CN102586711A - 一种新型高钴热喷涂粉末及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于超音速高速火焰喷涂或者其它热喷涂粉末生产技术，特别是一种新型高钴(WC-17Co)热喷涂粉末及其制备工艺。本发明由两种不同粒度的碳化钨和钴以及微量碳化钛组成，碳化钨的质量百分比为83％，金属钴的质量百分比为16.5％，晶粒抑制剂碳化钛的质量百分比为0.5％；碳化钨是由粒度为0.05-0.2微米的纳米碳化钨和2.0-8.0微米的中颗粒碳化钨按一定比例混合组成，其中纳米碳化钨的比例为25-58％，中颗粒碳化钨的比例为25-58％。本发明还包括了相应制备的工艺。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抗裂韧性，又能获得较好的涂层硬度。

Description

一种新型高钴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它热喷涂粉末生产技术，特别是一种新型高钴(WC-17Co)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，由于其较高的硬度、耐磨性和优良的韧性广泛地应用于航空航天、石油、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。

在使用传统WC-17Co热喷涂粉末时，由于其钴含量较高，其抗裂韧性相对WC-12Co喷涂粉末较好，但硬度相对较低。在通过调整提高涂层硬度时，韧性就明显降低。根据实际数据，将硬度提高4％时，其断裂韧性指标降低可达10％左右；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高钴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抗裂韧性，又能获得较好的涂层硬度。

本发明技术方案：一种新型高钴热喷涂粉末，由两种不同粒度的碳化钨和钴以及微量碳化钛组成，碳化钨的质量百分比为83％，金属钴的质量百分比为16.5％，晶粒抑制剂碳化钛的的质量百分比为0.5％。

碳化钨是由粒度为0.05-0.2微米的纳米碳化钨和2.0-8.0微米的中颗粒碳化钨按一定比例混合组成，其中纳米碳化钨的比例为25-58％，中颗粒碳化钨的比例为25-58％。

其松装比重为4.0-5.8g/cm³。

制备一种新型高钴热喷涂粉末的工艺，包括以下步骤：

A、备料：

制备质量百分比为25-58％、粒度为0.05-0.2微米的纳米碳化钨，备好质量百分比为25-58％、粒度为2.0-8.0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的纳米碳化钨、中颗粒碳化钨和质量百分比为16.5％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％的有机抗氧化剂，加入质量百分比为0.5％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950-1250℃；

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，其中粒度规格为15-45微米，松装密度为4.0-5.8g/cm³。

WC基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在5-75微米之间。根据不同的热喷涂工艺，实际使用的热喷涂粉末的粒度分布可在不同的区间，如5-30微米、10-38微米、15-45微米、20-53微米、45-75微米等。

本发明由两种不同粒度的碳化钨、钴以及微量碳化钛金属组成，碳化钨的质量百分比为83％，金属钴的质量百分比为16.5％，碳化钛(晶粒抑制剂)的质量百分比为0.5％。碳化钨由粒度为0.05-0.2微米的纳米碳化钨和2.0-8.0微米的中颗粒碳化钨按比例混合组成；其中纳米碳化钨的质量百分比为25-58％，中颗粒碳化钨的质量百分比为25-58％；原料配比见表1。

表1

经反复试验得知碳化钨的粒度及组成对涂层的硬度、耐磨性及韧性影响较大，因此，可通过调整不同粒度碳化钨的含量，有效平衡硬度、耐磨性、韧性等指标。

如果喷涂粉末中纳米碳化钨的含量小于25％，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碳化钨的含量大于58％，喷涂粉末的特性趋向纳米材料特性，涂层硬度较高，耐磨性好，但是由于纳米材料在喷涂过程中容易出现粉末氧化分解，涂层质量大大降低。因此，本发明的碳化钨中纳米粒度碳化钨的质量百分比确定为为25-58％。

当喷涂粉末中纳米碳化钨的质量百分比含量大于25％、小于41.5％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4.0％时，其断裂韧性指标仅降低3.5％左右。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。

当碳化钨中纳米碳化钨的质量百分比含量为41.2％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。

当碳化钨中纳米碳化钨的质量百分比含量大于41.2％、小于58％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，承受一定压力的涂层。

当中颗粒碳化钨的粒度小于2.0微米时，这种热喷涂粉末的耐磨损性能不理想；当中颗粒碳化钨的粒度大于8.0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，中颗粒碳化钨的粒度在2.0-8.0微米时均可生产较理想的热喷涂粉末。

新型高钴WC-17Co热喷涂粉末的烧结程度可由松装密度衡量；新型高钴WC-17Co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可见此新型高钴WC-17Co热喷涂粉末的松装密度应选择4.0-5.8g/cm³。

新型高钴WC-17Co热喷涂粉末原料中含有活性较大的纳米碳化钨，因此在配料时需加入适量有机抗氧化剂，以抑制其在球磨混料及后序环节的氧化。

新型高钴WC-17Co热喷涂粉末原料中含有纳米碳化钨，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抗裂韧性，又能获得优秀的硬度指标。

(2)本发明可通过调整添加的不同组份的纳米碳化钨粉末，制备不同要求及用途的热喷涂粉末，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)。

具体实施方式

实施例1

以生产100kg喷涂粉为例，原料配比及相应参数见表3，工艺附后。

表3

1、备料

按表3数据制备纳米碳化钨粉末一批，备好市场通用的中颗粒碳化钨产品及表中其他原料。

2、混料：

首先依据工艺要求，向球磨设备加入质量为25kg(25％)的纳米碳化钨、58kg(58％)中颗粒碳化钨和16.5kg(16.5％)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25kg及1.0kg(1.0％)的聚乙烯醇进行混料，设备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；另外在配料时还还需加入质量百分比为0.3％的有机抗氧化剂0.3kg，加入质量百分比为0.5％的晶粒生长抑制剂碳化钛0.5kg；

3、造粒

将球磨后的料浆转至料浆搅拌槽搅拌并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(可根据工艺要求适当调整)；

4、烧结

将喷雾得到混合料装入石墨舟皿中，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950-1250℃；

5、破碎分级

烧结后的过程产品采用机械方式破碎，并采用过筛或气流分级得到不同规格的热喷涂粉末产品。其中粒度规格为5-30微米40kg、15-45微米58kg，生产过程金属损失约2kg(2.0％)，其松装比重为4.8-5.0g/cm³。

实施例1得到的新型高钴WC-17Co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WC-17Co热喷涂粉末进行喷涂对比，在同等硬度条件时，这种新型高钴WC-17Co热喷涂粉末的涂层韧性比常规粉末高3％；因此该粉末适用于制备硬度较高，且需要具备一定韧性要求的涂层。

实施例2

以生产100kg喷涂粉为例，原料配比及相应参数见表4，工艺附后。

表4

1、备料

按表4据制备纳米碳化钨粉末一批，备好市场通用的中颗粒碳化钨产品及表中其他原料。

2、混料：

首先依据工艺要求，向球磨设备加入质量为41.5kg(41.5％)的纳米碳化钨、41.5kg(41.5％)中颗粒碳化钨和16.5kg(16.5％)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25kg及1.0kg(1.0％)的聚乙烯醇进行混料，设备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；另外在配料时还还需加入质量百分比为0.3％的有机抗氧化剂0.3kg，加入质量百分比为0.5％的晶粒生长抑制剂碳化钛0.5kg；

3、造粒

将球磨后的料浆转至料浆搅拌槽搅拌并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(可根据工艺要求适当调整)；

4、烧结

将喷雾得到混合料装入石墨舟皿中，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950-1250℃(可根据产品检测结果进行适当调整)；

5、破碎分级

烧结后的过程产品采用机械方式破碎，并采用过筛或气流分级得到不同规格的热喷涂粉末产品。其中粒度规格为5-30微米40kg、15-45微米58kg，生产过程金属损失约2kg(2.0％)，其松装比重为5.1-5.3g/cm³。

实施例2得到的新型高钴WC-17Co热喷涂粉末流动性好，制备的涂层具有优秀的综合性能指标，韧性、硬度指标高于其他同等WC-17Co粉末涂层。因此该粉末适应范围较广，具有较高的综合性能优势。

实施例3

以生产100kg喷涂粉为例，原料配比及相应参数见表5，工艺附后。

表5

1、备料

按表5数据制备纳米碳化钨粉末一批，备好市场通用的中颗粒碳化钨产品及表中其他原料。

2、混料：

首先依据工艺要求，向球磨设备加入质量为58kg(58％)的纳米碳化钨、25kg(25％)中颗粒碳化钨和16.5kg(16.5％)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25kg及1.0kg(1.0％)的聚乙烯醇进行混料，设备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；另外在配料时还还需加入质量百分比为0.3％的有机抗氧化剂0.3kg，加入质量百分比为0.5％的晶粒生长抑制剂碳化钛0.5kg；

3、造粒

将球磨后的料浆转至料浆搅拌槽搅拌并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(可根据工艺要求适当调整)；

4、烧结

将喷雾得到混合料装入石墨舟皿中，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950-1250℃(可根据产品检测结果进行适当调整)；

5、破碎分级

与实例1、2相同，烧结后的过程产品采用机械方式破碎，并采用过筛或气流分级得到不同规格的热喷涂粉末产品。其中粒度规格为10-38微米30kg、20-53微米68kg，生产过程金属损失约2kg(2.0％)，其松装比重为5.4-5.6g/cm³。

实施例3得到的新型高钴WC-17Co热喷涂粉末流动性好，制备的涂层具有优秀的综合性能指标，韧性、硬度指标高于其他同等WC-17Co粉末涂层，且涂层具有较好的耐磨性能。因此该粉末适应范围较广，具有较高的综合性能优势。

未说明百分比均为质量百分比。

Claims (4)

1.一种新型高钴热喷涂粉末，其特征是：由两种不同粒度的碳化钨和钴以及微量碳化钛组成，碳化钨的质量百分比为83％，金属钴的质量百分比为16.5％，晶粒抑制剂碳化钛的的质量百分比为0.5％。

2.根据权利要求1所述的一种新型高钴热喷涂粉末，其特征是：碳化钨是由粒度为0.05-0.2微米的纳米碳化钨和2.0-8.0微米的中颗粒碳化钨按一定比例混合组成，其中纳米碳化钨的比例为25-58％，中颗粒碳化钨的比例为25-58％。

3.根据权利要求1所述的一种新型高钴热喷涂粉末，其特征是：其松装比重为4.0-5.8g/cm³。

4.制备一种新型高钴热喷涂粉末的工艺，包括以下步骤：

A、备料：

制备质量百分比为25-58％、粒度为0.05-0.2微米的纳米碳化钨，备好质量百分比为25-58％、粒度为2.0-8.0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的纳米碳化钨、中颗粒碳化钨和质量百分比为16.5％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％的有机抗氧化剂，加入质量百分比为0.5％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950-1250℃；

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，其中粒度规格为15-45微米，松装密度为4.0-5.8g/cm³。