专利名称：一种硬质耐磨涂层的制备方法
技术领域：
本发明涉及硬质耐磨涂层技术，具体地说是公开了一种碳化钨-钴/二硫化钼复合粉末、其制备方法、及碳化钨-钴/二硫化钼硬质耐磨涂层的制备方法。
背景技术：
随着现代科学技术的快速发展，对机械零部件综合性能的要求越来越高，单靠发展常规材料难以达到所要求的性能范围。磨损是材料失效的三种主要方式之一，而且是避免不了的，每年因磨损造成的经济损失是非常惊人的。据资料统计，美国1981年因磨损造成的损失约1000亿美元。采用硬质耐磨涂层可以有效降低机械零部件的磨损。目前工业生产日益向高度自动化、高速化方向发展，各种机械零件的服役条件越来越苛刻，要求零件表面有更高的耐磨损等性能，耐磨涂层更显得至关重要。一般认为材料的硬度越高，其耐磨性越好。但在实际工作环境中，由于工件具有较高的硬度，导致工件间摩擦系数较高，对摩擦副产生了较严重的摩擦磨损，间接上增加了磨损。研究表明，在硬质耐磨涂层中添加固体润滑剂可以降低涂层的摩擦系数，提高涂层的自润滑性能，降低涂层及摩擦副的磨损量。
WC作为一种超硬材料，是目前广泛采用的一种碳化物陶瓷涂层材料，常用于制备低温(小于500℃)非腐蚀环境下耐磨、耐擦伤涂层。WC涂层的制备技术有氧乙炔火焰喷涂、等离子喷涂和爆炸喷涂等，常采用WC-Co粉末喷涂，Co作为金属粘结剂，在喷涂过程中既减少了WC的氧化和分解，又可以在高温下熔化，增强涂层的致密度、断裂韧性和耐磨性。但Co的含量过高将使涂层的硬度和耐磨性能下降。目前常用的碳化钨-钴涂层为WC-12Co(金属钴所占重量百分比为12％)。与其他喷涂工艺相比，爆炸喷涂有很多优点所制备涂层结合强度高、致密、孔隙度低，硬度高、耐磨性好；所制备涂层结构均匀，厚度易控制，从而成为制备高质量耐磨涂层的一种喷涂技术。
但是与其他耐磨涂层一样，WC-Co涂层硬度高，会对摩擦副产生了较严重的摩擦磨损，间接增加了磨损。研究表明，MoS2涂层有良好的润滑性能，摩擦系数很低，因此期望通过在WC-Co涂层中加入MoS2固体润滑剂，降低涂层的摩擦系数和磨损率。
至今，WC-Co+MoS2复合涂层以及采用爆炸喷涂技术制备此复合涂层尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳化钨-钴/二硫化钼复合粉末、其制备方法、及碳化钨-钴/二硫化钼硬质耐磨涂层的制备方法，该种复合粉可以在保证涂层的硬度、致密度和结合强度的前提下，降低涂层的摩擦系数末，从而使涂层的磨损率大幅下降，得到一种优良的复合自润滑硬质耐磨涂层。
本发明具体提供了一种碳化钨-钴/二硫化钼复合粉末，其特征在于粉末成分为WC-Co 94～99％重量，MoS21～6％重量。
本发明碳化钨-钴/二硫化钼复合粉末中，所述的WC-Co成分中，Co的含量为5～20％；最好选择为10～15％。
本发明还提供了上述碳化钨-钴/二硫化钼复合粉末的制备方法，其特征在于——将WC-Co和MoS2粉末，在液态介质中进行球磨混合，混合时间24～48小时；——上述混合粉末烘干，烘干温度为80～150℃，烘干时间为0.5～2小时。
本发明碳化钨-钴/二硫化钼复合粉末的制备方法中，所用WC-Co粉为平均粒度在35～55微米的商用WC-Co粉；MoS2粉为平均粒度在35±10微米的商用MoS2粉末；所用液态介质最好选择为无水乙醇、水另外，本发明还提供了一种硬质耐磨涂层的制备方法，其特征在于——采用上述碳化钨-钴/二硫化钼复合粉末；——采用爆炸喷涂技术制备涂层。
本发明硬质耐磨涂层的制备方法中，可以采用“OB”型爆炸喷涂系统，以氮气为送粉气和清扫气，氧气和乙炔作为热源气体；氧和乙炔的气体流量比为1∶1～1.5∶1；工作频率为4～6次/秒，喷涂距离为100～130毫米，炮口直径为20～25毫米，送粉率为0.3～0.9克/秒，喷涂盘搭接率30～50％。
本发明硬质耐磨涂层的制备方法中，在爆炸喷涂前，应该对工件表面进行预处理，过程是——用磨床将工件表面磨到Ra＝0.4μm，去掉表面氧化皮；——采用平均粒度为45微米的白刚玉砂，在6-8个大气压下对试样进行喷砂，保持喷枪与试样表面呈70～80度；——用丙酮清洗。
本发明硬质耐磨涂层的制备方法中，最好在预处理后，两个小时以内进行爆炸喷涂。
本发明硬质耐磨涂层的制备方法中，所制备涂层厚度为150～400μm。
本发明具有以下优点1、WC-Co涂层中加入少量的MoS2固体润滑剂，WC-Co+MoS2复合涂层的硬度、致密度和结合强度与WC-Co涂层相比没有大的变化；2、由于WC-Co+MoS2复合涂层中含有MoS2固体润滑剂，使涂层的摩擦系数明显降低，提高涂层的自润滑性能，从而降低了涂层和摩擦副的磨损率，提高了机械零件的使用寿命；3、本发明采用爆炸喷涂技术制备WC-Co+MoS2复合涂层，与其他喷涂工艺相比，具有结合强度高、致密、孔隙度低，硬度高、耐磨性好，涂层均匀，厚度易控制等优点。
具体实施例方式以下叙述并不限制本发明。
喷涂用WC-Co+MoS2粉末为自配粉末，WC-Co和MoS2粉末分别为商用平均粒度为45微米的WC-Co粉末及商用粒度为35±10微米的MoS2粉末，选用精度为万分之一的电子天平称量一定比例的WC-Co和MoS2粉末，添加适量无水乙醇，放入QM-SB行星式球磨罐中进行混料，将混好的粉末取出，放入表面皿中，连同表面皿放入烘箱中烘干，烘干温度为100℃，烘干时间为1小时。采用“OB”型爆炸喷涂系统进行爆炸喷涂试验，系统由俄罗斯科学院分院提供。
实施例1基材采用A3钢，环块磨损试样尺寸为10mm×9.7mm×19mm，喷涂面尺寸为10mm×19mm。爆炸喷涂用粉末为自配WC-12Co+2％MoS2(重量百分比)粉末，喷涂涂层前对基材进行研磨、喷砂和清洗处理，基材预处理后两个小时内采用“OB”型爆炸喷涂系统制备WC-Co+MoS2复合涂层，氮气为送粉气和清扫气，氧气和乙炔作为热源气体。氧和乙炔的气体流量比为1.05，工作频率为4～6次/秒，喷涂距离为120毫米，炮口直径为20～25毫米，送粉率为0.3～0.9克/秒，喷涂盘搭接率30～50％，得到厚度为150～400μm的涂层。
取试样的断面为分析面，制成金相试样，经酒精清洗、双氧水+稀盐酸腐蚀液腐蚀后(50～100ml 1.19％HCl+5ml 30％H2O2)，用光学显微镜和扫描电镜分析涂层的组织及涂层与基体的结合；采用金相观察法测量涂层的孔隙率。结果表明与爆炸喷涂法制备的WC-12Co涂层相比，WC-12Co+2％MoS2复合涂层具有相同的孔隙率，为2.1～2.5％；显微组织变化不大，均呈条带状组织，涂层与基体结合均非常好，结合处没有明显孔隙出现。
涂层的硬度采用Shimazdu FM-700型显微硬度计测量残余压痕尺寸计算，选用载荷为300克，加载时间15秒，每块试样选取10个点试验，然后取统计平均值。结果表明与爆炸喷涂法制备的WC-12Co涂层相比，WC-12Co+2％MoS2复合涂层具有大致相同的硬度，为1160～1170HV0.3。
涂层的磨损性能选用环块磨损实验机进行测试。磨损实验前将涂层表面用砂纸打磨并抛光。摩擦副选用YG8(WC-8Co)热压硬质合金环，其规格为Φ50mm×10mm，其硬度为＞HRA89。实验中选择实验机速度为400r/min，载荷为29.4N，总行程选取30000转。选用精度为0.00001克的电子天平进行磨损量称量。研究结果表明，添加2％MoS2的复合涂层，摩擦系数和磨损率分别为0.302和4.37×10-6mg/(Nm)，而WC-12Co涂层的摩擦系数和磨损率分别为0.517和1.1×10-5mg/(Nm)，复合涂层的摩擦系数和磨损率都得到明显改善。
实施例2
基材采用A3钢，磨料磨损试样尺寸为Φ4mm×30mm，涂层面为圆柱端面。环块磨损试样尺寸为10mm×9.7mm×19mm，喷涂面尺寸为10mm×19mm。爆炸喷涂用粉末为自配WC-12Co+4％MoS2(重量百分比)粉末，喷涂涂层前对基材进行研磨、喷砂和清洗处理，基材预处理后两个小时内采用“OB”型爆炸喷涂系统制备WC-12Co+4％MoS2复合涂层，氮气为送粉气和清扫气，氧气和乙炔作为热源气体。氧和乙炔的气体流量比为1.05，工作频率为4～6次/秒，喷涂距离为120毫米，炮口直径为20～25毫米，送粉率为0.3～0.9克/秒，喷涂盘搭接率30～50％，得到厚度为150～400μm的涂层。
取试样的断面为分析面，制成金相试样，经酒精清洗、双氧水+稀盐酸腐蚀液腐蚀后(50～100ml 1.19％HCl+5ml 30％H2O2)，用光学显微镜和扫描电镜分析涂层的组织及涂层与基体的结合；采用金相观察法测量涂层的孔隙率。结果表明与爆炸喷涂法制备的WC-12Co涂层相比，WC-12Co+4％MoS2复合涂层具有较高的孔隙率，为2.7～3.2％；显微组织变化不大，均呈条带状组织，涂层与基体结合均非常好，结合处没有明显孔隙出现，但涂层的致密度有所下降。
涂层的硬度采用Shimazdu FM-700型显微硬度计测量残余压痕尺寸计算，选用载荷为300克，加载时间15秒，每块试样选取10个点试验，然后取统计平均值。结果表明，与爆炸喷涂法制备的WC-12Co涂层相比，WC-12Co+4％MoS2复合涂层的硬度有所降低，为1030～1040HV0.3。
涂层的磨损性能选用磨料磨损和环块磨损两种评估方法。选择ML-10销盘式磨料磨损实验机进行2.5个周期的磨料磨损实验，磨损实验前涂层表面用400目砂纸打磨，摩擦副选用320目的碳化硅水磨砂纸，载荷为9.8N，采用精度为0.00001克的电子天平进行磨损量测量，每组5个试样。结果表明WC-12Co+4％MoS2复合涂层的磨损失重为18.2mg/mm2，大于WC-12Co涂层的磨损失重(16.5mg/mm2)。环块磨损在环块磨损实验机上进行，实验前将涂层表面用砂纸打磨并抛光。摩擦副选用YG8(WC-8Co)热压硬质合金环，其规格为Φ50mm×10mm，其硬度为＞HRA89。实验中选择实验机速度为400r/min，载荷为29.4N，总行程选取30000转。选用精度为0.00001克的电子天平进行试样称量。研究结果表明添加4％MoS2的复合涂层，摩擦系数和磨损率分别为0.600和1.54×10-5mg/(Nm)，而WC-12Co涂层的摩擦系数和磨损率分别为0.517和1.1×10-5mg/(Nm)，复合涂层的摩擦系数和磨损率都有所升高，但变化不大。
实施例3基材采用A3钢，环块磨损试样尺寸为10mm×9.7mm×19mm，喷涂面为10mm×19mm面。爆炸喷涂用粉末为自配WC-12Co+6％MoS2(重量百分比)粉末，喷涂涂层前对基材进行研磨、喷砂和清洗处理，基材预处理后两个小时内采用“OB”型爆炸喷涂系统制备WC-12Co+6％MoS2复合涂层，氮气为送粉气和清扫气，氧气和乙炔作为热源气体。氧和乙炔的气体流量比为1.05，工作频率为4～6次/秒，喷涂距离为120毫米，炮口直径为20～25毫米，送粉率为0.3～0.9克/秒，喷涂盘搭接率30～50％，得到厚度为150～400μm的涂层。
取试样的断面为分析面，制成金相试样，经酒精清洗、双氧水+稀盐酸腐蚀液腐蚀后(50～100ml 1.19％HCl+5ml 30％H2O2)，用光学显微镜和扫描电镜分析涂层的组织及涂层与基体的结合，采用金相观察法测量涂层的孔隙率。结果表明与爆炸喷涂法制备的WC-12Co涂层相比，WC-12Co+6％MoS2复合涂层具有较高的孔隙率，为2.7～3.2％；显微组织变化不大，均呈条带状组织，涂层与基体结合均非常好，结合处没有明显孔隙出现，但涂层的致密度有明显下降。
涂层的硬度采用Shimazdu FM-700型显微硬度计测量残余压痕尺寸计算，选用载荷为300克，加载时间15秒，每块试样选取10个点试验，然后取统计平均值。结果表明，与爆炸喷涂法制备的WC-12Co涂层相比，WC-12Co+6％MoS2复合涂层的硬度有明显降低，为930～940HV0.3。
涂层的磨损性能选用环块磨损方法评估，在环块磨损实验机上进行，实验前将涂层表面用砂纸打磨并抛光。摩擦副选用YG8(WC-8Co)热压硬质合金环，其规格为Φ50mm×10mm，其硬度为＞HRA89。实验中选择实验机速度为400r/min，载荷为29.4N，总行程选取30000转。选用精度为0.00001克的电子天平进行试样称量。研究结果表明，添加6％MoS2的复合涂层，摩擦系数和磨损率分别为0.902和1.62×10-5mg/(Nm)，而WC-12Co涂层的摩擦系数和磨损率分别为0.517和1.1×10-5mg/(Nm)，复合涂层的摩擦系数和磨损率都有明显升高，表明MoS2的添加量不能太多。
实施例4基材采用A3钢，环块磨损试样尺寸为10mm×9.7mm×19mm，喷涂面尺寸为10mm×19mm。爆炸喷涂用粉末为自配WC-15Co+2％MoS2(重量百分比)粉末，喷涂涂层前对基材进行研磨、喷砂和清洗处理，基材预处理后两个小时内采用“OB”型爆炸喷涂系统制备WC-Co+MoS2复合涂层，氮气为送粉气和清扫气，氧气和乙炔作为热源气体。氧和乙炔的气体流量比为1.05，工作频率为4～6次/秒，喷涂距离为120毫米，炮口直径为20～25毫米，送粉率为0.3～0.9克/秒，喷涂盘搭接率30～50％，得到厚度为150～400μm的涂层。
取试样的断面为分析面，制成金相试样，用光学显微镜和扫描电镜分析涂层的组织及涂层与基体的结合；采用金相观察法测量涂层的孔隙率。结果表明与爆炸喷涂法制备的WC-15Co涂层相比，WC-15Co+2％MoS2复合涂层具有相同的孔隙率，为1.3～1.5％；显微组织变化不大，均呈条带状组织，涂层与基体结合均非常好，结合处没有明显孔隙出现。
涂层的硬度采用Shimazdu FM-700型显微硬度计测量残余压痕尺寸计算，选用载荷为300克，加载时间15秒，每块试样选取10个点试验，然后取统计平均值。结果表明与爆炸喷涂法制备的WC-15Co涂层相比，WC-15Co+2％MoS2复合涂层具有大致相同的硬度，为1006～1070HV0.3。
涂层的磨损性能选用环块磨损实验机进行测试。磨损实验前将涂层表面用砂纸打磨并抛光。摩擦副选用YG8(WC-8Co)热压硬质合金环，其规格为Φ50mm×10mm，其硬度为＞HRA89。实验中选择实验机速度为400r/min，载荷为29.4N，总行程选取30000转。选用精度为0.00001克的电子天平进行磨损量称量。研究结果表明，添加2％MoS2的复合涂层，摩擦系数和磨损率分别为0.352和4.87×10-6mg/(Nm)，而WC-12Co涂层的摩擦系数和磨损率分别为0.507和1.0×10-5mg/(Nm)，复合涂层的摩擦系数和磨损率都得到明显改善。
权利要求
1.一种硬质耐磨涂层的制备方法，其特征在于——采用碳化钨-钴/二硫化钼复合粉末；——采用爆炸喷涂技术制备涂层。
2.按照权利要求1所述硬质耐磨涂层的制备方法，其特征在于所用碳化钨-钴/二硫化钼复合粉末成分为WC-Co 94～99％重量，MoS21～6％重量。
3.按照权利要求2所述硬质耐磨涂层的制备方法，其特征在于所用碳化钨-钴/二硫化钼复合粉末中，Co在WC-Co中的含量为5～20％。
4.按照权利要求1、2或3所述硬质耐磨涂层的制备方法，其特征在于采用“OB”型爆炸喷涂系统，以氮气为送粉气和清扫气，氧气和乙炔作为热源气体；氧和乙炔的气体流量比为1∶1～1.5∶1；工作频率为4～6次/秒，喷涂距离为100～130毫米，炮口直径为20～25毫米，送粉率为0.3～0.9克/秒，喷涂盘搭接率30～50％。
5.按照权利要求4所述硬质耐磨涂层的制备方法，其特征在于爆炸喷涂前，对工件表面进行预处理，过程是——用磨床将工件表面磨到Ra＝0.4μm，去掉表面氧化皮；——采用平均粒度为45微米的白刚玉砂，在6-8个大气压下对试样进行喷砂，保持喷枪与试样表面呈70～80度；——用丙酮清洗。
6.按照权利要求5所述硬质耐磨涂层的制备方法，其特征在于预处理后，两个小时以内进行爆炸喷涂。
7.按权利要求1所述硬质耐磨涂层的制备方法，其特征在于所制备涂层厚度为150～400μm。
全文摘要
本发明涉及一种硬质耐磨涂层的制备方法，其特征在于采用碳化钨－钴/二硫化钼复合粉末；采用爆炸喷涂技术制备涂层。所用碳化钨－钴/二硫化钼复合粉末成分为WC－Co 94～99％重量，MoS
文档编号C23C24/00GK1782126SQ200410087690
公开日2006年6月7日 申请日期2004年11月29日 优先权日2004年11月29日
发明者孙超, 华伟刚, 许磊, 王启民, 刘山川, 刘健钢, 宫骏, 杜昊, 肖金泉, 闻立时 申请人:中国科学院金属研究所