CN105177568B

CN105177568B - 热熔结碳化钨‑其它碳化物固溶体合金涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN105177568B
Application number: CN201510659261.9A
Authority: CN
Inventors: 苏华; 万小虎; 李文鹏
Original assignee: SICHUAN KELITE CEMENTED CARBIDE CO Ltd
Current assignee: SICHUAN KELITE CEMENTED CARBIDE CO Ltd
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2018-04-06
Anticipated expiration: 2035-10-13
Also published as: CN105177568A

Abstract

本发明公开了一种热熔结碳化钨‑其它碳化物固溶体合金涂层，该涂层由按重量份计的71‑89份WC‑MC固溶体、7‑25份Co系、Ni系自熔性合金混合粉末、4‑10份成型剂和粘结剂制备而成，具体制备方法是将前两种合金粉末在对滚机上混合并磨细，加入成型剂，用电磁搅拌机搅拌均匀，然后滚压成型，获得柔性粉末塑坯，裁剪后用粘结剂黏在零件表面，在真空或保护气体氛围下，加热到950‑1180℃，保温5‑30min，冷却后零件表面获得所述涂层。本发明的热熔结碳化钨‑其它碳化物固溶体合金涂层表面无裂纹、气孔、夹杂，硬度大，与零件结合强度高，厚度可调，制备涂层的设备简单，操作灵活，不损坏零件。

Description

热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层及其制备方法

技术领域

本发明的实施方式涉及表面涂层的制备技术领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层及在真空，或H₂、N₂、Ar等保护气氛下热熔结制备该热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层的方法。

背景技术

现代工业的快速发展对设备和零部件的性能要求越来越高，特别是石油、矿山、冶金、燃煤发电、垃圾处理等领域，其环境特点是高速高载荷、颗粒磨损、高温且有腐蚀，零部件的失效集中发生在零部件表面。而零部件的失效是导致工作效率降低、产品质量下降、生产成本增加的重要原因。目前常用的改善方法有喷涂法、堆焊法、气相沉积法和激光熔覆法等在零部件的表面制备涂层，这些方法的劣势是：喷涂法制备的涂层厚度在1mm以下，涂层有孔隙、夹杂等缺陷，涂层与基体为机械结合，结合强度较低30-60MPa；堆焊法制备涂层时，基体受热不均匀，易变形，涂层常有裂纹，且涂层粗糙度高，后续加工量大；气相沉积法制备涂层时，沉积速率较低且涂层较薄；激光熔覆法制备涂层时，熔池与金属基体之间的温度梯度、粉末与基体间的各项异性造成基体变形和涂层开裂，且该方法设备成本高昂。

上述处理方式有或多或少的缺点，且难以提供多效的保护。因此，在铁及其合金部件表面附着一层厚度可以调整，与基体结合良好、硬度高、耐磨蚀的热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层，对改善零部件的表面性能，提高石油、矿山、冶金、燃煤发电、垃圾处理等领域使用零件的使用寿命，减少检修次数，节约战略资源钨金属用量均有积极的作用。

发明内容

本发明旨在用热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层代替堆焊、喷涂等碳化钨涂层，以提供一种经济实用，工艺简单、稳定可靠、具有一定特殊性能的碳化钨-其他碳化物(WC-MC)固溶体合金涂层制备技术。例如，制备的WC-5％TiC固溶体合金涂层具有耐磨、抗氧化和抗月牙洼磨损等特性；又如制备的WC-10％TiC-2％TaC固溶体合金涂层具有较好的耐磨性、韧性、抗月牙洼磨损和耐高温性能。该涂层制备技术能克服其它方式在各种曲面形状零部件表面制备涂层不能解决的技术问题，例如基体形变、涂层结合强度低、涂层开裂等等。

为解决上述的技术问题，本发明的一种实施方式采用以下技术方案：

一种热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层，由按重量份计的以下组分制备而成：

组分A：碳化钨-其它碳化物固溶体即WC-MC固溶体，71-89份；

组分B：Co系、Ni系自熔性合金混合粉末，7-25份；

组分C：成型剂和粘结剂，4-10份。

进一步的技术方案是：本发明所述的热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层中，组分A中MC的质量含量为0.1％-50％，余量为WC，其中M是Ti，V，Cr，Ta，Nb，Hf，Mo，Zr中的一种或者几种；所述组分A的粒径为15-120μm。

更进一步的技术方案是：本发明所述的热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层中，组分B含有0.3％-1.5％C、5％-20％Cr、1％-3％B、3％-5％Si、10-25％Co、25％-45％Ni，余量为Fe；所述组分B的粒径为10-120μm。

更进一步的技术方案是：本发明所述的热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层中，所述组分C由按重量份计的3.5-8.5份成型剂和0.5-1.5份粘结剂组成。

更进一步的技术方案是：本发明所述的热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层中，所述成型剂由按重量份计的1.5-6份聚乙二醇、0.5-3份甲基纤维素、0.5-2份甘油和1-3份石蜡混合而成，所述粘结剂为丙烯酸酯胶粘剂。

本发明还提供了上述热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)按比例称取组分A、组分B、组分C，将组分A和组分B盛于不锈钢球磨罐中，加入合金球，在对滚机上混合均匀并细化；

(2)向步骤(1)获得的混合物中加入组分C中的成型剂，混合均匀；

(3)将步骤(2)获得的混合物在辊压设备上反复辊压成型，获得柔性粉末塑坯；在辊压的过程中，有机物成型剂也被碾轧成纤维状，纵横交错地构成立体结构的网状，将分散的粉末颗粒联系在一起，制成可弯曲的柔性粉末塑坯；

(4)对零件待处理表面进行除油、去污处理；

(5)按照所述零件表面的形状、尺寸裁剪步骤(3)获得的柔性粉末塑坯，然后用组分C中的粘结剂将裁剪好的柔性粉末塑坯黏贴于处理过的零件表面；

(6)将步骤(5)黏贴了柔性粉末塑坯的零件在真空条件下或者保护气体氛围下，加热到950-1180℃，保温5-30min，随炉冷却后出炉，所述零件即获得热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层。该温度条件下进行热熔结，温度范围宽，容易控制，且不损坏零件的形状尺寸，零件与涂层结合强度高，涂层的硬度高，耐磨蚀。

进一步的技术方案是：本发明所述的热熔结碳化钨涂层的制备方法中，所述步骤(1)的球料比为3-5:1，对滚机混合时间为0.5-24h。

更进一步的技术方案是：本发明所述的热熔结碳化钨涂层的制备方法中，所述真空条件的真空度为10^-3-10²Pa，所述保护气体是指H₂、N₂或Ar。在该条件下，能够有效保持零件的形状尺寸不受损坏，且零件表面的涂层连续、无裂纹、无气孔、无夹杂。

更进一步的技术方案是：本发明所述的热熔结碳化钨涂层的制备方法中，所述除油、去污处理是指采用酒精、丙酮或金属清洗剂对零件的待处理表面进行清洗。

更进一步的技术方案是：本发明所述的热熔结碳化钨涂层的制备方法中，所述步骤(2)采用电磁搅拌器进行混合。

本发明所述涂层的粉末原料选用Co系、Ni系自熔性合金混合粉末，调整Co系、Ni系自熔性合金混合粉末成分和粒径的大小，可得到不同熔点的Co系、Ni系自熔性合金混合粉末；满足能够适应不同基体热熔结碳化钨-其他碳化物(WC-MC)固溶体合金涂层的需要。

本发明所述涂层的粉末原料选用高硬度的碳化钨-其他碳化物(WC-MC)固溶体合金和Co系、Ni系自熔性合金混合粉末，保证了涂层有高的硬度(平均硬度≥60HRC)，更改涂层的成分比例，还可调整涂层的硬度、韧性、抗月牙洼磨损和耐高温性能。

采用本发明所述方法在零件表面制备涂层时，零件不受损坏。通过粘结剂将金属或合金粉末塑坯黏贴到零部件表面，在真空炉或H₂、N₂、Ar等保护气氛炉内加热过程中，成型剂和粘接剂缓慢分解，并从涂层中完全脱除，从而保证了涂层无孔隙、夹杂等缺陷。低于母材熔点的温度950-1180℃下保温，粉末塑坯中的Co系、Ni系自熔性合金混合粉末组分受热成熔融状态，经毛细管作用，填充WC-MC固溶体颗粒间的空隙并在基体表面铺展、润湿，与基体发生成分互扩散形成冶金结合。这样，涂层结合强度便远高于机械结合。涂层的原始组分便决定了涂层拥有高的硬度、高的耐磨性、高的耐蚀性等优点，因此可应用于石油、矿山、冶金、燃煤发电、垃圾处理等有高速高载荷、颗粒磨损、高温且有腐蚀环境的领域。至于基体经过高温熔结过程后，基体软化，可通过热处理恢复。另外，此碳化钨涂层也可用于零件的修复，解决零件因略微损坏而就报废的问题，延长零件的使用周期，降低生产成本及资源浪费。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：1、具有设备简单、操作灵活、工艺要求低，例如温度低、范围宽(950-1180℃)，真空度范围大(10^-3-10²)，炉内气氛类型多，零件不受损坏等特点；2、熔结制备的碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层表面质量优良，呈金属光泽，涂层经切割、打磨、抛光等工序后观测其金相涂层表面无裂纹、气孔、夹杂等缺陷，保证了涂层有良好的承载、耐磨蚀的能力；3、零件与涂层间为冶金结合，有高的结合强度，保证了零件在使用中，不会过早地就出现涂层脱落，防护失效、旋转零部件卡死等不良现象；4、涂层有高的硬度，平均硬度≥60HRC。更改涂层的成分比例，还可调整涂层的硬度、韧性、抗月牙洼磨损和耐高温性能；5、涂层厚度可调，0.3-3mm之间，能满足多领域的要求。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例用于真空热熔结制备WC-MC固溶体合金涂层的配方为：WC-MC固溶体合金粉(其中M是Ti；TiC含量为15％，WC含量85％)72份，粒径为50μm；Co系、Ni系自熔性合金混合粉末23份，粒径为70μm；成型剂4份：聚乙二醇(PEG)1.5份、甲基纤维素0.5份、甘油1份、石蜡1份；粘接剂0.5份：丙烯酸酯胶粘剂0.5份。

上述Co系、Ni系自熔性合金混合粉末含有0.5％C、20％Cr、1％B、3.5％Si、10％Co、42％Ni，余量为Fe。

将WC-MC固溶体合金粉和Co系、Ni系自熔性合金混合粉末盛于不锈钢球磨罐中，加入混合合金粉末总质量3倍的合金球，在对滚机上进行机械合金化，获得混合均匀并细化了的粉末，然后向粉末中加入成型剂，用电磁搅拌器搅拌均匀，辊压成可弯曲的柔性粉末塑坯，将柔性粉末塑坯按照零件的表面形状、尺寸进行裁剪，然后用粘结剂粘结于零件表面，该表面需进行除油、去污处理，例如采用酒精清洗，粘接好后放在真空炉中，真空炉内抽真空至30Pa，1040℃保温5min，真空热熔结制备WC-15％TiC固溶体合金涂层，随炉冷却至80℃出炉，零件上涂层硬度为60HRC。

实施例2

本实施例用于真空热熔结制备WC-MC固溶体合金涂层的配方为：WC-MC固溶体合金粉(其中M是Ti和Ta；TiC含量为20％，TaC含量为5％，WC含量75％)75份，粒径为80μm；Co系、Ni系自熔性合金混合粉末15份，粒径为70μm；成型剂9份：聚乙二醇(PEG)5份、甲基纤维素1份、甘油1份、石蜡2份；粘接剂1份：丙烯酸酯胶粘剂1份。

上述Co系、Ni系自熔性合金混合粉末含量是：0.3％C、10％Cr、3％B、5％Si、10％Co、45％Ni，余量为Fe。

将WC-MC固溶体合金粉和Co系、Ni系自熔性合金混合粉末盛于不锈钢球磨罐中，加入混合合金粉末总质量4倍的合金球，在对滚机上进行机械合金化，获得混合均匀并细化了的粉末，然后向粉末中加入成型剂，用电磁搅拌器搅拌均匀，辊压成可弯曲的柔性粉末塑坯，将柔性粉末塑坯按照零件的表面形状、尺寸进行裁剪，然后用粘结剂粘结于零件表面，该表面需进行除油、去污处理，例如采用丙酮清洗，粘接好后放在真空炉中，真空炉内抽真空至50Pa，1140℃保温20min，真空热熔结制备WC-20％TiC-5％TaC固溶体合金涂层，随炉冷却至80℃出炉，零件上涂层硬度为65HRC。

实施例3

本实施例用于保护气体H₂氛围下熔结制备WC-MC固溶体合金涂层的配方为：WC-MC固溶体合金粉(其中M是V、Ta和Cr；TaC含量为2％，Cr₃C₂含量为1.0％，VC含量为0.5％，WC含量96.5％)80份，粒径为40μm；Co系、Ni系自熔性合金混合粉末13份，粒径为30μm；成型剂6份：聚乙二醇(PEG)3份、甲基纤维素0.5份、甘油0.5份、石蜡2份；粘接剂1份：丙烯酸酯胶粘剂1份。

上述Co系、Ni系自熔性合金混合粉末含量是：1.5％C、5％Cr、3％B、5％Si、25％Co、30％Ni，余量为Fe。

将WC-MC固溶体合金粉和Co系、Ni系自熔性合金混合粉末盛于不锈钢球磨罐中，加入混合合金粉末总质量4倍的合金球，在对滚机上进行机械合金化，获得混合均匀并细化了的粉末，然后向粉末中加入成型剂，用电磁搅拌器搅拌均匀，辊压成可弯曲的柔性粉末塑坯，将柔性粉末塑坯按照零件的表面形状、尺寸进行裁剪，然后用粘结剂粘结于零件表面，该表面需进行除油、去污处理，例如采用市售金属表面清洗剂清洗，粘接好后放在H₂保护气氛炉中，H₂流量900L/h，1140℃保温30min，热熔结制备WC-2％TaC-1％Cr₃C₂-0.5％VC固溶体合金涂层，随炉冷却至80℃出炉，零件上涂层硬度为68HRC。

实施例4

本实施例用于保护气体N₂氛围下熔结制备碳化钨涂层的配方为：WC-MC固溶体合金粉(其中M是Ti,Nb和Hf；TiC含量为30％，,NbC含量为3％，HfC含量为1.5％，WC含量65.5％)84份，粒径为20μm；Co系、Ni系自熔性合金混合粉末11份，粒径为10μm；成型剂4份：聚乙二醇(PEG)1.5份、甲基纤维素0.5份、甘油0.5份、石蜡1.5份；粘接剂1份：丙烯酸酯胶粘剂1份。

将WC-MC固溶体合金粉、Co系、Ni系自熔性合金混合粉末末盛于不锈钢球磨罐中，加入混合合金粉末总质量4倍的合金球，在对滚机上进行机械合金化，获得混合均匀并细化了的粉末，然后向粉末中加入成型剂，用电磁搅拌器搅拌均匀，辊压成可弯曲的柔性粉末塑坯，将柔性粉末塑坯按照零件的表面形状、尺寸进行裁剪，然后用粘结剂粘结于零件表面，该表面需进行除油、去污处理，例如采用市售金属表面清洗剂清洗，粘接好后放在N₂保护气氛炉中，1180℃保温20min，热熔结制备WC-30％TiC-3％NbC-1.5％HfC固溶体合金涂层，随炉冷却至80℃出炉，零件上涂层硬度为70HRC。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims

1.一种热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层，其特征在于由按重量份计的以下组分制备而成：

组分A：碳化钨-其它碳化物固溶体即WC-MC固溶体，71-89份；

组分B：Co系、Ni系自熔性合金混合粉末，7-25份；

组分C：成型剂和粘结剂，4-10份；

组分A中MC的质量含量为3.5％-34.5％，余量为WC，其中M是Ti，V，Cr，Ta，Nb，Hf中的一种或者几种；组分B含有0.3％-1.5％C、5％-20％Cr、1％-3％B、3.5％-5％Si、10-25％Co、30％-45％Ni、23％-30.5％Fe。

2.根据权利要求1所述的热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层，其特征在于所述组分A的粒径为15-120μm。

3.根据权利要求1所述的热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层，其特征在于所述组分B的粒径为10-120μm。

4.根据权利要求1所述的热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层，其特征在于所述组分C由按重量份计的3.5-8.5份成型剂和0.5-1.5份粘结剂组成。

5.根据权利要求4所述的热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层，其特征在于所述成型剂由按重量份计的1.5-6份聚乙二醇、0.5-3份甲基纤维素、0.5-2份甘油和1-3份石蜡混合而成，所述粘结剂为丙烯酸酯胶粘剂。

6.一种如权利要求1-5任一项所述热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(3)将步骤(2)获得的混合物在辊压设备上反复辊压成型，获得柔性粉末塑坯；

(4)对零件待处理表面进行除油、去污处理；

(6)将步骤(5)黏贴了柔性粉末塑坯的零件在30-50Pa真空条件下或者H₂、N₂或Ar保护气体氛围下，加热到950-1180℃，保温5-30min，随炉冷却后出炉，所述零件即获得热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层。

7.根据权利要求6所述的热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层的制备方法，其特征在于所述步骤(1)的球料比为3-5:1，对滚机混合时间为0.5-24h。

8.根据权利要求6所述的热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层的制备方法，其特征在于所述除油、去污处理是指采用酒精、丙酮或金属清洗剂对零件的待处理表面进行清洗。

9.根据权利要求6所述的热熔结碳化钨-其它碳化物固溶体合金涂层的制备方法，其特征在于所述步骤(2)采用电磁搅拌器进行混合。