CN101307421A - 超细结构的WC-Co金属陶瓷涂层的制备方法 - Google Patents

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刘文彬
李辉
程汉池
王海滨
张久兴
周美玲
史耀武
左铁镛
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Abstract

超细结构的WC-Co金属陶瓷涂层的制备方法属于新材料和表面工程技术领域。本发明拟解决现有电镀硬铬工艺带来Cr6+污染和危害的问题以及目前粗粉涂层综合性能较差的问题。本发明以WO2.9、Co3O4和碳黑为原料,球磨混合后在真空炉中原位反应合成粒径为150~300纳米的WC-Co复合粉;利用离心喷雾干燥机对复合粉进行造粒、筛分和烘干后得到尺寸均匀的球形颗粒;随后利用超音速火焰喷涂设备将球形颗粒的复合粉喷射到工件表面制备出超细结构的WC-Co金属陶瓷涂层。该涂层具备高硬度、高耐磨性,以及优良的强度和韧性配合的性能。

Description

超细结构的WC-Co金属陶瓷涂层的制备方法
技术领域
本发明属于新材料和表面工程技术领域,具体涉及一种超细结构的WC-Co金属陶瓷涂层的制备方法。
背景技术
伴随着工业产业结构的优化升级,许多机械零部件由于表面的局部磨损、腐蚀等问题而导致早期失效或报废,造成材料与能源的极大消耗。为了实现耐磨耐蚀的表面预防护和修复,大量的机械零部件目前都进行了表面电镀硬铬处理。然而,电镀硬铬生产中带来的Cr6+排放会导致严重的环境污染、资源消耗与安全和职业健康等问题,欧美等国已明确规定在2010年前全面禁止六价铬的电镀生产。我国在2006年由国家环保总局最新制定的《清洁生产标准(电镀行业)》中积极推广低污染或无污染的清洁生产工艺,对电镀硬铬生产中废液的排放做出了严格限制。
因此,需要开发环保节能的表面处理技术及相关高性能材料来替代电镀硬铬工艺。WC-Co金属陶瓷涂层是目前国际上公认的替代电镀硬铬的最佳涂层之一。当前,国内外工业领域中应用的绝大多数是微米级粗粉的WC-Co涂层,在对耐磨蚀性、韧性和表面粗糙度等要求苛刻的工况下,粗粉涂层的结构致密性、层间结合强度、综合强韧性和表面质量等常难以满足实际要求。而且,粗粉涂层的制备过程中,粉料沉积效率低,涂层制备的成本较高。因此,急需开发出一种制备具有高硬度、高耐磨耐蚀性和高抗疲劳性能等优良综合性能的超细结构金属陶瓷涂层的技术。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题,而提供一种超细结构的WC-Co金属陶瓷涂层的制备方法。本发明方法所制备的涂层能大范围替代带来环境污染问题的现有电镀硬铬工艺,尤其在对表面耐磨蚀和强韧性有较高要求的工业领域拥有广阔的应用前景,具有重要的经济、社会效益和工业应用价值。
本发明所提供的超细结构的WC-Co金属陶瓷涂层的制备方法,包括如下步骤:
(1)以WO2.9、Co3O4和碳黑为原料,按照最终涂层制品中Co含量的要求,计算出上述三种原料的用量比[假设Co的质量百分比为n%(n=6~20),三种原料的质量比则为1.18(100-n)∶1.36n∶(25.60-0.23n)]进行混合,利用球磨机将混合的原料磨成粒径为300纳米以下的颗粒,送入真空气体压强小于0.004Pa的真空炉中,以10~30℃/min的升温速率升温至820~1050℃,保温时间1~4小时,制得平均粒径为150~300纳米的WC-Co复合粉;
(2)将步骤(1)中制得的WC-Co复合粉,利用离心喷雾干燥机进行造粒制得WC-Co复合粉料浆,工艺参数为:转速为300Hz,WC-Co复合粉料浆过筛后,在60~100℃的真空干燥箱中保持1小时,得到尺寸均匀的球形颗粒状WC-Co复合粉;
(3)利用超音速火焰喷涂设备将步骤(2)中的球形颗粒状WC-Co复合粉喷射到工件表面,得到超细结构的WC-Co金属陶瓷涂层,工艺参数为:丙烷为燃气,氧气为助燃气体,氧气和燃气比例为4.0~5.5∶1,喷涂距离为150~220毫米。
本发明的机理为:在真空条件下,球磨后的超细尺度的金属氧化物粉末和碳粉在较低的温度下即可发生原位还原和碳化反应,制备出超细WC-Co复合粉;超音速火焰喷涂喷射粒子的速度很快,粒子加热时间极短,可有效降低喷涂中WC颗粒的分解和氧化脱碳趋势,可保证物相纯净的超细结构WC-Co涂层的获得。由于超细(几百纳米~1微米)粉末具有特殊的小尺寸效应、表面效应等,使得粉末颗粒熔点降低,表面性能大幅度增强,喷涂过程中粒子的平铺性得到有效改善,沉积效率大大提高,涂层制备的综合成本明显降低,同时,涂层组织的致密性提高。因此,超细结构的金属陶瓷涂层具有显著提高的表面质量、结构致密性和层间结合强度,尤其是硬度高、耐磨耐蚀性能优异和抗疲劳性能好,同时具有强度和韧性的理想配合,其综合性能明显优于常规微米级涂层。这种具备优良综合性能的超细结构的WC-Co类涂层,能大范围替代原有的电镀硬铬层,尤其在机械制造(如液压传动件)、航空航天(如飞机起落架)、水利电力(如水轮机叶片)、矿山冶金(如结晶器、沉没辊)、石油化工(如抽油泵活塞杆)和造纸皮革(如瓦楞棍、涂布辊)等对表面耐磨蚀和强韧性有较高要求的场合拥有广阔的应用前景。
与现有技术相比较,本发明方法具有以下有益效果:
(1)本发明以价格低廉、稳定性好的金属氧化物和碳黑为原料,利用原位反应一步合成超细的WC-Co复合粉末,显著简化了生产设备和工艺路线,降低了生产成本,且制备的复合粉具有成相纯净、粘结相分布均匀、粒径可控等优点;
(2)本发明通过对超细复合粉进行造粒得到微米级球形的颗粒团聚体,可保证热喷涂工艺中粉末的流动性,解决了超细粉末输送能力较差的问题;
(3)本发明制备的超细结构的WC-Co涂层比目前商业化粗粉涂层的表面质量显著提高,并可与电镀硬铬层的表面光洁度相媲美;
(4)超细结构的WC-Co涂层的硬度高于商业化微米粗粉涂层的硬度,且远高于电镀硬铬层;其耐磨性好于粗粉涂层,且大大优于电镀硬铬层,尤其在大载荷下超细结构涂层的耐磨性能表现更优异。
附图说明
图1、本发明制备的超细WC-Co复合粉的显微形貌图;其中,a为实施例1中制备的WC-Co复合粉的显微形貌、b为实施例2中制备的WC-Co复合粉的显微形貌、c为实施例3中制备的WC-Co复合粉的显微形貌。
图2、本发明制备的球形颗粒状WC-Co复合粉的显微形貌图;其中,a为实施例1中制备的球形颗粒状WC-Co复合粉的显微形貌、b为实施例2中制备的球形颗粒状WC-Co复合粉的显微形貌、c为实施例3中制备的球形颗粒状WC-Co复合粉的显微形貌。
图3、本发明制备的超细结构的WC-Co金属陶瓷涂层和电镀硬铬层的照片。
具体实施方式
原料WO2.9粉末的平均粒径约为40微米(由赣州信达钨钼有限公司生产);原料Co3O4粉末的平均粒径约为25微米(由天津市津科精细化工研究所生产);原料碳黑粉末的平均粒径约为60微米(由四川泸州碳黑厂生产)。
采用青海3419厂干燥设备有限公司制造的高速离心喷雾干燥机进行造粒;采用ZB-2000型超音速火焰喷涂设备进行涂层制备。
以下以成分为WC-12wt.%Co的超细结构的金属陶瓷涂层的制备为例。
实施例1
(1)将WO2.9、Co3O4和碳黑粉末按质量比为5.79∶1∶1.40进行混合并球磨成粒径为300纳米以下的颗粒,送入真空气体压强小于0.004Pa的真空炉中,采用如下工艺参数进行原位反应:以10℃/min的升温速率升温至820℃、保温时间4小时,制得平均粒径为150纳米的WC-Co复合粉(显微形貌示于图1(a));
(2)将制备的WC-Co复合粉利用离心喷雾干燥机进行造粒,采用的工艺参数为:转速300Hz,复合粉料浆过筛后,在60℃的真空干燥箱中保持1小时,得到尺寸均匀的球形颗粒状WC-Co复合粉(显微形貌示于图2(a));
(3)利用超音速火焰喷涂设备将造粒后的复合粉末喷射到工件表面,制得超细结构的WC-Co金属陶瓷涂层,工艺参数为:丙烷为燃气,氧气为助燃气体,氧气和燃气比例为4.0∶1,喷涂距离为150mm。
涂层表面质量参见图3,硬度和耐磨性参数参见表1。
实施例2
(1)将WO2.9、Co3O4和碳黑粉末按质量比为5.79∶1∶1.40进行混合并球磨成粒径为300纳米以下的颗粒,送入真空气体压强小于0.004Pa的真空炉中,采用如下工艺参数进行原位反应:以20℃/min的升温速率升温至900℃、保温时间3小时,制得平均粒径为200纳米的WC-Co复合粉(显微形貌示于图1(b));
(2)将制备的WC-Co复合粉利用离心喷雾干燥机进行造粒,采用的工艺参数为:转速300Hz,复合粉料浆过筛后,在80℃的真空干燥箱中保持1小时,得到尺寸均匀的球形颗粒(显微形貌示于图2(b));
(3)利用超音速火焰喷涂设备将造粒后的复合粉末喷射到工件表面,制得超细结构的WC-Co金属陶瓷涂层,工艺参数为:丙烷为燃气,氧气为助燃气体,氧气和燃气比例为5.0∶1,喷涂距离为180mm。
涂层表面质量参见图3,硬度和耐磨性参数参见表1。
实施例3
(1)将WO2.9、Co3O4和碳黑粉末按质量比为5.79∶1∶1.40进行混合并球磨成粒径为300纳米以下的颗粒,送入真空气体压强小于0.004Pa的真空炉中,采用如下工艺参数进行原位反应:以30℃/min的升温速率升温至1050℃、保温时间1小时,制得平均粒径为300纳米的WC-Co复合粉(显微形貌示于图1(c));
(2)将制备的WC-Co复合粉利用离心喷雾干燥机进行造粒,采用的工艺参数为:转速300Hz,复合粉料浆过筛后,在100℃的真空干燥箱中保持1小时,得到尺寸均匀的球形颗粒(显微形貌示于图2(c));
(3)利用超音速火焰喷涂设备将造粒后的复合粉末喷射到工件表面,制得超细结构的WC-Co金属陶瓷涂层,工艺参数为:丙烷为燃气,氧气为助燃气体,氧气和燃气比例为5.5∶1,喷涂距离为220mm。
涂层表面质量参见图3,硬度和耐磨性参数参见表1。
Figure A20081011466600091
表1本发明制备的超细结构的WC-Co金属陶瓷涂层的性能参数
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案;因此,尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明,但是,本领域的普通技术人员应当理解,仍然可以对本发明进行修改或等同替换;而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1、一种超细结构的WC-Co金属陶瓷涂层的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将WO2.9、Co3O4和碳黑三种原料按照最终涂层制品中Co含量的要求进行混合,利用球磨机将混合的原料磨成粒径为300纳米以下的颗粒,送入真空气体压强小于0.004Pa的真空炉中,以10~30℃/min的升温速率升温至820~1050℃,保温时间1~4小时,制得平均粒径为150~300纳米的WC-Co复合粉;
(2)将步骤(1)中制得的WC-Co复合粉,利用离心喷雾干燥机进行造粒制得WC-Co复合粉料浆,工艺参数为:转速为300Hz,WC-Co复合粉料浆过筛后,在60~100℃的真空干燥箱中保持1小时,得到尺寸均匀的球形颗粒状WC-Co复合粉;
(3)利用超音速火焰喷涂设备将步骤(2)中的球形颗粒状WC-Co复合粉喷射到工件表面,得到超细结构的WC-Co金属陶瓷涂层,工艺参数为:丙烷为燃气,氧气为助燃气体,氧气和燃气比例为4.0~5.5∶1,喷涂距离为150~220毫米。
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