一種在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法
2023-04-22 22:32:11
專利名稱：一種在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法
技術領域：
本發明涉及一種在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法，特別是利用介孔結構空心球狀碳化鎢粉末進行雷射熔覆的方法。
背景技術：
金屬材料表面塗層技術能使基體材料表面的耐磨性、耐腐蝕性或耐熱性等成倍提高，從而拓展了材料的應用領域。由於雷射的高能量密度、功率可控性、快速熔化和凝固，使得雷射表面改性或熔覆具有獨特的精密性和局部熱作用，從而被看作是表面層處理的理想手段。它可以在相對低廉的基體材料上獲得所需的表面性能。這種工藝最常見的目標是用來硬化表面以產生更高的耐磨性。隨著納米結構材料的發展，納米材料已開始用於金屬表面的薄膜塗層，並產生不同於塊體金屬材料的微結構，由此在表面改性過程中形成了有用的性能，如納米結構WC-Co塗層、納米尺寸氧化鋁塗層等，尤其是碳化鎢類硬質合金以其高硬度、高抗壓強度和耐磨等特性使其在切削刀具、模具、礦山工具及耐磨零件等方面得到了廣泛的應用。但是傳統的硬質合金中強度和硬度是一對相互制約的矛盾，這一缺陷使硬質合金的應用受到了很大的限制，因此如何獲得具有「雙高」(高強度和高韌性)性能的硬質合金材料一直是各國材料科學家們的奮鬥目標。
目前，國內外納米碳化鎢類金屬塗層的構築手段主要是採用噴塗法，包括火焰噴塗、冷噴塗、等離子噴塗等。這些方法或多或少地都存在著一些問題，特別是晶粒尺寸在構築過程中不易控制，在冷卻時晶粒會迅速長大，從而降低了塗層的硬度和韌性。
發明內容本發明的目的是提供一種在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法，以減少塗層的裂紋和缺陷，並得到高硬度和高韌性的表面塗層。
本發明採用的技術方案如下一種在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法，是將具有介孔結構空心球狀的碳化鎢粉末與吸光劑均勻混合，並作為預置塗層材料塗覆於金屬基體表面上，然後通過雷射熔覆，即得所述的高硬度碳化鎢塗層，所述的介孔結構空心球狀碳化鎢粉末與吸光劑以5～30∶1的比例混合，優選為8～12∶1。
進一步，所述雷射熔覆的工藝參數為雷射波長為10.6μm，輸出功率2.0～6.0kW，掃描速度為2.0～12.0m/min，掃描寬度為5～15mm。
所述的塗層材料為介孔結構空心球狀碳化鎢粉末和吸光劑，介孔結構空心球狀碳化鎢的吸光效率比常規碳化鎢高，其力學性能特別是韌性高於常規碳化鎢材料；而添加常規吸光劑如黑塗料可增加雷射的吸收效率，在雷射熔覆過程中，介孔結構空心球狀碳化鎢與基體形成冶金組織結構結合在一起，在材料表面上生成晶粒細小的快速凝固組織，使得熔覆層形成高硬度、高耐磨性的表面塗層。
較好的，所述的介孔結構空心球狀碳化鎢粉末與吸光劑按質量比10∶1的比例混合。
更好的，所述的介孔結構空心球狀碳化鎢粉末粒徑在0.1～20μm。所述的吸光劑為黑塗料。所述的預置塗層厚度為0.2～0.8mm最佳。
所述的金屬基體材料優選為下列之一2Cr13鋼、碳鋼、銅、碳纖維增強聚醯亞胺、鉬或鈦合金。
所述的方法中，介孔結構空心球狀碳化鎢可通過如下方法製得將偏鎢酸銨溶於蒸餾水，配製成含偏鎢酸銨2.5～50wt％的水溶液，再將溶液進行噴霧乾燥，獲得H2WO3顆粒前驅體；然後將H2WO3顆粒前驅體在450℃進行焙解1～3小時、再在900℃進行還原碳化10～12小時，反應完畢後隔絕空氣迅速冷卻，即得到介孔結構空心球狀碳化鎢粉末。得到介孔結構空心球狀碳化鎢粉末的粒徑絕大多在0.1～20μm。
更具體的，配製含偏鎢酸銨5～10wt％的水溶液，室溫下超聲振蕩10～60分鐘；然後導入噴霧乾燥器中進行噴霧乾燥，得到球狀H2WO3顆粒前驅體；以甲烷和氫氣體積比為10～20∶1混合氣為還原碳化氣氛，將所述的H2WO3顆粒前驅體在450℃進行焙解1～3小時、再在900℃進行還原碳化10～12小時，反應完畢後在隔絕空氣的環境下將產物迅速冷卻，得到介孔結構空心球狀碳化鎢粉末。
本發明利用雷射能量密度高，加熱和冷凝速度快等特點，將雷射熔覆的方法引入高硬度碳化鎢塗層的製備過程，即能控制晶粒長大，又有利於得到較為理想的緻密塗層。更好的，在雷射熔覆過程中進行惰性氣體同步保護，如氮氣、氬氣或氦氣保護，效果更好。具體的，雷射器可選擇二氧化碳橫流雷射器。
所述的在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法可具體按照以下步驟進行將所述的介孔空心球狀碳化鎢粉末與黑塗料按照質量比為10∶1的比例混合均勻，然後塗覆於金屬基體材料表面，自然冷卻或加熱烘乾，使之形成0.2～0.8mm厚的預置塗層；以雷射波長10.6μm，輸出功率為2.0～6.0kW，掃描速度為2.0～12.0m/min，掃描寬度為5～15mm，惰性氣體同步保護的條件進行雷射熔覆，即得所述的高硬度和高韌性的碳化鎢塗層。
針對2Cr13不鏽鋼為基體進行雷射熔覆層的分析發現，熔覆層表面平整、光滑、無裂紋，熔覆層厚度均勻，為20～2 5μm，顯微組織主要是高度細化的層疊狀共晶體，其層片間距僅為70～75 nm，形成了納米結構，並且沒有發現有裂紋出現。對熔覆層的層深硬度測試表明，熔覆層內平均硬度為1200HV0.2，最表層硬度高達1758HV0.2。在MPX-2000型銷盤式摩擦磨損試驗機上進行測試，載荷為900N，轉速為1102轉/分，結果表明，由本發明的方法製得的熔覆層耐磨性能大大提高，比淬火態基體2Cr13的耐磨性提高2.5倍。另外與常規的碳化鎢相比，在高硬度下不出現裂縫，說明塗層的韌性得到了較大的改善。這主要是由於晶粒之間的結合面積增大，相互之間的吸引力使得材料更緻密。同時，晶體之間的位錯對抵抗外力、增加韌性也起到了重要的作用。
本發明與現有技術相比，其有益效果體現在雷射熔覆法在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法工藝簡單，控制簡捷，得到的碳化鎢熔覆層硬度高，耐磨性優良，並且在高硬度下不會出現裂紋，熔覆層的韌性好。
圖1是實施例1製得的所述介孔結構空心球狀碳化鎢的掃描電子顯微鏡圖，其中a放大7,000倍，b放大20,000倍。
圖2是對比例1中碳化鎢塗層磨損對比曲線。其中1為實施例1製得的碳化鎢塗層的摩擦磨損曲線，2為淬火態基體2Cr13的摩擦磨損曲線。
具體實施例方式以下以具體實施例來說明本發明的技術方案，但本發明的保護範圍不限於此實施例1配製含偏鎢酸銨5wt％的水溶液，室溫下超聲振蕩10～60分鐘；然後導入噴霧乾燥器中進行噴霧乾燥，噴霧乾燥的條件為氣體流速為800L/h，加料速度為20mL/min，熱空氣噴嘴的入口溫度為200℃，尾氣出口處溫度為100℃，得到球狀H2WO3顆粒前驅體；以甲烷和氫氣體積比為15∶1混合氣為還原碳化氣氛，將所述的H2WO3顆粒前驅體在450℃進行焙解1～3小時、再在900℃進行還原碳化10～12小時，反應完畢後在隔絕空氣的環境下將產物迅速冷卻，得到介孔結構空心球狀碳化鎢。
將介孔結構空心球狀碳化鎢與吸光劑碳素墨水(蚌埠墨水廠)按質量比為10∶1均勻混合，塗覆於2Cr13鋼基體上，厚度為1mm，自然乾燥。用二氧化碳橫流雷射器(波長10.6μm)在氮氣保護下掃描塗覆表面，輸出功率為6.0kW，掃描速度為8.0m/min，掃描寬度為5mm。對得到的材料進行橫截面金相分析和顯微硬度測試，塗覆層與基體形成良好的冶金結合，未發現裂紋，熔覆層中晶粒細化，熔覆層平均硬度為1200HV0.2，表層最高硬度高達1758HV0.2。
實施例2將介孔結構空心球狀碳化鎢與吸光劑碳素墨水按質量比為5∶1均勻混合，塗覆於銅基體上，厚度為0.8mm，自然乾燥。用二氧化碳橫流雷射器在氦氣保護下掃描塗覆表面，輸出功率為4.0kW，掃描速度為12m/min，掃描寬度為8mm。對得到的材料進行橫截面金相分析和顯微硬度測試，塗覆層與基體形成良好的冶金結合，未發現裂紋，熔覆層中晶粒細化，熔覆層平均硬度為1150HV0.2，表層最高硬度高達1680HV0.2。
實施例3將介孔結構空心球狀碳化鎢與吸光劑碳素墨水按質量比30∶1均勻混合，塗覆於碳鋼基體上，厚度為0.5mm，自然乾燥。用二氧化碳橫流雷射器在氦氣保護下掃描塗覆表面，輸出功率為2.0kW，掃描速度為2m/min，掃描寬度為6mm。對得到的材料進行橫截面金相分析和顯微硬度測試，塗覆層與基體形成良好的冶金結合，未發現裂紋，熔覆層中晶粒細化，熔覆層平均硬度為1080HV0.2，表層最高硬度高達1592HV0.2。
實施例4將介孔結構空心球狀碳化鎢與吸光劑碳素墨水按質量比為10∶1均勻混合，塗覆於碳纖維增強聚醯亞胺基體上，厚度為1mm，自然乾燥。用二氧化碳橫流雷射器(波長10.6μm)在氮氣保護下掃描塗覆表面，輸出功率為2.0kW，掃描速度為2.0m/min，掃描寬度為5mm。所得塗層材料的塗覆層與基體形成良好的冶金結合，未發現裂紋。
實施例5將介孔結構空心球狀碳化鎢與吸光劑碳素墨水按質量比為10∶1均勻混合，塗覆於鈦合金基體上，厚度為1mm，自然乾燥。用二氧化碳橫流雷射器(波長10.6μm)在氮氣保護下掃描塗覆表面，輸出功率為6.0kW，掃描速度為12.0m/min，掃描寬度為15mm。所得塗層材料的塗覆層與基體形成良好的冶金結合，未發現裂紋。
實施例6
將介孔結構空心球狀碳化鎢與吸光劑碳素墨水按質量比為10∶1均勻混合，塗覆於鉬基體上，厚度為1mm，自然乾燥。用二氧化碳橫流雷射器(波長10.6μm)在氮氣保護下掃描塗覆表面，輸出功率為4.0kW，掃描速度為8.0m/min，掃描寬度為10mm。所得塗層材料的塗覆層與基體形成良好的冶金結合，未發現裂紋。
對比例1將實施例1製備的納米碳化鎢塗層的2Cr13試樣和淬火態基體2Cr13鋼試樣分別切割成φ5mm的試樣塊，然後在MPX-2000型消子盤式摩擦實驗機上進行摩擦磨損實驗。磨損實驗機的負荷為900N，上軸轉速為1102轉/分。獲得的磨損對比曲線如附圖2所示。
摩擦磨損測試結果表明納米碳化鎢塗層的耐磨性能大大提高，比淬火態基體2Cr13的耐磨性能提高了2.5倍。另外，與常規的碳化鎢塗層相比，納米碳化鎢塗層在高硬度下不出現裂縫，說明塗層的韌性得到了較大改善。
權利要求
1.一種在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法，其特徵在於所述的方法為首先將製備的介孔結構空心球狀碳化鎢粉末與吸光劑均勻混合，並作為預置塗層材料塗覆於金屬基體材料表面上，然後通過雷射熔覆，即得所述的高硬度碳化鎢塗層，所述的介孔結構空心球狀碳化鎢粉末與吸光劑按質量比5～30∶1的比例混合。
2.如權利要求1所述的在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法，其特徵在於所述的雷射熔覆工藝參數為雷射波長為10.6μm，輸出功率為2.0～6.0kW，掃描速度為2.0～12.0m/min，掃描寬度為5～15mm。
3.如權利要求2所述的在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法，其特徵在於所述的介孔結構空心球狀碳化鎢粉末與吸光劑按質量比8～12∶1的比例混合。
4.如權利要求1所述的在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法，其特徵在於所述的金屬基體材料為2Cr13鋼、碳鋼、銅、碳纖維增強聚醯亞胺、鉬或鈦合金。
5.如權利要求1～4之一所述的在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法，其特徵在於所述的介孔結構空心球狀碳化鎢粉末粒徑為0.1～20μm。
6.如權利要求1～4之一4所述的在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法，其特徵在於所述的介孔結構空心球狀碳化鎢粉末通過如下法製得將偏鎢酸銨溶於蒸餾水，配製成2.5～50wt％的偏鎢酸銨水溶液，再將所述的偏鎢酸銨水溶液進行噴霧乾燥，獲得H2WO3顆粒前驅體；然後將H2WO3顆粒前驅體在450℃進行焙解1～3小時、再在900℃進行還原碳化10～12小時，反應完畢後隔絕空氣迅速冷卻，即得到介孔結構空心球狀碳化鎢粉末。
7.如權利要求1所述的在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法，其特徵在於所述的雷射熔覆過程中進行惰性氣體同步保護。
8.如權利要求1～3之一所述的在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法，其特徵在於所述的吸光劑為黑塗料。
9.如權利要求1所述的在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法，其特徵在於所述的預置塗層厚度為0.2～0.8mm。
10.如權利要求1所述的在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法，其特徵在於所述的方法按照以下步驟進行首先將所述的介孔空心球狀碳化鎢粉末與黑塗料按照質量比為10∶1的比例混合均勻，再塗覆於金屬基體材料表面上，待自然冷卻或加熱烘乾，使之形成0.2～0.8mm厚的預置塗層，然後控制雷射波長10.6μm，輸出功率2.0～6.0kW，掃描速度2.0～12.0m/min，掃描寬度5～15mm，並通過惰性氣體同步保護進行雷射塗覆，即得所述的高硬度碳化鎢塗層。
全文摘要
本發明涉及一種在金屬表面上利用雷射熔覆高硬度碳化鎢塗層的方法。首先將製備的介孔結構空心球狀碳化鎢粉末與吸光劑均勻混合，並作為預置塗層的材料塗覆於金屬基體材料表面上，然後控制合適的條件通過雷射熔覆，即得所述的高硬度碳化鎢塗層。本發明提出的方法工藝簡單，控制簡便，得到的碳化鎢熔覆層硬度高、耐磨性優良，並且在高硬度下不會出現裂紋，熔覆層韌性好，具有廣闊的應用前景。
文檔編號B23K26/34GK101054670SQ200710069010
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月25日 優先權日2007年5月25日
發明者馬淳安, 姚建華 申請人:浙江工業大學