CN101693996A

CN101693996A - 一种WC－FeNiCr超硬无磁涂层复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101693996A
Application number: CN200910210544A
Authority: CN
Inventors: 杨胶溪; 王喜兵; 左铁钏
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2029-11-10
Also published as: CN101693996B

Abstract

一种WC－FeNiCr超硬无磁涂层复合材料及其制备方法，属于表面涂层技术领域。本发明的WC－FeNiCr超硬无磁涂层复合材料，具有较高(20-60％)的碳化钨，大大提高材料的抗磨损性能。其化学成分为碳化钨：20～60wt％、Fe：20～55wt％、Ni：13～17wt％、Cr：5～13wt％，其组织结构主要由WC、W₂C、γ-Fe、FeCr等无磁相组成。其制备方法主要包括：选料、制备合金粉末、球磨、选取机械零部件载体、利用激光熔覆法在机械零件表面上制备成涂层几个步骤。本发明可用于在金属机械运动副零部件表面上制成无磁耐磨涂层，实现零部件表面强化和修复。机械零部件载体可选取奥氏体不锈钢、无磁钢、铝合金、钛合金、铜合金等无磁材质制作成的零部件。

Description

一种WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铁基超硬复合材料及其制备方法，更特别的是一种无磁、耐磨、耐腐蚀的WC-FeNiCr的涂层材料及其在金属机械零部件上制成无磁、超硬、耐磨、耐腐蚀的涂层的方法。

背景技术

在航空、航天、石油、地质勘探、机械、化工等工业中，存在大量摩擦磨损运动副无磁金属机械零部件在腐蚀、磨损等条件下承受剧烈的摩擦磨损，要求这些零部件同时具有优异的耐磨性能、良好的耐腐蚀性能及优良的无磁性能等使用性能配合。

采用表面工程手段，在奥氏体不锈钢、无磁钢、铝合金、钛合金、铜合金等无磁材质制作成的零部件表面制备一层超硬耐磨无磁复合材料，是解决和提高运动副零部件耐磨性能、耐蚀性能等性能最有效和最经济的措施之一，是解决金属机械运动副零部件表面上制成无磁耐磨涂层，实现零部件表面强化和修复的最有效方法。

目前实际应用当中使用的无磁涂层材料主要有两种，一种是不含WC的无磁粉末材料，其主要化学成分为Cr：20％、Mn：4％、Fe：18％、Ni：50％、Mo：6％；另一种是含有WC的无磁粉末材料，其主要化学成分为Cr：4％、Fe：2％、Ni：79％、W：14％。以上两种材料属于镍基的无磁材料且WC含量较低，抗磨粒磨损性能较差，大大影响工件的使用寿命。

在涂层制备技术方面，等离子喷涂、火焰喷涂、高速火焰喷涂、爆炸喷涂等热喷涂方法制备的涂层，组织存在疏松，孔隙率较高，特别是涂层金属零件界面结合为机械结合界面结合强度低，涂层在承受剧烈摩擦时容易脱落。激光熔覆方法制备涂层存在组织细小、成分均匀、涂层致密，涂层与基体之间为冶金结合等特点，是制备高性能优质涂层的最佳方法之一。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服上述材料中存在的问题，提供一种碳化钨含量较高(20-60％)的WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料及其制备方法，大大提高材料的抗磨损性能。

本发明的一种WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料，属于铁基复合材料，其特征在于：主要包含W、Fe、Ni、Cr等元素，其中碳化钨：20～60wt％、Fe：19～55wt％、Ni：12～16wt％、Cr：5～13wt％，其组织结构主要由WC、W₂C、奥氏体、FeCr等无磁相组成。

本发明的上述一种WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料，其奥氏体为γ-Fe。

本发明的一种WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)按上述质量百分比选取原料；

(2)采用离心雾化、氩气雾化或等离子旋转电极雾化的方式得到FeNiCr合金粉末，称量碳化钨粉末以及FeNiCr合金粉末，其中碳化钨粉末质量百分比20～60％，所述的碳化钨粉末可以是块状、絮状、球状，将碳化钨粉末以及FeNiCr合金粉末过筛，使得粉末粒度为120～325目；

(3)将上述碳化钨粉末与FeNiCr合金粉末混合，在球磨机里面混合2小时；

(4)选取机械零部件载体，利用激光熔覆法，在机械零件表面上制备成涂层，设置激光输出功率2.0～4.5KW，圆光斑尺寸为3～6mm(或矩形光斑1×8mm)，光束扫描速度为150～400mm/min，激光熔覆过程采用流量为20L/min的氩气保护。

激光熔覆层组织均匀致密、无裂纹、无气孔，同零件基材之间为完全冶金结合。

步骤(4)所述的在机械零件表面上制备成涂层的方法，还可以采用等离子熔覆、等离子喷涂、热喷涂等方法。

步骤(4)所述的机械零部件载体可选取奥氏体不锈钢、无磁钢、铝合金、钛合金、铜合金等无磁材质制作成的零部件。

本发明可用于在金属机械运动副零部件表面上制成无磁耐磨涂层，实现零部件表面强化和修复。

本发明材料的相对磁导率在1.005≤u_r≤1.036之间，显微硬度HV900-1800，25℃盐雾腐蚀的腐蚀率小于0.5g/m²·h。

步骤(2)中所述的合金粉末，可采用离心雾化、氩气雾化、等离子旋转电极雾化等方法制备成，然后与碳化钨颗粒混合得到混合粉末，利用激光熔覆、热喷涂、等离子熔覆、堆焊等方法在奥氏体不锈钢、无磁钢、铝合金、钛合金、铜合金等无磁材质制作成的零部件表面上制成无磁耐磨涂层。同时，也可以采用单元素粉末与WC颗粒制备成混合料，采用激光熔覆等方法在氩气保护条件下制备无磁耐磨耐蚀涂层。该超硬无磁涂层可应用于石油、化工、冶金、电力、航空航天等工业装备中无磁零部件的表面改性和修复。

附图说明

图1是实施例1激光熔覆WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料SEM照片

图2是实施例1激光熔覆WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料EDS谱线

图3是实施例1激光熔覆WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料XRD谱线

图4是实施例1激光熔覆WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料硬度分布曲线

图5是实施例1激光熔覆WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料磁化曲线

图6是实施例1激光熔覆WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料磁滞回线

图7是实施例4激光熔覆WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料XRD谱线

图8是实施例4激光熔覆WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料磁化曲线

图9是实施例4激光熔覆WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料磁滞回线

具体实施方式

实施例1

(1)选取典型的WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料配方，碳化钨质量百分比为40％，Fe为36％，Cr为9％，Ni为15％。

(2)采用氩气雾化的方式得到FeNiCr合金粉末，采用精度为0.1mg的电子天平称量碳化钨粉末以及FeNiCr合金粉末，粉末粒度为120～325目。

(3)将上述碳化钨颗粒与FeNiCr合金粉末混合料，在球磨机里面混合2小时。

(4)选取无磁钢N1310作为基体材料，利用激光熔覆法，在机械零件表面上制备成涂层，设置激光输出功率2.0～4.5KW，圆光斑尺寸为3～6mm(或矩形光斑1×8mm)，光束扫描速度为150～400mm/min，激光熔覆过程采用流量为20L/min的氩气保护。

下面对本实施例得到的WC-FeNiCr无磁涂层复合材料进行组织结构分析及各种性能测试，说明其性能的优越性。

1、组织结构分析

用LEO1450扫描电境进行涂层形貌与化学成分分析，无磁涂层典型的形貌如图1所示，可以看到WC硬质相弥散分布于涂层中。对涂层进行成分分析，结果如图2所示。采用X射线衍射仪(D8 ADVANCE)对耐磨复合材料进行物相组成成分分析，如图3所示。X射线衍射分析结果表明，涂层材料的主要组织组成相为WC、W₂C、奥氏体、FeCr等无磁相组成。

2、腐蚀实验

将无磁涂层材料在BY-120C盐水喷雾试验机上进行腐蚀试验，得到涂层材料的腐蚀率为0.49g/m²·h(测试条件：25℃×168h)，具有优良的耐腐蚀性能。

3、显微硬度

用HXD-1000型显微硬度计进行硬度测试，沿垂直于熔覆层方向间隔50um进行多点测试，载荷为100g，加载时间为15s。激光熔覆无磁涂层复合材料的硬度很高，硬度范围在HV900-1800，硬度分布曲线如图4所示，由于碳化钨硬质相的存在，硬度波动很大

4、磁性能检测

在Lake Shore7410型振动样品磁强计进行WC-FeNiCr材料磁性能测试，得到材料的相对磁导率为1.005。同时，该材料的磁化曲线和磁滞回线分别如图5和图6所示。

以上数据均说明激光熔覆制备的WC-FeNiCr涂层为无磁超硬复合材料。

实施例2

选取典型的WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料配方，碳化钨质量百分比为20％，Fe为55％，Cr为13％，Ni为12％。基体材料为316L无磁不锈钢，涂层制备方法及激光熔覆等过程同实施例1。

经检测，涂层组织为WC、W₂C、奥氏体、FeCr等无磁相组成。涂层材料的腐蚀率为0.47g/m²·h(测试条件：25℃×168h)。材料的相对磁导率为1.005(有关磁性曲线与实施例1基本相同，故省略)。

实施例3

选取典型的WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料配方，碳化钨质量百分比为60％，Fe为19％，Cr为5％，Ni为16％。基体材料为钛合金Ti6Al4V，涂层制备方法及激光熔覆等过程同实施例1。

经检测，涂层组织为WC、W₂C、奥氏体、FeCr等无磁相组成。涂层材料的腐蚀率为0.50g/m²·h(测试条件：25℃×168h)。材料的相对磁导率为1.010(有关磁性曲线与实施例1无大的差别，故省略)。

实施例4

选取典型的WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料配方，碳化钨质量百分比为50％，Fe为29％，Cr为8％，Ni为13％。基体材料为316L，涂层制备方法及激光熔覆等过程同实施例1。

经检测，涂层组织为WC、W₂C、γ-Fe、FeCr等无磁相组成，如图7所示。涂层材料的腐蚀率为0.50g/m²·h(测试条件：25℃×168h)。材料的相对磁导率为1.036，该材料的磁化曲线和磁滞回线分别如图8和图9所示。

本发明的无磁材料可广泛应用于提高航空航天、石油、化工、电力、能源、有色金属冶金、钢铁冶金等工业装备中无磁零部件和常规零部件的表面改性和修复。

Claims

1.一种WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料，属于铁基复合材料，其特征在于：主要包含W、Fe、Ni、Cr等元素，其中碳化钨：20～60wt％、Fe：19～55wt％、Ni：12～16wt％、Cr：5～13wt％，其组织结构主要由WC、W₂C、奥氏体、FeCr等无磁相组成。

2.根据权利要求1所述的一种WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料，其特征在于：所述奥氏体为γ-Fe。

3.根据权利要求1所述的一种WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按权利要求1中所述组分的质量百分比选取原料；

(3)将上述碳化钨粉末与FeNiCr合金粉末在球磨机里面混合2小时；

(4)选取机械零部件载体，利用激光熔覆法，在机械零件表面上制备成涂层，设置激光输出功率2.0～4.5KW，圆光斑尺寸为3～6mm，或矩形光斑1×8mm，光束扫描速度为150～400mm/min，激光熔覆过程采用流量为20L/min的氩气保护。

4.根据权利要求3所述的一种WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述的在机械零件表面上制备成涂层的方法，还可以采用等离子熔覆、等离子喷涂、热喷涂等方法。

5.根据权利要求3所述的一种WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述的机械零部件载体可选取奥氏体不锈钢、无磁钢、铝合金、钛合金、铜合金等无磁材质制作成的零部件。

6.根据权利要求1、3所述的一种WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料及其制备方法，其特征在于：可用于在金属机械运动副零部件表面上制成无磁耐磨涂层，实现零部件表面强化和修复。

7.根据权利要求1、3所述的一种WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料及其制备方法，其特征在于：制备而成的复合材料的相对磁导率在1.005≤u_r≤1.036之间，显微硬度HV900-1800，25℃盐雾腐蚀的腐蚀率小于0.5g/m²·h。