CN102363876B

CN102363876B - 一种新型WC-12Co热喷涂粉末及其制备工艺

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Publication number: CN102363876B
Application number: CN201110336004.3A
Authority: CN
Inventors: 杨贵彬; 王群; 张永会; 王韶毅
Original assignee: GANZHOU ACHTECK TOOL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: GANZHOU ACHTECK TOOL TECHNOLOGY Co Ltd; Chongyi Zhangyuan Tungsten Co Ltd
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2031-10-31
Also published as: CN102363876A

Abstract

本发明涉及用于超音速高速火焰喷涂或者其他热喷涂粉末技术，特别是一种新型WC-12Co热喷涂粉末及其制备工艺。其松装密度为4.0-6.0g/cm³，由质量比88％碳化钨、质量比11.4％钴及质量比0.6％碳化钛金属组成，碳化钨由粒度为0.05-0.2微米、质量比22-66％纳米晶碳化钨和粒度为2.0-8微米、质量比22-66％中颗粒碳化钨组成；工艺包括制备纳米碳化钨、备好中颗粒碳化钨，混料，造粒，烧结，破碎分级。它能够改善热喷涂后涂层的相关性能，既能确保涂层具有优异的硬度指标，又能获得优秀的强度、韧性指标。

Description

一种新型WC-12Co热喷涂粉末及其制备工艺

技术领域

本发明涉及用于超音速高速火焰喷涂或者其他热喷涂粉末技术，特别是一种新型WC-12Co热喷涂粉末及其制备工艺。

背景技术

热喷涂技术是表面改质领域中的一项关键技术，通过在被加工工件表面制备一层耐磨涂层，使工件的耐磨性能、耐腐蚀性能获得大幅提高。热喷涂WC/Co涂层作为耐磨、耐腐涂层，由于其高的硬度和良好的韧性广泛地应用于航空航天、冶金、机械等领域。相对于电镀硬铬层，热喷涂WC/Co涂层在耐磨性、耐蚀性、耐疲劳性等方面有明显的优势，而且制备速度快，环境污染小。

瓦楞辊涂层的使用环境苛刻，频繁发生砂砾碾压，在纸质较差的条件下使用更是容易出现麻坑和凹陷。因此要求齿顶、侧面和齿底涂层分布均匀，加工后需抛光达到要求的光洁度，并且要求涂层具有良好硬度，优秀的韧性。

但在使用传统WC-12Co热喷涂粉末时，提高涂层硬度越高，韧性就明显降低，根据实际数据，将硬度提高2.4％时，其断裂韧性指标降低可达8.6％；提高涂层韧性，硬度下降明显；硬度与韧性的矛盾特性使得喷涂时无法兼顾硬度要求、韧性要求，无法保证瓦楞辊涂层的质量达到最佳状态。

发明内容

本发明目的是提供一种新型WC-12Co热喷涂粉末及其制备工艺，它能够改善热喷涂后涂层的相关性能，既能确保涂层具有优异的硬度指标，又能获得优秀的强度、韧性指标。

本发明技术方案：一种新型WC-12Co热喷涂粉末，由碳化钨、钴以及微量碳化钛金属组成，碳化钨的质量百分比为88％，金属钴的质量百分比为11.4％，抑制剂碳化钛的质量百分比为0.6％；碳化钨由纳米晶碳化钨和中颗粒碳化钨按比例组成，其中纳米晶粒度碳化钨的质量百分比为22-66％，中颗粒碳化钨的质量百分比为22-66％。

纳米晶碳化钨粒度为0.05-0.2微米，中颗粒碳化钨粒度为2.0-8微米的。

其松装密度为4.0-6.0g/cm³。

制备一种新型WC-12Co热喷涂粉末的工艺，包括以下步骤：

A、制备质量百分比为22-66％、粒度为0.05-0.2微米的纳米晶碳化钨，备好质量百分比为22-66％、粒度为2.0-8微米的中颗粒碳化钨；

根据美国英佛曼公司“金属碳化物的制备方法”专利，专利号2004100430580生产纳米晶碳化钨，中颗粒碳化钨为通用产品；

B、混料

首先依据工艺要求，向球磨设备加入步骤A的纳米晶碳化钨、中颗粒碳化钨和质量百分比为11.4％钴粉，然后加入占原料质量百分比为25％、温度为5-8℃的去离子水及质量百分比为2.0％的聚乙烯醇进行混料，球磨时间为22-28小时；在配料时还必须加入质量百分比为0.3％的抗氧化剂，加入质量百分比为0.6％的晶粒生长抑制剂碳化钛；

C、造粒

采用开放式离心喷雾干燥塔进行干燥造粒，得到球形混合料，离心雾化盘转速为8000-12000转/分钟；

D、烧结

将混合料装入三层石墨舟皿中，置于钼丝炉中，在氢气保护气氛中进行连续烧结，推舟速度为9-12分钟/舟，烧结温度为一带炉温950℃，二带炉温1150℃-1250℃；

E、破碎分级

烧结后的过程产品采用机械方式破碎，并根据粒度分布区间采用过筛或气流分级的方式得到最终产品热喷涂粉末，粒度规格按照需求可分为为5-30微米、10-38微米、15-45微米，20-53微米、45-75微米，松装密度为4.0-6.0g/cm³。

热喷涂粉末主要用于超音速高速火焰喷涂或者其他热喷涂涂层制备工艺，因此热喷涂粉末的粒度分布可在2-75微米之间。根据不同超音速喷涂工艺进行粒度规格的选择，实际使用的热喷涂粉末的粒度规格如5-30微米、10-38微米、15-45微米、20-53微米、45-75微米等。

本发明由多种一次晶粒度的碳化钨、钴以及微量碳化钛金属组成，碳化钨质量百分比为88％，金属钴的质量百分比为11.4％，碳化钛(抑制剂)的的质量百分比为0.6％。碳化钨由晶粒度为0.05-0.2微米的纳米晶碳化钨和2.0-8微米的中颗粒碳化钨按比例组成，其中纳米晶粒度碳化钨的质量百分比为22-66％；中颗粒碳化钨的质量百分比为22-66％；原料配比见表1。

表1

经反复试验得知，如果喷涂粉末中纳米晶碳化钨的质量百分比含量小于22％，喷涂粉末受纳米材料特性的影响不明显，当硬度提高时，韧性降低明显；如果喷涂粉末中纳米晶碳化钨的含量质量百分比大于66％，喷涂粉末的特性趋向纳米材料特性，当硬度提高时，韧性不会有明显降低，但是喷涂过程热喷涂粉末容易出现氧化分解，涂层容易出现裂纹；因此，本发明的碳化钨中纳米晶粒度碳化钨的质量百分比确定为22-66％。

当喷涂粉末中纳米晶粒度碳化钨的质量百分比含量大于22％、小于44％时，涂层具有优秀的硬度指标，同时具有一定的韧性，根据实际数据，将硬度提高3.06％时，其断裂韧性指标仅降低2.11％。因此该粉末适用于制备耐磨损要求较高，且需要具备一定韧性要求的涂层。

当碳化钨中纳米晶碳化钨的质量百分比含量为44％时，涂层具有优良的综合性能，韧性指标明显高于同等硬度涂层，硬度也明显高于同等韧性涂层。因此该粉末适用范围较广泛，具有较高的综合性能优势。

当碳化钨中纳米晶碳化钨的质量百分比含量大于44％、小于66％时时，涂层具有优秀的韧性指标，同时具有一定的硬度性，因此该粉末适用于制备使用环境复杂，承受较大的压力或冲击的涂层。

碳化钨的晶粒度对涂层的硬度、强度、韧性影响较大，因此，通过调整多种晶粒度碳化钨的含量比例可有效平衡硬度、强度、韧性指标。

当中颗粒碳化钨的晶粒度小于2.0微米时，这种热喷涂粉末的耐磨损性能不理想；当中颗粒碳化钨的晶粒度大于8微米时，这种热喷涂粉末的硬质相弥散性不理想，容易出现明显软点。因此，中颗粒碳化钨的晶粒度在2.0-8微米时，生产的热喷涂粉末较好。

新型WC-12Co热喷涂粉末的烧结程度可由松装密度衡量；新型WC-12Co热喷涂粉末的松装密度对粉末及涂层性能的影响见表2如下；

表2

由表2可见新型WC-12Co热喷涂粉末的松装密度应选择4.0-6.0g/cm³。

新型WC-12Co热喷涂粉末原料中含有活性较大的纳米晶碳化钨，因此在配料时必须加入适量有效的抗氧化剂，以抑制其在球磨混料及后序环节的氧化。

新型WC-12Co热喷涂粉末原料中含有纳米晶碳化钨，需要在配料时加入一定的晶粒生长抑制剂(碳化钛)，避免碳化钨在后序烧结过程中晶粒长大。

本发明积极效果：

(1)本发明既能确保涂层具有优异的硬度指标，又能获得优秀的强度、韧性指标，能够改善热喷涂后涂层的相关性能。

(2)本发明通过调整添加的不同组份的纳米晶碳化钨粉末，可根据涂层的不同用途，有效调节粉末喷涂后涂层的硬度、韧性等相关性能，使其综合性能达到较高水平(见表1和实施例结论)。

附图说明

图1为WC-12Co热喷涂粉末500倍扫描电镜照片。

图2为WC-12Co热喷涂粉末金相照片。

具体实施方式

实施例1

以生产200kg喷涂粉为例，原料配比及相应参数见表3，工艺附后。

表3

1、按表3数据制备纳米碳化钨，备好中颗粒碳化钨

根据美国英佛曼公司“金属碳化物的制备方法”专利，专利号2004100430580(中国专利公开号1569625A，申请人已获得使用许可)生产纳米碳化钨，中颗粒碳化钨为通用产品；

2、混料

首先依据工艺要求，向球磨设备加入质量为44kg(22％)的纳米晶碳化钨、132kg(66％)中颗粒碳化钨和22.8kg(11.4％)钴粉，然后加入占原料质量百分比为25％、温度为5-8℃的去离子水50kg及4.0kg(2.0％)的聚乙烯醇进行混料，设备可使用可倾式滚筒球磨机或立式搅拌球磨机，球磨时间为22小时；由于原料中含有活性较大的纳米晶粒度碳化钨，因此在配料时必须加入0.6kg(0.3％)的抗氧化剂，以抑制其在混料及后序环节的氧化；同样由于纳米晶粒度碳化钨的存在，需要在配料时加入1.2kg(0.6％)的晶粒生长抑制剂碳化钛，美国专利“超细材料使用的晶粒生长抑制剂”(美国专利号US6277774，申请人已获得使用许可)对此作了详细描述；

3、造粒

由于纳米晶碳化钨的存在，材料的流动性能较差，因此采用开放式离心喷雾干燥塔进行干燥造粒，得到球形混合料，使流动很差的超细粉末，经聚合成大的颗粒后，实现了良好的流动性能，从而可用现有热喷涂设备实现超细级涂层的制备；此技术从工程化角度，很好地解决了超细粉的供料难题，离心雾化盘转速为8000转/分钟；

4、烧结

将混合料装入三层石墨舟皿中，置于钼丝炉中，在氢气保护气氛中进行连续烧结，推舟速度为12分钟/舟，烧结温度为950℃(一带)；1150℃(二带)；晶粒生长抑制剂与纳米晶碳化钨可选择性地在低于晶粒生长温度之下进行热处理，从而更有效地使晶粒生长抑制剂加以弥散，并形成超细材料，其中晶粒生长抑制剂均匀地分布于晶粒的晶界；

5、破碎分级

烧结后的过程产品采用机械方式破碎，并根据粒度分布区间采用过筛或气流分级的方式得到最终产品热喷涂粉末，其中粒度规格为15-45微米65kg、20-53微米130kg，生产过程金属损失约5kg(2.5％)，其松装比重为4.9-5.1g/cm³。

实施例1得到的新型WC-12Co热喷涂粉末流动性好，加热性能优秀，制备的涂层具有优秀的硬度指标，同时具有一定的韧性。根据实际数据，采用这种新型热喷涂粉末与常规热喷涂粉末进行喷涂对比，在获得同样的硬度时，这种新型热喷涂粉末的韧性经比常规粉末高4％；当调整参数将硬度提高3.06％时，新型热喷涂粉末的韧性指标仅降低2.11％；常规格粉末的硬度提高2.4％时，其断裂韧性指标降低8.6％；。因此该粉末适用于制备耐磨损要求较高，且需要具备一定韧性要求的涂层。

实施例2

以生产200kg喷涂粉为例，原料配比及相应参数见表4，工艺附后。

表4

1、按表4数据制备纳米碳化钨，备好中颗粒碳化钨

与实施例1相同；

2、混料

首先依据工艺要求，向球磨设备加入质量为88kg(44％)的纳米晶碳化钨、88kg(44％)的中颗粒碳化钨和22.8kg(11.4％)的金属钴粉以及碳化钛(抑制剂)1.2kg(0.6％)，然后加入占原料质量百分比为25％、温度为5-8℃的去离子水50kg及4.0kg(2.0％)的聚乙烯醇进行混料，设备可使用可倾式滚筒球磨机或立式搅拌球磨机，球磨时间为25小时；由于原料中含有活性较大的纳米晶粒度碳化钨，因此在配料时必须加入0.6kg(0.3％)的抗氧化剂，以抑制其在混料及后序环节的氧化；同样由于纳米晶粒度碳化钨的存在，需要在配料时加入1.2kg(0.6％)的晶粒生长抑制剂碳化钛，美国专利“超细材料使用的晶粒生长抑制剂”(美国专利号US6277774，申请人已获得使用许可)对此作了详细描述；

3、造粒

由于纳米晶碳化钨的存在，材料的流动性能较差，因此采用开放式离心喷雾干燥塔进行干燥造粒，得到球形混合料，使流动很差的超细粉末，经聚合成大的颗粒后，实现了良好的流动性能，从而可用现有热喷涂设备实现超细级涂层的制备；此技术从工程化角度，很好地解决了超细粉的供料难题，离心雾化盘转速为10000转/分钟；

4、烧结

将混合料装入三层石墨舟皿中，置于钼丝炉中，在氢气保护气氛中进行连续烧结，推舟速度为10分钟/舟，烧结温度为950℃(一带)；1200℃(二带)；晶粒生长抑制剂与纳米晶碳化钨可选择性地在低于晶粒生长温度之下进行热处理，从而更有效地使晶粒生长抑制剂加以弥散，并形成超细材料，其中晶粒生长抑制剂均匀地分布于晶粒的晶界；

5、破碎分级

烧结后的过程产品采用机械方式破碎，并根据粒度分布区间采用过筛或气流分级的方式得到最终产品，其中粒度规格为10-38微米75kg、15-45微米120kg，生产过程金属损失约5kg(2.5％)，其松装比重为5.0-5.2g/cm³。

实施例2得到的新型WC-12Co热喷涂粉末流动性好，加热性能优秀，涂层具有优良的综合性能，韧性指标明显高于同等硬度涂层，硬度也明显高于同等韧性涂层。因此该粉末适用范围较广泛，具有较高的综合性能优势。

实施例3

以生产200kg喷涂粉为例，原料配比及相应参数见表5，工艺附后。

表5

1、按表5数据制备纳米碳化钨，备好中颗粒碳化钨

与实施例1相同；

2、混料

首先依据工艺要求，向球磨设备加入质量为132kg(66％)的纳米晶碳化钨、44kg(66％)中颗粒碳化钨和22.8kg(11.4％)钴粉，然后加入占原料质量百分比为25％、温度为5-8℃的去离子水50kg及4.0kg(2.0％)的聚乙烯醇进行混料，设备可使用可倾式滚筒球磨机或立式搅拌球磨机，球磨时间为28小时；由于原料中含有活性较大的纳米晶粒度碳化钨，因此在配料时必须加入0.6kg(0.3％)的抗氧化剂，以抑制其在混料及后序环节的氧化；同样由于纳米晶粒度碳化钨的存在，需要在配料时加入1.2kg(0.6％)的晶粒生长抑制剂碳化钛，美国专利“超细材料使用的晶粒生长抑制剂”(美国专利号US6277774，申请人已获得使用许可)对此作了详细描述；

3、造粒

由于纳米晶碳化钨的存在，材料的流动性能较差，因此采用开放式离心喷雾干燥塔进行干燥造粒，得到球形混合料，使流动很差的超细粉末，经聚合成大的颗粒后，实现了良好的流动性能，从而可用现有热喷涂设备实现超细级涂层的制备；此技术从工程化角度，很好地解决了超细粉的供料难题，离心雾化盘转速为12000转/分钟；

4、烧结

将混合料装入三层石墨舟皿中，置于钼丝炉中，在氢气保护气氛中进行连续烧结，推舟速度为9分钟/舟，烧结温度为950℃(一带)；1250℃(二带)；晶粒生长抑制剂与纳米晶碳化钨可选择性地在低于晶粒生长温度之下进行热处理，从而更有效地使晶粒生长抑制剂加以弥散，并形成超细材料，其中晶粒生长抑制剂均匀地分布于晶粒的晶界；

5、破碎分级

与实施例1、2相同，烧结后的过程产品采用机械方式破碎，并根据粒度分布区间采用过筛或气流分级的方式得到最终产品热喷涂粉末，其中粒度规格为5-30微米110kg、15-45微米85kg，生产过程金属损失约5kg(2.5％)，其松装比重为5.2-5.4g/cm³。

实施例3得到的新型WC-12Co热喷涂粉末流动性好，加热性能优秀，与其他常规方法生产的粉末相比该粉末具有较高的综合性能优势，涂层具有较高硬度，且高于同等韧性涂层，并且韧性较好，适用范围较为广泛。

未说明百分比均为质量百分比。

Claims

1.制备一种新型WC-12Co热喷涂粉末的工艺，包括以下步骤：

B、混料

C、造粒

采用开放式离心喷雾干燥塔进行干燥造粒，得到球形混合料，离心雾化盘转速为8000-12000转／分钟；

D、烧结

将混合料装入三层石墨舟皿中，置于钼丝炉中，在氢气保护气氛中进行连续烧结，推舟速度为9-12分钟／舟，烧结温度为一带炉温950℃，二带炉温1150℃-1250℃；

E、破碎分级

烧结后的过程产品采用机械方式破碎，并根据粒度分布区间采用过筛或气流分级的方式得到最终产品热喷涂粉末，粒度规格按照需求可分为为5-30微米、10-38微米、15-45微米，20-53微米、45-75微米，松装密度为4.0-6.0g／cm³。