一种在金属基材表面熔覆碳化钨覆层的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料表面工程领域，尤其是涉及一种在金属基材表面熔覆碳化钨覆层的方法。
【背景技术】
[0002]在现代的日常生活和工业生产中，金属材料的使用占据着重要地位，但在机械零部件和工程构件的长期使用中，金属材料的磨损和腐蚀会严重导致其功能失效，给生活与生产带来隐患。腐蚀将会导致金属零部件材料的大量损失，磨损则在机械应用中导致重要运动部件的裂纹萌生、相互粘结等，成为运动零部件失效的主要形式之一，在损耗材料的同时，也浪费了大量资源，造成了非常严重的经济损失。颗粒增强金属基复合材料作为一种高性能、低成本的金属基复合材料，长期以来，人们从实际应用出发，对碳化钨材料进行大量研宄，尤其对其高温摩擦学性能的研宄取得了一定的成果，被认为是应用范围最广、开发和应用前景最大的一类金属基复合材料，国外目前已用于航空、航天、军械、汽车、农机、电子、体育等行业。
[0003]中国专利CN 101054670A公布了一种在金属表面上利用激光熔覆高硬度碳化钨涂层的方法。首先将制备的介孔结构空心球状碳化钨粉末与吸光剂均匀混合，并作为预置涂层的材料涂覆于金属基体材料表面上，然后控制合适的条件通过激光熔覆，即得所述的高硬度碳化钨涂层。该发明提出的方法工艺简单，控制简便，得到的碳化钨熔覆层硬度高、耐磨性优良，并且在高硬度下不会出现裂纹，熔覆层韧性好。但是该专利在复杂表面以及内腔膜层成型方面受到很大限制，需要特殊工装，甚至根本无法实现。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了是克服热喷涂、等离子喷涂、PVD和CVD等表面工程技术中难以克服的膜厚和连续成膜问题，而提出一种在金属基材表面熔覆碳化钨覆层的方法。
[0005]本发明通过预成型制备碳化钨增强特种金属片层，附着在金属基材表面，熔烧成型，为金属基材表面覆盖坚硬的防护层，增强耐磨损和耐腐蚀性能，提高金属基材零件在严重磨粒磨损和腐蚀工况条件下的使用寿命。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]一种在金属基材表面熔覆碳化钨覆层的方法，包括以下步骤:
[0008](I)碳化钨合金覆层预先成膜:将碳化钨粉末和特种金属合金粉末混合均匀后，加入成膜剂，并将粉末轧制成扁平布状，得到碳化钨合金覆层，该碳化钨合金覆层的厚度决定了金属基材表面熔覆的碳化钨覆层的厚度；
[0009](2)使用胶黏剂或使用机械夹持方法将碳化钨合金覆层粘在金属基材表面；
[0010](3)将带有碳化钨合金覆层的金属基材在真空炉熔烧，将包括胶黏剂与成膜剂在内的有机物脱除，同时合金粉末熔结成型，紧固包覆碳化钨颗粒，覆层与金属基材通过固溶扩散层形成冶金结合，熔烧完成后空气冷却；
[0011](4)对步骤(3)处理后的金属基材进行后续热处理。
[0012]步骤(I)中，所述的特种金属合金粉末包括镍基和钴基合金。
[0013]步骤(I)中，碳化钨重量百分比控制在55%?80%，特种金属合金粉末重量百分比控制在45%?20%。
[0014]步骤⑴中，所述的成膜剂包括聚四氟乙烯、石蜡或松香。
[0015]步骤(I)中，所述的成膜剂的加入量占碳化钨粉末和特种金属合金粉末总重量的1%?10%，优选为小于5%。
[0016]步骤(3)中，综合考虑成膜剂的脱除、金属材料的热处理限制、膜层材料的熔接等情况，在保证膜层熔接的同时，也保证后续热处理工序的顺利进行，因此设定熔烧工艺曲线为:温升速率3-10°C /min，到300_450°C，并保温3?5小时，然后以3_10°C /min的温升速度升温至700-900 °C，然后以2-6 °C /min的升温速度升温至900 °C?1280°C，保温3_15min，然后停止加热，随炉冷却至200°C以下。
[0017]步骤(4)所述的后续热处理根据金属基材的材质不同与选用不同的热处理工艺。当所述的金属基材为45号钢时，步骤(4)所述的后续热处理工艺为:采用水淬，淬火温度840 °C，然后高温回火560 0C，保温Ih然后出炉水冷。
[0018]与现有技术相比，本发明采用碳化钨陶瓷颗粒增强镍基、钴基等合金材料，并将该材料作为覆层熔烧到金属基材表面，在金属基材表面制得的碳化钨合金覆层既有较高的硬度(硬度可以达到60HRC以上，孔隙率低于0.5% )、又有优异的耐磨性和耐腐蚀性，特别适用于提高金属工件的表面硬度和耐磨性，满足军工、海工、机械、汽车、航空航天、化工等领域的需求。本发明工艺简单易行，并适用于复杂形状的金属件。
【附图说明】
[0019]图1为在金属基材表面熔覆碳化钨覆层前后碳化钨覆层变化示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0021]实施例
[0022]45号钢表面熔烧镍基碳化钨覆层工艺，包括以下步骤:
[0023]1.镍基碳化钨组分重量百分比为:镍基合金粉末35%，碳化钨65%，碳化钨粉末粒度大小为30?50 μ m，镍基合金粉末的粒度大小50?100 μ m。
[0024]2.将上述金属粉末置于球磨混料机中混合均匀，混合时间3h。
[0025]3.在混合好的金属粉末中加入质量为金属粉末质量5%的聚四氟乙烯粉末，搅拌后在球磨混料机中混合均匀，混合时间为3h，然后在多辊轧机上将粉末轧制成扁平布状，得到布状碳化钨覆层。
[0026]4.将45号钢基材用机加工磨床磨平后，用220目砂纸将其打磨光洁，分别用酒精和丙酮溶液清洗表面去除油污，并用干燥箱烘干。
[0027]5.将布状碳化钨覆层用强力胶黏剂粘在基材表面，胶黏剂在覆层和基材之间涂抹均勾且轻薄，厚度不超过0.1mm。
[0028]6.将粘结好的覆层和基材放入真空热处理熔烧炉内抽真空，除去复合粘结涂层中的粘结剂和水分，同时预热干燥样品，避免水分残留在高温下与涂层或基体反应，真空度要求1Pa以下，温度要求达到330°C，升温速率2V /min，保温时间5h。
[0029]7.以5°C /min升温速率加热升温到800°C，第二阶段升温速率3°C /min,升温至熔烧温度1150 °C，在该温度保温8min。
[0030]8.随炉冷却，冷却至150°C后，取出空冷。
[0031]9.将覆层件进行调质处理，工艺包括:淬火温度840°C (水淬)，高温回火560°C，保温Ih然后出炉水冷。金属基材表面熔覆碳化钨覆层前后碳化钨覆层变化如图1所示。
[0032]10.经测试所得覆层的厚度为2mm，孔隙率为0.3%，硬度为65HRA，覆层与基材之间存在连续固溶扩散层，界面结合强度大于200MPa。
[0033]上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种在金属基材表面熔覆碳化钨覆层的方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)碳化钨合金覆层预先成膜:将碳化钨粉末和特种金属合金粉末混合均匀后，加入成膜剂，并将粉末轧制成扁平布状，得到碳化钨合金覆层； (2)使用胶黏剂或使用机械夹持方法将碳化钨合金覆层粘在金属基材表面； (3)将带有碳化钨合金覆层的金属基材在真空炉熔烧，熔烧完成后空气冷却； (4)对步骤(3)处理后的金属基材进行后续热处理。2.根据权利要求1所述的一种在金属基材表面熔覆碳化钨覆层的方法，其特征在于，步骤(I)中，所述的特种金属合金粉末包括镲基和钴基合金。3.根据权利要求1所述的一种在金属基材表面熔覆碳化钨覆层的方法，其特征在于，步骤(I)中，碳化钨的重量百分比控制在55%?80%，特种金属合金粉末重量百分比控制在 45%?20%。4.根据权利要求1所述的一种在金属基材表面熔覆碳化钨覆层的方法，其特征在于，步骤(I)中，所述的成膜剂包括聚四氟乙烯、石蜡或松香材料。5.根据权利要求1所述的一种在金属基材表面熔覆碳化钨覆层的方法，其特征在于，步骤(I)中，所述的成膜剂的加入量占碳化钨粉末和特种金属合金粉末总重量的1%?10%。6.根据权利要求1所述的一种在金属基材表面熔覆碳化钨覆层的方法，其特征在于，步骤(3)中在真空炉熔烧的热处理工艺曲线为:温升速率3-10°C /min，到300_450°C，并保温3?5小时，然后以3-10°C /min的温升速度升温至700_900°C，然后以2_6°C /min的升温速度升温至900°C?1280°C，保温3-15min，然后停止加热，随炉冷却至200°C以下。7.根据权利要求1所述的一种在金属基材表面熔覆碳化钨覆层的方法，其特征在于，当所述的金属基材为45号钢时，步骤(4)所述的后续热处理工艺为:采用水淬，淬火温度.840 °C，然后高温回火560 0C，保温Ih然后出炉水冷。
【专利摘要】本发明涉及一种在金属基材表面熔覆碳化钨覆层的方法，包括以下步骤：将碳化钨粉末和特种金属合金粉末混合均匀后，加入成膜剂，并将粉末轧制成扁平布状，得到碳化钨合金覆层；使用胶黏剂或使用机械夹持方法将碳化钨合金覆层粘在金属基材表面；将带有碳化钨合金覆层的金属基材在真空炉熔烧，熔烧完成后空气冷却，并进行后续热处理。与现有技术相比，本发明采用碳化钨陶瓷颗粒增强镍基、钴基等合金材料，并将该材料作为覆层熔烧到金属基材表面，在金属基材表面制得的碳化钨合金覆层，提高了表面硬度，同时提高了基材的耐磨性和耐腐蚀性。本发明工艺简单易行，并适用于复杂形状的金属件。
【IPC分类】C23C24/10
【公开号】CN104911586
【申请号】CN201510390117
【发明人】张全成, 罗贤竞, 张超, 王飞
【申请人】上海材料研究所
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年7月3日