CN116695047A - 一种高韧性强耐磨WC-Co涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高韧性强耐磨WC‑Co涂层的制备方法，属于热喷涂金属陶瓷涂层技术领域。首先对混合了WC粉、Co粉和有机粘结剂溶液的料浆进行喷雾造粒制备球形粉末，然后进行低温热处理获得一定内聚强度的球形WC‑Co粉末，将球形WC‑Co粉末与细颗粒氮化硼粉进行机械混合，在WC‑Co共晶点以上温度进行高温热处理，再通过气流分级分离出WC‑Co粉末，通过超音速火焰喷涂高温热处理后的粉末在金属基体表面沉积涂层，即可获得具有纳米晶Co的强耐磨的WC‑Co涂层。该发明技术使传统涂层中的非晶态Co转变为了纳米晶，提高涂层韧性的同时而不降低其硬度。
Description
技术领域
本发明属于热喷涂金属陶瓷涂层技术领域，具体涉及一种利用超音火焰喷涂工艺制备含纳米晶Co的具有高韧性和强耐磨性的WC-Co涂层的工艺方法。
背景技术
热喷涂WC-Co涂层因具有相对较高的硬度和耐磨性，被广泛用于各类金属零部件的表面耐磨防护，可显著延长工程装备的服役寿命。然而，随着工况环境的复杂化，采用传统方法热喷涂制备的WC-Co涂层不能满足一些存在高应力冲击、高速摩擦的应用领域对涂层韧性和耐磨性能的严苛要求，因此研发具有更强耐磨性能的WC-Co涂层对于拓展其应用具有重要意义。
热喷涂WC-Co涂层的性能受多种因素的影响，其中作为粘结相的Co的含量和结构是一个重要因素。增加涂层中Co的含量可以提高其塑韧性，但硬度和耐磨损性能会相应下降。另外，在现有方法制备的WC-Co涂层中，绝大部分Co都处于非晶状态，这不仅极大地降低了涂层整体的塑性变形能力，且由于WC和非晶Co相界面原子排列杂乱，不利于WC/Co相界处应变协调，因此WC中的位错滑移至界面处无法通过应力传递激发Co相位错产生和运动。这样就会在界面附近产生应力集中，导致裂纹沿晶扩展，这也是传统WC-Co涂层在外应力作用下发生快速磨损失效的主要机制。
为了解决上述问题，本发明提出了一种新的热喷涂WC-Co涂层的制备方法，即在增加涂层中Co含量的情况下，使传统涂层中的非晶态Co转变为纳米晶，以提高涂层的韧性而不降低其硬度，从而获得具有强耐磨性的WC-Co涂层。
发明内容
本发明提供的制备方法的工艺流程和原理是：首先对混合了WC粉、Co粉和有机粘结剂溶液的料浆进行喷雾造粒制备球形粉末，然后进行低温热处理获得一定内聚强度的球形WC-Co粉末，将获得的球形WC-Co粉末与细颗粒氮化硼粉进行机械混合，在WC-Co共晶点以上温度进行高温热处理，再通过气流分级分离出WC-Co粉末，通过超音速火焰喷涂高温热处理后的粉末在金属基体表面沉积涂层，即可获得具有纳米晶Co的强耐磨的WC-Co涂层。
本发明提供的一种强耐磨WC-Co涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以无水乙醇为介质，对平均粒径均小于0.8μm的WC粉和Co粉进行湿磨混合，混合粉末中Co的质量分数为17％-25％，将干燥后的WC-Co粉末与聚乙二醇、去离子水混合制成料浆，采用离心喷雾干燥机进行团聚造粒，对获得的球形粉末依次进行低温热处理和气流分级以制备得到粒径分布在10-30μm、且具有一定内聚强度的WC-Co球形粉末，其中低温热处理温度为1100-1180℃，保温1-2h；气流分级机的一级频率为17Hz，二级频率为23Hz；
(2)将经过低温热处理后的球形WC-Co粉末与平均粒径小于5μm的氮化硼粉混合均匀后进行二次高温热处理，热处理温度为1300-1350℃，保温1-2h，冷却后通过气流分级将二者分离，即得到预合金化的球形WC-Co粉末，分级频率为25Hz；
(3)采用超音速火焰喷涂工艺在钢基体表面喷涂预合金化的球形WC-Co粉末制备涂层，涂层厚度为200-300μm，喷涂工艺参数为：煤油流量22-23L/h，氧气流量930-950L/min，喷涂距离340-360mm，送粉速率50-70g/min，喷枪水平移动速度0.4-0.6m/s，冷却后即得到具有纳米晶Co和强耐磨性的WC-Co涂层。
本发明方法的技术特色和优势主要有：(1)本发明是通过提高WC-Co涂层中的Co含量来增韧，同时利用粉末的预合金化使涂层中形成纳米晶Co来提高硬度，基于两方面因素的协同作用使制备涂层获得强耐磨性；(2)本发明中初始喷涂粉末和涂层中的Co含量相对于传统涂层(Co质量分数一般为12％-17％)明显增加，由于塑韧性更好，粉末在基体上沉积时可以充分变形，降低残余应力，另外热喷涂时更多的Co熔化后可以充分填充孔洞，因此制备涂层的致密性可显著增加，更容易获得无孔隙的WC-Co涂层；(3)本发明采用高熔点(约3000℃)、化学稳定性好(不与WC和Co发生化学反应)、密度低(2.3g/cm3，远低于WC-Co粉末的13.1-14.4g/cm3)的细颗粒(小于5μm)氮化硼粉分隔经过低温热处理的球形WC-Co粉末，避免在高温热处理过程中WC-Co颗粒发生粘连，同时通过后续的气流分级可较容易地实现与细颗粒氮化硼的完全分离，从而避免在WC-Co粉末中引入杂质元素；(4)本发明提出的喷涂粉末成分结构设计以及热喷涂工艺的组合方案解决了WC-Co类金属陶瓷涂层硬度、韧性难以协同提高的技术难题，方法简单易行，应用本发明技术可使制备涂层获得超强的耐磨性。
附图说明
图1为本发明和传统工艺方法制备的不同Co含量的WC-Co涂层的扫描电镜形貌；其中，(a)为实施例1制备的WC-17Co涂层的扫描电镜形貌，(b)为施例2制备的WC-25Co涂层的扫描电镜形貌；(c)为对比实施例制备的WC-25Co涂层的扫描电镜形貌；
图2为本发明方法实施例1制备的WC-17Co涂层的透射电镜显微组织；其中，(a)为实施例1制备的WC-17Co涂层的透射电镜明场像，(b)为实施例1制备的WC-17Co涂层中纳米晶Co相的显微组织；
图3为本发明方法对比实施例制备的WC-25Co涂层的透射电镜显微组织；其中，(a)为对比实施例制备的WC-25Co涂层的透射电镜明场像，(b)为对比实施例制备的WC-25Co涂层中Co相的选区电子衍射谱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
以无水乙醇为介质，对平均粒径均小于0.8μm的WC粉和Co粉进行湿磨混合，混合粉末中Co的质量分数为17％，将干燥后的WC-Co粉末与聚乙二醇、去离子水混合制成料浆，采用离心喷雾干燥机进行团聚造粒，对获得的球形粉末依次进行低温热处理和气流分级以制备得到粒径分布在10-30μm、且具有一定内聚强度的WC-Co球形粉末，其中热处理温度为1180℃，保温1h，气流分级机的一级频率为17Hz，二级频率为23Hz；将经过低温热处理后的球形WC-Co粉末与平均粒径小于5μm的氮化硼粉混合均匀后进行二次高温热处理，热处理温度为1350℃温度，保温1h，冷却后通过气流分级将二者分离，即得到预合金化的球形WC-Co粉末，分级频率为25Hz；采用超音速火焰喷涂工艺在钢基体表面喷涂预合金化的球形WC-Co粉末制备涂层，涂层厚度为200μm，喷涂工艺参数为：煤油流速23L/h，氧气流速950L/min，喷涂距离360mm，送粉速率50g/min，喷枪水平移动速度0.6m/s，冷却后即得到具有纳米晶组织和强耐磨性的WC-17Co涂层。制备涂层的扫描电镜显微组织如图1中(a)所示，透射电镜显微组织如图2中(a)和(b)所示，其中图2中(b)示出了涂层中的纳米晶Co。涂层的显微硬度(测试载荷为300g)、断裂韧性(测试载荷为5kg)和磨损速率(测试载荷80N，测试时间30min，磨损距离150m)列于表1中。
实施例2
以无水乙醇为介质，对平均粒径均小于0.8μm的WC粉和Co粉进行湿磨混合，混合粉末中Co的质量分数为25％，将干燥后的WC-Co粉末与聚乙二醇、去离子水混合制成料浆，采用离心喷雾干燥机进行团聚造粒，对获得的球形粉末依次进行低温热处理和气流分级以制备得到粒径分布在10-30μm、且具有一定内聚强度的WC-Co球形粉末，其中热处理温度为1100℃，保温2h，气流分级机的一级频率为17Hz，二级频率为23Hz；将经过低温热处理后的球形WC-Co粉末与平均粒径小于5μm的氮化硼粉混合均匀后进行二次高温热处理，热处理温度为1300℃温度，保温2h，冷却后通过气流分级将二者分离，即得到预合金化的球形WC-Co粉末，分级频率为25Hz；采用超音速火焰喷涂工艺在钢基体表面喷涂预合金化的球形WC-Co粉末制备涂层，涂层厚度为300μm，喷涂工艺参数为：煤油流速22L/h，氧气流速930L/min，喷涂距离340mm，送粉速率70g/min，喷枪水平移动速度0.4m/s，冷却后即得到具有纳米晶组织和强耐磨性的WC-25Co涂层。制备涂层的扫描电镜显微组织如图1中(b)所示。涂层的显微硬度(测试载荷为300g)、断裂韧性(测试载荷为5kg)和磨损速率(测试载荷80N，测试时间30min，磨损距离150m)列于表1中。
对比例以无水乙醇为介质，对平均粒径均小于0.8μm的WC粉和Co粉进行湿磨混合，混合粉末中Co的质量分数为25％，将干燥后的WC-Co粉末与聚乙二醇、去离子水混合制成料浆，采用离心喷雾干燥机进行团聚造粒，对获得的球形粉末依次进行低温热处理和气流分级以制备得到粒径分布在10-30μm、且具有一定内聚强度的WC-Co球形粉末，其中热处理温度为1100℃，保温2h，气流分级机的一级频率为17Hz，二级频率为23Hz；采用超音速火焰喷涂工艺在钢基体表面喷涂预合金化的球形WC-Co粉末制备涂层，涂层厚度为300μm，喷涂工艺参数为：煤油流速22L/h，氧气流速930L/min，喷涂距离340mm，送粉速率70g/min，喷枪水平移动速度0.4m/s，冷却后即得到具有非晶Co组织特征的WC-12Co涂层。制备涂层的扫描电镜显微组织如图1中(c)所示，透射电镜显微组织和Co相的衍射谱分别如图3中(a)和(b)所示，其中图3中(b)示出了涂层中Co为非晶态。涂层的显微硬度(测试载荷为300g)、断裂韧性(测试载荷为5kg)和磨损速率(测试载荷80N，测试时间30min，磨损距离150m)列于表1中。
表1为本发明和传统工艺方法制备的不同Co含量的WC-Co涂层的显微硬度、断裂韧性和磨损速率。
。
Claims (5)
1.一种高韧性强耐磨WC-Co涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以无水乙醇为介质，对平均粒径均小于0.8μm的WC粉和Co粉进行湿磨混合，混合粉末中Co的质量分数为17％-25％，将干燥后的WC-Co粉末与聚乙二醇、去离子水混合制成料浆，采用离心喷雾干燥机进行团聚造粒，对获得的球形粉末依次进行低温热处理和气流分级以制备得到粒径分布在10-30μm、且具有一定内聚强度的WC-Co球形粉末，其中低温热处理温度为1100-1180℃，保温1-2h；
(2)将经过低温热处理后的球形WC-Co粉末与平均粒径小于5μm的氮化硼粉混合均匀后进行二次高温热处理，热处理温度为1300-1350℃，保温1-2h，冷却后通过气流分级将二者分离，即得到预合金化的球形WC-Co粉末；
(3)采用超音速火焰喷涂工艺在钢基体表面喷涂预合金化的球形WC-Co粉末制备涂层，涂层厚度为200-300μm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)气流分级机的一级频率为17Hz，二级频率为23Hz。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)分级频率为25Hz。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)喷涂工艺参数为：煤油流量22-23L/h，氧气流量930-950L/min，喷涂距离340-360mm，送粉速率50-70g/min，喷枪水平移动速度0.4-0.6m/s，冷却后即得到具有纳米晶Co和强耐磨性的WC-Co涂层。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法制备得到的高韧性强耐磨WC-Co涂层。
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