属表面上熔覆高硬度碳化钨涂层的方法，特别是利用介孔结构空心球状碳化钨粉末进行激光熔覆的方法。
(二)背景技术
金属材料表面涂层技术能使基体材料表面的耐磨性、耐腐蚀性或耐热性等成倍提高，从而拓展了材料的应用领域。由于激光的高能量密度、功率可控性、快速熔化和凝固，使得激光表面改性或熔覆具有独特的精密性和局部热作用，从而被看作是表面层处理的理想手段。它可以在相对低廉的基体材料上获得所需的表面性能。这种工艺最常见的目标是用来硬化表面以产生更高的耐磨性。随着纳米结构材料的发展，纳米材料已开始用于金属表面的薄膜涂层，并产生不同于块体金属材料的微结构，由此在表面改性过程中形成了有用的性能，如纳米结构WC-Co涂层、纳米尺寸氧化铝涂层等，尤其是碳化钨类硬质合金以其高硬度、高抗压强度和耐磨等特性使其在切削刀具、模具、矿山工具及耐磨零件等方面得到了广泛的应用。但是传统的硬质合金中强度和硬度是一对相互制约的矛盾，这一缺陷使硬质合金的应用受到了很大的限制，因此如何获得具有“双高”(高强度和高韧性)性能的硬质合金材料一直是各国材料科学家们的奋斗目标。
目前，国内外纳米碳化钨类金属涂层的构筑手段主要是采用喷涂法，包括火焰喷涂、冷喷涂、等离子喷涂等。这些方法或多或少地都存在着一些问题，特别是晶粒尺寸在构筑过程中不易控制，在冷却时晶粒会迅速长大，从而降低了涂层的硬度和韧性。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种在金属表面上熔覆高硬度碳化钨涂层的方法，以减少涂层的裂纹和缺陷，并得到高硬度和高韧性的表面涂层。
本发明采用的技术方案如下：
一种在金属表面上熔覆高硬度碳化钨涂层的方法，是将具有介孔结构空心球状的碳化钨粉末与吸光剂均匀混合，并作为预置涂层材料涂覆于金属基体表面上，然后通过激光熔覆，即得所述的高硬度碳化钨涂层，所述的介孔结构空心球状碳化钨粉末与吸光剂以5～30∶1的比例混合，优选为8～12∶1。
进一步，所述激光熔覆的工艺参数为：激光波长为10.6μm，输出功率2.0～6.0kW，扫描速度为2.0～12.0m/min，扫描宽度为5～15mm。
所述的涂层材料为介孔结构空心球状碳化钨粉末和吸光剂，介孔结构空心球状碳化钨的吸光效率比常规碳化钨高，其力学性能特别是韧性高于常规碳化钨材料；而添加常规吸光剂如黑涂料可增加激光的吸收效率，在激光熔覆过程中，介孔结构空心球状碳化钨与基体形成冶金组织结构结合在一起，在材料表面上生成晶粒细小的快速凝固组织，使得熔覆层形成高硬度、高耐磨性的表面涂层。
较好的，所述的介孔结构空心球状碳化钨粉末与吸光剂按质量比10∶1的比例混合。
更好的，所述的介孔结构空心球状碳化钨粉末粒径在0.1～20μm。所述的吸光剂为黑涂料。所述的预置涂层厚度为0.2～0.8mm最佳。
所述的金属基体材料优选为下列之一：2Cr13钢、碳钢、铜、碳纤维增强聚酰亚胺、钼或钛合金。
所述的方法中，介孔结构空心球状碳化钨可通过如下方法制得：将偏钨酸铵溶于蒸馏水，配制成含偏钨酸铵2.5～50wt％的水溶液，再将溶液进行喷雾干燥，获得H2WO3颗粒前驱体；然后将H2WO3颗粒前驱体在450℃进行焙解1～3小时、再在900℃进行还原碳化10～12小时，反应完毕后隔绝空气迅速冷却，即得到介孔结构空心球状碳化钨粉末。得到介孔结构空心球状碳化钨粉末的粒径绝大多在0.1～20μm。
更具体的，配制含偏钨酸铵5～10wt％的水溶液，室温下超声振荡10～60分钟；然后导入喷雾干燥器中进行喷雾干燥，得到球状H2WO3颗粒前驱体；以甲烷和氢气体积比为10～20∶1混合气为还原碳化气氛，将所述的H2WO3颗粒前驱体在450℃进行焙解1～3小时、再在900℃进行还原碳化10～12小时，反应完毕后在隔绝空气的环境下将产物迅速冷却，得到介孔结构空心球状碳化钨粉末。
本发明利用激光能量密度高，加热和冷凝速度快等特点，将激光熔覆的方法引入高硬度碳化钨涂层的制备过程，即能控制晶粒长大，又有利于得到较为理想的致密涂层。更好的，在激光熔覆过程中进行惰性气体同步保护，如氮气、氩气或氦气保护，效果更好。具体的，激光器可选择二氧化碳横流激光器。
所述的在金属表面上熔覆高硬度碳化钨涂层的方法可具体按照以下步骤进行：将所述的介孔空心球状碳化钨粉末与黑涂料按照质量比为10∶1的比例混合均匀，然后涂覆于金属基体材料表面，自然冷却或加热烘干，使之形成0.2～0.8mm厚的预置涂层；以激光波长10.6μm，输出功率为2.0～6.0kW，扫描速度为2.0～12.0m/min，扫描宽度为5～15mm，惰性气体同步保护的条件进行激光熔覆，即得所述的高硬度和高韧性的碳化钨涂层。
针对2Cr13不锈钢为基体进行激光熔覆层的分析发现，熔覆层表面平整、光滑、无裂纹，熔覆层厚度均匀，为20～2 5μm，显微组织主要是高度细化的层叠状共晶体，其层片间距仅为70～75 nm，形成了纳米结构，并且没有发现有裂纹出现。对熔覆层的层深硬度测试表明，熔覆层内平均硬度为1200HV0.2，最表层硬度高达1758HV0.2。在MPX-2000型销盘式摩擦磨损试验机上进行测试，载荷为900N，转速为1102转/分，结果表明，由本发明的方法制得的熔覆层耐磨性能大大提高，比淬火态基体2Cr13的耐磨性提高2.5倍。另外与常规的碳化钨相比，在高硬度下不出现裂缝，说明涂层的韧性得到了较大的改善。这主要是由于晶粒之间的结合面积增大，相互之间的吸引力使得材料更致密。同时，晶体之间的位错对抵抗外力、增加韧性也起到了重要的作用。
本发明与现有技术相比，其有益效果体现在：
激光熔覆法在金属表面上熔覆高硬度碳化钨涂层的方法工艺简单，控制简捷，得到的碳化钨熔覆层硬度高，耐磨性优良，并且在高硬度下不会出现裂纹，熔覆层的韧性好。
(四)附图说明
图1是实施例1制得的所述介孔结构空心球状碳化钨的扫描电子显微镜图，其中a放大7,000倍，b放大20,000倍。
图2是对比例1中碳化钨涂层磨损对比曲线。其中1为实施例1制得的碳化钨涂层的摩擦磨损曲线，2为淬火态基体2Cr13的摩擦磨损曲线。
(五)具体实施方式：
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：
实施例1：
配制含偏钨酸铵5wt％的水溶液，室温下超声振荡10～60分钟；然后导入喷雾干燥器中进行喷雾干燥，喷雾干燥的条件为：气体流速为800L/h，加料速度为20mL/min，热空气喷嘴的入口温度为200℃，尾气出口处温度为100℃，得到球状H2WO3颗粒前驱体；以甲烷和氢气体积比为15∶1混合气为还原碳化气氛，将所述的H2WO3颗粒前驱体在450℃进行焙解1～3小时、再在900℃进行还原碳化10～12小时，反应完毕后在隔绝空气的环境下将产物迅速冷却，得到介孔结构空心球状碳化钨。
将介孔结构空心球状碳化钨与吸光剂碳素墨水(蚌埠墨水厂)按质量比为10∶1均匀混合，涂覆于2Cr13钢基体上，厚度为1mm，自然干燥。用二氧化碳横流激光器(波长10.6μm)在氮气保护下扫描涂覆表面，输出功率为6.0kW，扫描速度为8.0m/min，扫描宽度为5mm。对得到的材料进行横截面金相分析和显微硬度测试，涂覆层与基体形成良好的冶金结合，未发现裂纹，熔覆层中晶粒细化，熔覆层平均硬度为1200HV0.2，表层最高硬度高达1758HV0.2。
实施例2：
将介孔结构空心球状碳化钨与吸光剂碳素墨水按质量比为5∶1均匀混合，涂覆于铜基体上，厚度为0.8mm，自然干燥。用二氧化碳横流激光器在氦气保护下扫描涂覆表面，输出功率为4.0kW，扫描速度为12m/min，扫描宽度为8mm。对得到的材料进行横截面金相分析和显微硬度测试，涂覆层与基体形成良好的冶金结合，未发现裂纹，熔覆层中晶粒细化，熔覆层平均硬度为1150HV0.2，表层最高硬度高达1680HV0.2。
实施例3：
将介孔结构空心球状碳化钨与吸光剂碳素墨水按质量比30∶1均匀混合，涂覆于碳钢基体上，厚度为0.5mm，自然干燥。用二氧化碳横流激光器在氦气保护下扫描涂覆表面，输出功率为2.0kW，扫描速度为2m/min，扫描宽度为6mm。对得到的材料进行横截面金相分析和显微硬度测试，涂覆层与基体形成良好的冶金结合，未发现裂纹，熔覆层中晶粒细化，熔覆层平均硬度为1080HV0.2，表层最高硬度高达1592HV0.2。
实施例4：
将介孔结构空心球状碳化钨与吸光剂碳素墨水按质量比为10∶1均匀混合，涂覆于碳纤维增强聚酰亚胺基体上，厚度为1mm，自然干燥。用二氧化碳横流激光器(波长10.6μm)在氮气保护下扫描涂覆表面，输出功率为2.0kW，扫描速度为2.0m/min，扫描宽度为5mm。所得涂层材料的涂覆层与基体形成良好的冶金结合，未发现裂纹。
实施例5：
将介孔结构空心球状碳化钨与吸光剂碳素墨水按质量比为10∶1均匀混合，涂覆于钛合金基体上，厚度为1mm，自然干燥。用二氧化碳横流激光器(波长10.6μm)在氮气保护下扫描涂覆表面，输出功率为6.0kW，扫描速度为12.0m/min，扫描宽度为15mm。所得涂层材料的涂覆层与基体形成良好的冶金结合，未发现裂纹。
实施例6：
将介孔结构空心球状碳化钨与吸光剂碳素墨水按质量比为10∶1均匀混合，涂覆于钼基体上，厚度为1mm，自然干燥。用二氧化碳横流激光器(波长10.6μm)在氮气保护下扫描涂覆表面，输出功率为4.0kW，扫描速度为8.0m/min，扫描宽度为10mm。所得涂层材料的涂覆层与基体形成良好的冶金结合，未发现裂纹。
对比例1
将实施例1制备的纳米碳化钨涂层的2Cr13试样和淬火态基体2Cr13钢试样分别切割成φ5mm的试样块，然后在MPX-2000型消子盘式摩擦实验机上进行摩擦磨损实验。磨损实验机的负荷为900N，上轴转速为1102转/分。获得的磨损对比曲线如附图2所示。
摩擦磨损测试结果表明：纳米碳化钨涂层的耐磨性能大大提高，比淬火态基体2Cr13的耐磨性能提高了2.5倍。另外，与常规的碳化钨涂层相比，纳米碳化钨涂层在高硬度下不出现裂缝，说明涂层的韧性得到了较大改善。
Claims (10)
1.一种在金属表面上熔覆高硬度碳化钨涂层的方法，其特征在于所述的方法为：首先将制备的介孔结构空心球状碳化钨粉末与吸光剂均匀混合，并作为预置涂层材料涂覆于金属基体材料表面上，然后通过激光熔覆，即得所述的高硬度碳化钨涂层，所述的介孔结构空心球状碳化钨粉末与吸光剂按质量比5～30∶1的比例混合。
2.如权利要求1所述的在金属表面上熔覆高硬度碳化钨涂层的方法，其特征在于所述的激光熔覆工艺参数为：激光波长为10.6μm，输出功率为2.0～6.0kW，扫描速度为2.0～12.0m/min，扫描宽度为5～15mm。
3.如权利要求2所述的在金属表面上熔覆高硬度碳化钨涂层的方法，其特征在于所述的介孔结构空心球状碳化钨粉末与吸光剂按质量比8～12∶1的比例混合。
4.如权利要求1所述的在金属表面上熔覆高硬度碳化钨涂层的方法，其特征在于所述的金属基体材料为2Cr13钢、碳钢、铜、碳纤维增强聚酰亚胺、钼或钛合金。
5.如权利要求1～4之一所述的在金属表面上熔覆高硬度碳化钨涂层的方法，其特征在于所述的介孔结构空心球状碳化钨粉末粒径为0.1～20μm。
6.如权利要求1～4之一4所述的在金属表面上熔覆高硬度碳化钨涂层的方法，其特征在于所述的介孔结构空心球状碳化钨粉末通过如下法制得：将偏钨酸铵溶于蒸馏水，配制成2.5～50wt％的偏钨酸铵水溶液，再将所述的偏钨酸铵水溶液进行喷雾干燥，获得H2WO3颗粒前驱体；然后将H2WO3颗粒前驱体在450℃进行焙解1～3小时、再在900℃进行还原碳化10～12小时，反应完毕后隔绝空气迅速冷却，即得到介孔结构空心球状碳化钨粉末。
7.如权利要求1所述的在金属表面上熔覆高硬度碳化钨涂层的方法，其特征在于所述的激光熔覆过程中进行惰性气体同步保护。
8.如权利要求1～3之一所述的在金属表面上熔覆高硬度碳化钨涂层的方法，其特征在于所述的吸光剂为黑涂料。
9.如权利要求1所述的在金属表面上熔覆高硬度碳化钨涂层的方法，其特征在于所述的预置涂层厚度为0.2～0.8mm。
10.如权利要求1所述的在金属表面上熔覆高硬度碳化钨涂层的方法，其特征在于所述的方法按照以下步骤进行：首先将所述的介孔空心球状碳化钨粉末与黑涂料按照质量比为10∶1的比例混合均匀，再涂覆于金属基体材料表面上，待自然冷却或加热烘干，使之形成0.2～0.8mm厚的预置涂层，然后控制激光波长10.6μm，输出功率2.0～6.0kW，扫描速度2.0～12.0m/min，扫描宽度5～15mm，并通过惰性气体同步保护进行激光涂覆，即得所述的高硬度碳化钨涂层。
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