专利名称：碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉及其生产工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种碳化钨硬质合金粉末和它的生产工艺。
通常，为了延长机械的使用寿命，要把机件的有关工作表面硬化、强化。使机械表面硬化、强化的方式很多。例如，化学气相沉积法(CVD)、物理气相沉积法(PVD)、物理化学气相沉积法(PCVD)等的涂层，硬质合金焊条或铸造碳化钨焊条的堆焊，贴面硬质合金以及硬质合金粉末的热喷焊(涂)等等。
CVD、PVD、PCVD等涂层法，主要用于工具、模具表面的硬化，其涂层厚度小于30μm。它们不便于用在较大的各类工件及要求较厚硬化层的场合。
硬质合金焊条、铸造碳化钨焊条，一般适用于耐磨零件的表面堆焊，焊层厚度1～5mm，焊层硬度HRC≥58～65。铸造碳化钨焊层硬度较高，但是，易出现例如Fe3Co3C等Me6C脆性相，抗冲击性能差。因此，在焊层较薄，要求硬度高、抗冲击性强的情况下，不便使用。
贴面硬质合金可用在地质、油田钻具如扶正器上，但有可能出现某一块硬质合金脱落，尚难以应用于形状复杂的或弯曲的机械部件表面。
硬质合金粉末的热喷焊(涂)，是20世纪50年代以来发展的使机械表面硬化、强化的技术。这种热喷焊(涂)技术及相关的热喷焊(涂)设备进步很快。例如，高能等离子喷涂、真空等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂等，比已有的氧一乙炔焰喷涂更能改进涂层性能，而且硬质合金热喷焊(涂)粉制造方便。
硬质合金热喷焊(涂)粉的种类及其性能，随生产方法、成份等的改变而不同。例如，名称为“碳化钨喷焊粉的配方及其用途”的CN1031956A号中国专利说明书中，介绍了由重量含量为70～80％的碳化钨(WC)与一定比例的镍(Ni)、铬(Cr)、硼(B)、硅(Si)、碳(C)、铁(Fe)组合成的WC喷焊粉。其成份中的硬质相WC以外的添加剂，起着提高焊粉自熔性和改善润湿性的作用。该喷焊粉用氧一乙炔焰喷涂、沉积在钢材工件表面，用于砖瓦机械及配件耐磨表面强化处理。该喷焊粉是WC与镍基合金粉(Ni-Cr-B-Si)等的组合型粉末，其中未含有粘结金属钴(Co)。该专利没有介绍其它喷焊粉的生产工艺。
已有的钴包碳化钨粉的生产方法是把WC粉与钴盐溶液放在压力为35Kg/cm(2432KPa)和温度为175～200℃的高压釜中，向该高压釜内通入氢气，使碳化钨颗粒表面包覆一层钴。但是，这样生产的钻包WC粉末产品的成份不稳定。
本发明的目的是提供一种既适合氧一乙炔焰喷涂又适合超音速火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等热喷焊(涂)方式使机械表面硬化、强化的，化学成份稳定的碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉。
本发明的另一目的是提供用于一种既适合氧一乙炔焰喷涂又适合超音速火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等热喷焊(涂)方式使机械表面硬化、强化的，化学成份稳定的碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉的生产工艺。
本发明的碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉是由碳化钨为硬质相，化学元素周期表VIII类副族的铁系元素为粘结相构成的，其特征在于，所述的喷焊(涂)粉的粘结相是铁系元素Fe、Co、Ni中的一种以上(包括一种)金属，并且可以向该喷焊(涂)粉中加入IV、V、VI类副族的金属及这些金属的碳化物、氮化物、碳氮化物中的一种以上(包括一种)物质作为添加剂，也可以不加添加剂。
本发明的碳化钨基硬质合金喷喷(涂)粉中的硬质相碳化钨含量和粘结相铁系元素Fe、Co、Ni中的一种以上(包括一种)金属含量，分别占该喷焊(涂)粉重量的70～99％和1～30％。增加硬质相的含量，可提高该喷焊(涂)粉的硬度，增强其粉末喷焊(涂)层的抗磨损性能。改变粘结相的铁系元素及其含量，也可提高该喷焊(涂)层与基材的结合强度和改善焊合工艺性能等。
本发明的碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉中作为添加剂加入的是IV、V、VI类副族的金属Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo及这些金属的碳化物如NbC、TaC、Cr3C3等，氮化物如TiN、ZrN、CrN等，碳氮化物如TiCN等中的一种以上(包括一种)物质，这些金属的碳化物还包括与碳化钨形成的复式碳化物形态如TiWC、VWC等物质。
本发明的碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉中作为添加剂加入的IV、V、VI类副族的金属Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo及这些金属的碳化物、氮化物、碳氮化物中的一种以上(包括一种)物质的含量，占该喷焊(涂)粉重量的20％以下。
上述的那些添加剂可以细化WC晶粒，提高硬度，矫顽磁力，改善碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉的涂层高温耐磨损性。表1的数据，说明一部分添加剂对本发明的WC-Co硬质合金喷焊(涂)粉的几种物理性能的影响。
表1添加剂对喷焊(涂)粉的影响合金喷焊 添加剂，％ 密度 硬度 矫顽磁力 抗弯强度代号(涂)粉名称 TaC TiCN TN Cr g/cm2HRA KA/m N/m m2461WC-12％Co 1 14.0 87.28.71838462WC-12％Co113.89 86.88.41801463WC-12％Co 1 14.05 87.48.31889473m WC-12％Co114.01 87.49.31778574WC-10％Co413.82 89.611.3 1114本发明的碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉的粒度在1000μm以下，一般是300μm以下，最好是在5～27μm之间；可以分为15～45μm，62～104μm，150～276μm等多种粒级的均匀粉末。
本发明的碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉的部分实例的成份与物理性能列于表2中。
表2部分合金粉的成份(％)与性能粉末牌号总碳量* 游离碳* FeO W A.D** V*** 粒度.μmWC-Co12％5.2 0.2 0.5 0.15 余 5.81645～104WC-Co17％4.7 0.150.5 0.15 余 5.32045～104WC-Ni12％5.2 0.2 0.5 0.15 余 4.822＜45WC-Co10-Cr4 5.3 0.3 ≤1 0.20 余 5.25 19.5 ＜45*总碳量包括游离碳与化合碳(下同)**A.D是松装密度，其单位是g/cm2(下同)***V是流速，其单位是sec/50g(下同)
用于本发明的一种碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉的生产工艺，是把硬质相的碳化钨、粘结相铁系元素Fe、Co、Ni中的一种以上(包括一种)金属及添加剂等组份按比例称重，经干混合或球磨等手段混合1～72小时，达到物料均匀分散，将混合料压制成片、块状或者制粒后进行高温烧结，烧结制品再被机械或气体粉碎成粉末，筛分、分级成产品，其特征在于，高温烧结既能在真空中又能在特定气体中进行，特定气体是惰性气体和氢气、氨气等还原气体中的一种；烧结温度为1200～1600℃，最好是1250～1500℃；烧结时间为10～90分钟，最好是30～60分钟。粉碎、分级设备包括颚式破碎机、对辊破碎机、球磨机、高细风选粉碎机、回转冲击粉碎机、超音速气流粉碎机、水平圆盘式气流粉碎机、流化床式气流粉碎机、循环管式气流粉碎机、筛分机和气流分级机等，可以使用它们中的一种以上(包括一种)设备进行粉(破)碎、分级。这样生产的粉末粒度可达到100μm以下，通常在300μm以下可以筛分、分级为15～45μm，62～104μm，125～276μm等多种粒级的均匀粉末这样制得的本发明碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉的粒度分布窄(如
图1和图2所示)，化学成分稳定，流动性好，沉积率高，既适合氧一乙炔焰喷涂又适合超音速火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等热喷焊(涂)方式对硬质合金喷焊(涂)粉的要求，形成的涂层厚度均匀，细密而且硬度高，涂层抗磨损、耐腐蚀。
图1是本发明的碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉之一例WC-Co 12％粉的45～104μm级粉末放大1000倍的扫描电子显微镜照片。
图2是本发明的碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉之一例WC-Co 12％粉的22～45μm级粉末的粒度分布曲线，借助于等离子产生的7000～20000℃高温或超音速火焰(≥2700℃，气流速度1000m/sec)等热源及相关设备，又由于本发明的喷焊粉中的粘结相金属的熔点(例如镍与钴的熔点分别是1535℃和1540℃)比火焰温度低很多以及气流速度高，粘结相的金属呈熔融态，能够将本发明的喷焊粉均匀地喷焊(涂)在机械表面上，其涂层厚度在数十微米至数毫米之间，通常是0.1～1mm。
由于本发明的碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉中粘结相的铁系元素Fe、Co、Ni的性能不同，以及添加剂对该喷焊(涂)粉性质的改善，可以选择不同成份的本发明喷焊(涂)粉，应用于不同场合。
例如，含Ni量1～30％的WC粉的耐蚀性能优越且无磁性；含Co量0～25％的WC粉的耐磨损、耐高温、抗微振等性能优良；WC-Co-Cr粉末既抗磨损又耐海水腐蚀。
这样，可以从实际应用要求出发，对本发明的碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉的成分、各成分含量及粉末粒度或粉末的涂层厚度等进行选择调整，能够满足不同行业的需要。
下面再列举一些例子进一步说明本发明，但是，本发明不限于这些具体实例。
例一称取C含量6.14％且平均粒度4μm的WC粉860g，平均粒度2μm的钴粉120g，总碳量6.2％且平均粒度30μm的碳化钽20g，球磨16小时，压制成块状或片状例如φ60×8mm，在真空度为20Pa和温度为1420℃条件下烧结1小时，经破碎和/或气流粉碎，得到的粉末具有下列化学成分(％)和性能。Co总碳量O A.DV粒度，μm11.8 5.20＜0.14 5.81845～104此例物料按常规试样烧结，所得硬质合金的物理性能是密度为14.21g/cm3，硬度HRA为87.2，矫顽磁力为7.4KA/m，抗弯强度为1948N/mm2。
例二称取C含量5.84％且平均粒度22.1μm的镍粉170g以及NbC、Cr3C2共7g，其中NbC之总碳量11.5％、平均粒度3μm，Cr3C2之总碳量13.0％、平均粒度8μm；把它们干混48小时，压制成40×20×8mm的块状，放在以氧化铝/氧化镁为填料的氢气烧结炉中，在温度1430℃下烧结90分钟，再粉碎，得到的粉末的化学成分(％)及物理性能如下。Ni 总碳量O A.DV粒度，μm16.75 4.60 ＜0.2 4.822 ＜45例三改变粘结相的种类和含量(％)，按例一的生产工艺，得出的以WC为硬质相的本发明的喷焊(涂)粉具有如下成分(％)和性能粉末代号 粘结相及其含量 总碳量 O Fe A.D V T.D*9512 Ni 12％5.15 0.050.55.30 18-9513 Co+Ni 12％5.20 0.100.55 5.40 20-9514 Fe 4％ 5.50 0.064.06.03 166.54*T.D是摇实密度，其单位为g/cm3例四按例一的生产工艺得到的WC-Co6％-Cr8％硬质合金，经粉碎、分级加工后的15～50μm的粉末具有总碳量5.59％、O量0.15％、V为21.7sec/50g、A.D为5.20g/cm3。此粉末的涂层维氏硬度≥1000Kg/mm2，抗磨损、耐腐蚀性能优良。
例五按本发明的生产工艺得到的表2所列牌号WC-Co12％硬质合金粉末22.5～45μm级产品，用Jet KetoII型超音速火焰喷涂，沉积率为65～70％，得到的涂层具有厚度0.5mm，涂层显微硬度Hm＝1150kg·mm2，涂层表面粗糙度Ra＝0.02mm，研磨后的Ra＝0.0008mm。
例六按本发明的生产工艺得到的表2所列牌号WC-Co12％硬质合金粉末50μm级产品，使用TAFA型超音速火焰喷涂，沉积率为70％，得到的涂层厚0.10～0.30mm，涂层硬度Hv200为1100kg/mm2，结合强度为7.5kg/mm2，涂层密度为14.0g/cm3，孔隙度为1.0％，涂层光洁度即表面粗糙度Ra＝0.025～0.037mm。此涂层具有良好的抗磨损、耐腐蚀性；用于油田泥浆泵柱塞和金属拉丝机塔轮等，工件寿命延长。
权利要求
1.一种碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉，由碳化钨为硬质相，化学元素周期表VIII类副族的铁系元素为粘结相构成，其特征在于，所述的喷焊(涂)粉的粘结相是铁系元素Fe、Co、Ni中的一种以上(包括一种)金属，并且可以向该喷焊(涂)粉中加入IV、V、VI类副族的金属及这些金属的碳化物、氮化物、碳氮化物中的一种以上(包括一种)物质作为添加剂，也可以不加添加剂。
2.按照权利要求1所述的碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉，其特征在于，该喷焊(涂)粉中的硬质相碳化钨含量和粘结相铁系元系Fe、Co、Ni中的一种以上(包括一种)金属含量，分别占该喷焊(涂)粉重量的70％～99％和1～30％。
3.按照权利要求1和2所述的碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉，其特征在于，向该喷焊(涂)粉中作为添加剂加入的是IV、V、VI类副族的金属Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo及这些金属的碳化物如NbC、TaC、Cr3C2等，氮化物如TiN、ZrN、CrN等，碳氮化物如TiN等中的一种以上(包括一种)物质，这些金属的碳化物还包括与碳化钨形成的复式碳化物形态如TiWC、VWC等物质。
4.按照权利要求1和3所述的碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉，其特征在于，向该喷焊(涂)粉中作为添加剂加入的IV、V、VI类副族的金属Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo及这些金属的碳化物、氮化物、碳氮化物中的一种以上(包括一种)物质的含量，占该喷焊(涂)粉重量的20％以下。
5.按照权利要求1所述的碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉，其特征在于，该喷焊(涂)粉的粒度在1000μm以下，一般是300μm以下最好是在5～276μm之间。
6.一种用于权利要求1所述的碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉的生产工艺，是把硬质相的碳化钨、粘结相的铁系元素Fe、Co、Ni中的一种以上(包括一种)金属及添加剂等组份按比例称重，经千混或球磨等手段混合1～72小时，达到物料均匀分散，将混合料压制成片、块状或者制粒后进行高温烧结，烧结制品再被机械或气体破碎成粉末，筛分、分级成产品，其特征在于，高温烧结既能在真空中又能在特定气体中进行；烧结温度为1200～1600℃，最好是1250～1500℃；烧结时间为10～90分钟，最好是30～60分钟。
7.按照权利要求6所述的用于碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉的生产工艺，其特征在于，所说的特定气体是惰性气体和氢气、氨气等还原气体中的一种。
全文摘要
一种碳化钨基硬质合金喷焊(涂)粉及其生产工艺,该粉以碳化钨为硬质相,以铁系元素中的一种以上的粘结相,可加入Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族的金属及其碳化物、氮化物、碳氮化物中的一种以上物质作添加剂。用于该粉的生产工艺是:称取各组分,再混合均匀,把混合料成型或制粒后在1200～1600℃的真空中或氢气、氨气、惰性气体中烧结,烧结品被粉碎至1000μm以下。这种粉粒度分布窄、成分稳定、硬度高,适于要求耐磨、耐腐蚀、耐高温机械表面强硬化。
文档编号C23C4/10GK1174247SQ9710755
公开日1998年2月25日 申请日期1997年6月14日 优先权日1997年6月14日
发明者邓勇 申请人:邓勇