專利名稱：一種WC-FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵基超硬復(fù)合材料及其制備方法，更特別的是一種無(wú)磁、耐磨、耐腐 蝕的WC—FeNiCr的涂層材料及其在金屬機(jī)械零部件上制成無(wú)磁、超硬、耐磨、耐腐蝕的 涂層的方法。
技術(shù)背景在航空、航天、石油、地質(zhì)勘探、機(jī)械、化工等工業(yè)中，存在大量摩擦磨損運(yùn)動(dòng)副無(wú) 磁金屬機(jī)械零部件在腐蝕、磨損等條件下承受劇烈的摩擦磨損，要求這些零部件同時(shí)具有 優(yōu)異的耐磨性能、良好的耐腐蝕性能及優(yōu)良的無(wú)磁性能等使用性能配合。采用表面工程手段，在奧氏體不銹鋼、無(wú)磁鋼、鋁合金、鈦合金、銅合金等無(wú)磁材質(zhì) 制作成的零部件表面制備一層超硬耐磨無(wú)磁復(fù)合材料，是解決和提高運(yùn)動(dòng)副零部件耐磨性 能、耐蝕性能等性能最有效和最經(jīng)濟(jì)的措施之一，是解決金屬機(jī)械運(yùn)動(dòng)副零部件表面上制 成無(wú)磁耐磨涂層，實(shí)現(xiàn)零部件表面強(qiáng)化和修復(fù)的最有效方法。目前實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中使用的無(wú)磁涂層材料主要有兩種， 一種是不含wc的無(wú)磁粉末材料，其主要化學(xué)成分為Cr: 20%、 Mn: 4%、 Fe: 18%、 Ni: 50%、 Mo: 6%;另一種是含有 WC的無(wú)磁粉末材料，其主要化學(xué)成分為Cr: 4%、 Fe: 2%、 Ni: 79%、 W: 14%。以上兩 種材料屬于鎳基的無(wú)磁材料且WC含量較低，抗磨粒磨損性能較差，大大影響工件的使用 壽命。在涂層制備技術(shù)方面，等離子噴涂、火焰噴涂、高速火焰噴涂、爆炸噴涂等熱噴涂方 法制備的涂層，組織存在疏松，孔隙率較高，特別是涂層金屬零件界面結(jié)合為機(jī)械結(jié)合界 面結(jié)合強(qiáng)度低，涂層在承受劇烈摩擦?xí)r容易脫落。激光熔覆方法制備涂層存在組織細(xì)小、 成分均勻、涂層致密，涂層與基體之間為冶金結(jié)合等特點(diǎn)，是制備高性能優(yōu)質(zhì)涂層的最佳 方法之一。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是克服上述材料中存在的問(wèn)題，提供一種碳化鎢含量較高(20 —60%)的WC—FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料及其制備方法，大大提高材料的抗磨損性本發(fā)明的一種WC—FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料，屬于鐵基復(fù)合材料，其特征在于: 包含W、 Fe、 Ni、 Cr等元素，其化學(xué)成分為W: 20 60wt%、 Fe: 19 55 wt°/。、 Ni: 12 16wt%、 Cr: 5 13wt%，其組織結(jié)構(gòu)由WC、 W2C、奧氏體、FeCr等無(wú)磁相組成。本發(fā)明的一種WC—FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括如 下步驟(1) 按上述化學(xué)百分比選取原料；(2) 采用離心霧化、氬氣霧化或等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化的方式得到FeNiCr合金粉末， 稱量碳化鎢粉末以及FeNiCr合金粉末，其中WC粉末質(zhì)量百分比20 60%，所述的碳化 鎢粉末可以是塊狀、絮狀、球狀，將碳化鎢粉末以及FeNiCr合金粉末過(guò)篩，使得粉末粒 度為120 325目；(3) 將上述碳化鎢粉末與FeNiCr合金粉末混合，在球磨機(jī)里面混合2小時(shí)；(4) 選取機(jī)械零部件載體，利用激光熔覆法，在機(jī)械零件表面上制備成涂層，設(shè)置 激光輸出功率2.0 4.5KW，圓光斑尺寸為3—6mm (或矩形光斑lx8mm)，光束掃描速度 為150 400mm/min，激光熔覆過(guò)程采用流量為20L/min的氬氣保護(hù)。激光熔覆層組織均勻致密、無(wú)裂紋、無(wú)氣孔，同零件基材之間為完全冶金結(jié)合。步驟(4)所述的在機(jī)械零件表面上制備成涂層的方法，還可以采用等離子熔覆、等 離子噴涂、熱噴涂等方法。步驟(4)所述的機(jī)械零部件載體可選取奧氏體不銹鋼、無(wú)磁鋼、鋁合金、鈦合金、 銅合金等無(wú)磁材質(zhì)制作成的零部件。本發(fā)明可用于在金屬機(jī)械運(yùn)動(dòng)副零部件表面上制成無(wú)磁耐磨涂層，實(shí)現(xiàn)零部件表面強(qiáng) 化和修復(fù)。本發(fā)明材料的相對(duì)磁導(dǎo)率在1.005^u^l.036之間，顯微硬度HV卯0—1800， 25。C鹽霧 腐蝕的腐蝕率小于0.5g/m2 h。步驟(2)中所述的合金粉末，可采用離心霧化、氬氣霧化、等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化等 方法制備成，然后與碳化鎢顆粒混合得到混合粉末，利用激光熔覆、熱噴涂、等離子熔覆、堆焊等方法在奧氏體不銹鋼、無(wú)磁鋼、鋁合金、鈦合金、銅合金等無(wú)磁材質(zhì)制作成的零部 件表面上制成無(wú)磁耐磨涂層。同時(shí)，也可以采用單元素粉末與WC顆粒制備成混合料，采 用激光熔覆等方法在氬氣保護(hù)條件下制備無(wú)磁耐磨耐蝕涂層。該超硬無(wú)磁涂層可應(yīng)用于石 油、化工、冶金、電力、航空航天等工業(yè)裝備中無(wú)磁零部件的表面改性和修復(fù)。


圖1是激光熔覆WC—FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料SEM照片 圖2是激光熔覆WC—FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料EDS譜線 圖3是激光熔覆WC—FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料XRD譜線 圖4是激光熔覆WC—FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料硬度分布曲線 圖5是激光熔覆無(wú)磁硬質(zhì)合金3#樣品磁化曲線 圖6是激光熔覆無(wú)磁硬質(zhì)合金3#樣品磁滯回線具體實(shí)施方式
實(shí)施例1(1) 選取典型的WC—FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料配方，W質(zhì)量百分比為40。/。， Fe為36%， Cr為9%， Ni為15%。(2) 采用氬氣霧化的方式得到FeNiCr合金粉末，采用精度為O.lmg的電子天平稱量 碳化鎢粉末以及FeNiCr合金粉末，粉末粒度為120 325目。(3) 將上述碳化鴇顆粒與FeNiCr合金粉末混合料，在球磨機(jī)里面混合2小時(shí)。(4) 選取無(wú)磁鋼N1310作為基體材料，利用激光熔覆法，在機(jī)械零件表面上制備成 涂層，設(shè)置激光輸出功率2.0 4.5KW，圓光斑尺寸為3—6mm (或矩形光斑lx8mm)，光 束掃描速度為150 400mm/min，激光熔覆過(guò)程采用流量為20L/min的氬氣保護(hù)。下面對(duì)本實(shí)施例得到的WC—FeNiCr無(wú)磁涂層復(fù)合材料進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)分析及各種性能 測(cè)試，說(shuō)明其性能的優(yōu)越性。 1、組織結(jié)構(gòu)分析用LEO1450掃描電境進(jìn)行涂層形貌與化學(xué)成分分析，無(wú)磁涂層典型的形貌如圖1所示， 可以看到WC硬質(zhì)相彌散分布于涂層中。對(duì)涂層進(jìn)行成分分析，結(jié)果如圖2所示。采用X射線衍射儀(D8 ADVANCE)對(duì)耐磨復(fù)合材料進(jìn)行物相組成成分分析，如圖3所示。X射 線衍射分析結(jié)果表明，涂層材料的主要組織組成相為WC、 W2C、奧氏體、FeCr等無(wú)磁相 組成。2、 腐蝕實(shí)驗(yàn)將無(wú)磁涂層材料在BY—120C鹽水噴霧試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，得到涂層材料的腐蝕 率為0.49g/tr^h (測(cè)試條件25'Cxl68h)，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。3、 顯微硬度用HXD-1000型顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，沿垂直于熔覆層方向間隔50um進(jìn)行多點(diǎn) 測(cè)試，載荷為100g，加載時(shí)間為15s。激光熔覆無(wú)磁涂層復(fù)合材料的硬度很高，硬度范圍 在HV900—1800，硬度分布曲線如圖4所示，由于碳化鎢硬質(zhì)相的存在，硬度波動(dòng)很大4、 磁性能檢測(cè)在Lake Shore7410型振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行WC—FeNiCr材料磁性能測(cè)試，得到材料的 相對(duì)磁導(dǎo)率為1.005。同時(shí)，該材料的磁化曲線和磁滯回線分別如圖5和圖6所示。以上數(shù)據(jù)均說(shuō)明激光熔覆制備的WC—FeNiCr涂層為無(wú)磁超硬復(fù)合材料。 實(shí)施例2選取典型的WC—FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料配方，W質(zhì)量百分比為20%， Fe為 55%， 0為13%， Ni為12M。基體材料為316L無(wú)磁不銹鋼，涂層制備方法及激光熔覆等 過(guò)程同實(shí)施例1。經(jīng)檢測(cè)，涂層組織為WC、 W2C、奧氏體、FeCr等無(wú)磁相組成。涂層材料的腐蝕率為 0.47g/m2.h (測(cè)試條件25。Cxl68h)。材料的相對(duì)磁導(dǎo)率為1.005。 實(shí)施例3選取典型的WC—FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料配方，W質(zhì)量百分比為60%， Fe為 19%， Cr為5%， Ni為16%。基體材料為鈦合金Ti6A14V，涂層制備方法及激光熔覆等過(guò) 程同實(shí)施例1。經(jīng)檢測(cè)，涂層組織為WC、 W2C、奧氏體、FeCr等無(wú)磁相組成。涂層材料的腐蝕率為 0.50g/m24i (測(cè)試條件25'0168h)。材料的相對(duì)磁導(dǎo)率為1.010。本發(fā)明的無(wú)磁材料可廣泛應(yīng)用于提高航空航天、石油、化工、電力、能源、有色金屬 冶金、鋼鐵冶金等工業(yè)裝備中無(wú)磁零部件和常規(guī)零部件的表面改性和修復(fù)。
權(quán)利要求
1.一種WC-FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料，屬于鐵基復(fù)合材料，其特征在于包含W、Fe、Ni、Cr等元素，其化學(xué)成分為W20～60wt％、Fe19～55wt％、Ni12～16wt％、Cr5～13wt％，其組織結(jié)構(gòu)由WC、W2C、奧氏體、FeCr等無(wú)磁相組成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種WC—FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料的制備方法，其 特征在于，包括以下步驟(1) 按權(quán)利要求l中所述的化學(xué)百分比選取原料；(2) 采用離心霧化、氬氣霧化或等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化的方式得到FeNiCr合金粉末， 稱量碳化鎢粉末以及FeNiCr合金粉末，其中WC粉末質(zhì)量百分比20 60%，所述的碳化 鎢粉末可以是塊狀、絮狀、球狀，將碳化鉤粉末以及FeNiCr合金粉末過(guò)篩，使得粉末粒 度為120 325目；(3) 將上述碳化鎢粉末與FeNiCr合金粉末混合，在球磨機(jī)里面混合2小時(shí)；(4) 選取機(jī)械零部件載體，利用激光熔覆法，在機(jī)械零件表面上制備成涂層，設(shè)置 激光輸出功率2.0 4.5KW，圓光斑尺寸為3—6mm，或矩形光斑lx8mm，光束掃描速度 為150 400mm/min，激光熔覆過(guò)程采用流量為20L/min的氬氣保護(hù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種WC—FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料的制備方法，其 特征在于步驟(4)所述的在機(jī)械零件表面上制備成涂層的方法，還可以采用等離子熔 覆、等離子噴涂、熱噴涂等方法。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種WC—FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料的制備方法，其 特征在于步驟(4)所述的機(jī)械零部件載體可選取奧氏體不銹鋼、無(wú)磁鋼、鋁合金、鈦 合金、銅合金等無(wú)磁材質(zhì)制作成的零部件。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1、 2所述的一種WC—FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料及其制備方法， 其特征在于可用于在金屬機(jī)械運(yùn)動(dòng)副零部件表面上制成無(wú)磁耐磨涂層，實(shí)現(xiàn)零部件表面 強(qiáng)化和修復(fù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種WC—FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料及其制備方法， 其特征在于制備而成的復(fù)合材料的相對(duì)磁導(dǎo)率在1.005Su《1.036之間，顯微硬度HV900 —1800， 25'C鹽霧腐蝕的腐蝕率小于0.5g/m2 h。
全文摘要
一種WC-FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料及其制備方法，屬于表面涂層技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的WC-FeNiCr超硬無(wú)磁涂層復(fù)合材料，具有較高(20-60％)的碳化鎢，大大提高材料的抗磨損性能。其化學(xué)成分為W20～60wt％、Fe20～55wt％、Ni13～17wt％、Cr5～13wt％，其組織結(jié)構(gòu)由WC、W₂C、奧氏體、FeCr等無(wú)磁相組成。其制備方法主要包括選料、制備合金粉末、球磨、選取機(jī)械零部件載體、利用激光熔覆法在機(jī)械零件表面上制備成涂層幾個(gè)步驟。本發(fā)明可用于在金屬機(jī)械運(yùn)動(dòng)副零部件表面上制成無(wú)磁耐磨涂層，實(shí)現(xiàn)零部件表面強(qiáng)化和修復(fù)。機(jī)械零部件載體可選取奧氏體不銹鋼、無(wú)磁鋼、鋁合金、鈦合金、銅合金等無(wú)磁材質(zhì)制作成的零部件。
文檔編號(hào)C23C24/10GK101403085SQ200810226109
公開(kāi)日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者左鐵釧, 楊膠溪, 陳中強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)