CN111020446B - 一种超耐磨抗高温氧化涂层及其制备方法 - Google Patents

一种超耐磨抗高温氧化涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超耐磨抗高温氧化涂层及其制备方法。其技术方案是：所述超耐磨抗高温氧化涂层的化学成分及其含量是：硼化钨粉末为50～80wt％；硼化铬粉末为8～20wt％；钴铬钨合金粉末为10～35wt％。先按所述超耐磨抗高温氧化涂层的化学成分及其含量配料，混合，得混合料；再将所述混合料在球磨机中湿磨至粒径小于5μm，于真空干燥箱中在80～120℃条件下干燥12～48小时，即得喷涂料；然后采用喷涂工艺将所述喷涂料喷涂于基体表面，制得超耐磨抗高温氧化涂层。本发明制备工艺简单和成本低廉；制备的超耐磨抗高温氧化涂层不仅硬度高、耐磨性强、抗高温氧化性能好和使用寿命长，且适用范围广和能满足苛刻的服役条件。

Description

一种超耐磨抗高温氧化涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于抗高温氧化涂层技术领域。具体涉及一种超耐磨抗高温氧化涂层及其制备方法。
背景技术
切削工具通常由WC-Co硬质合金制成，具有高硬度、高强度和高韧性的特点，且在大多数使用条件下表现出优异的耐磨性。然而，这些合金的一个共性问题是碳化钨在高于600℃的条件下会发生氧化。在这种高温条件下服役时，用这些合金制所成的切削工具会失去其磨损性能并经常开裂，甚至剥落。
目前，已有采用化学气相沉积技术在部件表面上沉积薄的二硼化钛(TiB2)层来改善WC-Co切削工具的耐磨性和抗氧化性。在高温条件下TiB2和WC-Co之间相互反应，生成了包含WCoB、W2CoB2和TiC化合物的薄膜。由于碳化钛具有比碳化钨更高的抗氧化性并且更稳定。因此，含有这些化合物的薄膜的形成提高了切削工具的耐磨性和抗高温氧化性能。但是，含有WCoB和TiC化合物的气相沉积膜还仅限于使用在少量基体上，特别是WC-Co硬质合金基体上。(Johnston J M,Catledge S A.Metal-boride phase formation on tungstencarbide(WC-Co)during microwave plasma chemical vapor deposition.AppliedSurface Science,2016,364:315-321.)。此外，化学气相沉积技术的沉积速率低，涂层厚度较薄，对设备要求也比较高，导致生产周期长和成本高。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，目的在于提供一种工艺简单和成本低廉的超耐磨抗高温氧化涂层的制备方法，用该方法制备的超耐磨抗高温氧化涂层硬度高、耐磨性强和抗高温氧化性能好，适用的基体范围广。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：所述超耐磨抗高温氧化涂层的化学成分及其含量是：硼化钨粉末为50～80wt％；硼化铬粉末为8～20wt％；钴铬钨合金粉末为10～35wt％。
按所述超耐磨抗高温氧化涂层的化学成分及其含量配料，混合，得混合料；再将所述混合料在球磨机中湿磨至粒径小于5μm，于真空干燥箱中在80～120℃条件下干燥12～48小时，即得喷涂料；然后采用喷涂工艺将所述喷涂料喷涂于基体表面，制得超耐磨抗高温氧化涂层。
所述喷涂工艺为火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂、等离子喷涂、感应加热喷涂和激光喷涂中的一种。
所述基体的材质为硬质合金、碳钢、不锈钢、铸铁、铁基合金、镍基合金、钴基合金、铬基合金和钛基合金中的一种。
所述硼化钨粉末的纯度≥99％。
所述硼化铬粉末的纯度≥99％。
所述钴铬钨合金粉末的纯度≥99％。
所述湿磨的介质为无水乙醇、丙酮、己烷、四氯化碳、苯中的一种；湿磨的磨球与混合料的质量比为(5～10)∶1，所述磨球为硬质合金球和钢玉球中的一种。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明采用的原料为硼化钨、硼化铬和钴铬钨合金粉末，来源广泛，成本低廉；本发明的制备方法是，将原料经混合、球磨、干燥和喷涂，即得超耐磨抗高温氧化涂层，工艺简单。
本发明将干燥后的喷涂料喷涂在基体表面，喷涂时的温度在1200℃以上，喷涂料在高温下发生反应，生成WCoB、W2CoB2、CrB和Co(Cr)固溶体。其中，WCoB和W2CoB2三元硼化物具有极强的B-B共价键，使得这类三元硼化物具有优良的硬度、耐磨性和热稳定性。此外，Co(Cr)固溶体粘接相比单纯的Co或Cr粘接相硬度高，且不易氧化，能满足更加苛刻的服役条件，制备的超耐磨抗高温氧化涂层硬度高、耐磨性强和抗高温氧化性能好，能显著延长基体的使用寿命。所制备的超耐磨抗高温氧化涂层不仅适用于硬质合金基体上，而且还广泛适用于碳钢、不锈钢、铸铁、铁基合金、镍基合金、钴基合金、铬基合金和钛基合金等基体上，适用范围广。
本发明制备的超耐磨抗高温氧化涂层经检测：硬度为1000～1200HV；断裂韧性≥13.2MPa·m1/2；磨损失重量为2.0～3.8mg；抗热震性评定为“A”。
因此，本发明制备工艺简单和成本低廉；制备的超耐磨抗高温氧化涂层硬度高、耐磨性强、抗高温氧化性能好和使用寿命长，且适用的基体范围广和能满足苛刻的服役条件。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本具体实施方式中：
所述喷涂工艺为火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂、等离子喷涂、感应加热喷涂和激光喷涂中的一种。
所述基体的材质为硬质合金、碳钢、不锈钢、铸铁、铁基合金、镍基合金、钴基合金、铬基合金和钛基合金中的一种。
所述硼化钨粉末的纯度≥99％。
所述硼化铬粉末的纯度≥99％。
所述钴铬钨合金粉末的纯度≥99％。
实施例中不再赘述。
除另有说明外，本具体实施方式用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
一种超耐磨抗高温氧化涂层及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
所述超耐磨抗高温氧化涂层的化学成分及其含量是：硼化钨粉末为50～60wt％；硼化铬粉末为15～20wt％；钴铬钨合金粉末为25～35wt％。
先按所述超耐磨抗高温氧化涂层的化学成分及其含量配料，混合，得混合料；再将所述混合料在球磨机中湿磨至粒径小于5μm，于真空干燥箱中在80～90℃条件下干燥40～48小时，即得喷涂料；然后采用喷涂工艺将所述喷涂料喷涂于基体表面，制得超耐磨抗高温氧化涂层。
所述湿磨的介质为无水乙醇；湿磨的磨球与混合料的质量比为(5～6)∶1，所述磨球为硬质合金球和钢玉球中的一种。
本实施例制备的超耐磨抗高温氧化涂层经检测：硬度为1070～1180HV；断裂韧性为13.6～16.5MPa·m1/2；磨损失重量为2.2～3.2mg；抗热震性评定为“A”。
实施例2
一种超耐磨抗高温氧化涂层及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
所述超耐磨抗高温氧化涂层的化学成分及其含量是：硼化钨粉末为55～65wt％；硼化铬粉末为13～18wt％；钴铬钨合金粉末为22～32wt％。
先按所述超耐磨抗高温氧化涂层的化学成分及其含量配料，混合，得混合料；再将所述混合料在球磨机中湿磨至粒径小于5μm，于真空干燥箱中在90～100℃条件下干燥32～40小时，即得喷涂料；然后采用喷涂工艺将所述喷涂料喷涂于基体表面，即得超耐磨抗高温氧化涂层。
所述湿磨的介质为丙酮；湿磨的磨球与混合料的质量比为(7～8)∶1，所述磨球为硬质合金球和钢玉球中的一种。
本实施例制备的超耐磨抗高温氧化涂层经检测：硬度为1000～1120HV；断裂韧性为14.8～17.6MPa·m1/2；磨损失重量为2.9～3.8mg；抗热震性评定为“A”。
实施例3
一种超耐磨抗高温氧化涂层及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
所述超耐磨抗高温氧化涂层的化学成分及其含量是：硼化钨粉末为60～70wt％；硼化铬粉末为12～16wt％；钴铬钨合金粉末为18～28wt％。
先按所述超耐磨抗高温氧化涂层的化学成分及其含量配料，混合，得混合料；再将所述混合料在球磨机中湿磨至粒径小于5μm，于真空干燥箱中在90～100℃条件下干燥32～40小时，即得喷涂料；然后采用喷涂工艺将所述喷涂料喷涂于基体表面，制得超耐磨抗高温氧化涂层。
所述湿磨的介质为己烷；湿磨的磨球与混合料的质量比为(9～10)∶1，所述磨球为硬质合金球和钢玉球中的一种。
本实施例制备的超耐磨抗高温氧化涂层经检测：硬度为1020～1150HV；断裂韧性为14.4～17.2MPa·m1/2；磨损失重量为2.6～3.6mg；抗热震性评定为“A”。
实施例4
一种超耐磨抗高温氧化涂层及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
所述超耐磨抗高温氧化涂层的化学成分及其含量是：硼化钨粉末为65～75wt％；硼化铬粉末为10～14wt％；钴铬钨合金粉末为14～24wt％。
先按所述超耐磨抗高温氧化涂层的化学成分及其含量配料，混合，得混合料；将所述混合料在球磨机中湿磨至粒径小于5μm，于真空干燥箱中在100～110℃条件下干燥24～32小时，即得喷涂料；然后采用喷涂工艺将所述喷涂料喷涂于基体表面，制得超耐磨抗高温氧化涂层。
所述湿磨的介质为四氯化碳；湿磨的磨球与混合料的质量比为(6～7)∶1，所述磨球为硬质合金球和钢玉球中的一种。
本实施例制备的超耐磨抗高温氧化涂层经检测：硬度为1040～1160HV；断裂韧性为14.0～17.0MPa·m1/2；磨损失重量为2.4～3.5mg；抗热震性评定为“A”。
实施例5
一种超耐磨抗高温氧化涂层及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
所述超耐磨抗高温氧化涂层的化学成分及其含量是：硼化钨粉末为70～80wt％；硼化铬粉末为8～12wt％；钴铬钨合金粉末为10～20wt％。
先按所述超耐磨抗高温氧化涂层的化学成分及其含量配料，混合，得混合料；再将所述混合料在球磨机中湿磨至粒径小于5μm，于真空干燥箱中在110～120℃条件下干燥12～24小时，即得喷涂料；然后采用喷涂工艺将所述喷涂料喷涂于基体表面，即得超耐磨抗高温氧化涂层。
所述湿磨的介质为苯；湿磨的磨球与混合料的质量比为(8～9)∶1，所述磨球为硬质合金球和钢玉球中的一种。
本实施例制备的超耐磨抗高温氧化涂层经涂层检测：硬度为1085～1200HV；断裂韧性为13.2～16.3MPa·m1/2；磨损失重量为2.0～3.2mg；抗热震性评定为“A”。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式采用的原料为硼化钨、硼化铬和钴铬钨合金粉末，来源广泛，成本低廉；本具体实施方式的制备方法是，将原料经混合、球磨、干燥和喷涂，即得超耐磨抗高温氧化涂层，工艺简单。
本具体实施方式将干燥后的喷涂料喷涂在基体表面，喷涂时的温度在1200℃以上，喷涂料在高温下发生反应，生成WCoB、W2CoB2、CrB和Co(Cr)固溶体。其中，WCoB和W2CoB2三元硼化物具有极强的B-B共价键，使得这类三元硼化物具有优良的硬度、耐磨性和热稳定性。此外，Co(Cr)固溶体粘接相比单纯的Co或Cr粘接相硬度高，且不易氧化，能满足更加苛刻的服役条件，制备的超耐磨抗高温氧化涂层硬度高、耐磨性强和抗高温氧化性能好，能显著延长基体的使用寿命。所制备的超耐磨抗高温氧化涂层不仅适用于硬质合金基体上，而且还广泛适用于碳钢、不锈钢、铸铁、铁基合金、镍基合金、钴基合金、铬基合金和钛基合金等基体上，适用范围广。
本具体实施方式制备的超耐磨抗高温氧化涂层经检测：硬度为1000～1200HV；断裂韧性≥13.2MPa·m1/2；磨损失重量为2.0～3.8mg；抗热震性评定为“A”。
本具体实施方式所述涂层检测是按下述方法进行：
①硬度。利用显微硬度计(HXS-1000A)测量涂层硬度，载荷为30kgf，加载时间为15s。每个试样均测试5个点，取其算术平均值，即得硬度值(HV30)。
②断裂韧性。采用压痕法测定涂层的断裂韧性KIC，断裂韧性KIC按下式计算：
Figure BDA0002272925120000051
式(1)中：HV30表示硬度值，单位为MPa；
∑l表示裂纹总长度，单位为mm。
③磨损失重量。采用UMT-TriboLab型多功能摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验，摩擦副采用球形Si3N4，硬度为2200HV0.5，摩擦载荷为100N，摩擦副摆频为5Hz，磨损1h后在精度为0.0001g的电子天平上称重，取3次称重后的平均值。
④抗热震性评定。对涂层进行20次加热和水冷循环处理，考察涂层剥落程度。加热温度为600℃，保温时间为30min，水冷时间为10min，水温控制在25℃。若未发现涂层剥落时，抗热震性评定为“A”；若发现涂层有轻微剥落时，抗热震性评定为“B”；若发现涂层明显剥落时，抗热震性评定为“C”。
因此，本具体实施方式制备工艺简单和成本低廉；制备的超耐磨抗高温氧化涂层不仅硬度高、耐磨性强、抗高温氧化性能好和使用寿命长，且适用的具体范围广和能满足苛刻的服役条件。

Claims (6)

1.一种超耐磨抗高温氧化涂层的制备方法，其特征在于所述超耐磨抗高温氧化涂层的化学成分及其含量是：硼化钨粉末为50～80wt％，硼化铬粉末为8～20wt％，钴铬钨合金粉末为10～35wt％；
按所述超耐磨抗高温氧化涂层的化学成分及其含量配料，混合，得混合料；再将所述混合料在球磨机中湿磨至粒径小于5μm，于真空干燥箱中在80～120℃条件下干燥12～48小时，即得喷涂料；然后采用喷涂工艺将所述喷涂料喷涂于基体表面，喷涂时的温度在1200℃以上，喷涂料在高温下发生反应，生成WCoB、W2CoB2、CrB和Co(Cr)固溶体，WCoB和W2CoB2三元硼化物具有极强的B-B共价键，使得这类三元硼化物具有优良的硬度、耐磨性和热稳定性；Co(Cr)固溶体粘接相比单纯的Co或Cr粘接相硬度高，制得超耐磨抗高温氧化涂层；
所述喷涂工艺为火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂、等离子喷涂、感应加热喷涂和激光喷涂中的一种；
所述基体的材质为硬质合金、铁基合金、镍基合金、钴基合金、铬基合金和钛基合金中的一种；
硬度为1000～1200HV；断裂韧性≥13.2MPa·m1/2；磨损失重量为2.0～3.8mg。
2.根据权利要求1所述超耐磨抗高温氧化涂层的制备方法，其特征在于所述硼化钨粉末的纯度≥99％。
3.根据权利要求1所述超耐磨抗高温氧化涂层的制备方法，其特征在于所述硼化铬粉末的纯度≥99％。
4.根据权利要求1所述超耐磨抗高温氧化涂层的制备方法，其特征在于所述钴铬钨合金粉末的纯度≥99％。
5.根据权利要求1所述超耐磨抗高温氧化涂层的制备方法，其特征在于所述湿磨的介质为无水乙醇、丙酮、己烷、四氯化碳、苯中的一种；湿磨的磨球与混合料的质量比为(5～10)∶1，所述磨球为硬质合金球和钢玉球中的一种。
6.一种超耐磨抗高温氧化涂层，其特征在于所述超耐磨抗高温氧化涂层是根据权利要求1～5项中任一项所述超耐磨抗高温氧化涂层的制备方法所制备的超耐磨抗高温氧化涂层。
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"超音速火焰喷涂制备的WC-WCoB 涂层在熔锌中的腐蚀行为及其耐蚀机理";严细锋等;《表面技术》;20190430;第48卷(第4期);第49、53页 *

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CN111020446A (zh) 2020-04-17

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