CN109652794A - 一种送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层 - Google Patents

一种送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层 Download PDF

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Abstract

为了改善WC‑Ni硬质合金的硬度、耐磨性，制备了一种送粉激光熔覆合成制备的WC‑Ni硬质合金涂层。采用钨粉、镍包石墨、镍粉以及低碳钢为原料，添加1.5wt%的Cr3C2可以细化涂层中的WC颗粒尺寸，颗粒平均尺寸为3μm，硬度值为112HRA左右。硬质合金涂层能够均匀覆盖在WC‑Ni硬质合金表面，且在激光熔覆过程中可以喜欢硬质合金内部WC晶粒的大小，这是WC‑Ni硬质合金力学性能能够得到大幅提升的原因。所制得的送粉激光熔覆合成制备的WC‑Ni硬质合金涂层，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。本发明能够为制备高性能的WC‑Ni硬质合金提供一种新的生产工艺。

Description

一种送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层
所属技术领域
本发明涉及一种表面涂覆材料，尤其涉及一种送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层。
背景技术
硬质合金是一种具有高硬度、高强度、高韧性的工具材料，在切削刀具和轴承等摩擦磨损较严重的场合应用较多。WC-Co硬质合金由于其具有独特的性能，如高强度、高硬度、高杨氏模量及耐磨损等优点，被广泛应用于各种工业领域，包括切削工具、矿山工具、耐磨零部件等。然而，金属Co是一种战略性稀缺材料，价格逐年上涨。因此，以Fe和Ni替代Co作为粘结相的硬质合金具有重要实用价值。
激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。
发明内容
本发明的目的是为了改善WC-Ni硬质合金的硬度、耐磨性，设计了一种送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层的制备原料包括：粒径为0.040~0.074mm的钨粉，粒径为0.074~0.147mm的镍包石墨，粒径为0.048~0.104mm的镍粉以及作为基体材料的低碳钢。
送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层的制备步骤为：将原料粉末按照实验设计方案进行称量、配料，随后加入球磨机中进行球磨。将球磨后的粒料放入真空干燥炉中进行真空干燥，干燥温度为50℃。向干燥后的粒料中加入乙醇作为成形剂，随后过筛、制粒，得到混合粉末。将混合粉末以激光涂覆工艺涂覆与基体低碳钢的表面。
送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层的检测步骤为：微观组织分析采用OP950扫描电镜，相分析采用D/max3A型X射线衍射仪，洛氏硬度采用HRD150电动洛氏硬度计测量，显微硬度采用HX-200硬度计测量，摩擦磨损采用MHK500型试验机。
所述的送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层，同轴送粉法制备的WC/Ni为主的复合涂层，熔覆层中含有WC，CW3，α-W2C，W2C，Fe6W6C，FeW3C，W3O，C等相。
所述的送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层，添加1.5wt%的Cr3C2可以细化涂层中的WC颗粒尺寸，颗粒平均尺寸为3μm，硬度值为112HRA左右。
所述的送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层，激光合成制备的WC/Ni硬质合金涂层的耐磨性尚不及YG8硬质合金的耐磨性，但比渗氮处理试块耐磨性提高了12倍。
本发明的有益效果是：
采用钨粉、镍包石墨、镍粉以及低碳钢为原料，经过配料、球磨、干燥、制粒、激光熔覆工艺成功制备了具有优异力学性能的送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层。其中，硬质合金涂层能够均匀覆盖在WC-Ni硬质合金表面，且在激光熔覆过程中可以喜欢硬质合金内部WC晶粒的大小，这是WC-Ni硬质合金力学性能能够得到大幅提升的原因。所制得的送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。本发明能够为制备高性能的WC-Ni硬质合金提供一种新的生产工艺。
具体实施方式
实施案例1：
送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层的制备原料包括：粒径为0.040~0.074mm的钨粉，粒径为0.074~0.147mm的镍包石墨，粒径为0.048~0.104mm的镍粉以及作为基体材料的低碳钢。送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层的制备步骤为：将原料粉末按照实验设计方案进行称量、配料，随后加入球磨机中进行球磨。将球磨后的粒料放入真空干燥炉中进行真空干燥，干燥温度为50℃。向干燥后的粒料中加入乙醇作为成形剂，随后过筛、制粒，得到混合粉末。将混合粉末以激光涂覆工艺涂覆与基体低碳钢的表面。送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层的检测步骤为：微观组织分析采用OP950扫描电镜，相分析采用D/max3A型X射线衍射仪，洛氏硬度采用HRD150电动洛氏硬度计测量，显微硬度采用HX-200硬度计测量，摩擦磨损采用MHK500型试验机。
实施案例2：
W和C主要形成两种碳化物。WC只在线状成分点形成，W2C存在较大的均相成分区。当成分偏离时，除碳化钨外，不是含有W2C就是含有游离C，或两者都存在。激光合成WC时熔池中含有适当的WC比例是极为重要的。液态WC比取决于混合粉末中的成分、W粉和石墨粉的烧损和激光合成工艺规范，即在特定工艺下W在熔池中的溶解。基体过分稀释时会使Fe进入熔池，产生脆性缺碳相Fe6W6C，合金强度明显下降，激光合成时采用多层堆积变扫描速度基本工艺：最底层用0.4m/min扫描速度以减少稀释，用0.3m/min扫描速度以增加W在熔池中的溶解，促成WC的形成。最上面一层采用激光重熔，以改善表面质量，提高表面光洁度，减少表面缺陷。
实施案例3：
熔池中W颗粒外表层局部溶解，与液态中的C和Ni反应，冷却凝固时形成依附于未熔W颗粒的钨基化合物壳，再靠外的一些散落的颗粒可能是固溶体。当W颗粒进一步溶解后，凝固时形成辐射状和花朵状化合物。颗粒中间含W量极高，呈白色；外层含W量降低，呈灰色。原始成分中C含量很低时溶解到熔池的W与Ni反应形成的十字交叉叶脉状组织。由于W颗粒在熔池中的溶解行为不同，熔池中实际的液态W含量与原始混合粉末成分有较大的偏离。
实施案例4：
激光所形成的熔池的温度约为1700~2100C，混合粉末中所含的W和C将不能熔化。粉末中C为薄片状，能在熔池中完全溶解，由于W颗粒往往不能完全溶解，熔池中的实际W：C比往往大大低于混合粉末中的比例。粉末中少量的Ni将完全熔化并与液态中的W和C形成Ni基化合物粘结相。在激光熔池内特殊的物理冶金、化学冶金作用下，熔池中的液态W和C将反应合成多种W碳化物。W：C原子比为1：1时的组织，由于W没有完全溶解造成熔池中液态W量减少，C含量相对偏高，有大量的石墨片残留，并且C易与O结合生成CO、CO2，有气孔；C含量适中时，生成规则三角形或四边形的块状WC；C含量进一步减少时，形成束状、枝状和等轴状的W2C或CW3；最高显微硬度约为1324。
实施案例5：
熔覆层中含有WC，CW3，α-W2C，W2C，Fe6W6C，FeW3C，W3O，C等相。熔覆层中一直有CW3的存在，传统液相烧结法制得的WC基硬质合金中不含此相。随着熔覆粉末中C原子比例相对于W的增加，WC的含量逐渐增加，但是到达一定程度后减少甚至消失，代之有大量W2C生成。涂层中新生成的、截面为三角形或者矩形的颗粒是WC。
实施案例6：
采用本工艺制得的WC/Ni硬质合金涂层的WC颗粒平均尺寸在6~9μm之间，涂层硬度为83HRA。涂层中的颗粒尺寸较大，分布不均匀，颗粒间的平均间距较大，这会限制其性能的提高。在激光合成法制备WC/Ni硬质合金过程中，原始粉末W、C/Ni、Ni等在高能束激光所形成的熔池中溶解或熔化，相互接触反应生成WC颗粒。在激光形成的熔池中，由于激光束能量密度分布特征使得熔池中存在温度梯度、对流质量传递等现象，造成熔池中不同区域的温度和成分的变化，以及不同的热力学、动力学条件，使得反应得到的WC颗粒大小不同。WC颗粒在重复加热情况下存在快速长大现象，常常达到十几个微米。硬质合金涂层的耐磨性能取决于硬质合金的组分和碳化物晶粒尺寸。
实施案例7：
摩擦系数是指载荷砝码为26kg时摩擦系数的平均值。激光熔覆合成法制备的WC/Ni硬质合金试块与标准的YGS硬质合金试块相比，其耐磨性不及YG8硬质合金的耐磨性；而与钢渗氮处理试块相比其摩擦系数降低26%，耐磨性提高了7.8倍。钢渗氮试块的磨痕上存在明显的微观塑性变形，同时还有较深犁沟；激光合成法制备的WC/Ni硬质合金试块的磨痕有材料转移造成的粘着坑，但基本上没有犁沟；而YG8硬质合金的磨痕则相当光滑平整。激光合成法制备的WC/Ni硬质合金涂层中的大量细小而均匀分布的高硬度原位合成硬质相颗粒有效地改善了磨损机制，与渗氮的处理表层相比，显著降低了摩擦系数。与YG8硬质合金相比，之所以磨损性能较差，最主要的原因就是激光制备的硬质合金涂层的硬质相WC颗粒的尺寸仍较大，颗粒的平均间距也较大，涂层的致密性比标准的硬质合金低，导致磨痕表面粘着坑。激光合成法可以在基体表面形成了耐磨性能较好、且层深可控的原位合成颗粒硬质合金涂层，与钢渗氮处理表层技术相比较有很大的优势。

Claims (4)

1.一种送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层的制备原料包括：粒径为0.040~0.074mm的钨粉，粒径为0.074~0.147mm的镍包石墨，粒径为0.048~0.104mm的镍粉以及作为基体材料的低碳钢。
2.根据权利要求1所述的送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层，其特征是送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层的制备步骤为：将原料粉末按照实验设计方案进行称量、配料，随后加入球磨机中进行球磨，将球磨后的粒料放入真空干燥炉中进行真空干燥，干燥温度为50℃，向干燥后的粒料中加入乙醇作为成形剂，随后过筛、制粒，得到混合粉末，将混合粉末以激光涂覆工艺涂覆与基体低碳钢的表面。
3.根据权利要求1所述的送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层，其特征是送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层的检测步骤为：微观组织分析采用OP950扫描电镜，相分析采用D/max3A型X射线衍射仪，洛氏硬度采用HRD150电动洛氏硬度计测量，显微硬度采用HX-200硬度计测量，摩擦磨损采用MHK500型试验机。
4.根据权利要求1所述的送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层，其特征是所述的送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层，同轴送粉法制备的WC/Ni为主的复合涂层，熔覆层中含有WC，CW3，α-W2C，W2C，Fe6W6C，FeW3C，W3O，C等相，所述的送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层，添加1.5wt%的Cr3C2可以细化涂层中的WC颗粒尺寸，颗粒平均尺寸为3μm，硬度值为112HRA左右，所述的送粉激光熔覆合成制备的WC-Ni硬质合金涂层，激光合成制备的WC/Ni硬质合金涂层的耐磨性尚不及YG8硬质合金的耐磨性，但比渗氮处理试块耐磨性提高了12倍。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113215564A (zh) * 2021-04-29 2021-08-06 西安建筑科技大学 一种铁基耐磨复合材料及其制备方法

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