CN102719862A - 在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法，该方法为：一、对W18Cr4V钢基板表面进行预处理；二、配制电镀液，然后向电镀液中加入WC微粒；三、将钴板和W18Cr4V钢基板置于加入WC微粒后的电镀液中，以经预处理的W18Cr4V钢基板作为阴极，以钴板作为阳极，在搅拌条件下进行氧化还原反应，使W18Cr4V钢基板表面电沉积一层均匀的Co-WC复合镀层。本发明具有溶液配制方便，生产步骤简单，成本低廉等优点，是多种矿山机械零部件尤其是采煤机截齿镀层的理想技术方案，制备的Co-WC复合镀层表面光滑致密，WC微粒均匀分布于基质镀层内，镀层与基板结合力强，具有优异的耐摩擦磨损性能。

Description

在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法
技术领域
本发明属于涂镀层表面制备技术领域，具体涉及一种在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法。
背景技术
煤矿生产中的机械设备，在生产过程中常因零部件的摩擦、磨损及腐蚀失效而引发故障或事故，其中采煤机截齿是最常见的磨损失效件。采煤机截齿的磨损、腐蚀等失效现象极其严重，由此而引发的设备故障、停工停产，造成的经济损失不可估量。因此，研究、解决采煤机截齿的耐磨及耐腐蚀性能对煤矿高产、高效和安全生产具有十分重要的意义，也是一项迫切的任务。
多年来，采煤机截齿齿尖材料一直使用Co-WC硬质合金，Co-WC硬质合金具有很高的强度、耐磨性和抗冲击韧性，也可用于潜孔钻、牙轮钻、盾构刀具等采掘工具。
采煤机截齿齿尖与齿体之间常采用钎焊工艺连接，由于硬质合金和齿体在焊接过程中均不熔化，仅是靠熔化钎料的毛细管作用润湿二者表面，使液相与固相之间相互扩散而连接在一起，结合强度较低，所以在截割各种煤层和夹矸时，经常脱落、破碎。另一方面，传统的WC基硬质合金刀具材料的主要原料为钨、钴，属于稀缺战略资源。为此，近年来，国内外许多研究单位，采用热喷涂技术在普通合金表面制备耐磨耐蚀Co-WC复合涂层，以取代传统的Co-WC硬质合金，应用于采煤机截齿等零部件（也可修复已磨损、腐蚀失效件），不仅简化了Co-WC硬质合金粉末冶金的制备以及钎焊连接繁琐的复杂工艺，克服了传统工艺能耗高、设备昂贵、制备条件苛刻等缺点，并且显著地降低了成本。
目前，Co-WC复合镀层的制备工艺主要集中于超音速火焰喷涂（HVOF）与等离子喷涂等热喷涂工艺工艺，该工艺涂层和基体选择范围广，涂层厚度变化范围大，沉积速率高以及容易形成复合涂层等。但热喷涂工艺对设备要求高，工作环境较差；另一方面，该工艺会使WC微粒由于过热而被分解和氧化，造成WC的脱碳，而且还会生成含Co的亚稳定碳化物，且这些产物非常脆，在接触载荷的反复作用下很容易开裂、剥落，从而会降低Co-WC复合镀层的耐磨性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种采用复合电沉积法在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法。采用该方法制备的Co-WC复合镀层表面光滑致密，WC微粒均匀分布于基质镀层内，镀层与基板结合力强，具有优异的耐摩擦磨损性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对W18Cr4V钢基板表面进行预处理，去除W18Cr4V钢基板表面缺陷；
步骤二、配制电镀液，然后向电镀液中加入WC微粒；所述电镀液由以下成分组成：硫酸钴200g/L～300g/L，氯化钠30g/L～50g/L，硼酸30g/L～60g/L，余量为水；所述WC微粒的加入量为每升电镀液中加入5g～25g WC微粒；
步骤三、将两块相同的钴板和步骤一中经预处理的W18Cr4V钢基板置于步骤二中加入WC微粒后的电镀液中，以经预处理的W18Cr4V钢基板作为阴极，以两块钴板作为阳极，在搅拌条件下进行氧化还原反应，使W18Cr4V钢基板表面电沉积一层均匀的Co-WC复合镀层；所述氧化还原反应过程中控制电镀液的温度为50℃～60℃，直流电流密度为6A/dm2～10A/dm2；所述氧化还原反应的时间为1h～2h；所述W18Cr4V钢基板放置在两块钴板中间位置。
上述的在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法，步骤一中所述预处理的方法为：依次用80#、100#、600#和1000#砂纸对W18Cr4V钢基板表面进行打磨；将经打磨后的W18Cr4V钢基板放入碱性除油剂中超声振荡10min～30min，超声振荡过程中控制温度为70℃～90℃，频率为30Hz～50Hz，功率为80W～120W；将经超声处理后的W18Cr4V钢基板用蒸馏水冲洗干净后放入质量百分比浓度为25%～35%的盐酸中酸洗活化10s～20s，然后用蒸馏水冲净，烘干备用。
上述的在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法，所述碱性除油剂由以下成分组成：氢氧化钠10g/L～25g/L，磷酸三钠25g/L～45g/L，碳酸钠15g/L～30g/L，硅酸钠1.5g/L～4g/L，余量为水。
上述的在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法，步骤二中所述电镀液的pH值为3.0～5.0。
上述的在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法，步骤二中所述WC微粒为经400℃～700℃/1h热处理后的粒径为3μm～4μm的WC微粒。
上述的在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法，步骤三中所述钴板为质量纯度不低于99.98%的电解钴板。
上述的在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法，步骤三中所述搅拌的速率为250r/min～300r/min。
上述的在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法，步骤三中所述阴极W18Cr4V钢基板与阳极钴板之间的距离为2cm～4cm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用复合电沉积法在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层，具有溶液配制方便，生产步骤简单，成本低廉等优点，是多种矿山机械零部件尤其是采煤机截齿镀层的理想技术方案。
2、采用本发明的方法制备的Co-WC复合镀层表面光滑致密，WC微粒均匀分布于基质镀层内，镀层与基板结合力强，具有优异的耐摩擦磨损性能。
3、采用本发明的方法在采煤机截齿等零部件上制备Co-WC复合镀层，可以延长零部件的使用寿命，降低成本，节约钨、钴稀缺战略资源，从而提高其经济实用性。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的Co-WC复合镀层的截面形貌图。
图2为本发明实施例1制备的Co-WC复合镀层的XRD衍射图谱。
图3为纯Co镀层的摩擦磨损形貌扫描电镜照片。
图4为本发明实施例1制备的Co-WC复合镀层的摩擦磨损形貌扫描电镜照片。
图5为本发明电镀液中不同WC微粒添加量下Co-WC复合镀层显微硬度的柱状图。
图6为本发明电镀液中不同WC微粒添加量下Co-WC复合镀层磨损量的柱状图。
具体实施方式
实施例1
步骤一、依次用80#、100#、600#和1000#砂纸对W18Cr4V钢基板表面进行打磨；将经打磨后的W18Cr4V钢基板放入碱性除油剂中超声振荡15min，超声振荡过程中控制温度为80℃，频率为40Hz，功率为100W；将经超声处理后的W18Cr4V钢基板用蒸馏水冲洗干净后放入质量百分比浓度为30%的盐酸中酸洗活化15s，然后用蒸馏水冲净，烘干备用；所述碱性除油剂由以下成分组成：氢氧化钠20g/L，磷酸三钠35g/L，碳酸钠25g/L和硅酸钠2.5g/L，余量为水；
步骤二、配制pH值为4.0的电镀液，然后向电镀液中加入WC微粒；所述电镀液由以下成分组成：硫酸钴250g/L、氯化钠40g/L和硼酸50g/L，余量为水；所述WC微粒的加入量为每升电镀液中加入20g WC微粒；所述WC微粒为经600℃/1h热处理后的粒径为3μm～4μm的WC微粒；
步骤三、将两块相同的质量纯度不低于99.98%的电解钴板和步骤一中经预处理的W18Cr4V钢基板置于步骤二中加入WC微粒后的电镀液中，且W18Cr4V钢基板放置在两块钴板中间位置，以经预处理的W18Cr4V钢基板作为阴极，以两块钴板作为阳极，在搅拌速率为250r/min的搅拌条件下进行氧化还原反应，使W18Cr4V钢基板表面电沉积一层均匀的Co-WC复合镀层；所述氧化还原反应过程中控制电镀液的温度为55℃，直流电流密度为8A/dm2；所述氧化还原反应的时间为1h；所述阴极W18Cr4V钢基板与阳极钴板之间的距离为3cm。
图1为本实施例制备的Co-WC复合镀层的截面形貌图。从图中可以看出，制备的Co-WC复合镀层表面光滑致密，WC微粒均匀分布于基质镀层内。图2为本实施例制备的Co-WC复合镀层的XRD衍射图谱，图谱中出现WC和Co在不同晶面上的特征峰，并且特征峰值很尖锐，表明该镀层为典型的Co多晶结构，所制备的镀层为晶态结构的Co-WC复合镀层。图3为采用本发明不加WC微粒的电镀液制备的纯Co镀层的摩擦磨损形貌扫描电镜照片，图4为本实施例制备的Co-WC复合镀层的摩擦磨损形貌扫描电镜照片，从图中可以看出，纯Co镀层由于犁削和粘着效应严重，导致复合镀层表面出现明显的犁沟和粘着剥落痕迹；而Co-WC复合镀层表面只呈现出由磨料磨损引起的轻微划痕，没有犁削和粘着磨损的特征，耐磨性从而得到大幅度提高。究其原因是由于Co-WC复合镀层内含量适中的WC微粒弥散分布于Co基质金属中，使得复合镀层的硬度得到明显提高，而这些高硬度的WC微粒，又使得摩擦副表面的微凸体在镀层表面的犁削作用得到有效抑制，大大减弱了镀层的微观切削和微观脆性剥落。
实施例2
步骤一、依次用80#、100#、600#和1000#砂纸对W18Cr4V钢基板表面进行打磨；将经打磨后的W18Cr4V钢基板放入碱性除油剂中超声振荡30min，超声振荡过程中控制温度为70℃，频率为30Hz，功率为80W；将经超声处理后的W18Cr4V钢基板用蒸馏水冲洗干净后放入质量百分比浓度25%的盐酸中酸洗活化20S，然后用蒸馏水冲净，烘干备用；所述碱性除油剂由以下成分组成：氢氧化钠10g/L，磷酸三钠25g/L，碳酸钠15g/L和硅酸钠1.5g/L，余量为水；
步骤二、配制pH值为5.0的电镀液，然后向电镀液中加入WC微粒；所述电镀液由以下成分组成：硫酸钴200g/L、氯化钠30g/L和硼酸30g/L，余量为水；所述WC微粒的加入量为每升电镀液中加入5g WC微粒；所述WC微粒为经400℃/1h热处理后的粒径为3μm～4μm的WC微粒；
步骤三、将两块相同的质量纯度不低于99.98%的电解钴板和步骤一中经预处理的W18Cr4V钢基板置于步骤二中加入WC微粒后的电镀液中，且W18Cr4V钢基板放置在两块钴板中间位置，以经预处理的W18Cr4V钢基板作为阴极，以两块钴板作为阳极，在搅拌速率为300r/min的搅拌条件下进行氧化还原反应，使W18Cr4V钢基板表面电沉积一层均匀的Co-WC复合镀层；所述氧化还原反应过程中控制电镀液的温度为60℃，直流电流密度为10A/dm2；所述氧化还原反应的时间为2h；所述阴极W18Cr4V钢基板与阳极钴板之间的距离为2cm。
实施例3
步骤一、依次用80#、100#、600#和1000#砂纸对W18Cr4V钢基板表面进行打磨；将经打磨后的W18Cr4V钢基板放入碱性除油剂中超声振荡10min，超声振荡过程中控制温度为90℃，超声频率为50Hz，功率为120W；将经超声处理后的W18Cr4V钢基板用蒸馏水冲洗干净后放入质量百分比浓度为35%的盐酸中酸洗活化10s，然后用蒸馏水冲净，烘干备用；所述碱性除油剂由以下成分组成：氢氧化钠25g/L，磷酸三钠45g/L，碳酸钠30g/L和硅酸钠4g/L，余量为水；
步骤二、配制pH值为3.0的电镀液，然后向电镀液中加入WC微粒；所述电镀液由以下成分组成：硫酸钴300g/L、氯化钠50g/L和硼酸60g/L，余量为水；所述WC微粒的加入量为每升电镀液中加入25g WC微粒；所述WC微粒为经700℃/1h热处理后的粒径为3μm～4μm的WC微粒；
步骤三、将两块相同的质量纯度不低于99.98%的电解钴板和步骤一中经预处理的W18Cr4V钢基板置于步骤二中加入WC微粒后的电镀液中，且W18Cr4V钢基板放置在两块钴板中间位置，以经预处理的W18Cr4V钢基板作为阴极，以两块钴板作为阳极，在搅拌速率为280r/min的搅拌条件下进行氧化还原反应，使W18Cr4V钢基板表面电沉积一层均匀的Co-WC复合镀层；所述氧化还原反应过程中控制电镀液的温度为50℃，直流电流密度为6A/dm2；所述氧化还原反应的时间为1.5h；所述阴极W18Cr4V钢基板与阳极钴板之间的距离为4cm。
本发明对电镀液中WC微粒含量对Co-WC复合镀层显微硬度的影响以及摩擦磨损量的影响进行了研究，结果如下：
一、电镀液中不同WC微粒添加量对应的Co-WC复合镀层的显微硬度
结果如图5所示，从图中可以看出，随着镀液中微粒含量的不断增加，镀层的显微硬度逐渐提高，当WC微粒含量在20g/L时，显微硬度达到最大值；但继续增加微粒含量浓度时，镀层的显微硬度有所下降。但是，与纯Co镀层的显微硬度相比，前者的显微硬度高很多。究其原因，这是由于WC自身的硬度值较高，当WC作为增强微粒加入到镀液中，所获得的Co-WC复合镀层内部，WC微粒均匀地分布于Co基质中，WC微粒对镀层产生了弥散强化的作用，并且随着镀液中WC微粒浓度的升高，Co-WC复合镀层的显微硬度也随着升高。但当WC含量过多时，由于WC微粒在镀层内部团聚增加且分布不均，削弱了微粒的弥散强化作用反而使复合镀层的硬度下降。
二、电镀液中不同WC微粒添加量对应的Co-WC复合镀层的摩擦磨损量
结果如图6所示，从图中可以看出，随着镀液中WC微粒含量的增加，Co-WC复合镀层的磨损量降低，即单位时间内所磨损的质量减少，说明镀层的摩擦磨损性能随着镀液中WC微粒含量的增加而得到提高，当WC微粒含量浓度为20g/L时，Co-WC复合镀层的磨损量最低；继续增加镀液中WC微粒含量，Co-WC复合镀层的磨损量也随之增大。这是由于WC微粒含量的不同，其在镀层中的聚集状态不同，会引起WC微粒在复合镀层摩擦磨损过程中的作用机理有所差异。Co-WC复合镀层内的WC微粒被Co基质牢牢包裹，在摩擦过程中，WC微粒承载着负荷，阻止位错滑移，起着干润滑的作用，在一定程度上降低了材料表面的粘着磨损强度和犁沟效应，但继续增加WC微粒含量，使磨损机理转变为磨粒磨损，导致磨损量增加。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对W18Cr4V钢基板表面进行预处理，去除W18Cr4V钢基板表面缺陷；
步骤二、配制电镀液，然后向电镀液中加入WC微粒；所述电镀液由以下成分组成：硫酸钴200g/L～300g/L，氯化钠30g/L～50g/L，硼酸30g/L～60g/L，余量为水；所述WC微粒的加入量为每升电镀液中加入5g～25g WC微粒；
步骤三、将两块相同的钴板和步骤一中经预处理的W18Cr4V钢基板置于步骤二中加入WC微粒后的电镀液中，以经预处理的W18Cr4V钢基板作为阴极，以两块钴板作为阳极，在搅拌条件下进行氧化还原反应，使W18Cr4V钢基板表面电沉积一层均匀的Co-WC复合镀层；所述氧化还原反应过程中控制电镀液的温度为50℃～60℃，直流电流密度为6A/dm2～10A/dm2；所述氧化还原反应的时间为1h～2h；所述W18Cr4V钢基板放置在两块钴板中间位置。
2.根据权利要求1所述的在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法，其特征在于，步骤一中所述预处理的方法为：依次用80#、100#、600#和1000#砂纸对W18Cr4V钢基板表面进行打磨；将经打磨后的W18Cr4V钢基板放入碱性除油剂中超声振荡10min～30min，超声振荡过程中控制温度为70℃～90℃，频率为30Hz～50Hz，功率为80W～120W；将经超声处理后的W18Cr4V钢基板用蒸馏水冲洗干净后放入质量百分比浓度为25%～35%的盐酸中酸洗活化10s～20s，然后用蒸馏水冲净，烘干备用。
3.根据权利要求2所述的在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法，其特征在于，所述碱性除油剂由以下成分组成：氢氧化钠10g/L～25g/L，磷酸三钠25g/L～45g/L，碳酸钠15g/L～30g/L，硅酸钠1.5g/L～4g/L，余量为水。
4.根据权利要求1所述的在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法，其特征在于，步骤二中所述电镀液的pH值为3.0～5.0。
5.根据权利要求1所述的在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法，其特征在于，步骤二中所述WC微粒为经400℃～700℃/1h热处理后的粒径为3μm～4μm的WC微粒。
6.根据权利要求1所述的在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法，其特征在于，步骤三中所述钴板为质量纯度不低于99.98%的电解钴板。
7.根据权利要求1所述的在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法，其特征在于，步骤三中所述搅拌的速率为250r/min～300r/min。
8.根据权利要求1所述的在W18Cr4V钢表面制备Co-WC复合镀层的方法，其特征在于，步骤三中所述阴极W18Cr4V钢基板与阳极钴板之间的距离为2cm～4cm。
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