專利名稱：不銹鋼表面激光組裝鎳基納米WC/Co復(fù)合鍍層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與不銹鋼表面改性處理有關(guān)，特別是一種不銹鋼表面激光組裝鎳基納米WC/Co復(fù)合鍍層的方法。
背景技術(shù)：
高能量密度的激光束用于材料表面處理已取得許多重要的進(jìn)展。用于材料表面熔覆及合金化時(shí)，鍍覆層在缺陷、致密度、晶粒度、與基體結(jié)合力等方面與傳統(tǒng)熱噴涂相比有了明顯改善，再加上激光加工高柔性、高效率、低消耗、無污染及易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的特點(diǎn)，使之具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。但由于迄今采用的涂覆材料大多為傳統(tǒng)的熱噴涂用Fe、Ni、Co基合金粉體，顆粒粗細(xì)以“目”計(jì)算，使激光高能量密度的作用未充分發(fā)揮，激光熔覆層或合金化層的開裂敏感性較高及與基體結(jié)合力不夠理想，仍然是困擾研究者們的一個(gè)難題，也是工程應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化的一大障礙。
納米技術(shù)是二十一世紀(jì)的支柱技術(shù)之一，其中組裝納米鍍層的研究，由于其巨大的工程應(yīng)用價(jià)值，成為最值得開發(fā)的技術(shù)之一。與傳統(tǒng)鍍層相比，納米鍍層在強(qiáng)度、韌性、抗蝕、耐磨、熱障、抗熱疲勞等性能方面有顯著改善。目前采用熱噴涂、電沉積、超聲波等方法來制備納米鍍層，其中熱噴涂法由于其實(shí)用價(jià)值高受到關(guān)注。但以往試驗(yàn)研究表明采用熱噴涂法制備納米鍍層至少存在三個(gè)缺陷即(1)納米粒子質(zhì)量太小，不能直接噴涂；(2)納米粒子易團(tuán)聚長(zhǎng)大，可能喪失納米效應(yīng)；(3)火焰、等離子等傳統(tǒng)熱噴涂用能量源的能量密度有限，鍍層性能及與基體結(jié)合力受到較大限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種不銹鋼表面激光組裝鎳基納米碳化鎢復(fù)合鍍層的方法，以實(shí)現(xiàn)不銹鋼表面的納米碳化物陶瓷復(fù)合鍍層的優(yōu)異結(jié)合強(qiáng)度及耐磨性。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種不銹鋼表面激光組裝鎳基納米WC/Co復(fù)合鍍層的方法，該方法包括下列步驟①.對(duì)不銹鋼待組裝表面進(jìn)行去油污處理；②.造粒組裝選用納米結(jié)構(gòu)的WC/Co粉末經(jīng)噴霧干燥、輕度燒結(jié)、破碎，將平均粒度為50～500nm的WC及Co粘接相組裝成保留納米結(jié)構(gòu)的平均粒度為5μm＜Φ＜45μm的粘合顆粒，簡(jiǎn)稱為(NF)WC/Co；③.在經(jīng)過去油污處理的不銹鋼表面先噴焊一層鎳基合金，噴焊厚度為0.3～0.35mm，然后噴涂一層(NF)WC/Co，噴涂厚度為0.15～0.2mm；④.再涂一層CO2激光的納米氧化物吸收涂料，該吸收涂料發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?2136862.7特此說明；⑤.在氬氣保護(hù)下，用CO2激光掃描輻照涂層。
所述的鎳基合金的成分為Cr 17wt％B 3.5wt％Si 4.0wt％Fe ≤15wt％C 1.0wt％
其余為Ni。
所述的(NF)WC/Co的成分為WC 88wt％Co 12wt％所述的CO2激光采用2～5KW的CO2連續(xù)激光，掃描功率密度為9.4×103～3.06×104W/cm2，掃描速度為8～15mm/s。
本發(fā)明技術(shù)效果用帶能譜儀的掃描電鏡、X線衍射儀、原子力顯微鏡觀察，顯微硬度測(cè)試和鍍層相對(duì)結(jié)合強(qiáng)度及相對(duì)耐磨性測(cè)試，本發(fā)明方法可以在奧氏體不銹鋼表面制備消除了孔隙和裂紋的Ni基WC/Co復(fù)合鍍層；該鍍層的相對(duì)結(jié)合強(qiáng)度(LC1)為55.31N，分別比傳統(tǒng)熱噴涂Ni基WC/Co鍍層及傳統(tǒng)噴焊Ni基WC/Co鍍層的相對(duì)結(jié)合強(qiáng)度提高了17.016倍和1.936倍。
按ASTMG99及DIM5.324測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，在選定的磨損試驗(yàn)條件下，噴焊Ni基WC/Co鍍層的相對(duì)磨損體積是本發(fā)明鍍層的6.47倍，熱噴涂Ni基WC/Co鍍層的相對(duì)磨損體積是本發(fā)明鍍層的14.47倍。本發(fā)明鍍層的相對(duì)耐磨性較傳統(tǒng)熱噴涂及噴焊Ni基WC/Co鍍層有了顯著提高。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1.不銹鋼表面激光組裝鎳基納米WC/Co復(fù)合鍍層的方法，不銹鋼為1Cr18Ni9，其成分為C≤0.12％ Si≤1.0％ Mn≤2.0％S≤0.03％ P≤0.035％ Cr17.00～19
Ni8.00～11.00％，其余為Fe。
鎳基合金成分為Cr17wt％，B3.5wt％，Si4.0wt％，F(xiàn)e≤15wt％，C1.0wt％，其余為Ni。
本發(fā)明方法包括下列步驟①.對(duì)不銹鋼待組裝表面進(jìn)行去油污處理；②.造粒組裝選用納米結(jié)構(gòu)的WC/Co粉末經(jīng)噴霧干燥、輕度燒結(jié)、破碎，將平均粒度為50～500nm的WC及Co粘接相組裝成保留納米結(jié)構(gòu)的平均粒度為5μm＜Φ＜45μm的粘合顆粒，簡(jiǎn)稱為(NF)WC/Co；③.在經(jīng)過去油污處理的不銹鋼表面先噴焊一層鎳基合金，然后噴涂一層(NF)WC/Co；④.再涂一層CO2激光的納米氧化物吸收涂料，該吸收涂料發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?2136862.7；⑤.在氬氣保護(hù)下，用CO2激光掃描輻照涂層。
其中掃描激光功率密度9.4×103W/cm2掃描速度8mm/sNi基合金厚度0.3mm(NF)WC/Co厚度 0.15mm實(shí)施例2.
掃描激光功率密度 1.07×104W/cm2掃描速度10mm/sNi基合金厚度0.3mm
(NF)WC/Co厚度 0.17mm其它同實(shí)施例1。
實(shí)施例3.
Ni基合金厚度0.32mm其它同實(shí)施例2。
實(shí)施例4.
掃描激光功率密度3.06×104W/cm2掃描速度10mm/sNi基合金厚度0.3mm(NF)WC/Co厚度 0.2mm其它同實(shí)施例1。
實(shí)施例5.
掃描速度15mm/sNi基合金厚度0.35mm其它同實(shí)施例4。
上述實(shí)施例采用帶EDAX能譜儀的PHLIPS-515掃描電鏡觀察鍍層剖面的顯微組織表明經(jīng)激光組裝的鍍層剖面上布滿了基本呈彌散分布的尺度為0.25～3.8μm的白色塊狀物。在與基體交界區(qū)這種塊狀物大大減少直至消失。鍍層與基體呈冶金結(jié)合。整個(gè)鍍層中這些塊狀物與周圍相也呈冶金結(jié)合，未見裂紋與孔隙。
經(jīng)EDAX成分測(cè)試，鍍層剖面表面的SEM圖上體積稍大的白色塊狀物主要為含W的碳化物，其中W的含量為70.67Wt％，C的含量為11.61Wt％。而體積稍小的白色塊狀物也主要為含W的碳化物，只是其中W和C的含量比上述體積稍大的白色塊狀物的稍有下降，其W的含量為53.99Wt％，而C的含量為6.26Wt％。白色塊狀物周圍的“黑色”區(qū)域，則主要為Ni的固溶體，其中Ni的含量最多，為58.55Wt％，也含Cr、W、Co、Fe等，但量較少。鍍層與基體交界靠近基體區(qū)域的SEM圖上無白色塊狀物，主要含Ni，為58.42～63.23Wt％，含W、Co的成分比鍍層大部分區(qū)域中“黑區(qū)”的W、Co含量更少。
進(jìn)一步采用原子力顯微鏡觀察，鍍層剖面表面、中部及底部均發(fā)現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的粒度≤100nm的納米相?？紤]到鍍層預(yù)組裝過程中引入了具有納米結(jié)構(gòu)的(NF)WC/Co，在AFM圖像中，這些納米尺度微粒最有可能的是除部分燒結(jié)或晶化或分解之外，仍保留了納米結(jié)構(gòu)的鎢的碳化物。
經(jīng)XRD測(cè)試，激光組裝鍍層的主要相為WC、W2C及γ-Ni。說明其中WC相在組裝過程中有部分分解為W2C。由上述測(cè)試結(jié)果，進(jìn)一步佐證了激光組裝鍍層中基本呈彌散分布的白色塊狀物相主要為WC及W2C，而其周圍“黑區(qū)”則主要為γ-Ni(Cr、Fe、W、Co……)。
經(jīng)測(cè)試，激光組裝鍍層剖面的顯微硬度值如下在白色塊狀相上1431.9～1483.5HV0.02，在“黑區(qū)”上932.5～1258.9HV0.02。說明原WC相確有部分分解或熔解或溶解，使之硬度與WC理論硬度相比有一定差異。而周圍γ-Ni中固溶了眾多合金元素，使之硬度明顯提高。
采用CSM SCRATCH TESTERS及聲發(fā)射探測(cè)和遞增加載劃痕法分別對(duì)激光組裝的Ni基(NF)WC/Co鍍層及熱噴涂的Ni基(NF)WC/Co和噴焊的Ni基(NF)WC/Co鍍層的結(jié)合強(qiáng)度LC1進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明激光組裝Ni基(NF)WC/Co復(fù)合鍍層的(LC1)1＝55.31N，熱噴涂Ni基(NF)WC/Co復(fù)合鍍層的(LC1)2＝3.07N，噴焊Ni基(NF)WC/Co復(fù)合鍍層的(LC1)3＝18.84N。(LC1)1/(LC1)2＝18.016，(LC1)1/(LC1)3＝2.936。(LC1)1比(LC1)2提高了17.016倍，(LC1)1比(LC1)3提高了1.936倍，顯然在激光組裝Ni基納米碳化鎢中引入納米WC/Co所導(dǎo)致的“納米效應(yīng)”對(duì)顯著提高鍍層結(jié)合強(qiáng)度起重要作用。已經(jīng)知道，納米微粒表面提高，比表面原子數(shù)多，這些表面原子近鄰配位不全，活性高，而且納米微粒體積遠(yuǎn)小于普通粒徑材料，因此納米粒子熔化時(shí)所增加的內(nèi)能小得多，這就使納米微粒熔點(diǎn)急劇下降。此外由于納米結(jié)構(gòu)材料中有大量界面，這些界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑，因此納米材料的固溶擴(kuò)散能力提高，無論液相還是固相，即使不相混溶，當(dāng)處于納米晶粒時(shí)，也會(huì)固溶，產(chǎn)生合金。增強(qiáng)的擴(kuò)散能力產(chǎn)生的第一個(gè)結(jié)果將使納米材料的熔凝溫度大大降低。此時(shí)納米粒子高的界面能成為原子運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，非常有利于界面中孔洞收縮達(dá)到致密化。再考慮到Ni基合金對(duì)W的碳化物有很好的潤(rùn)濕性，而且Co與Ni基合金又有很好相容性，選擇適當(dāng)?shù)募す饪焖俳M裝工藝參數(shù)，使鍍層與金屬基底也呈冶金結(jié)合。從而制備成消除了裂紋或孔隙并且其中碳化物與Ni基合金有良好界面的碳化物陶瓷鍍層。此鍍層顯然具有較高結(jié)合強(qiáng)度。
采用CSM TRIBOMETER及CSM綜合測(cè)試系統(tǒng)，按ASTMG99及DIM50324測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，在選定的磨損試驗(yàn)條件下，噴焊Ni基WC/Co鍍層的相對(duì)磨損體積是激光組裝Ni基(NF)WC/Co鍍層的6.47倍，而熱噴涂Ni基WC/Co鍍層的相對(duì)磨損體積是激光組裝Ni基(NF)WC/Co鍍層的14.47倍。此鍍層顯然具有優(yōu)異的耐磨性。
結(jié)論(1)選擇合適的激光組裝工藝，引入(NF)WC/Co，可以在奧氏體不銹鋼表面制備消除了孔隙及裂紋的Ni基WC/Co陶瓷復(fù)合鍍層。
(2)制備的Ni基碳化鎢陶瓷復(fù)合鍍層中彌散分布著細(xì)小的碳化物顆粒，在金相顯微鏡下顆粒尺寸0.25～3.8μm，進(jìn)一步觀察表明鍍層中存在相當(dāng)數(shù)量的保留了納米尺度(≤100nm)的顆粒，分析認(rèn)為這些納米顆粒最有可能的是保留了納米結(jié)構(gòu)的納米碳化鎢，對(duì)消除鍍層孔隙及裂紋，提高結(jié)合強(qiáng)度有重要作用。
(3)鍍層中物相主要為γ-Ni(Cr、W、Fe、Co……)，基體上彌散分布著以WC、W2C為主的鎢的碳化物。鎢的碳化物相的顯微硬度為1431.9～1485.5HV0.02，經(jīng)固溶強(qiáng)化的γ-Ni相的顯微硬度為932.5～1258.9HV0.02。
(4)激光組裝Ni基(NF)WC/Co復(fù)合鍍層相對(duì)結(jié)合強(qiáng)度LC1為55.31N，顯著高于傳統(tǒng)熱噴涂Ni基WC/Co鍍層的(3.07N)及傳統(tǒng)噴焊Ni基WC/Co鍍層的(18.84N)相對(duì)結(jié)合強(qiáng)度。
(5)按ASTMG99及DIM50324測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，在選定的磨損試驗(yàn)條件下，傳統(tǒng)噴焊Ni基WC/Co鍍層的相對(duì)磨損體積是激光組裝Ni基(NF)WC/Co鍍層的6.47倍，傳統(tǒng)熱噴涂Ni基WC/Co鍍層的相對(duì)磨損體積是激光組裝Ni基(NF)WC/Co鍍層的14.47倍。
權(quán)利要求
1.一種不銹鋼表面激光組裝鎳基納米WC/Co復(fù)合鍍層的方法，其特征在于該方法包括下列步驟①.對(duì)不銹鋼待組裝表面進(jìn)行去油污處理；②.造粒組裝選用納米結(jié)構(gòu)的WC/Co粉末經(jīng)噴霧干燥、輕度燒結(jié)、破碎，將平均粒度為50～500nm的WC及Co粘接相組裝成保留了納米結(jié)構(gòu)的平均粒度為5μm＜Φ＜45μm的粘合顆粒，簡(jiǎn)稱為(NF)WC/Co；③.在經(jīng)過去油污處理的不銹鋼表面先噴焊一層鎳基合金，噴焊厚度為0.3～0.35mm，然后噴涂一層(NF)WC/Co，噴涂厚度為0.15～0.2mm；④.再涂一層CO2激光的納米氧化物吸收涂料；⑤.在氬氣保護(hù)下，用CO2激光掃描輻照涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不銹鋼表面激光組裝鎳基納米WC/Co復(fù)合鍍層的方法，其特征在于所述的鎳基合金的成分為Cr17wt％B 3.5wt％Si4.0wt％Fe≤15wt％C 1.0wt％其余為Ni。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不銹鋼表面激光組裝鎳基納米WC/Co復(fù)合鍍層的方法，其特征在于所述的(NF)WC/Co的成分為WC88wt％Co12wt％
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不銹鋼表面激光組裝鎳基納米WC/Co復(fù)合鍍層的方法，其特征在于所述的CO2激光采用2～5KW的CO2連續(xù)激光，掃描激光功率密度為9.4×103～3.06×104W/cm2，掃描速度為8～15mm/s。
全文摘要
一種不銹鋼表面激光組裝鎳基納米WC/Co復(fù)合鍍層的方法，包括下列步驟①.對(duì)不銹鋼待組裝表面進(jìn)行去油污處理；②.造粒組裝納米WC/Co；③.在經(jīng)過去油污處理的不銹鋼表面先噴焊一層鎳基合金，噴焊厚度為0.3～0.35mm，然后噴涂一層組裝納米WC/Co，噴涂厚度為0.15～0.2mm；④.再涂一層CO
文檔編號(hào)C23C24/08GK1594653SQ20041002543
公開日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2004年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月24日
發(fā)明者張光鈞, 王慧萍, 戴建強(qiáng), 奚文龍, 戈大鈁, 徐文華, 趙華明, 陳惠國(guó) 申請(qǐng)人:上海工程技術(shù)大學(xué), 上海瑞法納米材料技術(shù)研究所