CN102719862B - 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
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 (4)
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;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;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和硅酸钠1.5g/L~4g/L,余量为水;
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和硼酸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;所述WC微粒为经400℃~700℃热处理1h后的粒径为3μm~4μm的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,W18Cr4V钢基板与钴板之间的距离为2cm~4cm。
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,步骤二中所述电镀液的pH值为3.0~5.0。
3.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。
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,步骤三中所述搅拌的速率为250r/min~300r/min。
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