CN103409747A

CN103409747A - 制备Ni基WC硬质合金涂层及抑制其裂纹与气孔的方法

Info

Publication number: CN103409747A
Application number: CN2013103285874A
Authority: CN
Inventors: 林学春; 刘发兰; 赵树森; 高文焱; 王奕博; 周春阳
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2013-11-27

Abstract

本发明公开了一种抑制Ni基WC硬质合金裂纹与气孔的方法，以及利用该方法和激光熔覆来制备Ni基WC硬质合金的方法。本发明在Ni基WC硬质合金中添加占合金质量百分比为5％～15％Cr元素或5％～15％Fe元素，或两种元素同时添加。WC的质量百分比为30％～60％。本发明的方法制备的涂层具有较高的硬度、耐磨性和耐蚀性，特别适用于激光熔覆耐磨、耐蚀性的工况零部件，实现零部件表面的强化和修复。

Description

制备Ni基WC硬质合金涂层及抑制其裂纹与气孔的方法

技术领域

本发明涉及一种制备Ni基WC硬质合金涂层的方法，以及抑制Ni(镍)基WC(碳化钨)硬质合金裂纹与气孔的方法，属于表面涂层技术领域。

背景技术

激光熔覆Ni基WC硬质合金涂层是目前研究最多的一种金属陶瓷涂层，但在激光熔覆Ni基WC硬质合金技术中，还存在很多问题亟待解决，比如涂层的开裂和气孔问题。对于裂纹和气孔问题，国内外学者进行了大量的研究，并取得了一些进展，有文章(周圣丰、戴晓琴、郑海忠等人，“激光熔覆与激光-感应复合熔覆WC-Ni60A涂层的结构与性能特征”[J].《机械工程学报》，2012)指出，可用激光感应复合熔覆的方法消除金属陶瓷复合涂层的裂纹。但该方法设备复杂，操作繁琐，不易实现大规模生产。文献(杨胶溪、闫婷、刘华东等人，“激光熔覆WC-Ni基超硬梯度复合涂层的组织与性能”[J]，《金属热处理》，2009)使用过渡层的方法消除裂纹，但该方法需耗费更多的材料和时间。文献(钟文华、刘贵仲、葛大梁等人，“Cr₃C₂对Ni基WC激光熔覆层组织与性能的影响”[J]，《金属热处理》，2012)在激光熔覆Ni基WC涂层中添Cr₃C₂消除涂层气孔，但增大了裂纹倾向。很多研究中，WC含量仅为20％～30％，WC含量过低无法满足实际生产需要，进一步提高WC含量又会使涂层出现裂纹和气孔等缺陷。

激光熔覆Ni基WC涂层气孔主要来源于WC的高温烧损，WC烧损产生的C与空气中的氧气反应生成CO和CO₂气体，这些气体在激光熔覆过程中来不及溢出熔池而形成气孔。

Cr元素能与熔覆层中WC高温分解产生的C形成碳化物，降低粘结相中的C含量，避免CO和CO₂气体的产生，从而减少涂层中的气孔。

由于激光熔覆是快速加热和凝固过程，凝固过程中容易造成内应力，一旦释放就会产生裂纹。材料间热膨胀系数、弹性模量的差别及熔池区域的温度梯度所决定的热应力是裂纹形成的根源，当应力的产生与集中大于材料的屈服强度时，就会导致裂纹的产生。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种有效抑制激光熔覆Ni基WC硬质合金裂纹和气孔，制备低缺陷的Ni基WC硬质合金涂层。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提出一种抑制Ni基WC硬质合金裂纹与气孔的方法，其特征在于：该方法在所述Ni基WC硬质合金中添加占合金质量百分比为5％～15％的Cr元素，或者添加占合金质量百分比为5％～15％的Fe元素，或者添加占合金质量百分比为5％～15％的Cr元素和占合金质量百分比为5％～15％的Fe元素。

根据本发明的一种具体实施方式，其中所述Ni基WC合金的化学成分及其质量百分比为：16％～17％的Cr、3.0％～3.5％的B、3.5％～4.0％的Si、≤14％的Fe、0.4％～0.8％的C、Ni余量和杂质元素。

根据本发明的一种具体实施方式，WC的质量百分比为30％～60％。

根据本发明的一种具体实施方式，所述的Cr元素以纯Cr粉或Cr₃C₂的形式添加，所述的Fe元素以纯Fe粉或Fe基合金粉的形式添加。

根据本发明的一种具体实施方式，当以Cr₃C₂的形式添加时，添加量占合金质量百分比为5.8％～17.3％；当以Fe基合金粉的形式添加时，添加量占合金质量百分比为6％～18％。

根据本发明的一种具体实施方式，当以纯Fe粉的形式添加时，添加量占合金质量百分比为5％～15％；当以Fe基合金粉的形式添加时，添加量占合金质量百分比为6％～18％。

根据本发明的一种具体实施方式，所述Fe基合金粉的化学成分及其质量百分比为：12％～14％的Cr、1.0％～2.2％的B、0.8％～1.6％的Si、0.5％～1.1％的Mo、0.3％～0.8％的C、Fe余量和杂质元素。

本发明还提出一种制备Ni基WC硬质合金涂层的方法，用于在一个基材的表面制备所述涂层，包括如下步骤：将Ni基合金粉末、WC粉末、含Cr和/或含Fe的粉末混合成为混合粉末，将该混合粉末作为原料，用激光熔覆的方法在所述基材的表面制备涂层。

根据本发明的一种具体实施方式，所述的Ni基合金粉末及Fe、Cr、Cr₃C₂、Fe基合金粉末的粒度为140～325目。

根据本发明的一种具体实施方式，所述的WC粉末的粒度为80～500目。

(三)有益效果

本发明通过在Ni基WC硬质合金中添加适量的Cr、Fe元素，既可以消除气孔又可以抑制开裂，简单实用。本发明的方法制备的涂层具有较高的硬度、耐磨性和耐蚀性，特别适用于激光熔覆耐磨、耐蚀性的工况零部件，实现零部件表面的强化和修复。

附图说明

图1是本发明实施例1利用激光熔覆制备的Ni基WC(小颗粒)涂层的截面显微形貌图；

图2是本发明实施例1利用激光熔覆制备的Ni基WC(小颗粒)涂层的硬度分布曲线图；

图3是本发明实施例2利用激光熔覆制备的Ni基WC(小颗粒)涂层的截面显微形貌图；

图4是本发明实施例2利用激光熔覆制备的Ni基WC(小颗粒)涂层的硬度分布曲线图；

图5是本发明实施例3利用激光熔覆制备的Ni基WC(大颗粒)涂层的截面显微形貌图；

图6是本发明实施例3利用激光熔覆制备的Ni基WC(大颗粒)涂层的硬度分布曲线图。

具体实施方式

依据上述激光熔覆Ni基WC硬质合金气孔和裂纹产生的根源，本发明提供的抑制Ni基WC硬质合金裂纹与气孔的方法包括：在Ni基WC硬质合金中添加Cr元素，其占合金质量百分比优选为5％～15％；或者，在Ni基WC硬质合金中添加Fe元素，其占合金质量百分比优选为5％～15％。或者在Ni基WC硬质合金中同时添加Fe元素和Cr元素，同时添加时，其分别占合金质量百分比优选为5％～15％、5％～15％。

优选地，Cr元素以纯Cr粉或碳化物的形式添加。当以Cr₃C₂的形式添加时，添加量占合金质量百分比优选为5.8％～17.3％。

优选地，Fe元素以纯Fe粉或Fe基合金粉的形式添加。以Fe基合金粉的形式添加时，添加量占合金质量百分比优选为6％～18％，Fe基合金粉的化学成分及其质量百分比为：12％～14％的Cr、1.0％～2.2％的B、0.8％～1.6％的Si、0.5％～1.1％的Mo、0.3％～0.8％的C、Fe余量和不可避免的杂质元素。

Ni基WC硬质合金中Ni基合金的化学成分及其质量百分比为：16％～17％的Cr、3.0％～3.5％的B、3.5％～4.0％的Si、≤14％的Fe、0.4％～0.8％的C、Ni余量和不可避免的杂质元素。

Fe元素的加入能从以下三方面降低涂层的裂纹敏感性：(1)Fe与Ni、Cr形成固溶体，增大涂层中固溶体比例，改善涂层塑性；(2)改善涂层与基体热膨胀系数的协调性；(3)基材主要是Fe基材料，增加Fe元素有助于改善涂层的润湿性，减少界面缺陷，提高界面结合强度。

结合上述抑制Ni基WC硬质合金裂纹与气孔的方法，本发明的制备Ni基WC硬质合金涂层的步骤包括：将Ni基合金粉末、WC粉末、含Cr粉(或含Fe粉，或含Fe和Cr的粉末)混合成为混合粉末，将该混合粉末作为原料，用激光熔覆的方法在一个基材的表面制备涂层。

其中，含Cr粉末可以是纯Cr粉或Cr₃C₂，含Fe粉末可以是纯Fe粉或Fe基合金粉。WC粉末的质量百分比优选为30％～60％。

当混合粉末由Ni基合金粉末、WC粉末和纯Cr粉构成时，纯Cr粉末占混合粉末的质量百分比优选为5％～15％；

当混合粉末由Ni基合金粉末、WC粉末和Cr₃C₂构成时，Cr₃C₂占合粉末的质量百分比优选为5.8％～17.3％；

当混合粉末由Ni基合金粉末、WC粉末和纯Fe粉构成时，纯Fe粉末占混合粉末的质量百分比优选为5％～15％；

当混合粉末由Ni基合金粉末、WC粉末和Fe基合金粉构成时，Fe基合金粉占混合粉末的质量百分比优选为6％～18％；

当混合粉末由Ni基合金粉末、WC粉末、纯Cr粉、纯Fe粉构成时，纯Cr粉末占混合粉末的质量百分比优选为5％～10％；纯Fe粉占混合粉末的质量百分比优选为5％～10％；

当混合粉末由Ni基合金粉末、WC粉末和Cr₃C₂和Fe基合金粉构成时，Cr₃C₂占混合粉末的质量百分比优选为5.8％～17.3％；Fe基合金粉占混合粉末的质量百分比优选为6％～18％；

所述的Ni基合金粉末及Fe、Cr、Cr₃C₂、Fe基合金粉末的粒度优选为140～325目。所述的WC粉末可以是块状和球状，其粒度优选为80～500目。

得到混合粉末后，优选为先对混合粉末进行干燥再制备Ni基WC硬质合金涂层。干燥步骤例如是在恒温干燥箱中150℃下干燥两小时。

利用激光熔覆的方法在基材表面制备成涂层时，根据不同的涂层厚度需求，设置激光输出功率为0.7～2.0KW，圆光斑直径为3～7mm，光斑扫描速度为2～5mm/s，粉末采用侧向同步送粉工艺，采用流量为3L/min的氩气作为载粉气体，送粉速率为4～15g/min。所述的基体材料可以选取不锈钢、碳钢、合金钢等材质制作而成。

按本发明方法制备的涂层与基体材料之间形成良好的冶金结合，组织均匀致密无气孔、无裂纹，显微硬度为700～2500HV_0.2。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

选取由Ni基合金粉末、WC粉末、Cr₃C₂粉末和Fe基合金粉末构成的混合粉末，其中WC粉末质量百分比为40％，Cr₃C₂粉的质量百分比为5％，Fe基合金粉的质量百分比为10％，余下的为Ni基合金粉。

其中WC粉末为球状，其粒度为325～500目，Cr₃C₂粉、Fe基合金粉和Ni基合金粉的粒度为140～325目。将上述混合粉末混合均匀，在恒温干燥箱中150℃下干燥两小时。

选取304号不锈钢作为基体材料，其尺寸为100mm×80mm×10mm，利用激光熔覆法，在基材表面制备成涂层，设置激光输出功率密度为3.06×10³W/cm²，光斑扫描速度为2mm/s，粉末采用侧向同步送粉工艺，采用流量为3L/min的氩气作为载粉气体，送粉速率为6g/min。

用光学显微镜进行涂层形貌的分析，该涂层的典型形貌如图3示，可以看到WC颗粒弥散分布于涂层中，基体与涂层形成牢固的冶金结合。

用显微硬度计进行硬度测试，沿垂直于涂层方向每隔100μm进行多点测试，载荷为200g，加载时间为15s。激光熔覆的该复合材料硬度分布曲线如图2所示，硬度范围在800～1100HV_0.2之间。

实施例2

选取由Ni基合金粉末、WC粉末、纯Cr粉和纯Fe粉构成的混合粉末，其中WC粉末质量百分比为50％，Cr粉的质量百分比为10％，Fe粉的质量百分比为5％，余下的为Ni基合金粉。

其中WC粉末为球状，其粒度为325～500目，纯Cr粉、纯Fe粉和Ni基合金粉的粒度为140～325目。将上述混合粉末混合均匀，在恒温干燥箱中150℃下干燥两小时。

选取Q235碳钢作为基体材料，其尺寸为100mm×80mm×10mm，利用激光熔覆法，在基材表面制备成涂层，设置激光输出功率密度为3.06×10³W/cm²，光斑扫描速度为2mm/s，粉末采用侧向同步送粉工艺，采用流量为3L/min的氩气作为载粉气体，送粉速率为6g/min。

用光学显微镜进行涂层形貌的分析，该涂层的典型形貌如图1示，可以看到WC颗粒均匀分布于涂层中，基体与涂层形成牢固的冶金结合。

用显微硬度计进行硬度测试，沿垂直于涂层方向每隔100μm进行多点测试，载荷为200g，加载时间为15s。激光熔覆的该复合材料硬度分布曲线如图4所示，硬度范围在700～900HV_0.2之间。

实施例3

选取由Ni基合金粉末、WC粉末和Fe基合金粉构成的混合粉末，其中WC粉末质量百分比为30％，Fe基合金粉的质量百分比为15％，余下的为Ni基合金粉。

其中WC粉末为不规则状，其粒度为80～325目，Fe基合金粉和Ni基合金粉的粒度为140～325目。将上述混合粉末混合均匀，在恒温干燥箱中150℃下干燥两小时。

选取Q235碳钢作为基体材料，其尺寸为100mm×80mm×10mm，利用激光熔覆法，在基材表面制备成涂层，设置激光输出功率密度为3.06×10³W/cm²，光斑扫描速度为2mm/s，粉末采用侧向同步送粉工艺，采用流量为3L/min的氩气作为载粉气体，送粉速率为6g/min。该涂层的典型形貌如图5所示，硬度分布曲线如图6所示，经检测涂层无气孔和裂纹，涂层材料的硬度范围在800～2200HV_0.2之间。

图1和图3使用的是同一种WC粉末，但WC含量不一样，添加的粉末也不一样，得到的涂层与基材形成良好的冶金结合，WC颗粒分布均匀，均无裂纹和气孔；图1、图3与图5相比使用的WC差别大，前者使用的是小颗粒的圆形WC(325～500目)，后者使用的是不规则大颗粒WC(80～325目)，通过添加适量的Fe基合金粉，得到了与基材形成良好的冶金结合，WC颗粒分布均匀的涂层。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种抑制Ni基WC硬质合金裂纹与气孔的方法，其特征在于：该方法在所述Ni基WC硬质合金中添加占合金质量百分比为5％～15％的Cr元素，或者添加占合金质量百分比为5％～15％的Fe元素，或者添加占合金质量百分比为5％～15％的Cr元素和占合金质量百分比为5％～15％的Fe元素。

2.根据权利要求1所述的抑制Ni基WC硬质合金裂纹与气孔的方法，其特征在于，其中所述Ni基WC合金的化学成分及其质量百分比为：16％～17％的Cr、3.0％～3.5％的B、3.5％～4.0％的Si、≤14％的Fe、0.4～0.8％的C、Ni余量和杂质元素。

3.根据权利要求1所述的抑制Ni基WC硬质合金裂纹与气孔的方法，其特征在于：WC的质量百分比为30％～60％。

4.根据权利要求1所述的抑制Ni基WC硬质合金裂纹与气孔的方法，其特征在于：所述的Cr元素以纯Cr粉或Cr₃C₂的形式添加，所述的Fe元素以纯Fe粉或Fe基合金粉的形式添加。

5.根据权利要求4所述的抑制Ni基WC硬质合金裂纹与气孔的方法，其特征在于：当以Cr₃C₂的形式添加时，添加量占合金质量百分比为5.8％～17.3％；当以Fe基合金粉的形式添加时，添加量占合金质量百分比为6％～18％。

6.根据权利要求4所述的抑制Ni基WC硬质合金裂纹与气孔的方法，其特征在于：当以纯Fe粉的形式添加时，添加量占合金质量百分比为5％～15％；当以Fe基合金粉的形式添加时，添加量占合金质量百分比为6％～18％。

7.根据权利要求6所述的抑制Ni基WC硬质合金裂纹与气孔的方法，其特征在于：所述Fe基合金粉的化学成分及其质量百分比为：12％～14％的Cr、1.0％～2.2％的B、0.8％～1.6％的Si、0.5％～1.1％的Mo、0.3％～0.8％的C、Fe余量和杂质元素。

8.一种制备Ni基WC硬质合金涂层的方法，用于在一个基材的表面制备所述涂层，其特征在于：包括如下步骤：将Ni基合金粉末、WC粉末、含Cr和/或含Fe的粉末混合成为混合粉末，将该混合粉末作为原料，用激光熔覆的方法在所述基材的表面制备涂层。

9.如权利要求8所述的制备Ni基WC硬质合金涂层的方法，其特征在于：所述的Ni基合金粉末及Fe、Cr、Cr₃C₂、Fe基合金粉末的粒度为140～325目。

10.如权利要求8所述的制备Ni基WC硬质合金涂层的方法，其特征在于：所述的WC粉末的粒度为80～500目。