CN115627471A - 一种金属表面碳化钨强化涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属表面碳化钨强化涂层的制备方法，包括：S1、金属基体表面预处理；S2、将由碳化钨制成的若干丸粒放置在超声喷丸设备的喷丸腔室内，将金属基体放置于喷丸腔室上端，设置超声喷丸设备的振幅、频率、效率及喷丸处理时间，然后启动超声喷丸设备对金属基体表面进行喷丸处理，形成碳化钨微粒附着层；S3、涂层制备完成后，将附着有碳化钨涂层的金属基体放置在200℃～500℃的高温环境下进行保温，然后在真空环境中冷却至试样恢复至室温。本发明通过超声喷丸设备处理金属表面制备完整的碳化钨涂层，使碳化钨在作为涂层时不必加入其他填充物就能解决易涂性问题，同时又能保证碳化钨涂层的完整性，使涂层表面硬度均匀、耐磨性能大大提升。
Description
技术领域
本发明属于金属表面强化技术领域，具体涉及一种金属表面碳化钨强化涂层的制备方法。
背景技术
在工业生产的过程中，许多金属部件的运行工况较为恶劣。这些部件有很大可能暴露在易腐蚀易氧化的环境中，久而久之，造成金属部件因发生氧化和腐蚀而不得不退役。使得某些暴露在敏感环境中的部件需要频繁的更换配件，提升了制造成本和维护成本。除此以外，许多设备和产品在服役的过程中不可避免的经常发生摩擦、磨损以及零部件之间的冲击、划伤等。现有技术一般会在零件接触表面涂抹一层润滑油来减少金属零件之间的摩擦、磨损以及划伤，但某些润滑油的过渡使用会使零件表面受到污染，润滑油长时间的附着还不可避免的增加被腐蚀的概率，给工业生产带来不必要的损失。
现有的许多涂层技术虽然对金属表面也具有一定的保护作用，但是一般而言，制备涂层的过程中需要添加某些填充材料，使之具有更高的易涂性。一般的填充物通常由石墨、氮化硼以及聚酯等组成，这些都是较软的非金属材料，无法在增加抗腐蚀抗氧化能力的同时，增加零件的抗冲击和耐磨损性能。在现有的涂层技术中，碳化钨作为涂层对基体表面虽然是一个不错的提升，常规方法处理的碳化钨(WC)涂层一般是指在金属基体喷涂并密封碳化钨涂层，由于碳化钨本身硬度较大，所以形成的涂层可用于零件之间的接触运动，同时也可形成良好的接触间隙，为金属基体提供优异的密封条件。然而，现有的碳化钨涂层的材料一般是由碳化钨本身和一种非金属填充物组成，这种非金属填充物(一般指石墨、氮化硼、聚酯)虽然提高了涂层的易涂性能，由于其硬度远小于碳化钨，在与碳化钨的结合过程中即削弱了碳化钨的高硬度的优势(碳化钨的维氏硬度约为2600HV)；而且非金属的填充物与碳化钨结合后破坏了碳化钨的完整性，可能会造成涂层内部元素不均匀，最终使得涂层的耐磨损性能提升有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有碳化钨涂层技术在喷涂过程中加入的填充物削弱了涂层本身的硬度、破坏了碳化钨的完整性的问题，提供一种金属表面碳化钨强化涂层的制备方法，通过超声喷丸设备处理金属表面制备完整的碳化钨涂层，使碳化钨在作为涂层时不必加入其他填充物就能解决易涂性问题，同时又能保证碳化钨涂层的完整性，使涂层表面硬度均匀、耐磨性能大大提升。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种金属表面碳化钨强化涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1、金属基体表面预处理；
S2、将由碳化钨制成的若干丸粒放置在超声喷丸设备的喷丸腔室内，将金属基体放置于喷丸腔室上端，设置超声喷丸设备的振幅、频率、效率及喷丸处理时间，然后启动超声喷丸设备对金属基体表面进行喷丸处理；碳化钨丸粒不间断地循环撞击基材表面，使得丸粒的脱落微粒在丸粒下一次的撞击中不断地附着在基材上，并与基材表面融合为一体，逐渐积累到一个可观的附着厚度，从而形成碳化钨微粒附着层；
S3、涂层制备完成后，为了使涂层和基体更好地附着，将附着有碳化钨涂层的金属基体放置在200℃～500℃的高温环境下进行保温，然后在真空环境中冷却至试样恢复至室温。
上述方案中，步骤S2中，设置超声喷丸设备的振幅为40um-80um；频率为10kHZ～20kHZ；效率为80％以上；喷丸处理时间为5min～15min。
上述方案中，步骤S2中，碳化钨丸粒直径为1mm～5mm。
上述方案中，步骤S2中，碳化钨丸粒型号为YG6或YG8。
上述方案中，步骤S3中，保温时间为1-4h。
上述方案中，步骤S1中，金属基体表面预处理包括，对基体进行机械研磨处理，然后进行抛光和超声清洗，使其表面光滑干净。
上述方案中，所述超声喷丸设备包括超声波发生器、超声波换能器、变幅杆、超声喷头和喷丸腔，所述超声波发生器、超声波换能器、变幅杆、超声喷头依次相连，所述超声喷头的上端插入所述喷丸腔内部，所述碳化钨丸粒铺覆于超声喷头表面。
本发明的有益效果在于：
本发明方法利用超声喷丸设备为碳化钨丸粒提供能量，在几秒之内就可以完成WC丸粒对基材板的成百上千次碰撞，可以在短时间内获得一层完整的硬度高于基材数倍的碳化钨涂层，使基材表面的硬度提升数倍，而硬度的提高也伴随着抗冲击和耐磨损性能的提高。经试验验证，通过本发明方法得到的碳化钨涂层的厚度、附着力、硬度均满足相关指标的要求。
本发明方法与现有的碳化钨涂层应用技术相比，装置简单易操作，不需要额外的填充物来增加碳化钨涂层的易涂性，使碳化钨涂层的纯度进一步提升。
本发明方法对于轴承和齿轮领域在运行工况下的减摩减损有很大提升，通过增加轴承和齿轮表面硬度，增加轴承和齿轮的抗磨损性能，可以提高轴承的使用寿命。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明金属表面碳化钨强化涂层的制备方法的原理图；
图2是本发明实施例中扫描电子显微镜(SEM)下表征WC涂层厚度的图；
图3是图2所示WC涂层的局部放大图；
图4是本发明实施例中WC涂层的元素谱图；
图5是本发明实施例中WC涂层经过1h磨损试验后的元素分布及含量图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明提供了一种金属表面碳化钨强化涂层的制备方法，采用超声喷丸设备处理金属基体表面，使金属表面获得一层厚度可观的完整的碳化钨超硬材料涂层，来提升金属基体表面硬度和抗冲击耐磨损性能。该制备方法具体包括以下步骤：
S1、金属基体表面预处理。在进行超声喷丸之前，需要对基体进行机械研磨处理，然后进行抛光和超声清洗，使其表面光滑干净，防止在制备涂层过程中出现碳化钨(WC)以外的杂质附着在表面。
S2、采用超声喷丸设备处理金属基体表面，使金属表面获得一层厚度可观的完整的碳化钨超硬材料涂层。超声喷丸设备包括超声波发生器、超声波换能器、变幅杆、超声喷头和喷丸腔，超声波发生器、超声波换能器、变幅杆、超声喷头依次相连，超声喷头的上端插入喷丸腔内部。将由碳化钨制成的若干丸粒铺覆于超声喷头表面，将金属基体放置于喷丸腔室上端并通过工具进行固定，使丸粒和金属基体之间留有一定距离便于超声喷头的振动。通过超声波发生器设置合适的振幅、频率、效率及喷丸处理时间，然后启动超声喷丸设备对金属基体表面进行喷丸处理。大量碳化钨丸粒在超声喷头的作用下以高速喷射到金属基体，由于力的相互作用，丸粒被弹回到超声喷头的顶部，之后又一次在超声喷头的作用下，再次以高速撞击金属基体。丸粒在撞击基材的过程中如无数个小锤锤击基材表面，使基材围绕每个丸粒的撞击区域向四周延伸，在产生塑性变形和微凹坑的同时，由于丸粒不断的以高速撞击基材，产生的能量也使丸粒表面有微小的脱落并附着在基材上。大量丸粒不间断地循环撞击基材表面，使得丸粒的脱落微粒在丸粒下一次的撞击中不断地附着在基材上，并与基材表面融合为一体，逐渐积累到一个可观的附着厚度，也就是涂层。由于涂层是由碳化钨制成的丸粒在撞击基材后的脱落碎屑构建，所以涂层的硬度取决于丸粒的硬度，而所使用的碳化钨丸粒的硬度高于基材表面数倍(WC丸粒的维氏硬度约为2600HV，基材的硬度约为300HV～400HV)，涂层的成分主要为碳化钨，即涂层表面的维氏硬度为2600HV也高于基材数倍。
在本发明中，超声喷丸设备所提供的振幅、频率、效率、丸粒的质量以及工作时间都会对基材表面超硬碳化钨附着层有着决定性的影响，具体表达式如下：
F＝(mx+my+mp+mq)·a (1)
式中：F为超声喷丸设备所提供的激振力(推力)(N)；mx为喷丸腔运动部分的有效质量(Kg)；my为超声喷头的质量(Kg)；mp为试件(包括夹具、喷丸腔、安装螺钉)质量(Kg)；mq为丸粒的总质量(g)；a为试验加速度(m/s2)。
由动量公式可以获得每次的振动时间与丸粒受力后的速度之间的关系：
F·t＝mq·v (2)
式中：F为超声喷丸设备所提供的激振力(推力)(N)；t为超声喷丸设备每次振动所需时间(s)；mq为丸粒的总质量(g)；v为丸粒受力后的速度(m/s)。
超声喷丸设备所提供的振动频率与试验加速度的关系：
式中：f为超声喷丸设备所提供的振动频率(Hz)；D为丸粒位移。
在超声喷丸设备每次循环上述的一次振动后，丸粒撞击到基材上的同时，由于高速产生的能量使丸粒表面脱落的WC微粒依附在基材上，丸粒的总质量mq减小。假设在喷丸腔中放置n个WC丸粒，每个丸粒的质量相等，且每次碰撞后每个丸粒脱落微粒的质量相同：
mq＝(m1-m0)+(m2-m0)+(m3-m0)+(m4-m0)+...+(mn-m0) (4)
式中：m0为每次碰撞丸粒脱落微粒的质量(g)；m1、m2、m3、m4、…mn为每个丸粒质量(g)；mq为丸粒的总质量(g)。
图1为上述技术方案的流程图，随着超声喷丸设备的循环振动，其所提供的激振力(推力)并不会明显改变，而丸粒的总质量会逐渐减小，导致丸粒受力后的速度增大，所以高速运动的丸粒所存储的能量增大。大量丸粒不间断地循环撞击基材表面，且每次循环后所存储的能量都有所增加，使得丸粒撞击基材时的脱落微粒更多，且受到丸粒的作用力不断地附着在基材上，并与基材表面融合，达到一个厚度可观的附着层，即涂层。
优选地，设置超声喷丸设备的振幅为40um-80um；频率为10kHZ～20kHZ；效率为80％以上；喷丸处理时间为5min～15min。
碳化钨丸粒的直径不能太大或太小，太大会加大涂层的表面粗糙度，太小则会使涂层的厚度减弱。优选地，碳化钨丸粒直径为1mm～5mm。丸粒的型号为YG6或YG8，这些型号的丸粒硬度较高，价格便宜。丸粒数量根据喷丸腔面积匹配设置。
S3、涂层制备完成后，为了使涂层和基体更好地附着，将附着有碳化钨涂层的金属基体放置在200℃～500℃的高温环境下进行保温1-4h，然后在真空环境中冷却至试样恢复至室温，防止表面快速氧化。
在现有的涂层技术指标中，金属涂层的厚度一般要求几微米到一毫米之间。涂层与基体之间的附着力即单位表面积的涂层从基体上剥落所需要的压力，是涂层的一个重要的性能指标(行业指标中无机富锌涂层体系附着力≥3MPa，其它涂层体系≥5MPa)。附着力过小不利于涂层的抗冲击和耐磨损性能，附着力过大则在服役过程中会造成涂层局部出现鼓包或脱皮造成失效，反而提高了维护成本。涂层的另外一个重要指标是涂层的整体硬度(一般涂层的硬度不小于基体硬度)，这项指标对涂层是否抗冲击和耐磨损起到关键作用。而硬度又是一个综合的性能指标，一般认为硬度是物体表面抵抗变形以及抵抗破裂的能力。在轴承钢以及齿轮钢领域，最重要的指标之一是其必须具备良好的耐磨性能，而对轴承钢以及齿轮钢的减摩减损能力贡献最大的主要是其表面具有超高硬度。
本实施例以某正方形金属基体为对象，按照上述方法进行处理，超声喷丸的参数选取为：振幅50um；频率20kHZ；效率设定为100％；工作时间设定为8min；丸粒直径为4mm；丸粒的型号为YG6。涂层制备完成后，在300℃的高温环境下保温1h后，在真空环境中冷却至试样恢复至室温。最终得到的基体表面碳化钨涂层如图2所示，图2中的比例尺为100微米，涂层的厚度从图中可以得出约10微米左右，说明涂层厚度至少达到了行业水平，WC涂层的局部放大如图3所示。图4是WC涂层的元素谱图，由该图可知W的含量占比很高，说明WC涂层制备成功。通过扫描电镜(SEM)中的能谱仪(EDS)测试得到WC涂层中元素重量百分比和原子百分比，其中，处理选项：所有经过分析的元素(已归一化)，重复次数＝3，具体数据如表1所示，表中W元素的重量百分比和原子百分比占比最高，同样说明WC涂层制备成功。而一般WC在物理变化过程中硬度一般不发生改变，仍为2600HV，大于金属基体硬度。
表1.WC涂层中元素重量百分比和原子百分比
最后进行涂层的耐磨损性能测试，在300℃左右的高温下在涂层表面施加20N的试验载荷，在销-盘式摩擦磨损试验机中磨损1小时后，由图5可以看出，W元素的占比仍然很理想(绿色部分为W元素的分布)，高达43.08％，大于基材中主要元素Fe的占比，因此涂层并没有大量的剥落，为基体起到了很好的耐磨作用，试验涂层的附着力≥15MPa，说明涂层与基体间的附着力至少达到了行业水平。
综上所述，本实施例中，通过本发明方法制备的碳化钨涂层，获得的涂层厚度约10微米，附着力约15.9MPa，硬度约为2600HV，满足涂层技术指标中关于厚度、附着力、硬度的要求，验证了本发明方法的有效性。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (7)
1.一种金属表面碳化钨强化涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、金属基体表面预处理；
S2、将由碳化钨制成的若干丸粒放置在超声喷丸设备的喷丸腔室内，将金属基体放置于喷丸腔室上端，设置超声喷丸设备的振幅、频率、效率及喷丸处理时间，然后启动超声喷丸设备对金属基体表面进行喷丸处理；碳化钨丸粒不间断地循环撞击基材表面，使得丸粒的脱落微粒在丸粒下一次的撞击中不断地附着在基材上，并与基材表面融合为一体，逐渐积累到一个可观的附着厚度，从而形成碳化钨微粒附着层；
S3、涂层制备完成后，为了使涂层和基体更好地附着，将附着有碳化钨涂层的金属基体放置在200℃～500℃的高温环境下进行保温，然后在真空环境中冷却至试样恢复至室温。
2.根据权利要求1所述的金属表面碳化钨强化涂层的制备方法，其特征在于，步骤S2中，设置超声喷丸设备的振幅为40um-80um；频率为10kHZ～20kHZ；效率为80％以上；喷丸处理时间为5min～15min。
3.根据权利要求1所述的金属表面碳化钨强化涂层的制备方法，其特征在于，步骤S2中，碳化钨丸粒直径为1mm～5mm。
4.根据权利要求1所述的金属表面碳化钨强化涂层的制备方法，其特征在于，步骤S2中，碳化钨丸粒型号为YG6或YG8。
5.根据权利要求1所述的金属表面碳化钨强化涂层的制备方法，其特征在于，步骤S3中，保温时间为1-4h。
6.根据权利要求1所述的金属表面碳化钨强化涂层的制备方法，其特征在于，步骤S1中，金属基体表面预处理包括，对基体进行机械研磨处理，然后进行抛光和超声清洗，使其表面光滑干净。
7.根据权利要求1所述的金属表面碳化钨强化涂层的制备方法，其特征在于，所述超声喷丸设备包括超声波发生器、超声波换能器、变幅杆、超声喷头和喷丸腔，所述超声波发生器、超声波换能器、变幅杆、超声喷头依次相连，所述超声喷头的上端插入所述喷丸腔内部，所述碳化钨丸粒铺覆于超声喷头表面。
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