在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法

2023-04-23 11:01:16 1

專利名稱：在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法
技術領域：
本發明屬於塗鍍層表面製備技術領域，具體涉及一種在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法。
背景技術：
煤礦生產中的機械設備，在生產過程中常因零部件的摩擦、磨損及腐蝕失效而引發故障或事故，其中採煤機截齒是最常見的磨損失效件。採煤機截齒的磨損、腐蝕等失效現象極其嚴重，由此而引發的設備故障、停工停產，造成的經濟損失不可估量。因此，研究、解決採煤機截齒的耐磨及耐腐蝕性能對煤礦高產、高效和安全生產具有十分重要的意義，也是一項迫切的任務。多年來，採煤機截齒齒尖材料一直使用Co-WC硬質合金，Co-WC硬質合金具有很高的強度、耐磨性和抗衝擊韌性，也可用於潛孔鑽、牙輪鑽、盾構刀具等採掘工具。採煤機截齒齒尖與齒體之間常採用釺焊工藝連接，由於硬質合金和齒體在焊接過程中均不熔化，僅是靠熔化釺料的毛細管作用潤溼二者表面，使液相與固相之間相互擴散而連接在一起，結合強度較低，所以在截割各種煤層和夾矸時，經常脫落、破碎。另一方面，傳統的WC基硬質合金刀具材料的主要原料為鎢、鈷，屬於稀缺戰略資源。為此，近年來，國內外許多研究單位，採用熱噴塗技術在普通合金表面製備耐磨耐蝕Co-WC複合塗層，以取代傳統的Co-WC硬質合金，應用於採煤機截齒等零部件(也可修復已磨損、腐蝕失效件)，不僅簡化了 Co-WC硬質合金粉末冶金的製備以及釺焊連接繁瑣的複雜工藝，克服了傳統工藝能耗高、設備昂貴、製備條件苛刻等缺點，並且顯著地降低了成本。目前，Co-WC複合鍍層的製備工藝主要集中於超音速火焰噴塗(HVOF)與等離子噴塗等熱噴塗工藝工藝，該工藝塗層和基體選擇範圍廣，塗層厚度變化範圍大，沉積速率高以及容易形成複合塗層等。但熱噴塗工藝對設備要求高，工作環境較差；另一方面，該工藝會使WC微粒由於過熱而被分解和氧化，造成WC的脫碳，而且還會生成含Co的亞穩定碳化物，且這些產物非常脆，在接觸載荷的反覆作用下很容易開裂、剝落，從而會降低Co-WC複合鍍層的耐磨性能。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術的不足，提供一種採用複合電沉積法在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法。採用該方法製備的Co-WC複合鍍層表面光滑緻密，WC微粒均勻分布於基質鍍層內，鍍層與基板結合力強，具有優異的耐摩擦磨損性能。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是一種在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟步驟一、對W18Cr4V鋼基板表面進行預處理，去除W18Cr4V鋼基板表面缺陷；步驟二、配製電鍍液，然後向電鍍液中加入WC微粒；所述電鍍液由以下成分組成硫酸鈷200g/L 300g/L，氯化鈉30g/L 50g/L，硼酸30g/L 60g/L，餘量為水；所述WC微粒的加入量為每升電鍍液中加入5g 25g WC微粒；步驟三、將兩塊相同的鈷板和步驟一中經預處理的W18Cr4V鋼基板置於步驟二中加入WC微粒後的電鍍液中，以經預處理的W18Cr4V鋼基板作為陰極，以兩塊鈷板作為陽極，在攪拌條件下進行氧化還原反應，使W18Cr4V鋼基板表面電沉積一層均勻的Co-WC複合鍍層；所述氧化還原反應過程中控制電鍍液的溫度為50°C 60°C，直流電流密度為6A/dm2 10A/dm2 ;所述氧化還原反應的時間為Ih 2h ;所述W18Cr4V鋼基板放置在兩塊鈷板中間位置。上述的在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法，步驟一中所述預處理的方法為依次用80#、100#、600#和1000#砂紙對W18Cr4V鋼基板表面進行打磨；將經打磨後的W18Cr4V鋼基板放入鹼性除油劑中超聲振蕩IOmin 30min，超聲振蕩過程中控制溫度為70°C 90°C，頻率為30Hz 50Hz，功率為80W 120W ;將經超聲處理後的W18Cr4V鋼基板用蒸餾水衝洗乾淨後放入質量百分比濃度為25% 35%的鹽酸中酸洗活化IOs 20s，然後用蒸餾水衝淨，烘乾備用。 上述的在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法，所述鹼性除油劑由以下成分組成氫氧化鈉10g/L 25g/L,磷酸三鈉25g/L 45g/L,碳酸鈉15g/L 30g/L,娃酸鈉1.5g/L 4g/L，餘量為水。上述的在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法，步驟二中所述電鍍液的pH值為3.0 5.0。上述的在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法，步驟二中所述WC微粒為經400°C 700°C /Ih熱處理後的粒徑為3iim 4iim的WC微粒。上述的在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法，步驟三中所述鈷板為質量純度不低於99. 98%的電解鈷板。上述的在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法，步驟三中所述攪拌的速率為 250r/min 300r/mino上述的在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法，步驟三中所述陰極W18Cr4V鋼基板與陽極鈷板之間的距離為2cm 4cm。本發明與現有技術相比具有以下優點I、本發明採用複合電沉積法在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層，具有溶液配製方便，生產步驟簡單，成本低廉等優點，是多種礦山機械零部件尤其是採煤機截齒鍍層的理想技術方案。2、採用本發明的方法製備的Co-WC複合鍍層表面光滑緻密，WC微粒均勻分布於基質鍍層內，鍍層與基板結合力強，具有優異的耐摩擦磨損性能。3、採用本發明的方法在採煤機截齒等零部件上製備Co-WC複合鍍層，可以延長零部件的使用壽命，降低成本，節約鎢、鈷稀缺戰略資源，從而提高其經濟實用性。下面結合附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細說明。


圖I為本發明實施例I製備的Co-WC複合鍍層的截面形貌圖。
圖2為本發明實施例I製備的Co-WC複合鍍層的XRD衍射圖譜。圖3為純Co鍍層的摩擦磨損形貌掃描電鏡照片。圖4為本發明實施例I製備的Co-WC複合鍍層的摩擦磨損形貌掃描電鏡照片。圖5為本發明電鍍液中不同WC微粒添加量下Co-WC複合鍍層顯微硬度的柱狀圖。圖6為本發明電鍍液中不同WC微粒添加量下Co-WC複合鍍層磨損量的柱狀圖。
具體實施例方式實施例I
步驟一、依次用80#、100#,600#和1000#砂紙對W18Cr4V鋼基板表面進行打磨；將經打磨後的W18Cr4V鋼基板放入鹼性除油劑中超聲振蕩15min，超聲振蕩過程中控制溫度為80°C，頻率為40Hz，功率為IOOW ;將經超聲處理後的W18Cr4V鋼基板用蒸餾水衝洗乾淨後放入質量百分比濃度為30%的鹽酸中酸洗活化15s，然後用蒸餾水衝淨，烘乾備用；所述鹼性除油劑由以下成分組成氫氧化鈉20g/L，磷酸三鈉35g/L，碳酸鈉25g/L和矽酸鈉2. 5g/L，餘量為水；步驟二、配製pH值為4.0的電鍍液，然後向電鍍液中加入WC微粒；所述電鍍液由以下成分組成硫酸鈷250g/L、氯化鈉40g/L和硼酸50g/L，餘量為水；所述WC微粒的加入量為每升電鍍液中加入20g WC微粒；所述WC微粒為經600°C/lh熱處理後的粒徑為3iim 4 ii m的WC微粒；步驟三、將兩塊相同的質量純度不低於99. 98%的電解鈷板和步驟一中經預處理的W18Cr4V鋼基板置於步驟二中加入WC微粒後的電鍍液中，且W18Cr4V鋼基板放置在兩塊鈷板中間位置，以經預處理的W18Cr4V鋼基板作為陰極，以兩塊鈷板作為陽極，在攪拌速率為250r/min的攪拌條件下進行氧化還原反應，使W18Cr4V鋼基板表面電沉積一層均勻的Co-WC複合鍍層；所述氧化還原反應過程中控制電鍍液的溫度為55°C，直流電流密度為8A/dm2 ;所述氧化還原反應的時間為Ih ;所述陰極W18Cr4V鋼基板與陽極鈷板之間的距離為 3cm。圖I為本實施例製備的Co-WC複合鍍層的截面形貌圖。從圖中可以看出，製備的Co-WC複合鍍層表面光滑緻密，WC微粒均勻分布於基質鍍層內。圖2為本實施例製備的Co-WC複合鍍層的XRD衍射圖譜，圖譜中出現WC和Co在不同晶面上的特徵峰，並且特徵峰值很尖銳，表明該鍍層為典型的Co多晶結構，所製備的鍍層為晶態結構的Co-WC複合鍍層。圖3為採用本發明不加WC微粒的電鍍液製備的純Co鍍層的摩擦磨損形貌掃描電鏡照片，圖4為本實施例製備的Co-WC複合鍍層的摩擦磨損形貌掃描電鏡照片，從圖中可以看出，純Co鍍層由於犁削和粘著效應嚴重，導致複合鍍層表面出現明顯的犁溝和粘著剝落痕跡；而Co-WC複合鍍層表面只呈現出由磨料磨損引起的輕微劃痕，沒有犁削和粘著磨損的特徵，耐磨性從而得到大幅度提高。究其原因是由於Co-WC複合鍍層內含量適中的WC微粒彌散分布於Co基質金屬中，使得複合鍍層的硬度得到明顯提高，而這些高硬度的WC微粒，又使得摩擦副表面的微凸體在鍍層表面的犁削作用得到有效抑制，大大減弱了鍍層的微觀切削和微觀脆性剝落。實施例2步驟一、依次用80#、100#、600#和1000#砂紙對W18Cr4V鋼基板表面進行打磨；將經打磨後的W18Cr4V鋼基板放入鹼性除油劑中超聲振蕩30min，超聲振蕩過程中控制溫度為70°C，頻率為30Hz，功率為80W ;將經超聲處理後的W18Cr4V鋼基板用蒸餾水衝洗乾淨後放入質量百分比濃度25%的鹽酸中酸洗活化20S，然後用蒸餾水衝淨，烘乾備用；所述鹼性除油劑由以下成分組成氫氧化鈉10g/L，磷酸三鈉25g/L，碳酸鈉15g/L和矽酸鈉I. 5g/L，餘量為水；步驟二、配製pH值為5.0的電鍍液，然後向電鍍液中加入WC微粒；所述電鍍液由以下成分組成硫酸鈷200g/L、氯化鈉30g/L和硼酸30g/L，餘量為水；所述WC微粒的加入量為每升電鍍液中加入5g WC微粒；所述WC微粒為經400°C/lh熱處理後的粒徑為3iim 4 ii m的WC微粒；
步驟三、將兩塊相同的質量純度不低於99. 98%的電解鈷板和步驟一中經預處理的W18Cr4V鋼基板置於步驟二中加入WC微粒後的電鍍液中，且W18Cr4V鋼基板放置在兩塊鈷板中間位置，以經預處理的W18Cr4V鋼基板作為陰極，以兩塊鈷板作為陽極，在攪拌速率為300r/min的攪拌條件下進行氧化還原反應，使W18Cr4V鋼基板表面電沉積一層均勻的Co-WC複合鍍層；所述氧化還原反應過程中控制電鍍液的溫度為60°C，直流電流密度為10A/dm2 ;所述氧化還原反應的時間為2h ;所述陰極W18Cr4V鋼基板與陽極鈷板之間的距離為 2cm。實施例3步驟一、依次用80#、100#、600#和1000#砂紙對W18Cr4V鋼基板表面進行打磨；將經打磨後的W18Cr4V鋼基板放入鹼性除油劑中超聲振蕩lOmin，超聲振蕩過程中控制溫度為90°C，超聲頻率為50Hz，功率為120W ;將經超聲處理後的W18Cr4V鋼基板用蒸餾水衝洗乾淨後放入質量百分比濃度為35%的鹽酸中酸洗活化10s，然後用蒸餾水衝淨，烘乾備用；所述鹼性除油劑由以下成分組成氫氧化鈉25g/L，磷酸三鈉45g/L，碳酸鈉30g/L和矽酸鈉4g/L，餘量為水；步驟二、配製pH值為3.0的電鍍液，然後向電鍍液中加入WC微粒；所述電鍍液由以下成分組成硫酸鈷300g/L、氯化鈉50g/L和硼酸60g/L，餘量為水；所述WC微粒的加入量為每升電鍍液中加入25g WC微粒；所述WC微粒為經700°C/lh熱處理後的粒徑為3iim 4 ii m的WC微粒；步驟三、將兩塊相同的質量純度不低於99. 98%的電解鈷板和步驟一中經預處理的W18Cr4V鋼基板置於步驟二中加入WC微粒後的電鍍液中，且W18Cr4V鋼基板放置在兩塊鈷板中間位置，以經預處理的W18Cr4V鋼基板作為陰極，以兩塊鈷板作為陽極，在攪拌速率為280r/min的攪拌條件下進行氧化還原反應,使W18Cr4V鋼基板表面電沉積一層均勻的Co-WC複合鍍層；所述氧化還原反應過程中控制電鍍液的溫度為50°C，直流電流密度為6A/dm2 ;所述氧化還原反應的時間為I. 5h ;所述陰極W18Cr4V鋼基板與陽極鈷板之間的距離為4cm。本發明對電鍍液中WC微粒含量對Co-WC複合鍍層顯微硬度的影響以及摩擦磨損量的影響進行了研究，結果如下一、電鍍液中不同WC微粒添加量對應的Co-WC複合鍍層的顯微硬度結果如圖5所示，從圖中可以看出，隨著鍍液中微粒含量的不斷增加，鍍層的顯微硬度逐漸提高，當WC微粒含量在20g/L時，顯微硬度達到最大值；但繼續增加微粒含量濃度時，鍍層的顯微硬度有所下降。但是，與純Co鍍層的顯微硬度相比，前者的顯微硬度高很多。究其原因，這是由於WC自身的硬度值較高，當WC作為增強微粒加入到鍍液中，所獲得的Co-WC複合鍍層內部，WC微粒均勻地分布於Co基質中，WC微粒對鍍層產生了彌散強化的作用，並且隨著鍍液中WC微粒濃度的升高，Co-WC複合鍍層的顯微硬度也隨著升高。但當WC含量過多時，由於WC微粒在鍍層內部團聚增加且分布不均，削弱了微粒的彌散強化作用反而使複合鍍層的硬度下降。二、電鍍液中不同WC微粒添加量對應的Co-WC複合鍍層的摩擦磨損量結果如圖6所示，從圖 中可以看出，隨著鍍液中WC微粒含量的增加，Co-WC複合鍍層的磨損量降低，即單位時間內所磨損的質量減少，說明鍍層的摩擦磨損性能隨著鍍液中WC微粒含量的增加而得到提高，當WC微粒含量濃度為20g/L時，Co-WC複合鍍層的磨損量最低；繼續增加鍍液中WC微粒含量，Co-WC複合鍍層的磨損量也隨之增大。這是由於WC微粒含量的不同，其在鍍層中的聚集狀態不同，會引起WC微粒在複合鍍層摩擦磨損過程中的作用機理有所差異。Co-WC複合鍍層內的WC微粒被Co基質牢牢包裹，在摩擦過程中，WC微粒承載著負荷，阻止位錯滑移，起著幹潤滑的作用，在一定程度上降低了材料表面的粘著磨損強度和犁溝效應，但繼續增加WC微粒含量，使磨損機理轉變為磨粒磨損，導致磨損量增加。以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍內。
權利要求
1.一種在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟 步驟一、對W18Cr4V鋼基板表面進行預處理，去除W18Cr4V鋼基板表面缺陷； 步驟二、配製電鍍液，然後向電鍍液中加入WC微粒；所述電鍍液由以下成分組成硫酸鈷200g/L 300g/L，氯化鈉30g/L 50g/L，硼酸30g/L 60g/L，餘量為水；所述WC微粒的加入量為每升電鍍液中加入5g 25g WC微粒； 步驟三、將兩塊相同的鈷板和步驟一中經預處理的W18Cr4V鋼基板置於步驟二中加入WC微粒後的電鍍液中，以經預處理的W18Cr4V鋼基板作為陰極，以兩塊鈷板作為陽極，在攪拌條件下進行氧化還原反應，使W18Cr4V鋼基板表面電沉積一層均勻的Co-WC複合鍍層；所述氧化還原反應過程中控制電鍍液的溫度為50°C 60°C，直流電流密度為6A/dm2 IOA/dm2 ;所述氧化還原反應的時間為Ih 2h ;所述W18Cr4V鋼基板放置在兩塊鈷板中間位置。
2.根據權利要求I所述的在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法，其特徵在於，步驟一中所述預處理的方法為依次用80#、100#、600#和1000#砂紙對W18Cr4V鋼基板表面進行打磨；將經打磨後的W18Cr4V鋼基板放入鹼性除油劑中超聲振蕩IOmin 30min，超聲振蕩過程中控制溫度為70°C 90°C，頻率為30Hz 50Hz，功率為80W 120W ;將經超聲處理後的W18Cr4V鋼基板用蒸餾水衝洗乾淨後放入質量百分比濃度為25% 35%的鹽酸中酸洗活化IOs 20s，然後用蒸餾水衝淨，烘乾備用。
3.根據權利要求2所述的在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法，其特徵在於，所述鹼性除油劑由以下成分組成氫氧化鈉10g/L 25g/L，磷酸三鈉25g/L 45g/L，碳酸鈉15g/L 30g/L，矽酸鈉I. 5g/L 4g/L，餘量為水。
4.根據權利要求I所述的在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法，其特徵在於，步驟二中所述電鍍液的pH值為3. 0 5. O。
5.根據權利要求I所述的在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法，其特徵在於，步驟二中所述WC微粒為經400°C 700°C /Ih熱處理後的粒徑為3iim 4iim的WC微粒。
6.根據權利要求I所述的在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法，其特徵在於，步驟三中所述鈷板為質量純度不低於99. 98%的電解鈷板。
7.根據權利要求I所述的在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法，其特徵在於，步驟三中所述攪拌的速率為250r/min 300r/min。
8.根據權利要求I所述的在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法，其特徵在於，步驟三中所述陰極W18Cr4V鋼基板與陽極鈷板之間的距離為2cm 4cm。
全文摘要
本發明公開了一種在W18Cr4V鋼表面製備Co-WC複合鍍層的方法，該方法為一、對W18Cr4V鋼基板表面進行預處理；二、配製電鍍液，然後向電鍍液中加入WC微粒；三、將鈷板和W18Cr4V鋼基板置於加入WC微粒後的電鍍液中，以經預處理的W18Cr4V鋼基板作為陰極，以鈷板作為陽極，在攪拌條件下進行氧化還原反應，使W18Cr4V鋼基板表面電沉積一層均勻的Co-WC複合鍍層。本發明具有溶液配製方便，生產步驟簡單，成本低廉等優點，是多種礦山機械零部件尤其是採煤機截齒鍍層的理想技術方案，製備的Co-WC複合鍍層表面光滑緻密，WC微粒均勻分布於基質鍍層內，鍍層與基板結合力強，具有優異的耐摩擦磨損性能。
文檔編號C25D3/12GK102719862SQ201210234169
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月7日 優先權日2012年7月7日
發明者丁晉, 孫萬昌 申請人:西安科技大學