专利名称：一种WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铁基超硬复合材料及其制备方法，更特别的是一种无磁、耐磨、耐腐 蚀的WC—FeNiCr的涂层材料及其在金属机械零部件上制成无磁、超硬、耐磨、耐腐蚀的 涂层的方法。
技术背景在航空、航天、石油、地质勘探、机械、化工等工业中，存在大量摩擦磨损运动副无 磁金属机械零部件在腐蚀、磨损等条件下承受剧烈的摩擦磨损，要求这些零部件同时具有 优异的耐磨性能、良好的耐腐蚀性能及优良的无磁性能等使用性能配合。采用表面工程手段，在奥氏体不锈钢、无磁钢、铝合金、钛合金、铜合金等无磁材质 制作成的零部件表面制备一层超硬耐磨无磁复合材料，是解决和提高运动副零部件耐磨性 能、耐蚀性能等性能最有效和最经济的措施之一，是解决金属机械运动副零部件表面上制 成无磁耐磨涂层，实现零部件表面强化和修复的最有效方法。目前实际应用当中使用的无磁涂层材料主要有两种， 一种是不含wc的无磁粉末材料，其主要化学成分为Cr: 20%、 Mn: 4%、 Fe: 18%、 Ni: 50%、 Mo: 6%;另一种是含有 WC的无磁粉末材料，其主要化学成分为Cr: 4%、 Fe: 2%、 Ni: 79%、 W: 14%。以上两 种材料属于镍基的无磁材料且WC含量较低，抗磨粒磨损性能较差，大大影响工件的使用 寿命。在涂层制备技术方面，等离子喷涂、火焰喷涂、高速火焰喷涂、爆炸喷涂等热喷涂方 法制备的涂层，组织存在疏松，孔隙率较高，特别是涂层金属零件界面结合为机械结合界 面结合强度低，涂层在承受剧烈摩擦时容易脱落。激光熔覆方法制备涂层存在组织细小、 成分均匀、涂层致密，涂层与基体之间为冶金结合等特点，是制备高性能优质涂层的最佳 方法之一。 发明内容本发明所要解决的问题是克服上述材料中存在的问题，提供一种碳化钨含量较高(20 —60%)的WC—FeNiCr超硬无磁涂层复合材料及其制备方法，大大提高材料的抗磨损性本发明的一种WC—FeNiCr超硬无磁涂层复合材料，属于铁基复合材料，其特征在于: 包含W、 Fe、 Ni、 Cr等元素，其化学成分为W: 20 60wt%、 Fe: 19 55 wt°/。、 Ni: 12 16wt%、 Cr: 5 13wt%，其组织结构由WC、 W2C、奥氏体、FeCr等无磁相组成。本发明的一种WC—FeNiCr超硬无磁涂层复合材料的制备方法，其特征在于，包括如 下步骤(1) 按上述化学百分比选取原料；(2) 采用离心雾化、氩气雾化或等离子旋转电极雾化的方式得到FeNiCr合金粉末， 称量碳化钨粉末以及FeNiCr合金粉末，其中WC粉末质量百分比20 60%，所述的碳化 钨粉末可以是块状、絮状、球状，将碳化钨粉末以及FeNiCr合金粉末过筛，使得粉末粒 度为120 325目；(3) 将上述碳化钨粉末与FeNiCr合金粉末混合，在球磨机里面混合2小时；(4) 选取机械零部件载体，利用激光熔覆法，在机械零件表面上制备成涂层，设置 激光输出功率2.0 4.5KW，圆光斑尺寸为3—6mm (或矩形光斑lx8mm)，光束扫描速度 为150 400mm/min，激光熔覆过程采用流量为20L/min的氩气保护。激光熔覆层组织均匀致密、无裂纹、无气孔，同零件基材之间为完全冶金结合。步骤(4)所述的在机械零件表面上制备成涂层的方法，还可以采用等离子熔覆、等 离子喷涂、热喷涂等方法。步骤(4)所述的机械零部件载体可选取奥氏体不锈钢、无磁钢、铝合金、钛合金、 铜合金等无磁材质制作成的零部件。本发明可用于在金属机械运动副零部件表面上制成无磁耐磨涂层，实现零部件表面强 化和修复。本发明材料的相对磁导率在1.005^u^l.036之间，显微硬度HV卯0—1800， 25。C盐雾 腐蚀的腐蚀率小于0.5g/m2 h。步骤(2)中所述的合金粉末，可采用离心雾化、氩气雾化、等离子旋转电极雾化等 方法制备成，然后与碳化钨颗粒混合得到混合粉末，利用激光熔覆、热喷涂、等离子熔覆、堆焊等方法在奥氏体不锈钢、无磁钢、铝合金、钛合金、铜合金等无磁材质制作成的零部 件表面上制成无磁耐磨涂层。同时，也可以采用单元素粉末与WC颗粒制备成混合料，采 用激光熔覆等方法在氩气保护条件下制备无磁耐磨耐蚀涂层。该超硬无磁涂层可应用于石 油、化工、冶金、电力、航空航天等工业装备中无磁零部件的表面改性和修复。
图1是激光熔覆WC—FeNiCr超硬无磁涂层复合材料SEM照片 图2是激光熔覆WC—FeNiCr超硬无磁涂层复合材料EDS谱线 图3是激光熔覆WC—FeNiCr超硬无磁涂层复合材料XRD谱线 图4是激光熔覆WC—FeNiCr超硬无磁涂层复合材料硬度分布曲线 图5是激光熔覆无磁硬质合金3#样品磁化曲线 图6是激光熔覆无磁硬质合金3#样品磁滞回线具体实施方式
实施例1(1) 选取典型的WC—FeNiCr超硬无磁涂层复合材料配方，W质量百分比为40。/。， Fe为36%， Cr为9%， Ni为15%。(2) 采用氩气雾化的方式得到FeNiCr合金粉末，采用精度为O.lmg的电子天平称量 碳化钨粉末以及FeNiCr合金粉末，粉末粒度为120 325目。(3) 将上述碳化鸨颗粒与FeNiCr合金粉末混合料，在球磨机里面混合2小时。(4) 选取无磁钢N1310作为基体材料，利用激光熔覆法，在机械零件表面上制备成 涂层，设置激光输出功率2.0 4.5KW，圆光斑尺寸为3—6mm (或矩形光斑lx8mm)，光 束扫描速度为150 400mm/min，激光熔覆过程采用流量为20L/min的氩气保护。下面对本实施例得到的WC—FeNiCr无磁涂层复合材料进行组织结构分析及各种性能 测试，说明其性能的优越性。 1、组织结构分析用LEO1450扫描电境进行涂层形貌与化学成分分析，无磁涂层典型的形貌如图1所示， 可以看到WC硬质相弥散分布于涂层中。对涂层进行成分分析，结果如图2所示。采用X射线衍射仪(D8 ADVANCE)对耐磨复合材料进行物相组成成分分析，如图3所示。X射 线衍射分析结果表明，涂层材料的主要组织组成相为WC、 W2C、奥氏体、FeCr等无磁相 组成。2、 腐蚀实验将无磁涂层材料在BY—120C盐水喷雾试验机上进行腐蚀试验，得到涂层材料的腐蚀 率为0.49g/tr^h (测试条件25'Cxl68h)，具有优良的耐腐蚀性能。3、 显微硬度用HXD-1000型显微硬度计进行硬度测试，沿垂直于熔覆层方向间隔50um进行多点 测试，载荷为100g，加载时间为15s。激光熔覆无磁涂层复合材料的硬度很高，硬度范围 在HV900—1800，硬度分布曲线如图4所示，由于碳化钨硬质相的存在，硬度波动很大4、 磁性能检测在Lake Shore7410型振动样品磁强计进行WC—FeNiCr材料磁性能测试，得到材料的 相对磁导率为1.005。同时，该材料的磁化曲线和磁滞回线分别如图5和图6所示。以上数据均说明激光熔覆制备的WC—FeNiCr涂层为无磁超硬复合材料。 实施例2选取典型的WC—FeNiCr超硬无磁涂层复合材料配方，W质量百分比为20%， Fe为 55%， 0为13%， Ni为12M。基体材料为316L无磁不锈钢，涂层制备方法及激光熔覆等 过程同实施例1。经检测，涂层组织为WC、 W2C、奥氏体、FeCr等无磁相组成。涂层材料的腐蚀率为 0.47g/m2.h (测试条件25。Cxl68h)。材料的相对磁导率为1.005。 实施例3选取典型的WC—FeNiCr超硬无磁涂层复合材料配方，W质量百分比为60%， Fe为 19%， Cr为5%， Ni为16%。基体材料为钛合金Ti6A14V，涂层制备方法及激光熔覆等过 程同实施例1。经检测，涂层组织为WC、 W2C、奥氏体、FeCr等无磁相组成。涂层材料的腐蚀率为 0.50g/m24i (测试条件25'0168h)。材料的相对磁导率为1.010。本发明的无磁材料可广泛应用于提高航空航天、石油、化工、电力、能源、有色金属 冶金、钢铁冶金等工业装备中无磁零部件和常规零部件的表面改性和修复。
权利要求
1.一种WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料，属于铁基复合材料，其特征在于包含W、Fe、Ni、Cr等元素，其化学成分为W20～60wt％、Fe19～55wt％、Ni12～16wt％、Cr5～13wt％，其组织结构由WC、W2C、奥氏体、FeCr等无磁相组成。
2. 根据权利要求1所述的一种WC—FeNiCr超硬无磁涂层复合材料的制备方法，其 特征在于，包括以下步骤(1) 按权利要求l中所述的化学百分比选取原料；(2) 采用离心雾化、氩气雾化或等离子旋转电极雾化的方式得到FeNiCr合金粉末， 称量碳化钨粉末以及FeNiCr合金粉末，其中WC粉末质量百分比20 60%，所述的碳化 钨粉末可以是块状、絮状、球状，将碳化钩粉末以及FeNiCr合金粉末过筛，使得粉末粒 度为120 325目；(3) 将上述碳化钨粉末与FeNiCr合金粉末混合，在球磨机里面混合2小时；(4) 选取机械零部件载体，利用激光熔覆法，在机械零件表面上制备成涂层，设置 激光输出功率2.0 4.5KW，圆光斑尺寸为3—6mm，或矩形光斑lx8mm，光束扫描速度 为150 400mm/min，激光熔覆过程采用流量为20L/min的氩气保护。
3. 根据权利要求2所述的一种WC—FeNiCr超硬无磁涂层复合材料的制备方法，其 特征在于步骤(4)所述的在机械零件表面上制备成涂层的方法，还可以采用等离子熔 覆、等离子喷涂、热喷涂等方法。
4. 根据权利要求2所述的一种WC—FeNiCr超硬无磁涂层复合材料的制备方法，其 特征在于步骤(4)所述的机械零部件载体可选取奥氏体不锈钢、无磁钢、铝合金、钛 合金、铜合金等无磁材质制作成的零部件。
5. 根据权利要求1、 2所述的一种WC—FeNiCr超硬无磁涂层复合材料及其制备方法， 其特征在于可用于在金属机械运动副零部件表面上制成无磁耐磨涂层，实现零部件表面 强化和修复。
6. 根据权利要求1、2所述的一种WC—FeNiCr超硬无磁涂层复合材料及其制备方法， 其特征在于制备而成的复合材料的相对磁导率在1.005Su《1.036之间，显微硬度HV900 —1800， 25'C盐雾腐蚀的腐蚀率小于0.5g/m2 h。
全文摘要
一种WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料及其制备方法，属于表面涂层技术领域。本发明的WC-FeNiCr超硬无磁涂层复合材料，具有较高(20-60％)的碳化钨，大大提高材料的抗磨损性能。其化学成分为W20～60wt％、Fe20～55wt％、Ni13～17wt％、Cr5～13wt％，其组织结构由WC、W<sub>2</sub>C、奥氏体、FeCr等无磁相组成。其制备方法主要包括选料、制备合金粉末、球磨、选取机械零部件载体、利用激光熔覆法在机械零件表面上制备成涂层几个步骤。本发明可用于在金属机械运动副零部件表面上制成无磁耐磨涂层，实现零部件表面强化和修复。机械零部件载体可选取奥氏体不锈钢、无磁钢、铝合金、钛合金、铜合金等无磁材质制作成的零部件。
文档编号C23C24/10GK101403085SQ200810226109
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月14日 优先权日2008年11月14日
发明者左铁钏, 杨胶溪, 陈中强 申请人:北京工业大学