專利名稱：一種碳化鎢－鈷/二硫化鉬復(fù)合粉末及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硬質(zhì)耐磨涂層技術(shù)，具體地說(shuō)是公開了一種碳化鎢-鈷/二硫化鉬復(fù)合粉末、其制備方法、及碳化鎢-鈷/二硫化鉬硬質(zhì)耐磨涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)機(jī)械零部件綜合性能的要求越來(lái)越高，單靠發(fā)展常規(guī)材料難以達(dá)到所要求的性能范圍。磨損是材料失效的三種主要方式之一，而且是避免不了的，每年因磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失是非常驚人的。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，美國(guó)1981年因磨損造成的損失約1000億美元。采用硬質(zhì)耐磨涂層可以有效降低機(jī)械零部件的磨損。目前工業(yè)生產(chǎn)日益向高度自動(dòng)化、高速化方向發(fā)展，各種機(jī)械零件的服役條件越來(lái)越苛刻，要求零件表面有更高的耐磨損等性能，耐磨涂層更顯得至關(guān)重要。一般認(rèn)為材料的硬度越高，其耐磨性越好。但在實(shí)際工作環(huán)境中，由于工件具有較高的硬度，導(dǎo)致工件間摩擦系數(shù)較高，對(duì)摩擦副產(chǎn)生了較嚴(yán)重的摩擦磨損，間接上增加了磨損。研究表明，在硬質(zhì)耐磨涂層中添加固體潤(rùn)滑劑可以降低涂層的摩擦系數(shù)，提高涂層的自潤(rùn)滑性能，降低涂層及摩擦副的磨損量。
WC作為一種超硬材料，是目前廣泛采用的一種碳化物陶瓷涂層材料，常用于制備低溫(小于500℃)非腐蝕環(huán)境下耐磨、耐擦傷涂層。WC涂層的制備技術(shù)有氧乙炔火焰噴涂、等離子噴涂和爆炸噴涂等，常采用WC-Co粉末噴涂，Co作為金屬粘結(jié)劑，在噴涂過(guò)程中既減少了WC的氧化和分解，又可以在高溫下熔化，增強(qiáng)涂層的致密度、斷裂韌性和耐磨性。但Co的含量過(guò)高將使涂層的硬度和耐磨性能下降。目前常用的碳化鎢-鈷涂層為WC-12Co(金屬鈷所占重量百分比為12％)。與其他噴涂工藝相比，爆炸噴涂有很多優(yōu)點(diǎn)所制備涂層結(jié)合強(qiáng)度高、致密、孔隙度低，硬度高、耐磨性好；所制備涂層結(jié)構(gòu)均勻，厚度易控制，從而成為制備高質(zhì)量耐磨涂層的一種噴涂技術(shù)。
但是與其他耐磨涂層一樣，WC-Co涂層硬度高，會(huì)對(duì)摩擦副產(chǎn)生了較嚴(yán)重的摩擦磨損，間接增加了磨損。研究表明，MoS2涂層有良好的潤(rùn)滑性能，摩擦系數(shù)很低，因此期望通過(guò)在WC-Co涂層中加入MoS2固體潤(rùn)滑劑，降低涂層的摩擦系數(shù)和磨損率。
至今，WC-Co+MoS2復(fù)合涂層以及采用爆炸噴涂技術(shù)制備此復(fù)合涂層尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種碳化鎢-鈷/二硫化鉬復(fù)合粉末、其制備方法、及碳化鎢-鈷/二硫化鉬硬質(zhì)耐磨涂層的制備方法，該種復(fù)合粉可以在保證涂層的硬度、致密度和結(jié)合強(qiáng)度的前提下，降低涂層的摩擦系數(shù)末，從而使涂層的磨損率大幅下降，得到一種優(yōu)良的復(fù)合自潤(rùn)滑硬質(zhì)耐磨涂層。
本發(fā)明具體提供了一種碳化鎢-鈷/二硫化鉬復(fù)合粉末，其特征在于粉末成分為WC-Co 94～99％重量，MoS21～6％重量。
本發(fā)明碳化鎢-鈷/二硫化鉬復(fù)合粉末中，所述的WC-Co成分中，Co的含量為5～20％；最好選擇為10～15％。
本發(fā)明還提供了上述碳化鎢-鈷/二硫化鉬復(fù)合粉末的制備方法，其特征在于——將WC-Co和MoS2粉末，在液態(tài)介質(zhì)中進(jìn)行球磨混合，混合時(shí)間24～48小時(shí)；——上述混合粉末烘干，烘干溫度為80～150℃，烘干時(shí)間為0.5～2小時(shí)。
本發(fā)明碳化鎢-鈷/二硫化鉬復(fù)合粉末的制備方法中，所用WC-Co粉為平均粒度在35～55微米的商用WC-Co粉；MoS2粉為平均粒度在35±10微米的商用MoS2粉末；所用液態(tài)介質(zhì)最好選擇為無(wú)水乙醇、水另外，本發(fā)明還提供了一種硬質(zhì)耐磨涂層的制備方法，其特征在于——采用上述碳化鎢-鈷/二硫化鉬復(fù)合粉末；——采用爆炸噴涂技術(shù)制備涂層。
本發(fā)明硬質(zhì)耐磨涂層的制備方法中，可以采用“OB”型爆炸噴涂系統(tǒng)，以氮?dú)鉃樗头蹥夂颓鍜邭猓鯕夂鸵胰沧鳛闊嵩礆怏w；氧和乙炔的氣體流量比為1∶1～1.5∶1；工作頻率為4～6次/秒，噴涂距離為100～130毫米，炮口直徑為20～25毫米，送粉率為0.3～0.9克/秒，噴涂盤搭接率30～50％。
本發(fā)明硬質(zhì)耐磨涂層的制備方法中，在爆炸噴涂前，應(yīng)該對(duì)工件表面進(jìn)行預(yù)處理，過(guò)程是——用磨床將工件表面磨到Ra＝0.4μm，去掉表面氧化皮；——采用平均粒度為45微米的白剛玉砂，在6-8個(gè)大氣壓下對(duì)試樣進(jìn)行噴砂，保持噴槍與試樣表面呈70～80度；——用丙酮清洗。
本發(fā)明硬質(zhì)耐磨涂層的制備方法中，最好在預(yù)處理后，兩個(gè)小時(shí)以內(nèi)進(jìn)行爆炸噴涂。
本發(fā)明硬質(zhì)耐磨涂層的制備方法中，所制備涂層厚度為150～400μm。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、WC-Co涂層中加入少量的MoS2固體潤(rùn)滑劑，WC-Co+MoS2復(fù)合涂層的硬度、致密度和結(jié)合強(qiáng)度與WC-Co涂層相比沒有大的變化；2、由于WC-Co+MoS2復(fù)合涂層中含有MoS2固體潤(rùn)滑劑，使涂層的摩擦系數(shù)明顯降低，提高涂層的自潤(rùn)滑性能，從而降低了涂層和摩擦副的磨損率，提高了機(jī)械零件的使用壽命；3、本發(fā)明采用爆炸噴涂技術(shù)制備WC-Co+MoS2復(fù)合涂層，與其他噴涂工藝相比，具有結(jié)合強(qiáng)度高、致密、孔隙度低，硬度高、耐磨性好，涂層均勻，厚度易控制等優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式以下敘述并不限制本發(fā)明。
噴涂用WC-Co+MoS2粉末為自配粉末，WC-Co和MoS2粉末分別為商用平均粒度為45微米的WC-Co粉末及商用粒度為35±10微米的MoS2粉末，選用精度為萬(wàn)分之一的電子天平稱量一定比例的WC-Co和MoS2粉末，添加適量無(wú)水乙醇，放入QM-SB行星式球磨罐中進(jìn)行混料，將混好的粉末取出，放入表面皿中，連同表面皿放入烘箱中烘干，烘干溫度為100℃，烘干時(shí)間為1小時(shí)。采用“OB”型爆炸噴涂系統(tǒng)進(jìn)行爆炸噴涂試驗(yàn)，爆炸噴涂系統(tǒng)由俄羅斯科學(xué)院分院提供。
實(shí)施例1基材采用A3鋼，環(huán)塊磨損試樣尺寸為10mm×9.7mm×19mm，噴涂面尺寸為10mm×19mm。爆炸噴涂用粉末為自配WC-12Co+2％MoS2(重量百分比)粉末，噴涂涂層前對(duì)基材進(jìn)行研磨、噴砂和清洗處理，基材預(yù)處理后兩個(gè)小時(shí)內(nèi)采用“OB”型爆炸噴涂系統(tǒng)制備WC-Co+MoS2復(fù)合涂層，氮?dú)鉃樗头蹥夂颓鍜邭猓鯕夂鸵胰沧鳛闊嵩礆怏w。氧和乙炔的氣體流量比為1.05，工作頻率為4～6次/秒，噴涂距離為120毫米，炮口直徑為20～25毫米，送粉率為0.3～0.9克/秒，噴涂盤搭接率30～50％，得到厚度為150～400μm的涂層。
取試樣的斷面為分析面，制成金相試樣，經(jīng)酒精清洗、雙氧水+稀鹽酸腐蝕液腐蝕后(50～100ml 1.19％HCl+5ml 30％H2O2)，用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分析涂層的組織及涂層與基體的結(jié)合；采用金相觀察法測(cè)量涂層的孔隙率。結(jié)果表明與爆炸噴涂法制備的WC-12Co涂層相比，WC-12Co+2％MoS2復(fù)合涂層具有相同的孔隙率，為2.1～2.5％；顯微組織變化不大，均呈條帶狀組織，涂層與基體結(jié)合均非常好，結(jié)合處沒有明顯孔隙出現(xiàn)。
涂層的硬度采用Shimazdu FM-700型顯微硬度計(jì)測(cè)量殘余壓痕尺寸計(jì)算，選用載荷為300克，加載時(shí)間15秒，每塊試樣選取10個(gè)點(diǎn)試驗(yàn)，然后取統(tǒng)計(jì)平均值。結(jié)果表明與爆炸噴涂法制備的WC-12Co涂層相比，WC-12Co+2％MoS2復(fù)合涂層具有大致相同的硬度，為1160～1170HV0.3。
涂層的磨損性能選用環(huán)塊磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。磨損實(shí)驗(yàn)前將涂層表面用砂紙打磨并拋光。摩擦副選用YG8(WC-8Co)熱壓硬質(zhì)合金環(huán)，其規(guī)格為Ф50mm×10mm，其硬度為＞HRA89。實(shí)驗(yàn)中選擇實(shí)驗(yàn)機(jī)速度為400r/mm，載荷為29.4N，總行程選取30000轉(zhuǎn)。選用精度為0.00001克的電子天平進(jìn)行磨損量稱量。研究結(jié)果表明，添加2％MoS2的復(fù)合涂層，摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.302和4.37×10-6mg/(Nm)，而WC-12Co涂層的摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.517和1.1×10-5mg/(Nm)，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)和磨損率都得到明顯改善。
實(shí)施例2基材采用A3鋼，磨料磨損試樣尺寸為Ф4mm×30mm，涂層面為圓柱端面。環(huán)塊磨損試樣尺寸為10mm×9.7mm×19mm，噴涂面尺寸為10mm×19mm。爆炸噴涂用粉末為自配WC-12Co+4％MoS2(重量百分比)粉末，噴涂涂層前對(duì)基材進(jìn)行研磨、噴砂和清洗處理，基材預(yù)處理后兩個(gè)小時(shí)內(nèi)采用“OB”型爆炸噴涂系統(tǒng)制備WC-12Co+4％MoS2復(fù)合涂層，氮?dú)鉃樗头蹥夂颓鍜邭?，氧氣和乙炔作為熱源氣體。氧和乙炔的氣體流量比為1.05，工作頻率為4～6次/秒，噴涂距離為120毫米，炮口直徑為20～25毫米，送粉率為0.3～).9克/秒，噴涂盤搭接率30～50％，得到厚度為150～400μm的涂層。
取試樣的斷面為分析面，制成金相試樣，經(jīng)酒精清洗、雙氧水+稀鹽酸腐蝕液腐蝕后(50～100ml 1.19％HCl+5ml 30％H2O2)，用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分析涂層的組織及涂層與基體的結(jié)合；采用金相觀察法測(cè)量涂層的孔隙率。結(jié)果表明與爆炸噴涂法制備的WC-12Co涂層相比，WC-12Co+4％MoS2復(fù)合涂層具有較高的孔隙率，為2.7～3.2％；顯微組織變化不大，均呈條帶狀組織，涂層與基體結(jié)合均非常好，結(jié)合處沒有明顯孔隙出現(xiàn)，但涂層的致密度有所下降。
涂層的硬度采用Shimazdu FM-700型顯微硬度計(jì)測(cè)量殘余壓痕尺寸計(jì)算，選用載荷為300克，加載時(shí)間15秒，每塊試樣選取10個(gè)點(diǎn)試驗(yàn)，然后取統(tǒng)計(jì)平均值。結(jié)果表明，與爆炸噴涂法制備的WC-12Co涂層相比，WC-12Co+4％MoS2復(fù)合涂層的硬度有所降低，為1030～1040HV0.3。
涂層的磨損性能選用磨料磨損和環(huán)塊磨損兩種評(píng)估方法。選擇ML-10銷盤式磨料磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行2.5個(gè)周期的磨料磨損實(shí)驗(yàn)，磨損實(shí)驗(yàn)前涂層表面用400目砂紙打磨，摩擦副選用320目的碳化硅水磨砂紙，載荷為9.8N，采用精度為0.00001克的電子天平進(jìn)行磨損量測(cè)量，每組5個(gè)試樣。結(jié)果表明WC-12Co+4％MoS2復(fù)合涂層的磨損失重為18.2mg/mm2，大于WC-12Co涂層的磨損失重(16.5mg/mm2)。環(huán)塊磨損在環(huán)塊磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)前將涂層表面用砂紙打磨并拋光。摩擦副選用YG8(WC-8Co)熱壓硬質(zhì)合金環(huán)，其規(guī)格為Ф50mm×10mm，其硬度為＞HRA89。實(shí)驗(yàn)中選擇實(shí)驗(yàn)機(jī)速度為400r/min，載荷為29.4N，總行程選取30000轉(zhuǎn)。選用精度為0.00001克的電子天平進(jìn)行試樣稱量。研究結(jié)果表明添加4％MoS2的復(fù)合涂層，摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.600和1.54×10-5mg/(Nm)，而WC-12Co涂層的摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.517和1.1×10-5mg/(Nm)，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)和磨損率都有所升高，但變化不大。
實(shí)施例3基材采用A3鋼，環(huán)塊磨損試樣尺寸為10mm×9.7mm×19mm，噴涂面為10mm×19mm面。爆炸噴涂用粉末為自配WC-12Co+6％MoS2(重量百分比)粉末，噴涂涂層前對(duì)基材進(jìn)行研磨、噴砂和清洗處理，基材預(yù)處理后兩個(gè)小時(shí)內(nèi)采用“OB”型爆炸噴涂系統(tǒng)制備WC-12Co+6％MoS2復(fù)合涂層，氮?dú)鉃樗头蹥夂颓鍜邭?，氧氣和乙炔作為熱源氣體。氧和乙炔的氣體流量比為1.05，工作頻率為4～6次/秒，噴涂距離為120毫米，炮口直徑為20～25毫米，送粉率為0.3～0.9克/秒，噴涂盤搭接率30～50％，得到厚度為150～400μm的涂層。
取試樣的斷面為分析面，制成金相試樣，經(jīng)酒精清洗、雙氧水+稀鹽酸腐蝕液腐蝕后(50～100ml 1.19％HCl+5ml 30％H2O2)，用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分析涂層的組織及涂層與基體的結(jié)合，采用金相觀察法測(cè)量涂層的孔隙率。結(jié)果表明與爆炸噴涂法制備的WC-12Co涂層相比，WC-12Co+6％MoS2復(fù)合涂層具有較高的孔隙率，為2.7～3.2％；顯微組織變化不大，均呈條帶狀組織，涂層與基體結(jié)合均非常好，結(jié)合處沒有明顯孔隙出現(xiàn)，但涂層的致密度有明顯下降。
涂層的硬度采用Shimazdu FM-700型顯微硬度計(jì)測(cè)量殘余壓痕尺寸計(jì)算，選用載荷為300克，加載時(shí)間15秒，每塊試樣選取10個(gè)點(diǎn)試驗(yàn)，然后取統(tǒng)計(jì)平均值。結(jié)果表明，與爆炸噴涂法制備的WC-12Co涂層相比，WC-12Co+6％MoS2復(fù)合涂層的硬度有明顯降低，為930～940HV0.3。
涂層的磨損性能選用環(huán)塊磨損方法評(píng)估，在環(huán)塊磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)前將涂層表面用砂紙打磨并拋光。摩擦副選用YG8(WC-8Co)熱壓硬質(zhì)合金環(huán)，其規(guī)格為Ф50mm×10mm，其硬度為＞HRA89。實(shí)驗(yàn)中選擇實(shí)驗(yàn)機(jī)速度為400r/min，載荷為29.4N，總行程選取30000轉(zhuǎn)。選用精度為0.00001克的電子天平進(jìn)行試樣稱量。研究結(jié)果表明，添加6％MoS2的復(fù)合涂層，摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.902和1.62×10-5mg/(Nm)，而WC-12Co涂層的摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.517和1.1×10-5mg/(Nm)，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)和磨損率都有明顯升高，表明MoS2的添加量不能太多。
實(shí)施例4基材采用A3鋼，環(huán)塊磨損試樣尺寸為10mm×9.7mm×19mm，噴涂面尺寸為10mm×19mm。爆炸噴涂用粉末為自配WC-15Co+2％MoS2(重量百分比)粉末，噴涂涂層前對(duì)基材進(jìn)行研磨、噴砂和清洗處理，基材預(yù)處理后兩個(gè)小時(shí)內(nèi)采用“OB”型爆炸噴涂系統(tǒng)制備WC-Co+MoS2復(fù)合涂層，氮?dú)鉃樗头蹥夂颓鍜邭?，氧氣和乙炔作為熱源氣體。氧和乙炔的氣體流量比為1.05，工作頻率為4～6次/秒，噴涂距離為120毫米，炮口直徑為20～25毫米，送粉率為0.3～0.9克/秒，噴涂盤搭接率30～50％，得到厚度為150～400μm的涂層。
取試樣的斷面為分析面，制成金相試樣，用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分析涂層的組織及涂層與基體的結(jié)合；采用金相觀察法測(cè)量涂層的孔隙率。結(jié)果表明與爆炸噴涂法制備的WC-15Co涂層相比，WC-15Co+2％MoS2復(fù)合涂層具有相同的孔隙率，為1.3～1.5％；顯微組織變化不大，均呈條帶狀組織，涂層與基體結(jié)合均非常好，結(jié)合處沒有明顯孔隙出現(xiàn)。
涂層的硬度采用Shimazdu FM-700型顯微硬度計(jì)測(cè)量殘余壓痕尺寸計(jì)算，選用載荷為300克，加載時(shí)間15秒，每塊試樣選取10個(gè)點(diǎn)試驗(yàn)，然后取統(tǒng)計(jì)平均值。結(jié)果表明與爆炸噴涂法制備的WC-15Co涂層相比，WC-15Co+2％MoS2復(fù)合涂層具有大致相同的硬度，為1006～1070HV0.3。
涂層的磨損性能選用環(huán)塊磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。磨損實(shí)驗(yàn)前將涂層表面用砂紙打磨并拋光。摩擦副選用YG8(WC-8Co)熱壓硬質(zhì)合金環(huán)，其規(guī)格為Ф50mm×10mm，其硬度為＞HRA89。實(shí)驗(yàn)中選擇實(shí)驗(yàn)機(jī)速度為400r/min，載荷為29.4N，總行程選取30000轉(zhuǎn)。選用精度為0.00001克的電子天平進(jìn)行磨損量稱量。研究結(jié)果表明，添加2％MoS2的復(fù)合涂層，摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.352和4.87×10-6mg/(Nm)，而WC-12Co涂層的摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.507和1.0×10-5mg/(Nm)，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)和磨損率都得到明顯改善。
權(quán)利要求
1.一種碳化鎢-鈷/二硫化鉬復(fù)合粉末，其特征在于粉末成分為WC-Co94～99％重量，MoS21～6％重量。
2.按照權(quán)利要求1所述碳化鎢-鈷/二硫化鉬復(fù)合粉末，其特征在于所述的WC-Co成分中，Co的含量為5～20％。
3.按照權(quán)利要求3所述碳化鎢-鈷/二硫化鉬復(fù)合粉末，其特征在于所述的WC-Co成分中，Co的含量為10～15％。
4.一種權(quán)利要求1所述碳化鎢-鈷/二硫化鉬復(fù)合粉末的制備方法，其特征在于——將WC-Co和MoS2粉末，在液態(tài)介質(zhì)中進(jìn)行球磨混合，混合時(shí)間24～48小時(shí)；——上述混合粉末烘干，烘干溫度為80～150℃，烘干時(shí)間為0.5～2小時(shí)。
5.按照權(quán)利要求4所述碳化鎢-鈷/二硫化鉬復(fù)合粉末的制備方法，其特征在于所用WC-Co粉為平均粒度在35～55微米的商用WC-Co粉；MoS2粉為平均粒度在35±10微米的商用MoS2粉末。
6.按照權(quán)利要求4所述碳化鎢-鈷/二硫化鉬復(fù)合粉末的制備方法，其特征在于所述液態(tài)介質(zhì)選擇為無(wú)水乙醇、水。
全文摘要
一種碳化鎢－鈷/二硫化鉬復(fù)合粉末，其特征在于粉末成分為WC－Co 94～99％重量，MoS
文檔編號(hào)C04B35/626GK1781875SQ20041008769
公開日2006年6月7日 申請(qǐng)日期2004年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月29日
發(fā)明者孫超, 華偉剛, 許磊, 王啟民, 劉山川, 劉健鋼, 宮駿, 杜昊, 肖金泉, 聞立時(shí) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所