一种液压传动构件表面防护涂层的制备方法
【专利摘要】一种液压传动构件表面防护涂层的制备方法，属于金属材料磨损、腐蚀与防护【技术领域】。首先制备出平均粒径小于200nm的WC-Co复合粉末，并对其进行团聚造粒，获得具有合适粒度分布的热喷涂喂料粉末，然后利用空气作为助燃气的超音速火焰喷涂技术在经过预处理的液压传动构件表面进行硬质合金涂层的制备，最后对工件表面进行磨抛处理，获得兼具高表面质量和高力学性能的液压传动构件表面防护涂层。本发明提供的方法简单易行且可实现批量生产。
【专利说明】一种液压传动构件表面防护涂层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属材料磨损、腐蚀与防护【技术领域】，具体是为液压传动构件提供了一种耐磨、耐腐蚀的硬质合金防护涂层的制备方法。
【背景技术】
[0002]大量工程机械使用液压传动系统，其中的液压传动构件(如柱塞、活塞、连杆等)表面经受反复的摩擦磨损、腐蚀作用极易导致早期失效报废，影响工程作业。为增强表面防护，通常在传动构件表面进行电镀硬铬处理，提高其使用寿命。然而，电镀硬铬工艺中六价铬离子排放会带来严重的环境污染和职业健康等问题，欧美等国家已于2010年明确规定禁止使用含高价铬的电镀工艺。在我国一些大型城市目前也已经严禁电镀硬铬生产，但在中小城市和地区还在较大范围内使用电镀硬铬工艺。
[0003]WC基硬质合金涂层是国内外公认的替代电镀硬铬的最佳选择。然而，目前工业化规模应用的绝大多数是初始为微米尺度的粗粉WC基涂层，虽然可满足硬度和耐磨性的要求，但涂层表面质量明显低于电镀硬铬表面光洁度。与初始为常规粗粉的涂层相比，由于纳米粉末具有小尺寸效应、表面效应等，使粉末颗粒熔点降低，表面性能大幅度增强，喷涂过程中粒子的平铺性和沉积效率提高，涂层组织的致密性增强。因此，纳米粉末制备的WC基涂层可具有显著提高的表面质量、结构致密性和层间结合强度，既具有比微米涂层更高的硬度、耐磨耐蚀性和强韧性，又具有和电镀硬铬相媲美的表面光洁度。由于优异的综合性能，纳米粉末制备的WC基涂层可完全胜任高表面质量需求的液压传动构件表面防护，可望全面取代有环境污染问题的电镀硬铬工艺，并具有更高的综合力学性能。
[0004]目前制约纳米粉末用于WC基涂层工业规模化制备的关键因素是绝大多数制粉方法难以满足热喷涂工艺对纳米粉末性能和批量的要求，因此，国内外至今尚无纳米粉末用于制备液压传动构件表面防护WC基涂层的报道。本研究组原创性建立了一种制备超细(亚微米尺度以下)WC-C0复合粉末的技术，已授权国家发明专利(专利号:ZL200610165554.2)。该技术可实现规模化制备高质量的亚微米和纳米尺度的WC-Co复合粉末。本发明即为解决目前液压传动构件制造过程中存在电镀工艺带来环境污染和粗粉涂层表面质量较差等问题，提供了一种兼具高表面质量和高力学性能的液压传动构件表面防护WC基涂层的制备方法。
【发明内容】
[0005]本发明首先应用 已有专利技术(授权专利号:ZL200610165554.2)批量制备出纳米(平均粒径小于200nm) WC-Co复合粉，再利用已有专利技术(授权专利号:ZL201010219344.3)进行纳米WC-Co复合粉末的团聚造粒，获得具有合适粒度分布的热喷涂喂料粉末，然后利用超音速火焰喷涂技术在经过预处理的液压传动构件表面进行硬质合金涂层的制备，最后对工件表面进行磨抛处理，获得兼具高表面质量和高力学性能的液压传动构件表面防护涂层。[0006]本发明提供的一种液压传动构件表面防护涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0007](1)以平均粒径小于200nm的WC-Co复合粉为原料，通过团聚造粒和气流分级处理，得到粒度分布在5~25 μ m、流动性在20~25s/50g的热喷涂喂料；
[0008](2)对液压传动构件(即为待喷涂的工件)表面进行除油、除锈、喷砂粗化和预热处理，预热火焰为还原性火焰，工件表面温度控制在150~200°C ；
[0009](3)利用空气作为助燃气的超音速火焰喷枪喷涂步骤(1)得到的热喷涂喂料，在步骤(2)预热后的工件表面沉积0.165~0.180mm厚的涂层，超音速火焰喷枪的枪管长度为160~170mm，喷涂焰流温度为1800~2000°C，工件旋转线速度为0.3~0.5m/s，根据工件直径和旋转线速度来确定热喷涂时喷枪的水平移动速度，计算公式如下:当工件直径为D，工件旋转线速度为V时，控制喷枪水平移动速度为VP1600V/D，其中V单位为m/s，D单位为mm, V0 单位为 mm/s ；
[0010](说明:公式Vfieoov/D只是关于数值的计算，计算过程中ieoo是相当于转换系数，有单位的，其使得Vtl通过VfieOOV/D计算后的数值表示的是mm/s的单位数值，这里公式为简化后的只是进行数值运算的公式)。
[0011](4)对步骤(3)喷涂后的工件冷却，将表面进行磨抛处理:先利用180#金刚石砂轮进行一遍粗磨，表面磨削量控制在0.010~0.020mm，然后利用400#金刚石砂轮进行精细打磨，表面磨削量控制在0.003~0.005mm，磨抛后即得到兼具高表面质量和高力学性能的液压传动构件表面防护涂层。
[0012]本发明方法的技术特色主要表现为:(1)采用纳米复合粉作为初始制备原料，并结合空气作为助燃气的低温超音速火焰喷涂技术(火焰温度比常规的以氧气为助燃气时降低了 1OO(TC)及特殊组合的喷涂工艺参数，不仅有效抑制了纳米WC粉末在喷涂时的分解脱碳，使制备涂层具有显著提高的硬度和耐磨性，还充分发挥出纳米粉末在制备高表面质量硬质合金涂层的优势，从而满足液压传动工件同时对涂层表面质量和力学性能的高标准要求；(2)采用的热喷涂喂料粒度范围为5~25 μ m，其粒度明显低于常规热喷涂粉末的粒度(一般为15-45 μ m), 一方面可保证纳米结构喂料颗粒在较低的火焰温度下能充分熔化，使制备涂层具有高的致密性和结合强度，另一方面基于涂层由粒子平铺堆叠形成的原理知，较小和较窄粒度分布的喂料颗粒由于平铺层厚度差异小，制备涂层更易获得高的表面光洁度；(3)本发明中要求控制喂料粉末的流动性在20~25s/50g的范围，实质上是综合调控了喂料粉末的致密度和球形度，即具有合适的致密度和较高的球形度(>90%)，以防止喂料颗粒出现“粘枪”的有害现象，有效保证工业生产中制备涂层的性能和表面质量具有优异的稳定性；(4)根据液压传动构件(即为待喷涂工件)的直径和水平旋转速度，设计了相应计算公式来精确控制热喷涂时喷枪的水平移动速度，这使得本发明适用于不同工业领域中各种直径的轴类传动构件的喷涂，能够防止喷涂后工件表面出现“螺旋轨迹”或“凹凸不平”的现象而增加表面粗糙度和后续磨抛加工量；(5)利用本发明制备的液压传动构件表面涂层的粗糙度显著低于常规粗粉涂层，使后续磨抛加工量明显减小，不仅大大提高生产加工效率、节约制造成本，而且彻底解决了电镀硬铬层生产过程中带来的环境污染问题。本发明提供的方法简单易行，各步骤之间紧密相连、互为补充，是一种获得兼具高表面质量和高力学性能的液压传动构件表面防护涂层的有效方法。【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1本发明制备得到的热喷涂喂料粉末的显微形貌图；其中，a为实施例1中的热喷涂喂料粉末的显微形貌、b为实施例2中的热喷涂喂料粉末的显微形貌、c为实施例3中的热嗔涂喂料粉末的显微形貌；d为对比实施例1中的热嗔涂喂料粉末的显微形貌；e为对比实施例2中的热喷涂喂料粉末的显微形貌。
[0014]图2本发明制备得到的液压支架柱塞表面涂层的物相检测结果；其中a为实施例3中制备的液压支架柱塞表面涂层的XRD图谱、b为对比实施例1中制备的液压支架柱塞表面涂层的XRD图谱。
【具体实施方式】
[0015]以下实施例进一步解释了本发明，但本发明并不限于以下实施例。
[0016]以下实施例中均利用 申请人:已有的专利技术(授权专利号ZL200610165554.2)制备WC-Co复合粉，均以制备得到的WC-12wt.%Co复合粉为例，并利用 申请人:已有的专利技术(授权专利号ZL201010219344.3)对制备的复合粉进行团聚造粒。均以一种煤矿用液压支架柱塞作为液压传动构件的例子进行表面防护涂层的制备。
[0017]实施例1
[0018]以平均粒径为180nm的WC-Co复合粉为原料，通过团聚造粒和气流分级处理，制备得到粒度分布在5~25 μ m的热喷涂喂料(如图la)，热喷涂喂料的流动性为20s/50g ;待喷涂的液压支架柱塞(即为待喷涂的工件)直径为140mm，对工件表面进行除油、除锈、喷砂粗化和预热处理，预热火焰为还原性火焰，工件表面温度控制在200°C ;利用空气作为助燃气的超音速火焰喷枪喷涂制备的WC-Co喂料，在预热后的柱塞表面沉积0.180mm厚的涂层，超音速火焰喷枪的枪管长度为170_，喷涂焰流温度为2000°C，柱塞旋转线速度为0.3m/s，喷枪水平移动速度为3.4mm/s ;对喷涂、冷却后的工件表面进行磨抛处理，先利用180#金刚石砂轮进行一遍粗磨，表面磨削量为0.020mm，然后利用400#金刚石砂轮进行精细打磨，表面磨削量为0.005mm，磨抛后即得到兼具高表面质量和高力学性能的液压柱塞表面防护涂层。对制备的柱塞涂层进行取样分析，其致密性、显微硬度和粗糙度测试结果见表1。
[0019]实施例2
[0020]以平均粒径为120nm的WC-Co复合粉为原料，通过团聚造粒和气流分级处理，制备得到粒度分布在5~25 μ m的热喷涂喂料(如图lb)，热喷涂喂料的流动性为23s/50g ;待喷涂的液压支架柱塞(即为待喷涂的工件)直径为160mm，对工件表面进行除油、除锈、喷砂粗化和预热处理，预热火焰为还原性火焰，工件表面温度控制在180°C ;利用空气作为助燃气的超音速火焰喷枪喷涂制备的WC-Co喂料，在预热后的柱塞表面沉积0.170mm厚的涂层，超音速火焰喷枪的枪管长度为165mm，喷涂焰流温度为1900°C，柱塞旋转线速度为0.4m/s，喷枪水平移动速度为4.0mm/s ;对喷涂、冷却后的工件表面进行磨抛处理，先利用180#金刚石砂轮进行一遍粗磨，表面磨削量为0.015mm，然后利用400#金刚石砂轮进行精细打磨，表面磨削量为0.004mm，磨抛后即得到兼具高表面质量和高力学性能的液压柱塞表面防护涂层。对制备的柱塞涂层进行取样分析，其致密性、显微硬度和粗糙度测试结果见表1。
[0021]实施例3[0022]以平均粒径为70nm的WC-Co复合粉为原料，通过团聚造粒和气流分级处理，制备得到粒度分布在5~25 μ m的热喷涂喂料(如图lc)，热喷涂喂料的流动性为25s/50g ;待喷涂的液压支架柱塞(即为待喷涂的工件)直径为180mm，对工件表面进行除油、除锈、喷砂粗化和预热处理，预热火焰为还原性火焰，工件表面温度控制在150°C ;利用空气作为助燃气的超音速火焰喷枪喷涂制备的WC-Co喂料，在预热后的柱塞表面沉积0.165mm厚的涂层，超音速火焰喷枪的枪管长度为160mm，喷涂焰流温度为1800°C，柱塞旋转线速度为0.5m/s，喷枪水平移动速度为4.4mm/s ;对喷涂、冷却后的工件表面进行磨抛处理，先利用180#金刚石砂轮进行一遍粗磨，表面磨削量为0.010mm，然后利用400#金刚石砂轮进行精细打磨，表面磨削量为0.003mm，磨抛后即得到兼具高表面质量和高力学性能的液压柱塞表面防护涂层。对制备的柱塞涂层进行取样分析，涂层的物相检测结果见图2(a)，其致密性、显微硬度和粗糙度测试结果见表1。
[0023]对比实施例
[0024]以下实施例为区别本发明技术特征和技术效果进行的对比实验。
[0025]对比实施例1
[0026]以平均粒径为70nm的WC-Co复合粉为原料，通过团聚造粒和气流分级处理，制备得到粒度分布在25~45 μ m的热喷涂喂料(如图ld)，热喷涂喂料的流动性为18s/50g ;待喷涂的液压支架柱塞(即为待喷涂的工件)直径为180mm，对工件表面进行除油、除锈、喷砂粗化和预热处理，预热火焰为中性火焰，工件表面温度控制在100°C ;利用氧气作为助燃气的超音速火焰喷枪喷涂制备的WC-Co喂料，在预热后的柱塞表面沉积0.165mm厚的涂层，超音速火焰喷枪的枪管长度为150mm，喷涂焰流温度为2800°C，柱塞旋转线速度为0.6m/s，喷枪水平移动速度为4.5mm/s ;对喷涂、冷却后工件表面进行磨抛处理，先利用180#金刚石砂轮进行一遍粗磨，表面磨削量为0.010mm，然后利用400#金刚石砂轮进行精细打磨，表面磨削量为0.003mm。对磨抛后的柱塞涂层进行取样分析，涂层的物相检测结果见图2 (b)，其致密性、显微硬度和粗糙度测试结果见表1。
[0027]对比实施例2
[0028]以平均粒径为l.0ymW WC-Co粉末为原料，通过团聚造粒和气流分级处理，制备得到粒度分布在15~45 μ m的热喷涂喂料(如图le)，热喷涂喂料的流动性为15s/50g ;待喷涂的液压支架柱塞(即为待喷涂的工件)直径为180mm，对工件表面进行除油、除锈、喷砂粗化和预热处理，预热火焰为中性火焰，工件表面温度控制在220°C ;利用氧气作为助燃气的超音速火焰喷枪喷涂制备的WC-Co喂料，在预热后的柱塞表面沉积0.180mm厚的涂层，超音速火焰喷枪的枪管长度为150_，喷涂焰流温度为3000°C，柱塞旋转线速度为0.8m/s,喷枪水平移动速度为5.0mm/s ;对喷涂、冷却后的工件表面进行磨抛处理，先利用180#金刚石砂轮进行一遍粗磨，表面磨削量为0.020mm，然后利用400#金刚石砂轮进行精细打磨，表面磨削量为0.005mm。对磨抛后的柱塞涂层进行取样分析，其致密性、显微硬度和粗糙度测试结果见表1。
[0029]表1实施例1~3及对比实施例1~2制备得到的柱塞涂层的致密性、显微硬度和粗糙度测试结果
[0030]
【权利要求】
1.一种液压传动构件表面防护涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)以平均粒径小于200nm的WC-Co复合粉为原料，通过团聚造粒和气流分级处理，得到粒度分布在5~25 μ m、流动性在20~25s/50g的热喷涂喂料； (2)对液压传动构件表面进行除油、除锈、喷砂粗化和预热处理，预热火焰为还原性火焰，工件表面温度控制在150~200°C ； (3)利用空气作为助燃气的超音速火焰喷枪喷涂步骤(1)得到的热喷涂喂料，在步骤(2)预热后的工件表面沉积0.165~0.180mm厚的涂层，超音速火焰喷枪的枪管长度为160~170mm，喷涂焰流温度为1800~2000°C，工件旋转线速度为0.3~0.5m/s，根据工件直径和旋转线速度来确定热喷涂时喷枪的水平移动速度，计算公式如下:当工件直径为D，工件旋转线速度为V时，控制喷枪水平移动速度为VP1600V/D，其中V单位为m/s，D单位为mm, V0 单位为 mm/s ； (4)对步骤(3)喷涂后的工件冷却，将表面进行磨抛处理:先利用180#金刚石砂轮进行一遍粗磨，表面磨削量控制在0.010~0.020mm，然后利用400#金刚石砂轮进行精细打磨，表面磨削量控制在0.003~0.005mm，磨抛后即得到兼具高表面质量和高力学性能的液压传动构件 表面防护涂层。
【文档编号】C23C4/10GK103789714SQ201410054349
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2014年2月18日
【发明者】宋晓艳, 王海滨, 郭广生, 刘雪梅, 贺定勇 申请人:北京工业大学