专利名称：一种纳米耐磨涂层用热喷涂粉体的制备及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及涂层技术，具体地说是一种WC-Co纳米耐磨涂层用热喷涂粉，粉体的制备及用该粉末爆炸喷涂制备耐磨涂层的方法。
背景技术：
迄今已采用多种喷涂方法制备纳米WC-Co涂层，主要有高速火焰喷涂(HVOF)、真空等离子喷涂(VPS)、冷喷涂(CS)等方法。其中高速火焰喷涂(HVOF)应用最多。相对于其他喷涂方法而言，用高速火焰喷涂(HVOF)方法粉末颗粒的飞行速度快，动能大，与基体结合强度高，涂层中的微观组织致密、孔洞少。而爆炸喷涂与高速火焰喷涂方法相比，具有更高的粉末粒子飞行速度，在离开喷嘴时的速度高达1200m/s；粒子与基体具有更高的结合强度；涂层中的微观组织更致密，孔洞更少。但是到目前为止，现有的爆炸喷涂方法制备的均为普通粗晶WC-Co耐磨涂层。
技术内容本发明的目的在于提供一种纳米耐磨涂层用热喷涂粉，通过对该粉末的合理使用，可以获得具有纳米结构的耐磨涂层，而且原料便宜，工艺简单，设备投资少，适用于工业化生产。
本发明提供了一种纳米耐磨涂层用热喷涂粉，其特征在于热喷涂粉是以WC平均晶粒尺寸为40～90nm的WC-Co纳米复合粉末为原料、采用雾化造粒方法制备而成；热喷涂粉呈球形或类球形结构，粉体的颗粒尺寸为10～60微米。
本发明纳米耐磨涂层用热喷涂粉中，所述喷涂粉末的成分为70～95％重量WC，余量的为钴。另外喷涂粉末中还可以含有镍、铁、铜、铬之一种或多种，总量低于2％重量。
本发明纳米耐磨涂层用热喷涂粉中，所述雾化造粒是一种常规的方法，即将溶液雾化成极细的液滴，然后在热空气或保护气体下将溶剂蒸发制得粒子的方法。具体工艺参数依设备不同，要求不同，要进行相应调节，所用设备包括离心式或压力式雾化干燥机。
通常情况下，只有用纳米粉，才能获得纳米涂层。但是对于热喷工艺来讲，用雾化干燥加固定床方法制备的WC-Co纳米复合粉，颗粒太细，不能直接用于喷涂，必须经造粒后形成10-60微米的颗粒才能用于热喷涂。
通常的造粒方法很多，包括雾化造粒，挤压造粒，滚动造粒等。本发明优选雾化造粒法，用该法制成的粒子球形度好，粒度均匀，喷粉率高，且适用于大量制粉。具体制备过程如下将1000克蒸馏水，500-800克WC-Co纳米复合粉进行混合，同时加入1-10％的胶；胶选自石蜡、合成橡胶、硬脂酸锌、水玻璃、树脂、膨润土、胶水之一种；将配置好的溶液送入雾化造粒器中，雾化器的进口温度为200-400℃，出口温度为100-200℃；将造粒后的粉收集后在氢气中脱胶并烧结，烧结的温度为800-1200℃；将脱胶固结后的粉进行筛分，将粒度为10-60微米的粒子收集起来。
本发明纳米耐磨涂层用热喷涂粉，可以在任何热喷涂方法中使用，包括爆炸喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂、真空等离子喷涂、电弧喷涂等。
本发明特别提供了一种纳米耐磨涂层的制备方法，采用爆炸喷涂技术，其特征在于所用喷涂粉是以WC平均晶粒尺寸为40～90nm的WC-Co纳米复合粉末为原料、采用雾化造粒方法制备而成；热喷涂粉呈球形或类球形结构，粉体的颗粒尺寸为10～60微米。
本发明纳米耐磨涂层的制备方法中，所述喷涂粉颗粒尺寸最好为40～60微米。
本发明纳米耐磨涂层的制备方法中，喷涂的较佳工作参数为控制基材温度为20～200℃，氧气和燃料气体流比例范围为1.00～1.50∶1，工作频率为3～6shot/s，喷涂距离为60～140mm，送粉率为0.3～0.6g/s。
本发明纳米耐磨涂层的制备方法中，所述燃料气体包括氢气、乙炔、液化石油气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、一氧化碳或其混合气。
本发明纳米耐磨涂层的制备方法中，所述基材包括金属、合金、金属间化合物、玻璃、陶瓷、金属陶瓷，或者在耐磨涂层和基材之间的过渡层。
本发明通过选取适当的爆炸喷涂工艺参数，例如通过控制氧气和燃气的流量比例、喷涂距离等参数，可以制备出高性能的纳米WC-Co耐磨涂层。与现有的其他喷涂方法及采用爆炸喷涂方法制备的普通粗晶WC-Co耐磨涂层相比较，其具有以下几个优点(1)涂层中WC晶粒细小，WC平均晶粒尺寸为0.1～0.5微米；(2)涂层的微观组织致密，孔洞少；
(3)与基体结合强度高，具有高的耐磨性。
由此可见，本发明具有原料便宜，工艺简单，设备投资少，见效快等特点，适用于工业化生产。
图1为纳米耐磨涂层用热喷涂粉形貌的电镜照片；图2为纳米晶WC-12Co爆炸喷涂涂层截面低倍电镜照片；图3为纳米晶WC-12Co爆炸喷涂涂层截面高倍电镜照片。
具体实施例方式1.溶液配置将1000克蒸馏水，500-800克WC-Co纳米复合粉进行混合，同时加入1-10％的胶。胶的种类可以是石蜡，合成橡胶，硬脂酸锌，水玻璃，树脂，膨润土，胶水等。
2.雾化造粒将配置好的溶液放在电磁搅拌器上，并用恒流泵将其送入雾化造粒器中，雾化器的进口温度为200-400℃，出口温度为100-200℃。
3.烧结脱胶将造粒后的粉收集后，将其在氢气中脱胶并烧结。烧结的温度为800-1200℃。
4.分级最后将脱胶烧结后的粉进行筛分，将粒度为40-60微米的粒子收集起来，用于爆炸喷涂使用。
实施例1
基材采用不锈钢，试样尺寸为5×10×3mm3。喷涂前用丙酮将基材清洗干净，再用氧化铝进行喷砂处理。处理完的试样立即进行爆炸喷涂。喷涂粒子的成分为WC-12Co，平均晶粒尺寸为60纳米，造粒后的粉末颗粒尺寸为10～60微米，爆炸喷涂的工艺参数为工作频率为4次/秒，氧气和C2H2流量比为1.03∶1，喷涂距离为90mm，送粉量为0.5g/s，炮口直径为25mm，喷涂斑盘搭接率为40％。
其工作过程是将喷涂的纳米WC-12Co粉末装入料罐后，点燃氧气和乙炔混合气体，利用混合气体爆炸产生的热能和动能将粉末加热到熔融或塑性状态，并以很高的飞行速度喷射到基材表面上，经过多次喷涂即可获得一定厚度的涂层。得到的涂层微观组织致密，气孔率低，与基体结合强度高，韧性好。采用本发明制备的纳米WC-12Co耐磨涂层显微硬度(HV500)可达18.0GPa，在干磨的条件下磨损率可达8×10-7mm3/Nm。
实施例2基材采用不锈钢，试样尺寸为5×10×3mm3。喷涂前用丙酮将基材进行清洗干净，再用氧化铝进行喷砂处理。处理完的试样立即进行爆炸喷涂。涂层成分为WC-15Co，平均晶粒尺寸为60纳米，造粒后的粉末颗粒尺寸为10～60微米，爆炸喷涂的工艺参数为工作频率为4次/秒，氧气和C2H2流量比为1.03∶1，喷涂距离为120mm，送粉量为0.5g/s，炮口直径为25mm，喷涂斑盘搭接率为40％。
得到的爆炸喷涂涂层微观组织致密，气孔率低，与基体结合强度高，韧性好。涂层显微硬度(HV500)可达18.1GPa，在干磨的条件下磨损率可达5.04×10-7mm3/Nm。
实施例3基材采用不锈钢，试样尺寸为5×10×3mm3。喷涂前用丙酮将基材进行清洗干净，再用氧化铝进行喷砂粗化处理。处理完的试样立即进行爆炸喷涂。涂层成分为WC-20Co，平均晶粒尺寸为60纳米，造粒后的粉末颗粒尺寸为10～60微米，爆炸喷涂的工艺参数为工作频率为4次/秒，氧气和C2H2流量比为1.05∶1，喷涂距离为90mm，送粉量为0.5g/s，炮口直径为25mm，喷涂斑盘搭接率为40％。
得到的爆炸喷涂涂层微观组织致密，气孔率低，与基体结合强度高，韧性好。涂层显微硬度(HV500)可达18.96GPa，在干磨的条件下磨损率可达2.21×10-7mm3/Nm。
权利要求
1.一种纳米耐磨涂层用热喷涂粉，其特征在于热喷涂粉是以WC平均晶粒尺寸为40～90nm的WC-Co纳米复合粉末为原料、采用雾化造粒方法制备而成；热喷涂粉呈球形或类球形结构，粉体的颗粒尺寸为10～60微米。
2.按照权利要求1所述纳米耐磨涂层用热喷涂粉，其特征在于所述喷涂粉末的成分为70～97％重量WC，余量的为钴。
3.按照权利要求2所述纳米耐磨涂层用热喷涂粉，其特征在于所述喷涂粉末中含有镍、铁、铜、铬之一种或多种，总量低于2％重量。
4.一种权利要求1所述纳米耐磨涂层用热喷涂粉的制备方法，其特征在于制备过程如下将1000克蒸馏水，500-800克WC-Co纳米复合粉进行混合，同时加入1-10％的胶；胶选自石蜡、合成橡胶、硬脂酸锌、水玻璃、树脂、膨润土、胶水之一种或几种混合；将配置好的溶液送入雾化造粒器中，雾化器的进口温度为200-400℃，出口温度为100-200℃；将造粒后的粉收集后，在氢气中脱胶并固结，烧结的温度为800-1200℃；将脱胶固结后的粉进行筛分，将粒度为10-60微米的粒子收集起来。
5.一种纳米耐磨涂层的制备方法，采用爆炸喷涂技术，其特征在于所用喷涂粉是以WC平均晶粒尺寸为40～90nm的WC-Co纳米复合粉末为原料、采用雾化造粒方法制备而成；热喷涂粉呈球形或类球形结构，粉体的颗粒尺寸为10～60微米。
6.按照权利要求5所述纳米耐磨涂层的制备方法，其特征在于所述喷涂粉颗粒尺寸为40～60微米。
7.按照权利要求5所述纳米耐磨涂层的制备方法，其特征在于喷涂的工作参数为控制基材温度为20～200℃，氧气和燃料气体流比例范围为1.00～1.50∶1，工作频率为3～6shot/s，喷涂距离为60～140mm，送粉率为0.3～0.6g/s。
8.按照权利要求7所述纳米耐磨涂层的制备方法，其特征在于所述燃料气体包括氢气、乙炔、液化石油气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、一氧化碳或其混合气。
9.按照权利要求7所述纳米耐磨涂层的制备方法，其特征在于所述基材包括金属、合金、金属间化合物、玻璃、陶瓷、金属陶瓷，或者在耐磨涂层和基材之间的过渡层。
全文摘要
一种纳米耐磨涂层用热喷涂粉的制备及应用，热喷涂粉是以WC平均晶粒尺寸为40～90nm的WC－Co纳米复合粉末为原料、采用雾化造粒方法制备而成。热喷涂粉呈球形或类球形结构，粉体的颗粒尺寸为10～60微米，粉体的流动性好；WC－Co纳米复合粉末是采用雾化干燥加固定床方法制备。爆炸喷涂时工作参数控制为基材温度为20～200℃，氧气和燃料气体流比例范围为1.00～1.50∶1，工作频率为3～6 shot/s，喷涂距离为60～140mm，送粉率为0.3～0.6g/s。本发明可以获得具有纳米结构的耐磨涂层，而且原料便宜，工艺简单，设备投资少，适用于工业化生产。
文档编号C09D5/03GK1600820SQ0313405
公开日2005年3月30日 申请日期2003年9月25日 优先权日2003年9月25日
发明者杨明川, 王雁, 华伟刚, 刘阳, 胡壮麟 申请人:中国科学院金属研究所