WC-Co增強的鐵基金屬玻璃復合涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種WC-Co增強的鐵基金屬玻璃復合涂層及其制備方法。通過將體積分數(shù)10%～30%的WC-Co粉末和體積分數(shù)70～90%的Fe基非晶粉末均勻混合作為噴涂材料，利用超音速火焰噴涂工藝在零件表面上制備的硬質(zhì)合金增強的金屬玻璃涂層。與目前的Fe基非晶涂層相比，其硬度、強度和耐磨性均有所提高。與相同方法制備的WC-Co涂層相比，性能接近，成本卻可以降低很多。該發(fā)明所提供的涂層材料性能優(yōu)異，成本低廉，既可以用于新產(chǎn)品制造時提高產(chǎn)品性能，也可以用于廢舊產(chǎn)品的修復或再制造，具有廣泛的應用前景。
【專利說明】WC-Co增強的鐵基金屬玻璃復合涂層及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明所提供的一種WC-C0增強的鐵基金屬玻璃復合涂層及其制備方法，屬于表面工程【技術領域】，特別是涉及在鋼鐵零件表面制備耐磨耐蝕涂層技術，適用于各種零件的制造與修復再制造過程。
【背景技術】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對機械零件產(chǎn)品的表面性能要求越來越高。與此同時，技術的更新?lián)Q代也帶來了機電產(chǎn)品的大量報廢，鑒于環(huán)境和資源的雙重壓力，迫切需要發(fā)展綠色可持續(xù)的循環(huán)再制造技術。熱噴涂技術通過在零件表面制備涂層，可以改善產(chǎn)品表面性能，同時也可以用于修復由于磨損或者腐蝕失效的零件，是一種廣泛應用且仍在快速發(fā)展的綠色表面技術。
[0003]通常情況下，金屬及合金在凝固時，原子總是從液體的混亂狀態(tài)轉(zhuǎn)變成有序排列，結晶成為晶體。但是，如果金屬或合金的凝固速度非?？欤觼聿患坝行蚺帕斜惚粌鼋Y住了，最終的原子排列方式類似于液體，是無序的，這就是非晶合金，又稱為金屬玻璃。Fe基非晶涂層具有較高的硬度、強度和良好的耐蝕性能，適合用于防腐和耐磨領域。目前研究表明，大氣等離子噴涂(APS)和超音速火焰噴涂(HVOF)都可以用來制備Fe基非晶涂層，但是HVOF制備的涂層相對AP S制備的涂層更加致密，硬度、強度和耐蝕性都有所提高。不過與價格昂貴的WC-Co涂層相比，F(xiàn)e基非晶涂層的耐磨性還是尚有不足，不能滿足某些苛刻的磨損環(huán)境，尤其是在干摩擦環(huán)境中。
[0004]為了改善Fe基非晶涂層的性能，本發(fā)明提供了一種WC-Co增強的鐵基金屬玻璃復合涂層及其制備方法。將不同比例的WC-Co粉末與Fe基非晶粉末混合，利用熱噴涂技術沉積在機械零件表面，可以形成一種金屬陶瓷增強的復合金屬玻璃涂層，大大改善了單一 Fe基非晶涂層的耐磨性，從而延長零件的使用壽命，具有廣泛的應用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了進一步提高Fe基非晶涂層的性能，尤其是干摩擦性能，本發(fā)明提供了一種WC-Co增強的鐵基金屬玻璃復合涂層及其制備方法。其目的在于利用熱噴涂技術在零件表面制備一種金屬陶瓷增強的復合金屬玻璃涂層，提高零件的耐磨性和防腐性，從而延長零件的使用壽命。該發(fā)明既可以用于新產(chǎn)品制造時提高產(chǎn)品性能，也可以用于廢舊產(chǎn)品再制造過程，具有廣泛的應用前景。
[0006]本發(fā)明的技術方案如下:
[0007]—種WC-Co增強的鐵基金屬玻璃復合涂層，涂層組織中含有體積分數(shù)為5~15%的WC-Co顆粒和85~95%的Fe基非晶合金，WC-Co顆粒均勻離散分布在涂層中。
[0008]本發(fā)明的WC-Co增強的鐵基金屬玻璃復合涂層，其制備方法包括如下步驟:
[0009]a、將WC-Co粉末與Fe基非晶粉末均勻混合，混合后的WC-Co粉末體積分數(shù)占總粉末的10~30%，其余為Fe基非晶粉末；[0010]b、對需要噴涂涂層的零件進行表面預處理，包括用酒精或丙酮清洗去除油污，然后對待噴涂表面進行噴砂粗化處理。;
[0011]C、利用超音速火焰噴涂技術將混合好的粉末沉積在零件表面。
[0012]所述的Fe基非晶合金粉末是選用氣體霧化法制備，可以自己制備也可以購買，粒度為400-160目，粉末形狀為圓球狀，表面光滑，具有良好的流動性。
[0013]所述的WC-Co粉末選用團聚燒結法制備，可以自己制備也可以購買，金屬Co包覆著WC粒子，形態(tài)為球形或近球形，表面粗糙多孔，粉末粒徑為15~45 μ m, WC硬質(zhì)顆粒的粒徑為0.2~I μ m。
[0014]所述的WC-Co粉末優(yōu)選WC-12CO或WC_17Co粉末。
[0015]所述的表面預處理是:用酒精或丙酮清洗去除油污，機加工使待噴涂零件表面尺寸規(guī)則，然后對待噴涂表面以砂礫進行噴砂粗化處理。
[0016]所述的超音速火焰熱噴涂技術:噴涂前預熱，利用丙烷或丙烯的碳氫系為燃氣，氧氣流量為50~150L/min，丙烷氣流量為10~25L/min，噴涂距離為200~350mm，噴后用壓
縮空氣冷卻。 [0017]本發(fā)明提供的WC-Co增強的鐵基金屬玻璃復合涂層，是以均勻混合后的WC-Co粉末和Fe基非晶粉末為噴涂材料，利用超音速火焰噴涂工藝在零件表面上制備的硬質(zhì)合金增強的金屬玻璃涂層。由于團聚燒結法制備的WC-Co粉末為多孔結構，而Fe基非晶合金粉末為實心結構，并且在噴涂和沉積過程中，WC-Co會部分溶解入Fe基非晶合金涂層，所以含體積分數(shù)10%~30%的WC-Co粉末的原始喂料，在制備成涂層后，WC-Co的體積分數(shù)大約會減半。本發(fā)明所提供的WC-Co增強的鐵基金屬玻璃復合涂層與目前的Fe基非晶涂層相比，其硬度、強度和耐磨性均有所提高。與相同方法制備的WC-Co相比，性能接近，成本卻可以降低很多。
[0018]綜上所述，本發(fā)明所提供的一種WC-Co增強的鐵基金屬玻璃復合涂層，可以克服現(xiàn)有的Fe基非晶涂層耐磨性不足和WC-Co涂層成本高的問題，通過將WC-12CO或WC_17Co粉末與Fe基非晶粉末均勻混合，利用超音速火焰噴涂技術將混合好的粉末沉積在零件表面，使零件的耐磨性和耐蝕性大大改善。另外，本發(fā)明所提供的涂層材料性能優(yōu)異，成本低廉，既可以用于新產(chǎn)品制造時提高產(chǎn)品性能，也可以用于廢舊產(chǎn)品的修復或再制造，具有廣泛的應用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1 (a):Fe基非晶合金粉末的500倍微觀形貌(SEM)；
[0020]圖1 (b) =Fe基非晶合金粉末顆粒的3000倍表面形貌(SEM)；
[0021 ] 圖2 (a) =WC-Co粉末的500倍微觀形貌(SEM)；
[0022]圖2 (b) =WC-Co粉末顆粒的5000倍表面形貌(SEM)；
[0023]圖3:超首速火焰嗔涂制備涂層不意圖。
【具體實施方式】
[0024]本發(fā)明所提供的一種WC-Co增強的鐵基金屬玻璃復合涂層及其制備方法主要由三個步驟組成:將WC-Co粉末與Fe基非晶粉末均勻混合，兩種粉末對應的比例依次為10%~30%和70%~90% ;對零件或試樣基體表面進行噴砂處理和清洗，所采用的沙子粒徑為16目棕剛玉，噴砂后用無水乙醇對基體表面進行清洗處理；采用超音速火焰熱噴涂技術在基體表面制備WC-Co增強的鐵基金屬玻璃復合涂層，噴涂前預熱，利用丙烷或丙烯的碳氫系為燃氣，氧氣流量為50~150L/min，丙烷氣流量為10~25L/min，噴涂距離為200~350mm，噴后用壓縮空氣冷卻。
[0025]所述的Fe基非晶合金粉末用氣體霧化法制備，其成分及質(zhì)量百分數(shù)為Mo (I~3%) ,Cr (5 ~7%) 'Ni (I ~3%)、P (9 ~11%)和 Si (2 ~4%)，余量為 Fe，其粒度為 400-160 目，粉末形狀為圓球狀，表面光滑，具有很好的流動性。
[0026]圖1為Fe基非晶合金粉末掃描電鏡照片(SEM)。其中，圖1 (a)為Fe基非晶合金粉末的500倍微觀形貌(SEM)，可看出其粒度為400-160目，粉末形狀大部分為圓球狀，少量呈橢球狀；圖1(b)為Fe基非晶合金粉末顆粒的3000倍表面形貌，可看出其表面光滑，具有很好的流動性；該粉末顆粒大小和形狀適合超音速火焰噴涂要求。
[0027]圖2為WC-12CO粉末的掃描電鏡照片(SEM)。其中，圖2 (a)為WC-Co粉末的500倍微觀形貌(SEM)，可看出WC-Co粉末的粒徑為15~45 μ m，用團聚燒結法制備，金屬Co包覆著WC粒子，WC硬質(zhì)顆粒的粒徑為0.1~I μ m，屬于亞微米級粉末，粒度分布窄，流動性好；圖2 (b)為WC-Co粉末顆粒的5000倍表面形貌(SEM)，可看出WC-Co粉末形態(tài)為球形或近球形，表面粗糙多孔。
[0028]所述的超音速火焰噴涂示意圖如圖3所示。超音速火焰噴涂是將氧氣和燃氣在燃燒室混合并引燃，通過拉法爾噴嘴加速形成高速焰流，將混合粉末注入噴槍跟隨焰流被迅速加熱，同時加速至超聲速狀態(tài)，然后高速撞擊經(jīng)預處理的零件或試樣基材表面，并在基材表面鋪展驟冷形成牢固的WC-Co增強的鐵基金屬玻璃復合涂層，從而使零件被噴涂表面獲得高的耐腐蝕和耐磨損等性能。由于團聚燒結法制備的WC-Co粉末為多孔結構，而Fe基非晶合金粉末為實心結構，并且在噴涂和沉積過程中，WC-Co會部分溶解入Fe基非晶合金涂層，所以含體積分數(shù)10%~30%的WC-Co粉末的原始喂料，在制備成涂層后，WC-Co的體積分數(shù)大約會減半。以下通過實施例具體說明該復合涂層的制備過程。
[0029]實施例1:
[0030]以體積分數(shù)10%的WC-12CO粉末和體積分數(shù)90%的Fe基非晶粉末為原料，均勻混合后放入送粉器中，通過高壓(氣壓0.7Mpa)氮氣將其送入超音速噴涂設備的噴槍中。噴涂參數(shù)設定為:丙烷氣壓0.65MPa，丙烷流量15L/min，氧氣氣壓0.7MPa，氧氣流量100L/min，涂距離275mm ;噴涂前對基體預熱至200°C，噴后壓縮空氣冷卻?；w材料Q235鋼，待噴涂試樣尺寸為80 X 50 X 5mm。所制備涂層中，WC-12Co體積分數(shù)約占為5%，其余為Fe基非晶成分。最后經(jīng)過測試，其強度≥60MPa,硬度700HVa!~850HVa 1;與GCrl5軸承鋼對磨時，磨損率約為同樣條件下制備純鐵基金屬玻璃涂層的63%，其各項性能指標較單純的鐵基金屬玻璃涂層均有所改善。
[0031]實施例2:
[0032]以體積分數(shù)15%的WC-17CO粉末和體積分數(shù)85%的Fe基非晶粉末為原料，均勻混合后放入送粉器中，通過高壓(氣壓0.7Mpa)氮氣將其送入超音速噴涂設備的噴槍中。噴涂參數(shù)設定為:丙烷氣壓0.65MPa，丙烷流量15L/min，氧氣氣壓0.7MPa，氧氣流量100L/min，涂距離275mm ;噴涂前對基體預熱至200°C，噴后壓縮空氣冷卻?；w材料Q235鋼，待噴涂試樣尺寸為80 X 50 X 5mm。所制備涂層中，WC-17Co體積分數(shù)約占為7%，其余為Fe基非晶成分。最后經(jīng)過測試，其強度≥60MPa,硬度750HVa!~850HVa 1;與GCrl5軸承鋼對磨時，磨損率約為同樣條件下制備純鐵基金屬玻璃涂層的50%，其各項性能指標較單純的鐵基金屬玻璃涂層均有所改善。
[0033]實施例3:
[0034]以體積分數(shù)20%的WC-12CO粉末和體積分數(shù)80%的Fe基非晶粉末為原料，均勻混合后放入送粉器中，通過高壓(氣壓0.7MPa)氮氣將其送入超音速噴涂設備的噴槍中。噴涂參數(shù)設定為:丙烷氣壓0.65MPa，丙烷流量17L/min，氧氣氣壓0.7MPa，氧氣流量120L/min，涂距離300mm ;噴涂前對基體預熱至200°C，噴后壓縮空氣冷卻?；w材料Q235鋼，待噴涂試樣尺寸為80X50X5mm。所制備涂層中，WC_12Co體積分數(shù)約占為10%，其余為Fe基非晶成分。最后經(jīng)過測試，其強度≥60MPa,硬度850HVa!~950HVa 1;與GCrl5軸承鋼對磨時，磨損率約為同樣條件下制備純鐵基金屬玻璃涂層的42%，其各項性能顯著優(yōu)于單純的鐵基金屬玻璃涂層。
[0035]實施例4:
[0036]以體積分數(shù)20%的WC-17CO粉末和體積分數(shù)80%的Fe基非晶粉末為原料，均勻混合后放入送粉器中，通過高壓(氣壓0.7MPa)氮氣將其送入超音速噴涂設備的噴槍中。噴涂參數(shù)設定為:丙烷氣壓0.65MPa，丙烷流量17L/min，氧氣氣壓0.7MPa，氧氣流量120L/min，涂距離300mm ;噴涂前對基體預熱至200°C，噴后壓縮空氣冷卻?；w材料Q235鋼，待噴涂試樣尺寸為80 X 50 X 5mm。所制備涂層中，WC-17Co體積分數(shù)約占為9%，其余為Fe基非晶成分。最后經(jīng)過測試，其強度≥60MPa,硬度800HVa!~920HVa 1;與GCrl5軸承鋼對磨時，磨損率約為同樣條件下制備純鐵基金屬玻璃涂層的36%，其各項性能顯著優(yōu)于單純的鐵基金屬玻璃涂層。
[0037]實施例5:
[0038]以體積分數(shù)30%的WC-12CO粉末和體積分數(shù)70%的Fe基非晶粉末為原料，均勻混合后放入送粉器中，通過高壓(氣壓0.7MPa)氮氣將其送入超音速噴涂設備的噴槍中。噴涂參數(shù)設定為:丙烷氣壓0.65MPa，丙烷流量17L/min，氧氣氣壓0.7MPa，氧氣流量120L/min，涂距離300mm ;噴涂前對基體預熱至200°C，噴后壓縮空氣冷卻。基體材料Q235鋼，待噴涂試樣尺寸為80X50X5mm。所制備涂層中，WC_12Co體積分數(shù)約占為15%，其余為Fe基非晶成分。最后經(jīng)過測試，其強度≥60MPa，硬度900HVai~IlOOHVai,與GCrl5軸承鋼對磨時，磨損率約為同樣條件下制備純鐵基金屬玻璃涂層的28%，其各項性能顯著優(yōu)于單純的鐵基金屬玻璃涂層。
[0039]如上所述，由于本發(fā)明的提供的WC-Co增強的鐵基金屬玻璃復合涂層，將一定量的WC-Co粉末摻入到Fe基非晶粉末中，從而大大改善了 Fe基非晶涂層的性能，而與WC-Co硬質(zhì)合金涂層相比，性能接近卻成本降低很多。另外，WC顆粒的引入有利于提高涂層在高載荷下的耐磨性能，有利于滿足重載、高磨損、沖擊惡劣工況下服役的行走式工程機械再制造等領域?qū)Τ矎婍g耐磨涂層的迫切需求。
[0040]如上所述通過對附圖的說明及相應的【具體實施方式】描述了本發(fā)明。但應理解的是，本發(fā)明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的。本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍內(nèi)，可以根據(jù)實際情況改變WC-Co粉末配比及噴涂參數(shù)， 這些均在本發(fā)明的保護之內(nèi)。其中在實施例中關于試樣或試件的尺寸、類型和材料種類的描述并不意味著將本發(fā)明限定在所公開的特定形式，本方案僅僅是以示例的方式公開，除非另有特別說明。
【權利要求】
1.一種WC-Co增強的鐵基金屬玻璃復合涂層，其特征是涂層組織中含有體積分數(shù)為5~15%的WC-Co顆粒和85~95%的Fe基非晶合金，WC-Co顆粒均勻離散分布在涂層中。
2.如權利要求1的復合涂層的制備方法，其特征是步驟如下: a、將WC-Co粉末與Fe基非晶粉末均勻混合，混合后的WC-Co粉末體積分數(shù)占總粉末的10~30%，其余為Fe基非晶粉末； b、對需要噴涂涂層的零件進行表面用酒精或丙酮清洗去除油污，然后對待噴涂表面進行噴砂粗化處理； C、利用超音速火焰噴涂技術將混合好的粉末沉積在零件表面。
3.如權利要求2所述的方法，其特征是所述的Fe基非晶合金粉末粒度為400-160目，粉末形狀為圓球狀。
4.如權利要求2所述的方法，其特征是所述的WC-Co粉末為WC-12CO或WC_17Co粉末，形態(tài)為球形或近球形，金屬Co包覆著WC粒子，表面粗糙多孔，粉末粒徑為15~45 μ m, WC硬質(zhì)顆粒的粒徑為0.2~I μ m。
5.如權利要求2所述的方法，其特征是所述的超音速火焰熱噴涂技術:噴涂前預熱，利用丙烷或丙烯的碳氫系為燃氣，氧氣流量為50~150L/min，丙烷氣流量為10~25L/min，噴涂距離為200~350mm，噴`后用壓縮空氣冷卻。
【文檔編號】C23C4/04GK103526135SQ201310444447
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月25日 優(yōu)先權日:2013年9月25日
【發(fā)明者】馬寧, 程振雄, 烏煥濤, 葉福興 申請人:天津大學