CN102418065A - 复合金属碳化物耐磨涂层及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
一种复合金属碳化物耐磨涂层及其制备工艺，属于耐磨涂层及其制备工艺。包括粘接剂包覆碳化钨和其它碳化物组成，所述的粘接剂包覆碳化钨为WC-Co或WC-Ni的粒径；所述的其它碳化物为碳化铬、碳化钒、碳化铁、碳化钛等；所述的粘接剂包覆碳化钨与碳化物的一种或者多种粉末相混合，经超音速火焰喷涂（焊）或等离子喷涂（焊）至中碳钢铁零件表面形成耐磨涂层；所述中碳钢为碳含量0.35～0.55%C（wt），经淬火加高温回火的调质热处理状态；所述的超音速火焰喷涂（焊）或等离子喷涂（焊）工艺依次为中碳钢表面喷砂除锈，喷涂Ni-5%Al合金粘接涂层，喷涂复合碳化物耐磨涂层。所述复合碳化物耐磨涂层硬度HV1200～1800，涂层结合力大于60Mpa，具有较好的机械性能、抗磨损和耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐磨涂层及其制备工艺，特别是一种复合金属碳化物耐磨涂层及其制备工艺。
背景技术
随着制造业产业结构的优化升级，可靠性和耐久性成为机械设备、零部件的关键。许多机械零件由于表面的局部磨损、腐蚀等问题而引起过早失效或报废。为了提高机械零件表面耐磨损、抗腐蚀目的，大量的中碳钢和中碳合金钢调质热处理后进行表面电镀硬铬、化学镀镍磷合金、表面离子氮化、喷涂Ni60涂层等处理。然而电镀铬生产中带有大量六价铬污染环境，各国已明令禁止六价铬电镀生产；化学镀镍磷合金具有较优良的耐腐蚀性能，但不能较好地满足耐磨损要求；离子氮化虽然在一定程度上改善零件表面耐磨损性能，但是其工艺周期长、零件容易变形的缺点也很明显；喷涂Ni60涂层具有一定的表面硬度，但喷涂表面不够致密，涂层孔隙率较大。
近年发展的爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、等离子喷涂WC-12Co、WC-17Co、WC-17Ni等涂层技术，虽然在一定程度上提高零件表面硬度，但仍表现为涂层的耐磨性能不够好，特别是单一尺寸的WC涂层或单一种类的碳化钨涂层对于要求表面耐磨蚀、一定韧性和表面粗糙度低的零件，很难满足其要求，同时这些碳化钨涂层孔隙率略高、涂层结合力不够高，在一定程度上限制其应用。
发明内容
本发明的目的是要提供一种工艺简单、耐磨强度高的复合金属碳化物耐磨涂层及其制备工艺。
本发明的目的是这样实现的：复合金属碳化物耐磨涂层材料为粘接剂包覆碳化钨和碳化物以质量百分比组成；所述的粘接剂包覆碳化钨为WC-16%Co（wt）粉末或WC-16%Ni（wt）粉末或WC-16%NiCr（wt）粉末，其粒径同时包含15～45μm，0.8～5μm，300～400nm数量级三种状态；所述的碳化物是碳化铬（Cr2C3）粉末、碳化钒（VC）粉末、碳化铁（Fe3C）粉末、碳化钛（TiC）粉末、碳化铌（NbC）粉末中的一种粉末、或二种混合粉末或三种混合粉末，其粒径为10～63μm；
粘接剂包覆碳化钨的WC-16%Co粉末或WC-16%Ni粉末或WC-16%NiCr粉末与 Cr2C3粉末、VC粉末、Fe3C粉末、TiC粉末、NbC粉末其中的一种按2～7:1～3相混合成为复合粉末；WC-16%Co粉末或WC-16%Ni粉末、WC-16%NiCr粉末与Cr2C3粉末、VC粉末、Fe3C粉末、TiC粉末其中二种按7～12:2～5相混合成为复合粉末，Cr2C3粉末与VC粉末或Fe3C粉末或TiC粉末之比为2:1；WC-16%Co粉末或WC-16%Ni粉末或WC-16%NiCr粉末与Cr2C3粉末、VC粉末、Fe3C粉末、TiC粉末其中三种按12～20:4～7相混合成为复合粉末，Cr2C3与Fe3C与VC或TiC之比为2:1:1；
所述复合碳化物涂层硬度为HV1200～1800，涂层结合力大于60Mpa，复合碳化物涂层厚度尺寸150～500μm，复合碳化物涂层可进行金刚石砂轮或立方氮化硼砂轮磨削加工；所述中碳钢碳含量0.35～0.55%（wt）的碳钢或合金钢经淬火加高温回火的调质热处理状态。
所述的复合金属碳化物耐磨涂层为：超音速火焰喷涂或等离子喷涂本发明复合金属碳化物粉末直接形成耐磨涂层；或超音速火焰喷涂或等离子喷涂本发明复合金属碳化物粉末，再经超音速火焰或等离子体火焰重熔成型为耐磨涂层。
所述的复合金属碳化物耐磨涂层制备工艺为：首先对调质热处理的中碳钢或中碳合金钢进行表面清理，采用200℃加热方法去除其表面各类油渍污染物；其次采用离心抛砂或空气动力喷砂方法对上述表面进行除锈和毛化，所用砂子为粒径不大于0.6mm棕刚玉或淬火的轴承钢棱角钢砂，砂子撞击零件表面速度不小于120m/s，获得清洁和粗糙表面，其清洁度高于Sa3级、粗糙度在Rz25～100μm、貌纹形貌为棱角状态；对棱角和复杂表面进行电弧喷涂Ni-5%Al粘接底层100～150μm厚度；最后采用超音速火焰喷涂对清洁毛化表面或喷涂粘接底层表面喷涂本发明复合碳化物粉末，获得复合碳化物涂层厚度150～500μm；根据需要可以进一步对超音速喷涂复合碳化物涂层进行熔焊和磨削加工。
有益效果，由于采用了上述方案，中碳钢调质热处理获得较好的强度和韧性配合，但其表面抗磨损和耐腐蚀性能一直不够理想，本发明针对中碳钢或中碳合金钢调质热处理的零件表面强化，不仅保证原调质热处理的强度和韧性，同时提高零件表面的耐磨损和防腐蚀性能，使零件的整体使用性能获得提高，对整机可靠性提供有力保证。为调质热处理零件提供一种表面强化的新途径。
本发明的复合金属碳化物涂层是专门针对中碳钢调质热处理零件表面的强化，所述的中碳钢是指碳含量0.35～0.55%（wt）的碳钢或合金钢经淬火加高温回火调质热处理状态，所述的超音速火焰喷涂（焊）或等离子喷涂（焊）复合碳化物涂层与调质中碳钢或中碳合金钢之间结合力达到60Mpa以上，涂层厚度尺寸100～1000μm，涂层硬度HV1200～1800，涂层与碳化硅砂轮面磨损时表现为硬挤压痕和局部脆性脱落磨损形貌，盐雾实验呈现涂层未见明显腐蚀行为。本发明的复合碳化物涂层可用金刚石砂轮或立方氮化硼砂轮进行磨削加工。
优点：本发明复合碳化物涂层具有与金属基体结合牢固，不同粒径颗粒互相填充、涂层结构致密，多种碳化物复合、涂层耐磨损和耐腐蚀性能优良。超音速喷涂和等离子喷涂碳化物元素氧化烧损量很少。工艺简单、耐磨强度高，达到了本发明的目的。
具体实施方式
本发明中所述的百分比均为质量百分比。
实施例1：本实施方式复合金属碳化物涂层。具体做法为复合金属碳化物粉末由粘接剂包覆碳化钨WC-16%Co粉末与碳化钒、碳化铁和碳化铬粉末在锥型混料机机械混合而成。WC-16%Co与Cr2C3、VC、Fe3C之比为12～17:4～7，碳化钒3～5%，碳化铁4～6%，其余为碳化铬组成，15～45μm，0.8～5μm，300～400nm数量级三种粒径的WC-16%Co粉末与10～63μm粒径的其它碳化物在锥型混料机，以12～30转/分钟速度混料2小时获得复合金属碳化物粉末。调质热处理的中碳钢Q345经喷砂除锈，获得表面清洁度Sa3级、粗糙度Rz25～80μm、貌纹形貌为棱角状态，在此表面喷涂Ni-5%Al粘接底层100～150μm厚度，采用超音速火焰喷涂本实施例一复合金属碳化物混合粉末成型。喷涂时航空煤油为燃料，氧气为助燃气。喷涂工艺参数为：燃料压力0.79～1.4MPa，流量21L/h，氧气压力1.65 MPa，流量40 m3/h，送粉流量10.27kg/h，送粉气体为氮气，喷涂距离350mm。获得的复合金属碳化物涂层结合力大于63Mpa，涂层厚度尺寸350～450μm，涂层硬度HV1700～1800。
实施例2：本实施方式复合金属碳化物涂层。具体做法为复合金属碳化物粉末由粘接剂包覆碳化钨WC-16%Ni粉末与碳化铬粉末之比为2～5:2～3组成，15～45μm，0.8～5μm，300～400nm数量级三种粒径的WC-16%Ni粉末与10～63μm粒径的碳化铬在锥型混料机，以12～30转/分钟速度混料2小时获得复合金属碳化物粉末。调质热处理的中碳钢Q345经喷砂除锈，获得表面清洁度Sa3级、粗糙度Rz25～80μm、貌纹形貌为棱角状态，在此表面喷涂Ni-5%Al粘接底层100～150μm厚度，采用等离子喷涂本实施例二复合金属碳化物混合粉末成型。喷涂工艺参数为：喷涂电压为55～60V、喷涂电流为500～550A、送粉流量9.15kg/h、喷涂距离300mm，获得的复合金属碳化物涂层与调质钢之间结合力大于65Mpa，涂层厚度尺寸350～450μm，涂层硬度HV1400～1600，盐雾试验72小时未除锈锈蚀点。
实施例3：本实施方式复合金属碳化物涂层。具体做法为复合金属碳化物粉末由粘接剂包覆碳化钨WC-16%Co粉末与碳化铬和碳化钒粉末在锥型混料机机械混合而成。WC-16%Co粉末与碳化铬和碳化钒粉末之比为8～10:3～4组成，其它碳化物为碳化铬18～19%，其余为碳化钒，WC-16%Co粉末粒径为15～45μm、0.8～5μm、300～400nm，Cr2C3、VC粉末粒径为10～63μm。调质热处理的中碳钢Q345经喷砂除锈，获得表面清洁度Sa3级、粗糙度Rz25～80μm、貌纹形貌为棱角状态，采用超音速火焰喷涂本例三复合金属碳化物粉末成型，随后采用超音速火焰炬重熔。喷涂工艺参数为：燃料压力0.82～1.4MPa，流量21L/h，氧气压力1.71 MPa，流量40 m3/h，送粉流量11.00kg/h，送粉气体为氮气，喷涂距离350mm。获得涂层厚度尺寸300～500μm，涂层硬度HV1400～1600，盐雾试验72小时未除锈锈蚀点。
Claims (2)
1.一种复合金属碳化物耐磨涂层，其特征在于：复合金属碳化物耐磨涂层材料为粘接剂包覆碳化钨和碳化物以质量百分比组成；所述的粘接剂包覆碳化钨为WC-16%Co（wt）粉末或WC-16%Ni（wt）粉末或WC-16%NiCr（wt）粉末，其粒径同时包含15～45μm，0.8～5μm，300～400nm数量级三种状态；所述的碳化物是碳化铬（Cr2C3）粉末、碳化钒（VC）粉末、碳化铁（Fe3C）粉末、碳化钛（TiC）粉末、碳化铌（NbC）粉末中的一种粉末、或二种混合粉末或三种混合粉末，其粒径为10～63μm；
粘接剂包覆碳化钨的WC-16%Co粉末或WC-16%Ni粉末或WC-16%NiCr粉末与 Cr2C3粉末、VC粉末、Fe3C粉末、TiC粉末、NbC粉末其中的一种按2～7:1～3相混合成为复合粉末；WC-16%Co粉末或WC-16%Ni粉末、WC-16%NiCr粉末与Cr2C3粉末、VC粉末、Fe3C粉末、TiC粉末其中二种按7～12:2～5相混合成为复合粉末，Cr2C3粉末与VC粉末或Fe3C粉末或TiC粉末之比为2:1；WC-16%Co粉末或WC-16%Ni粉末或WC-16%NiCr粉末与Cr2C3粉末、VC粉末、Fe3C粉末、TiC粉末其中三种按12～20:4～7相混合成为复合粉末，Cr2C3与Fe3C与VC或TiC之比为2:1:1；
所述的复合碳化物涂层硬度为HV1200～1800，复合碳化物涂层结合力大于60Mpa，复合碳化物涂层厚度尺寸150～500μm，复合碳化物涂层可进行金刚石砂轮或立方氮化硼砂轮磨削加工；所述中碳钢碳含量0.35～0.55%（wt）的碳钢或合金钢经淬火加高温回火的调质热处理状态。
2. 一种复合金属碳化物耐磨涂层的制备工艺，其特征在于：首先对调质热处理的中碳钢或中碳合金钢进行表面清理，采用200℃加热方法去除其表面各类油渍污染物；其次采用离心抛砂或空气动力喷砂方法对上述表面进行除锈和毛化，所用砂子为粒径不大于0.6mm棕刚玉或淬火的轴承钢棱角钢砂，砂子撞击零件表面速度不小于120m/s，获得清洁和粗糙表面，其清洁度高于Sa3级、粗糙度在Rz25～100μm、貌纹形貌为棱角状态；对棱角和复杂表面进行电弧喷涂Ni-5%Al粘接底层100～150μm厚度；最后采用超音速火焰喷涂对清洁毛化表面或喷涂粘接底层表面喷涂本发明复合碳化物粉末，获得复合碳化物涂层厚度150～500μm。
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