感应加热制备摆碾机摆头所需碳化钨耐磨涂层的方法与流程

本发明涉及一种氩气保护感应加热渗透钎焊法制备摆碾机摆头所需碳化钨耐磨涂层的方法，属于材料加工工程中的耐磨涂层制备领域。

背景技术：

摆动辗压是一种锻造技术，它是通过逐次、连续局部成形，使被加工件实现整体成形的回转成形工艺。摆动辗压可以实现净形或近似净形加工，具有省力、冲击小、振动小、噪音小、金属容易充填模腔、投资少、模具寿命高、产品精度高等优点，且节能、节材、节省投资，扩大了塑性加工范围，在机械、汽车、电器、仪表、五金等许多工业部门得到了广泛应用。摆动辗压设备的最关键部件就是摆头和球座，这两个部件构成摩擦副，是承受摩擦力的关键部件。摆动辗压技术应用的最大障碍是摆头容易失效、使用寿命普遍较低。主要失效形式有磨损严重，变形等。摆头一旦失效就要更换，尤其是如果摆头因局部磨损严重而整体废弃则颇为浪费，因此，如何延缓摆头失效和提高其使用寿命，从而提高摆动辗压生产效率和经济效益，日益成为一个备受关注的问题。延缓摆头失效的一个研究方向是进一步提高基材的强度、硬度和耐磨性等性能，而这只需通过适当的选材和热处理就可以达到。然而基材性能好，意味着成本就高。而且，一味提高基材的强度、硬度来保障耐磨性就会带来另外一个技术问题，那就是摆头的韧性下降，就会过早的蹦刃，脆断。在选择合适的基材和热处理的基础上，通过表面强化技术赋予基材表面所需性能的耐磨涂层，可以提高摆头的综合性能。

从某种意义上讲，摆动辗压设备可靠性的高低取决于其关键部件摆头和的抗磨损程度，抗磨问题解决得如何，对摆头的安全性、可靠性及经济效益都具有举足轻重的作用。因此，探索一种具有较好的耐磨蚀的涂层是保证摆动辗压设备正常运行的当务之急，也是符合21世纪绿色制造概念的前沿问题。近年来，碳化钨（WC）涂层以其优异的耐磨性广泛应用在航空航天、机械、石油化工等行业。然而，研究表明，传统的热喷涂、等离子喷涂、高速火焰喷涂、堆焊、激光处理等，只能提供单一和有限的保护，寿命有限，难以从根本上解决这一难题。因此，寻求更好的方法制备耐磨碳化钨（WC）涂层，避免摆动辗压设备产生故障，对于经济效益和社会效益来说意义十分巨大。经查阅文献，为了提高机械零部件的耐磨性能，国内外研究者采取了一系列碳化钨（WC）涂层制备方法对其进行防护。

武汉理工大学材料科学与工程学院汪选国采用YC-300WX 3HGE型多功能交/直流TIG焊机在Q235低碳钢板上制备了铬铁合金熔敷涂层（汪选国.氩弧表面熔敷耐磨覆层工艺研究. 船海工程.2006，（4）：95~97）。该方法简单易行，但涂层质量不稳定，耐磨性比碳化物涂层差很多。

丛树林等为了进一步提高Fe55自熔性合金粉末熔敷层的耐磨性能，在Fe55合金粉末中添加了碳化钨、铬铁、碳化硅颗粒，利用中频感应加热在42CrMo钢表面进行熔敷。（丛树林，张博，李纯.中频熔敷WC、铬铁、SiC增强铁基复合层组织和耐磨性研究. 表面技术.2011,Vol.40(4):23-25）。空气中感应加热氧化严重，涂层质量不佳，而且其碳化钨添加量只有8%，耐磨性有限。

进一步检索文献发现，江西理工大学赵运财等公布了一种喷涂涂层耦合后处理方法，该技术对在工件上预先制备的喷涂涂层实施感应重熔，利用感应圈中的交变磁场在工件中产生涡流，涡流产生的热量使喷涂涂层软化，保证喷涂涂层的加热温度在喷涂涂层合金固相线以上10～30℃从而制备出合金涂层。该方法利用喷涂技术制备预涂层，再利用感应圈加热基体熔化预涂层，制备出的涂层厚度有限。

发明人在2012年曾申请一项专利：晏建武，张晨曙. 高含量碳化钨梯度耐磨涂层的渗透钎焊制备方法，国家发明专利，授权号：ZL201210541706.X。

上述专利与本专利内容优缺点对比如下：

1、该方法采用的加热方法是真空电阻炉加热，属于整体加热，而且位于加热有效区内的零件才能加热，对大型零件势必要求设备真空室很大才能满足要求，大型真空炉结构复杂，成本高昂，操作程序复杂，只适合小型零件，不适合大型零件。

本专利采用的感应加热方式只需要一个简易的真空室即可，不需要电阻真空炉那么复杂的真空系统、保温层，加热体。设备结构和操作程序都很简单，设备成本较低；

2、真空电阻炉中加热是整体加热，在钎焊时一千多度的高温下，待制备涂层的零件基体材料的硬度已全部丧失，降低了使用性能。

本专利采用的感应加热方式只是局部加热，只是基体表层的硬度有损失，整体硬度不变，能保持设计的机械性能。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有不足以摆动辗压机关键部件半球体与球座的研发为目标，提出了一种氩气保护感应加热制备摆碾机摆头所需碳化钨耐磨涂层的方法。

此技术由于采用感应局部加热方式，钎焊制备0.5-3.0mm厚碳化钨复合涂层，解决了炉中整体加热钎焊基体硬度下降的缺点，可取得良好的冶金结合界面，涂层与基体结合良好,可满足摆动辗压机关键部件半球体的使用要求。

采用BNi-2作为焊料，渗透钎焊法制备涂层。焊料从上面因毛细作用渗透进入碳化钨复合粉末层的孔洞中并渗透扩散进入基体金属形成涂层和基体金属冶金结合界面；

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明所述氩气保护感应加热制备摆碾机摆头所需碳化钨耐磨涂层的方法，包括以下步骤：

（1）将含有碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co、自熔性合金粉的糊状预制层用环氧树脂粘结剂黏贴在金属基体上；该糊状预制层可以是两层以上，不同层中的碳化钨WC、或者碳化钨-钴WC-Co的含量不同，从表面层到靠近钢基体的糊状预涂层，碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co的含量逐渐降低，形成碳化钨-钴含量梯度，以减小焊接应力；

所述糊状预制层的配方为：

（A）表面层糊状预制层中碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co、经机械合金化的自熔性合金粉按各物质按重量份各占：碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co 30-60份、经机械合金化的自熔性合金粉30-67份；树脂粘结剂共3-10份；

（B）次表面层糊状预制层中碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co、经机械合金化的自熔性合金粉按各物质按重量份各占：碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co 15-30份、经机械合金化的自熔性合金粉67-75份；树脂粘结剂3-10份；

（2）将经过球磨的BNi-2钎焊料制备成焊料糊状预制层黏贴在步骤1的含有碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co的糊状预制层上面；所述焊料糊状预制层中各物质按重量份各占：BNi-2钎焊料90-97；树脂粘结剂3-10份；

（3）制作出形状与摆碾机摆头涂层加热功率匹配的感应装置安装在简易焊接室中，自动升降装置可调节感应加热温度;用机械真空泵将简易焊接室粗抽真空达到小于5 Pa，然后充入小于0.05 Mpa 氩Ar气；

感应装置结构包括感应圈、仿形石墨加热体、保温层、固定卡套、支撑杆；

仿形石墨加热体为辅助加热源,感应圈中通过的交变电流产生的交变磁场在石墨加热体中产生涡流发热，石墨加热体升温后再加热所述摆碾机摆头的预制涂层，从而进行涂层的钎焊制备,保温层防止热量向周围导热和辐射传导，从而保证石墨加热体升温到加热源温度,固定卡套对石墨加热体和保温层起固定作用。

所述摆碾机摆头安装在自动升降装置中，位于感应加热装置下面,升降装置由定位支撑平台、丝杠、伺服电源、伺服电机组成，定位支撑平台与摆碾机摆头采用紧密配合，装配在真空装置的底部，定位支撑平台、精密丝杠都以Q235为材料,用按钮开关控制工件放置平台自由升降，以调节工件表面涂层的加热温度。

（4）所述感应加热的频率依据涂层厚度而定，输入中频或超音频交流电 0.5-20KHz；

（5）控制氩气保护感应加热供电电压和时间，制备含有碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co的涂层；

预加热：先低压反复送电加热，在大约300-400℃保持20 min-40 min，燃烧脱除糊状预制层中的粘结剂；燃烧后形成多孔碳化钨粒子结构层和多孔焊料层；

钎焊加热：在1010-1170℃反复送电加热，保持10 min-30 min，每加热1分钟，停止10秒钟。位于表层的BNi-2钎焊料熔化后渗透到含耐磨碳化钨粒子的多孔层中最终形成涂层。

本发明的有益效果是：与现有技术比较，本发明所采用的制备涂层方法，简便易行，容易实现，制备的涂层厚度大，耐磨性显著提高。

本发明具有如下显著特征与优点：

1、感应氩气保护加热方式可以实现局部加热，方便易行。

真空电阻炉加热会使基体加热到钎焊温度，使硬度降低到退火后的硬度，工作时强度太低，使用性能不佳。而本发明采用感应加热，周期短，成本低，不降低基体硬度，零件强度性能高。

2、涂层厚度较大并可方便调整。

根据使用要求,硬质涂层的厚度可在0.5～3mm之间调整，耐磨寿命可得到大幅度提高。而其它技术如电镀、热喷涂、表面氮化、碳氮共渗、离子注入、化学气相沉积及物理气相沉积等方法，其涂层厚度一般在0.5mm以下;

3、涂层的性能好而且使用性能可调。

通过调整硬质相的比例和成分,可以调整涂层的硬度及耐磨性能，例如增加碳化钨的含量可以提高贴面的耐磨性，改变自熔性合金的比例改善材料的腐蚀及耐高温性能等；

4、本发明技术采用氩气保护感应加热钎焊技术，钎焊料、粘结相与金属基体形成冶金结合界面，结合强度高于其他已有技术制备的涂层。

本发明所涉及的氩气保护感应加热制备摆碾机摆头所需碳化钨耐磨涂层，是一种在形状复杂金属工件表面制备复合涂层的新技术。当钎料层被加热到钎料熔化，液态钎料在母材表面润湿，铺展，通过毛细作用流动，并通过扩散作用将耐磨粒子与粘结相自熔性镍基合金及金属工件基体连接起来并与母材相互熔解和扩散实现零件间的冶金连接，涂层结合强度远高于机械结合的喷涂层。可显著提高金属表面的耐磨蚀性。适合于所有体积可装入氩气保护装置中的耐磨损部件的防磨，可大幅度提高耐磨蚀性能，解决一般的金属防护涂层厚度较薄、结合强度低的难题。克服以前的专利技术耐磨性能较低或成本太高的缺点。

附图说明

图1为氩气保护感应加热制备摆碾机摆头所需碳化钨耐磨涂层装置示意图;

图中:1.感应圈 2.保温层 3.仿形石墨加热体 4.固定卡套 5.预涂层 6.摆碾机摆头 7.支撑杆一 8.摆头定位装置 9.定位支撑平台 10. 支撑杆二 11. 密封杯 12.真空装置 13.丝杆 14.伺服电机;

图2为预涂层示意图;

图中:15.糊状钎料层 16.高碳化钨含量糊状预涂层(耐磨层) 17.低碳化钨含量糊状预涂层(过滤层) 18.钢基体。

具体实施方式

以下结合本发明实施例进行详细说明：

实施例1

本实施例所述的氩气保护感应加热制备摆碾机摆头所需碳化钨耐磨涂层的方法：包括以下步骤：

（1）将含有碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co、自熔性合金粉的糊状预制层用环氧树脂粘结剂黏贴在金属基体上；该糊状预制层可以是两层以上，不同层中的碳化钨WC、或者碳化钨-钴WC-Co的含量不同，从表面层到靠近钢基体的糊状预涂层，碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co的含量逐渐降低，形成碳化钨-钴含量梯度，以减小焊接应力；

所述糊状预制层的配方为：

（A）表面层糊状预制层中碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co、经机械合金化的自熔性合金粉按各物质按重量份各占：碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co 60份、经机械合金化的自熔性合金粉30份；树脂粘结剂共10份；

（B）次表面层糊状预制层中碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co、经机械合金化的自熔性合金粉按各物质按重量份各占：碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co 30份、经机械合金化的自熔性合金粉67份；树脂粘结剂3份；

（2）将经过球磨的BNi-2钎焊料制备成焊料糊状预制层黏贴在步骤1的含有碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co的糊状预制层上面；所述焊料糊状预制层中各物质按重量份各占：BNi-2钎焊料97；树脂粘结剂3份；

（3）制作出形状与摆碾机摆头涂层加热功率匹配的感应装置安装在简易焊接室中，自动升降装置可调节感应加热温度。用机械真空泵将简易焊接室粗抽真空达到小于5 Pa，然后充入小于0.05 Mpa 氩Ar气；

感应装置结构包括感应圈、仿形石墨加热体、保温层、固定卡套、支撑杆等；

仿形石墨加热体为辅助加热源,感应圈中通过的交变电流产生的交变磁场在石墨加热体中产生涡流发热，石墨加热体升温后再加热摆头的预制涂层，从而进行涂层的钎焊制备。保温层防止热量向周围导热和辐射传导，从而保证石墨加热体升温到加热源温度。固定卡套对石墨加热体和保温层起固定作用。

待加热摆碾机摆头安装在自动升降装置中，位于感应加热装置下面,升降装置由定位支撑平台、丝杠、伺服电源、伺服电机组成，定位支撑平台与摆碾机摆头采用紧密配合，装配在真空装置的底部，定位支撑平台、精密丝杠都以Q235为材料,用按钮开关控制工件放置平台自由升降，以调节工件表面涂层的加热温度；

（4）所述感应加热的频率依据涂层厚度而定，输入中频或超音频交流电 0.5-20KHz；

（5）控制氩气保护感应加热炉供电电压和时间，制备含有碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co的涂层；

预加热：先低压反复送电加热，在大约400℃保持20 min min，燃烧脱除糊状预制层中的粘结剂；燃烧后形成多孔碳化钨粒子结构层和多孔焊料层；

钎焊加热：在1170℃反复送电加热，保持10 min，每加热1分钟，停止10秒钟。位于表层的BNi-2钎焊料熔化后渗透到含耐磨碳化钨粒子的多孔层中最终形成涂层；

实施例2

本实施例所述的氩气保护感应加热制备摆碾机摆头所需碳化钨耐磨涂层的方法：包括以下步骤：

（1）将含有碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co、自熔性合金粉的糊状预制层用环氧树脂粘结剂黏贴在金属基体上；该糊状预制层可以是两层以上，不同层中的碳化钨WC、或者碳化钨-钴WC-Co的含量不同，从表面层到靠近钢基体的糊状预涂层，碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co的含量逐渐降低，形成碳化钨-钴含量梯度，以减小焊接应力；

所述糊状预制层的配方为：

（A）表面层糊状预制层中碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co、经机械合金化的自熔性合金粉按各物质按重量份各占：碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co 45份、经机械合金化的自熔性合金粉52份；树脂粘结剂共3份；

（B）次表面层糊状预制层中碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co、经机械合金化的自熔性合金粉按各物质按重量份各占：碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co 20份、经机械合金化的自熔性合金粉73份；树脂粘结剂7份；

（2）将经过球磨的BNi-2钎焊料制备成焊料糊状预制层黏贴在步骤1的含有碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co的糊状预制层上面；所述焊料糊状预制层中各物质按重量份各占：BNi-2钎焊料94；树脂粘结剂6份；

（3）制作出形状与摆碾机摆头涂层加热功率匹配的感应加热装置安装在简易焊接室中，自动升降装置可调节感应加热温度。用机械真空泵将简易焊接室粗抽真空达到小于5 Pa，然后充入小于0.05 Mpa 氩Ar气；

感应装置结构包括感应圈、仿形石墨加热体、保温层、固定卡套、支撑杆；

仿形石墨加热体为辅助加热源。感应圈中通过的交变电流产生的交变磁场在石墨加热体中产生涡流发热，石墨加热体升温后再加热摆头的预制涂层，从而进行涂层的钎焊制备。保温层防止热量向周围导热和辐射传导，从而保证石墨加热体升温到加热源温度。固定卡套对石墨加热体和保温层起固定作用。

待加热摆碾机摆头安装在自动升降装置中，位于感应加热装置下面,升降装置由定位支撑平台、丝杠、伺服电源、伺服电机组成，定位支撑平台与摆碾机摆头采用紧密配合，装配在真空装置的底部，定位支撑平台、精密丝杠都以Q235为材料。用按钮开关控制工件放置平台自由升降，以调节工件表面涂层的加热温度；

（4）所述感应加热的频率依据涂层厚度而定，输入中频或超音频交流电 0.5-20KHz；

（5）控制氩气保护感应加热炉供电电压和时间，制备含有碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co的涂层；

预加热：先低压反复送电加热，在大约350℃保持30 min，燃烧脱除糊状预制层中的粘结剂；燃烧后形成多孔碳化钨粒子结构层和多孔焊料层；

钎焊加热：在1100℃反复送电加热，保持20 min，每加热1分钟，停止10秒钟。位于表层的BNi-2钎焊料熔化后渗透到含耐磨碳化钨粒子的多孔层中最终形成涂层；

实施例3

本实施例所述的氩气保护感应加热制备摆碾机摆头所需碳化钨耐磨涂层的方法：包括以下步骤：

（1）将含有碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co、自熔性合金粉的糊状预制层用环氧树脂粘结剂黏贴在金属基体上；该糊状预制层可以是两层以上，不同层中的碳化钨WC、或者碳化钨-钴WC-Co的含量不同，从表面层到靠近钢基体的糊状预涂层，碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co的含量逐渐降低，形成碳化钨-钴含量梯度，以减小焊接应力；

所述糊状预制层的配方为：

（A）表面层糊状预制层中碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co、经机械合金化的自熔性合金粉按各物质按重量份各占：碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co 30份、经机械合金化的自熔性合金粉67份；树脂粘结剂共3份；

（B）次表面层糊状预制层中碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co、经机械合金化的自熔性合金粉按各物质按重量份各占：碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co 15份、经机械合金化的自熔性合金粉75份；树脂粘结剂10份；

（2）将经过球磨的BNi-2钎焊料制备成焊料糊状预制层黏贴在步骤1的含有碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co的糊状预制层上面；所述焊料糊状预制层中各物质按重量份各占：BNi-2钎焊料90；树脂粘结剂10份；

（3）制作出形状与摆碾头涂层加热功率匹配的感应装置安装在简易焊接室中，自动升降装置可调节感应加热温度。用机械真空泵将简易焊接室粗抽真空达到小于5 Pa，然后充入小于0.05 Mpa 氩Ar气；

感应装置结构包括感应圈、仿形石墨加热体、保温层、固定卡套、支撑杆等；

仿形石墨加热体为辅助加热源,感应圈中通过的交变电流产生的交变磁场在石墨加热体中产生涡流发热，石墨加热体升温后再加热摆碾机摆头的预制涂层，从而进行涂层的钎焊制备。保温层防止热量向周围导热和辐射传导，从而保证石墨加热体升温到加热源温度。固定卡套对石墨加热体和保温层起固定作用。

待加热摆头安装在自动升降装置中，位于感应加热装置下面,升降装置由定位支撑平台、丝杠、伺服电源、伺服电机组成，定位支撑平台与摆碾机摆头采用紧密配合，装配在真空装置的底部，定位支撑平台、精密丝杠都以Q235为材料。用按钮开关控制工件放置平台自由升降，以调节工件表面涂层的加热温度；

（4）所述感应加热的频率依据涂层厚度而定，输入中频或超音频交流电 0.5-20KHz；

（5）控制氩气保护感应加热炉供电电压和时间，制备含有碳化钨WC或者碳化钨-钴WC-Co的涂层；

预加热：先低压反复送电加热，在大约300℃保持40 min，燃烧脱除糊状预制层中的粘结剂；燃烧后形成多孔碳化钨粒子结构层和多孔焊料层；

钎焊加热：在1010℃反复送电加热，保持30 min，每加热1分钟，停止10秒钟。位于表层的BNi-2钎焊料熔化后渗透到含耐磨碳化钨粒子的多孔层中最终形成涂层。