CN111733414A - 一种双焊枪分步进行熔覆、熔注制备wc颗粒增强金属基复合涂层的方法 - Google Patents

一种双焊枪分步进行熔覆、熔注制备wc颗粒增强金属基复合涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双焊枪分步进行熔覆、熔注制备WC颗粒增强金属基复合涂层的方法，其是：首先以金属基自熔性合金粉末作为涂层基材，通过熔覆工艺在待处理工件表面形成金属基涂层；随即再以WC颗粒粉末作为涂层增强相，通过熔注工艺在刚制备出的金属基涂层上熔注WC，从而获得WC颗粒增强金属基复合涂层。利用本发明方法制备出的复合涂层与基体冶金结合、组织紧密，WC烧损熔解少、在涂层中形貌完整，且WC在涂层中分布均匀、不沉底，涂层无裂纹和气泡，具有高硬度和良好的耐磨性、耐腐蚀性。

Description

一种双焊枪分步进行熔覆、熔注制备WC颗粒增强金属基复合 涂层的方法
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种双焊枪分步进行熔覆、熔注制备WC颗粒增强金属基复合涂层的方法。
背景技术
WC颗粒增强的金属基(铁基、镍基或钴基)复合涂层既具有WC高硬度的特点，又具有金属高韧性的特点，复合涂层中WC颗粒和合金相互浸润性好、结合强度高，而且还具有红硬性，高温条件下其硬度下降很少，仍有良好的耐磨性。
现有制备WC颗粒增强的金属基复合涂层的方法主要有以下几种：
第一种：高能束(等离子/激光)直接熔覆金属基WC混合粉末制备复合涂层。由于粉末直接受到等离子弧柱/激光束的直射，WC颗粒烧伤分解严重，制备出的复合涂层韧性下降、气孔多。且涂层中WC颗粒因密度大沉底，其分布不均匀难以起到弥散强化的作用，降低了涂层的性能。
第二种：利用高能束熔覆金属粉末同时注入WC颗粒的方式制备复合涂层，即单个喷枪在制备熔覆层的同时，以后送粉方式将WC颗粒注入熔池中，从而制备出WC颗粒增强金属基复合涂层。这种方法虽然可以降低WC颗粒的烧伤、分解，但WC沉底仍不可避免。且由于涂层中的WC颗粒保留的较多，积聚在涂层与基体结合面附近的WC颗粒也更多，使涂层裂纹增多。同时这种方法的工艺窗口狭窄，熔覆制备基体涂层和后送粉注入WC颗粒两者的工艺参数并不相同，难以稳定制备复合涂层。
第三种：利用高能束熔注的方法制备复合涂层，即利用高能束在熔化金属基体表面形成熔池，同时将WC颗粒直接注射到熔池中，在金属表面形成复合涂层。这种技术直接在以零件材料为基体的表面形成熔注层，在与接触物体发生摩擦磨损时，初始阶段主要发生在基体上，以黏着磨损为主；当基体材料优先磨损从而使WC颗粒凸出后，此时摩擦磨损主要发生在WC颗粒上，以两体磨粒磨损为主；随着磨损时间的延长，由于WC颗粒与基材物理性能差异较大，WC颗粒易从基体上脱落，夹杂在熔注层与接触物体间，形成三体磨粒磨损，使熔注层失效加快。
因此，能够降低WC的烧损熔解、调节WC在涂层中的分布均匀性、消除涂层中的裂纹和气孔的WC颗粒增强金属基复合涂层制备工艺，仍待深入研究。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双焊枪分步进行熔覆、熔注制备WC颗粒增强金属基复合涂层的方法，所要解决的技术问题在于：通过控制两个焊枪的工艺参数，制备出WC颗粒增强金属基复合涂层，达到降低WC的烧损熔解、调节WC在涂层中的分布均匀性、消除涂层中的裂纹和气孔等目的。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双焊枪分步进行熔覆、熔注制备WC颗粒增强金属基复合涂层的方法，其特点在于：首先以金属基自熔性合金粉末作为涂层基材，通过熔覆工艺在待处理工件表面形成金属基涂层；随即再以WC颗粒粉末作为涂层增强相，通过熔注工艺在刚制备出的金属基涂层上熔注WC，从而获得WC颗粒增强金属基复合涂层。
进一步地，所述熔覆和所述熔注是通过两个独立工作的焊枪分别进行。双焊枪分步进行高能束熔覆与熔注，一个焊枪在基材表面熔覆制备金属基涂层，随即另一个焊枪在刚制备出的金属基涂层上进行熔注WC，最终得到WC颗粒增强的金属基复合涂层。而若采用单个焊枪同时进行熔覆、熔注，其工艺参数主要适用于熔覆，并不适合熔注，不利于工艺参数的调整，最终影响涂层的性能。
进一步地，在通过熔覆形成20～50mm长度的金属基涂层后，即开始进行熔注。进一步地，所述熔覆为等离子熔覆或为激光熔覆，所述熔注为等离子熔注或为激光熔注。具体实施中，可以根据复合涂层的要求，选择不同的熔覆、熔注组合方式，例如：复合涂层厚度较大、几何精度要求不高时，可以选用等离子熔覆和等离子熔注进行制备，或选用等离子熔覆和激光熔注进行制备；复合涂层几何精度要求高、形变小时，可以选用激光熔覆和激光熔注进行制备。若进行等离子熔覆和等离子熔注或进行激光熔覆和激光熔注，只需要在一台设备上设置两个独立工作的焊枪。若进行等离子熔覆和激光熔注，则分别利用等离子喷焊机和激光熔注设备的一个焊枪。
进一步地，所述金属基自熔性合金粉末为粒径在100～270目的Fe基自熔性粉末、粒径在80～160目的Ni基自熔性粉末或粒径在100～280目的Co基自熔性粉末；所述WC颗粒粉末为粒径在80～200目的球形WC粉末。
进一步地，通过等离子熔覆形成金属基涂层的工艺参数为：所使用的工作气为氩气，工作气压为0.3MPa，冷却水温度为23～27℃，喷焊电流为80～160A，焊接速度为50～80mm/min，焊枪摆宽为8～22mm，焊枪摆动速度为800～1800mm/min，合金粉末送粉量为15～35g/min，保护气流速为600～800L/h，离子气流速为300～400L/h，送粉气流速为200～300L/h，焊枪的喷嘴与工件表面距离为10～15mm。
进一步地，通过激光熔覆形成金属基涂层的工艺参数为：所使用的工作气为氩气，工作气压为0.3MPa，光斑直径2～8mm，送粉速度为15～35g/min，激光功率为0.5～4kw，扫描速度为200～600mm/min，保护气流速为600～800L/h，送粉气流速为200～300L/h。
进一步地，通过等离子熔注WC的工艺参数为：所使用的工作气为氩气，工作气压为0.3MPa，冷却水温度为23～27℃，喷焊电流为60～120A，焊接速度为50～80mm/min，焊枪摆宽为8～22mm，焊枪摆动速度为800～1800mm/min，WC颗粒粉末送粉量为15～35g/min，保护气流速为600～800L/h，离子气流速为300～400L/h，送粉气流速为200～300L/h，焊枪的喷嘴与工件表面距离为10～15mm。
进一步地，通过激光熔注WC的工艺参数为：所使用的工作气为氩气，工作气压为0.3MPa，光斑直径2～8mm，送粉速度为15～35g/min，激光功率为0.5～4kw，扫描速度为200～600mm/min，保护气流速为600～800L/h，送粉气流速为200～300L/h。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、采用本发明的方法制备WC颗粒增强金属基复合涂层，熔覆与熔注分别在两个焊枪上单独进行，工艺参数调节范围大、工艺窗口广，能以稳定工艺制备复合涂层。
2、利用本发明方法制备出的复合涂层与基体冶金结合、组织紧密，WC烧损熔解少、在涂层中形貌完整，且WC在涂层中分布均匀、不沉底，涂层无裂纹和气泡，具有高硬度和良好的耐磨性、耐腐蚀性。
3、利用本发明的方法进行熔注时，能够通过调整熔注的工艺参数，控制焊枪熔注WC时的熔池深度，使熔注时的熔池深度小于熔覆时的熔池深度，避免WC沉底。
4、利用本发明的方法进行熔注时，由于熔覆与熔注之间时间间隔短，相当于熔注前对工件进行了预热，有利于减少裂纹。同时，熔注时对熔覆层进行了重熔，有利于消除气孔、裂纹。
5、利用本发明的方法制备WC颗粒增强金属基复合涂层时，可以制备镍基、铁基、钴基复合涂层，制备复合涂层的工艺可以采用等离子熔覆和等离子熔注，可以采用等离子熔覆和激光熔注，也可以采用激光熔覆和激光熔注。在具体应用时，可根据生产需要，选择合适的粉末和工艺。
附图说明
图1为本发明的工作示意图，图中：1是基材；2是熔覆焊枪；3是熔覆焊枪的保护气入口；4是送粉气入口；5是熔覆的高能束；6是熔注的高能束；7是熔注焊枪；8是熔注焊枪的保护气入口；9是WC颗粒粉末的后送粉；10是复合涂层。
图2为本发明实施例所制备的复合涂层底部的金相图，其中：(a)图是按传统的单焊枪熔覆+后送粉方式制备出的WC增强镍基复合涂层的金相图；(b)图是按本发明双焊枪分步进行等离子熔覆、等离子熔注制备出的复合涂层的金相图。
图3为本发明实施例所制备的复合涂层的显微硬度曲线图，其中：曲线1是按传统的单焊枪熔覆+后送粉方式制备出的复合涂层的显微硬度曲线，曲线2是按本发明双焊枪分步进行等离子熔覆、等离子熔注制备出的复合涂层的显微硬度曲线。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例利用双焊枪分步进行熔覆、熔注制备WC颗粒增强镍基复合涂层的方法，包括如下步骤：
步骤1、用砂纸打磨掉工件(尺寸为120mm×60mm×15mm，材料为20#钢)表面的锈迹，并用丙酮清洗表面除去污渍，然后晾干；将清洗晾干后的工件夹持在等离子喷焊机的夹具上；
步骤2、打开冷却装置，通保护气，启动送粉器，在控制柜上分别设置等离子熔覆、等离子熔注的工艺参数。
步骤3、首先执行熔覆程序，以粉末粒度为80～160目的Ni60自熔性合金粉末作为涂层基材，利用熔覆焊枪在基材表面形成镍基涂层，等离子熔覆工艺参数为：所使用的工作气为氩气，工作气压为0.3MPa，冷却水温度为23～27℃，喷焊电流为120A，焊接速度为70mm/min，焊枪摆宽为18mm，焊枪摆动速度为1800mm/min，合金粉末送粉量为25g/min，保护气流速为600L/h，离子气流速为300L/h，送粉气流速为250L/h，焊枪的喷嘴与基材表面距离为12mm。
步骤4、在通过熔覆形成20mm长度的镍基涂层后，即开始执行熔注程序，以粉末粒度为80～200目的WC粉末作为涂层增强相，利用熔注焊枪以后送粉方式在刚制备出的镍基涂层上熔注WC，从而获得厚度3～4mm的WC颗粒增强镍基复合涂层。等离子熔注工艺参数为：所使用的工作气为氩气，工作气压为0.3MPa，冷却水温度为23～27℃，喷焊电流为100A，焊接速度为70mm/min，焊枪摆宽为18mm，焊枪摆动速度为1800mm/min，WC颗粒粉末送粉量为25g/min，保护气流速为600L/h，离子气流速为300L/h，送粉气流速为250L/h，喷枪的喷嘴与基材表面距离为12mm。
为进行对比，本实施例还按照传统的单喷枪熔覆+后送粉方式，制备出了WC增强镍基复合涂层，其工艺参数为：所使用的工作气为氩气，工作气压为0.3MPa，冷却水温度为23～27℃，喷焊电流为120A，焊接速度为70mm/min，焊枪摆宽为18mm，焊枪摆动速度为1800mm/min，Ni60合金粉末送粉量为25g/min，焊枪保护气流速为600L/h，焊枪离子气流速为300L/h，焊枪送粉气流速为250L/h，WC粉末送粉量25g/min，后送粉气流速250L/h，焊枪的喷嘴与基材表面距离为12mm。
图2为复合涂层底部的金相图，分别有2～3张图片拼接而成，其中：(a)图是按传统的单焊枪熔覆+后送粉方式制备出的WC增强镍基复合涂层的金相图，可以看出涂层与基材之间是冶金结合，但是WC沉底，并且涂层出现裂纹。(b)图是按本发明双焊枪分步进行等离子熔覆、等离子熔注制备出的复合涂层的金相图，可以看出涂层与基体之间是冶金结合，WC形貌保持完整未沉底，均匀分布在熔覆层中，且涂层无裂缝。
图3为上述两种复合涂层的显微硬度曲线图，以涂层与基体的结合面为零点，涂层横截面的竖直方向上每间距200μm测一组数据，取其硬度平均值。曲线1是按传统的单焊枪熔覆+后送粉方式制备出的复合涂层横截面竖直方向上的显微硬度曲线，曲线2是按本发明双焊枪分步进行等离子熔覆、等离子熔注制备出的复合涂层横截面竖直方向上的显微硬度曲线。从图中可以看出：单焊枪加后送粉制备出的复合涂层，WC主要集聚在涂层底部，中上部几乎没有，反映在硬度曲线1上就是涂层硬度在靠近结合面(零点)附近达到1400HV左右，从中上部(约2mm处)开始下降。相比而言，曲线2代表的复合涂层在靠近结合面的底部有宽度约为600μm、硬度值约为900HV的过渡区域，反映在金相图上就是结合面附近几乎没有WC，WC主要分布在涂层的中部。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双焊枪分步进行熔覆、熔注制备WC颗粒增强金属基复合涂层的方法，其特征在于：首先以金属基自熔性合金粉末作为涂层基材，通过熔覆工艺在待处理工件表面形成金属基涂层；随即再以WC颗粒粉末作为涂层增强相，通过熔注工艺在刚制备出的金属基涂层上熔注WC，从而获得WC颗粒增强金属基复合涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述熔覆和所述熔注是通过两个独立工作的焊枪分别进行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在通过熔覆形成20～50mm长度的金属基涂层后，即开始进行熔注。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述熔覆为等离子熔覆或为激光熔覆，所述熔注为等离子熔注或为激光熔注。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述金属基自熔性合金粉末为粒径在100～270目的Fe基自熔性粉末、粒径在80～160目的Ni基自熔性粉末或粒径在100～280目的Co基自熔性粉末；所述WC颗粒粉末为粒径在80～200目的球形WC粉末。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过等离子熔覆形成金属基涂层的工艺参数为：所使用的工作气为氩气，工作气压为0.3MPa，冷却水温度为23～27℃，喷焊电流为80～160A，焊接速度为50～80mm/min，焊枪摆宽为8～22mm，焊枪摆动速度为800～1800mm/min，合金粉末送粉量为15～35g/min，保护气流速为600～800L/h，离子气流速为300～400L/h，送粉气流速为200～300L/h，焊枪的喷嘴与工件表面距离为10～15mm。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过激光熔覆形成金属基涂层的工艺参数为：所使用的工作气为氩气，工作气压为0.3MPa，光斑直径2～8mm，送粉速度为15～35g/min，激光功率为0.5～4kw，扫描速度为200～600mm/min，保护气流速为600～800L/h，送粉气流速为200～300L/h。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过等离子熔注WC的工艺参数为：所使用的工作气为氩气，工作气压为0.3MPa，冷却水温度为23～27℃，喷焊电流为60～120A，焊接速度为50～80mm/min，焊枪摆宽为8～22mm，焊枪摆动速度为800～1800mm/min，WC颗粒粉末送粉量为15～35g/min，保护气流速为600～800L/h，离子气流速为300～400L/h，送粉气流速为200～300L/h，焊枪的喷嘴与工件表面距离为10～15mm。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过激光熔注WC的工艺参数为：所使用的工作气为氩气，工作气压为0.3MPa，光斑直径2～8mm，送粉速度为15～35g/min，激光功率为0.5～4kw，扫描速度为200～600mm/min，保护气流速为600～800L/h，送粉气流速为200～300L/h。
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