CN102586713A - 一种新型WC-Cr3C2-Ni热喷涂粉末及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型WC-Cr₃C₂-Ni热喷涂粉末及其制备工艺。本发明由两种粒度的碳化钨、碳化铬和镍以及微量碳化钛组成，碳化钨的质量百分比为73％，碳化铬的质量百分比为19.5％，镍含量的质量百分比为7％，晶粒抑制剂碳化钛的的质量百分比为0.5％；其中原料碳化钨是由粒度为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，其中纳米碳化钨的质量百分比为22-51％，中颗粒碳化钨的质量百分比为22-51％。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耐磨性、高温抗氧化性能，又能获得较好的涂层韧性。

Description

一种新型WC-Cr3C2-Ni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技术，特别是一种新型WC-Cr₃C₂-Ni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，使工件获得优良的使用性能。在众多的碳化物中，碳化钨和碳化铬作为热喷涂材料在工业上得到应用。碳化钨和碳化铬具备陶瓷材料耐高温抗氧化、高强度、高硬度及耐腐蚀性能好等特点，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-Cr₃C₂-Ni涂层在耐磨性、耐蚀性等方面有明显的优势，尤其应用于沿海或岛屿国家地区，而且制备速度快，环境污染小。 

在改善热喷涂涂层特性的工艺中，超音速火焰喷涂WC-Co(Ni)时表现出了优良的特性。特别是喷涂WC-Cr₃C₂-Ni时，其高温抗氧化性、耐磨、耐蚀性等方面具有非常优秀的表现，尤其是耐蚀性能较好，广泛应用在沿海领域或岛屿国家的耐腐工件上，但其脆性限制了它们的应用。 

发明内容

本发明目的是提供一种新型WC-Cr₃C₂-Ni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耐磨性、高温抗氧化性能，又能获得较好的涂层韧性。 

本发明技术方案：一种新型WC-Cr₃C₂-Ni热喷涂粉末，由两种粒度的碳化钨、碳化铬和镍以及微量碳化钛组成，碳化钨的质量百分比为73％，碳化铬的质量百分比为19.5％，镍含量的质量百分比为7％，晶粒抑制剂碳化钛的的质量百分比为0.5％。 

其中原料碳化钨是由粒度为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，其中纳米碳化钨的质量百分比为22-51％，中颗粒碳化钨的质量百分比为22-51％。 

其松装比为4.0-5.8g/cm³。 

制备一种新型WC-Cr₃C₂-Ni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22-51％、粒度为0.05-0.2微米的纳米碳化钨，备好质量百分比为 22-51％、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19.5％碳化铬和7％的镍粉，然后加入占原料质量百分比为25％、温度为10-15℃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；因原料中含有部分纳米碳化钨粉，为防止其生产过程中氧化和晶粒长大，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1100-1300℃； 

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4.0-4.8g/cm³。 

WC基热喷涂粉末主要用于超音速高速火焰喷涂或者其它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、碳化铬、镍以及微量碳化钛金属组成，碳化钨的质量百分比为73％，碳化铬的质量百分比为19.5％，金属镍的质量百分比为7.0％，碳化钛(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22-51％，中颗粒碳化钨的质量百分比为22-51％；原料配比见表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，此发明通过添加纳米碳化钨及调整多种粒度碳化钨的含量比例，有效平衡硬度、耐磨性、韧性等性能指标。 

表1 

如果喷涂粉末中纳米碳化钨的含量小于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碳化钨的含量大于51％，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22-51％。 

当喷涂粉末中纳米碳化钨的质量百分比含量大于22％、小于36.5％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36.5％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36.5％、小于51％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WC-Cr₃C₂-Ni热喷涂粉末的烧结程度可由松装密度衡量；新型WC-Cr₃C₂-Ni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； 

由表2可见新型WC-Cr₃C₂-Ni热喷涂粉末的松装密度应选择4.0-4.8g/cm³。 

表2 

新型WC-Cr₃C₂-Ni热喷涂粉末原料中含有活性较大的纳米碳化钨，因此在配料时必须加入适量有效的有机抗氧化剂，以抑制其在球磨混料及后序环节的氧化。 

新型WC-Cr₃C₂-Ni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 

以生产新型WC-Cr₃C₂-Ni热喷涂粉末100kg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(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)，备好市场通用的中颗粒碳化钨产品及表中其它原料。 

2、混料： 

首先依据工艺要求，向球磨机内加入22kg(22％)的纳米碳化钨、51kg(51％)中颗粒碳化钨和19.5kg(19.5％)碳化铬，镍粉7.0kg(7.0％)，然后加入占原料质量百分比为25％、温度为10-15℃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；另外在配料时还必须加入质量百分比为0.3％的有机抗氧化剂0.3kg和质量百分比为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11500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11分钟/舟，烧结温度为1260℃； 

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4.2-4.4g/cm³。 

实施例1得到的新型WC-Cr3C2-Ni热喷涂粉末流动性好，加热性能优秀，制备的涂层具有较好的硬度指标，同时也有较好的韧性。根据实际数据，采用这种新型热喷涂粉末与常规WC-Cr3C2-Ni热喷涂粉末进行喷涂对比，在同等硬度条件时，这种新型WC-Cr3C2-Ni热喷涂粉末的涂层韧性比常规粉末高3％左右；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 

以生产新型WC-Cr₃C₂-Ni热喷涂粉末100kg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(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)，备好市场通用的中颗粒碳化钨产品及表中其它原料。 

2、混料： 

首先依据工艺要求，向球磨机内加入36.5kg(36.5％)的纳米碳化钨、36.5kg(36.5％)中颗粒碳化钨和19.5kg(19.5％)碳化铬，镍粉7.0kg(7.0％)，然后加入占原料质量百分比为25％、温度为10-15℃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；另外在配料时还必须加入质量百分比为0.3％的有机抗氧化剂0.3kg和质量百分比为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11500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11分钟/舟，烧结温度为1270℃(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4.2-4.4g/cm³。 

实施例2得到的新型WC-Cr₃C₂-Ni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-Cr₃C₂-Ni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 

以生产新型WC-Cr₃C₂-Ni热喷涂粉末100kg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(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)，备好市场通用的中颗粒碳化钨产品及表中其它原料。 

2、混料： 

首先依据工艺要求，向球磨机内加入51kg(51％)的纳米碳化钨、22kg(22％)中颗粒碳化钨和19.5kg(19.5％)碳化铬，然后加入占原料质量百分比为25％、温度为10-15℃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；另外在配料时还必须加入质量百分比为0.3％的有机抗氧化剂0.3kg和质量百分比为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11500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12分钟/舟，烧结温度为1280℃(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4.4-4.6g/cm³。 

实施例3得到的新型WC-Cr₃C₂-Ni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-Cr₃C₂-Ni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WC-Cr₃C₂-Ni热喷涂粉末，其特征是：由两种粒度的碳化钨、碳化铬和镍以及微量碳化钛组成，碳化钨的质量百分比为73％，碳化铬的质量百分比为19.5％，镍含量的质量百分比为7％，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WC-Cr₃C₂-Ni热喷涂粉末，其特征是：其中原料碳化钨是由粒度为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，其中纳米碳化钨的质量百分比为22-51％，中颗粒碳化钨的质量百分比为22-51％。

3.根据权利要求1所述的一种新型WC-Cr₃C₂-Ni热喷涂粉末，其特征是：其松装比为4.0-5.8g/cm³。

4.制备一种新型WC-Cr₃C₂-Ni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22-51％、粒度为0.05-0.2微米的纳米碳化钨，备好质量百分比为22-51％、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19.5％碳化铬和7％的镍粉，然后加入占原料质量百分比为25％、温度为10-15℃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；因原料中含有部分纳米碳化钨粉，为防止其生产过程中氧化和晶粒长大，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1100-1300℃；

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4.0-4.8g/cm³。