一种耐磨、高硬、脱碳程度低的硬质合金涂层材料及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种耐磨、高硬、脱碳程度低的硬质合金涂层材料及其制备工艺，属于金属材料技术领域。

背景技术

超音速火焰喷涂技术是一种常用热喷涂技术，其焰流速度极高，但喷涂温度较低，可以让喷涂粒子获得较高动能，在撞击基体后获得较好的塑性变形，提高涂层致密度；又能缩短喷涂粉末与空气中氧的接触时间，降低粉末材料氧化程度，最大程度保证涂层的成分和结构的稳定性，改善涂层与基体的结合强度，降低涂层残余应力。目前，在金属碳化物涂层、金属合金涂层等涂层制备领域，超音速火焰喷涂技术已逐步替代了爆炸喷涂、等离子喷涂及其他热喷涂工艺，成为该领域首选涂层制备技术。

WC-Co合金是硬质合金中的典型代表，WC硬质合金涂层具有硬度理想、强度高、韧性好、优异的耐磨性和耐腐蚀性等优点，被广泛应用于石油化工、航空航天等领域。但随着工业的发展，常规WC硬质合金已不能同时满足高硬度、高耐磨性的要求，限制了WC-Co硬质合金的应用。为提高涂层性能，常使用更小尺寸的WC颗粒作为原料。然而，在喷涂过程中，纳米和亚微米结构的WC更易发生脱碳，降低涂层力学性能。

为提高现有WC-Co材料体系的综合性能，同时解决喷涂过程中碳化物的脱碳问题，本发明设计和制备了一种含Cr3C2、VC的新型WC硬质合金涂层。为改善WC涂层在成形过程中的脱碳情况，抑制WC颗粒的生长和粗化，进一步提高耐磨性能，延长零部件使用寿命，提供了一种新的材料体系。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种耐磨、高硬、脱碳程度低的硬质合金涂层材料及其制备工艺，其主要解决以WC为代表的硬质合金涂层材料体系在超音速火焰喷涂过程中出现的脱碳反应，硬度、耐磨性不足的问题。

本发明提供一种耐磨、高硬、脱碳程度低的硬质合金涂层材料及其制备工艺，其包括以下重量组分：

WC 80-90份、Co8-12份、VC0.5-2.5份、Cr3C22-3份；

所述WC粒径0.5-1.0μm；

所述Co粒径1.0-2.0μm；

所述VC粒径1.0-2.0μm；

所述Cr3C2粒径1.0-2.0μm。

优选的，包括以下步骤：

1)将WC、Co、VC、Cr2C3按比例称取，按照70％的固含量在原料中缓慢加入去离子水中；

2)加入不锈钢球，转速为50rpm，时间18h；

3)在浆料中加入固体含量1％的PEG 2000分散剂和固体含量0.75％

的PEG 4000粘结剂，使用电动搅拌机进行搅拌混合；

4)调节喷雾干燥机参数，将混合好的浆料缓慢倒入喷雾干燥设备的送料器中，得到团聚的WC预合金粉末材料；

5)将步骤4)中的WC预合金粉末放入真空烧结炉，完成WC预合金粉末材料的脱脂，真空烧结炉在1250℃保温1h，完成WC预合金粉末的真空烧结；

6)将步骤5)中WC预合金粉末放入行星球磨机，在不添加磨球的情况下进行机械破碎；

7)将步骤6)中球磨后的粉末进行筛分，选取并保留15-53μm粒径范围内的粉末，完成团聚烧结WC预合金粉末材料的制备；

8)将钢基表面打磨除锈后，在丙酮和无水乙醇中超声清洗，去除表面油脂并烘干，进行超音速火焰喷涂。

优选的，所述步骤2)中按照5：1的球料比加入不锈钢球。

优选的，所述步骤3)中使用电动搅拌机进行搅拌混合，搅拌时间为0.5-1h，转速为200-300rpm。

优选的，所述步骤4)中喷雾干燥机进料口温度160-180℃、出料口温度100-120℃、雾化器转速30-45Hz，送料器转速18-25Hz。

优选的，所述步骤5)中将WC预合金粉末放入真空烧结炉，将烧结炉真空度抽至10

优选的，所述步骤6)中球磨的转速为200rpm，时间为2h。

优选的，所述步骤8)中超音速火焰喷涂工艺参数为：燃烧室压力8.0-9.0Mpa，煤油流量为18-22Lph，氧气流量为36-44L/min，送粉速度3.5-5.0r/min，喷涂距离33-38cm，预热温度60-120℃。

本发明的有益效果：

本发明提供一种耐磨、高硬、脱碳程度低的硬质合金涂层材料及其制备工艺，其相较于WC-Co体系材料，WC-Co-VC-Cr

说明书附图：

图1是本发明实施例1得到的WC-Co-VC-Cr

图2是本发明对比例1的WC-10Co-4Cr团聚烧结合金粉末形貌图；

图3是本发明实施例1得到的WC-Co-VC-Cr

图4是本发明对比例1的WC-10Co-4Cr涂层截面形貌图；

具体实施方式

下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例一：

本发明提供一种耐磨、高硬、脱碳程度低的硬质合金涂层材料及其制备工艺，其包括以下重量组分：

WC 80-90份、Co8-12份、VC0.5-2.5份、Cr3C22-3份；

所述WC粒径0.5-1.0μm；

所述Co粒径1.0-2.0μm；

所述VC粒径1.0-2.0μm；

所述Cr3C2粒径1.0-2.0μm

包括以下步骤：

1)将WC、Co、VC、Cr2C3按比例称取，按照70％的固含量在原料中缓慢加入去离子水中；

2)按照5：1的球料比加入不锈钢球，转速为50rpm，时间18h；

3)在浆料中加入固体含量1％的PEG 2000分散剂和固体含量0.75％的PEG 4000粘结剂，使用电动搅拌机进行搅拌混合，搅拌时间为0.5-1h，转速为200-300rpm；

4)调节喷雾干燥机参数，喷雾干燥机进料口温度160-180℃、出料口温度100-120℃、雾化器转速30-45Hz，送料器转速18-25Hz，将混合好的浆料缓慢倒入喷雾干燥设备的送料器中，得到团聚的WC预合金粉末材料；

5)将步骤4)中的WC预合金粉末放入真空烧结炉，将烧结炉真空度抽至10

6)将步骤5)中WC预合金粉末放入行星球磨机，在不添加磨球的情况下进行机械破碎，球磨的转速为200rpm，时间为2h；

7)将步骤6)中球磨后的粉末进行筛分，选取并保留15-53μm粒径范围内的粉末，完成团聚烧结WC预合金粉末材料的制备；

8)将钢基表面打磨除锈后，在丙酮和无水乙醇中超声清洗，去除表面油脂并烘干，进行超音速火焰喷涂，超音速火焰喷涂工艺参数为：燃烧室压力8.0-9.0Mpa，煤油流量为18-22Lph，氧气流量为36-44L/min，送粉速度3.5-5.0r/min，喷涂距离33-38cm，预热温度60-120℃。

对比例一：

1)按照WC-10Co-4Cr名义质量百分比称料，其中WC粉末的质量分数为86％，金属Co的质量分数为10％，Cr的质量为4％，以聚乙二醇或聚乙烯醇为粘结剂，其添加总量为总质量的1.5％。将配好的物料倒入球磨机，选用去离子水为湿磨介质，球料比为4：1，球磨时间为36h。利用喷雾造粒设备对湿磨后的浆料进行喷雾造粒，制得备用的球形混合料。将球形混合料置于真空炉内，在1200℃下进行烧结2h。利用球磨机对烧结后WC-10Co-4Cr进行机械破碎。利用超声波振动筛分机将破碎后的WC-10Co-4Cr粉末筛分为15-53μm范围内的粉末；

2)音速火焰喷涂：按照上述实施例1的工艺技术，完成WC-10Co-4Cr涂层的制备。

效果验证：

对实施例与对比例制备的WC-10Co团聚烧结粉末，通过霍尔流速计测定粉末流动性。通过斯柯特容量计法，测得所述粉末的松装密度。

对实施例与对比例制备的WC-10Co合金涂层，对涂层表面进行洛氏硬度测试和显微硬度测试。通过摩擦磨损试验仪测得所述涂层的摩擦特性。通过X射线衍射仪获得的结果计算碳保留指数并分析涂层的脱碳情况，碳保留指数数值越大，说明涂层的脱碳程度越低。

WC-10Co-4Cr硬质合金粉末，粉末形貌接近球形，粉末表面存在更多的开孔，这种形貌是由于粉末烧结过程中WC的团聚引起的。WC-Co-VC-Cr

对比例1WC-10Co-4Cr涂层，可以观察到明显的气孔(P)和裂纹(C)，图中箭头所指的是P和C所在位置的高倍率图像。值得注意的是，涂层中的气孔主要呈椭圆形，同时气孔的存在提供了裂纹源，促进了裂纹的萌生。在加入了VC和Cr

表1是实施例和对比例的粉末流动性和松装密度统计。相较于WC-10Co-4Cr粉末，本发明的实施例WC-Co-VC-Cr

表1

表2是实施例1和对比例1的硬度和摩擦后的磨损量及脱碳状况统计。相较于对比例1的WC-10Co-4Cr硬质合金涂层，本发明提供的实施例1的WC-Co-VC-Cr

表2

上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。