CN114000087A - 一种复合硬质材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合硬质材料的制备方法，属于复合材料技术领域。包括：在金属基体表面火焰喷涂镍基合金涂层；硬质合金块与金属基体熔焊固定；采用等离子转移弧熔覆技术在各所述硬质合金块之间的间隙中熔覆金属陶瓷材料，得到复合硬质材料。本发明中，采用等离子转移弧熔覆技术在硬质合金块之间的间隙中熔覆金属陶瓷材料，硬质合金块与金属基材形成冶金结合，从而实现金属基材、硬质合金、镍基合金以及碳化钨陶瓷颗粒的复合。所得到的复合硬质材料，孔隙率更低，裂纹更少，等离子转移弧熔覆层与硬质合金块以及金属基材之间的结合强度更高，具有优异的耐磨损与抗冲击性能。

Description

一种复合硬质材料的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体是一种复合硬质材料的制备方法。
背景技术
硬质合金由于其具有高的硬度与耐磨性，常用来制备切削刀具，并被誉为工业的“牙齿”。其在工业上的应用，不止于切削刀具，还有诸如矿用合金与耐磨零件等。然而，由于其脆性大、被加工难度大、成本高的原因，硬质合金在一些领域的某些工具零部件上的应用受到极大限制，尤其是一些既有磨损又有冲击以及冷热循环的恶劣工况下。比如油气钻采领域螺杆马达上用“径向轴承”与高速线材吐丝机“滚动导卫”等。随着技术的不断发展，同时具有高硬度与高抗冲击性复合硬质材料的出现，能很好的解决上述问题。
目前，常用制备复合硬质材料的方法有：真空钎焊，激光熔覆，超音速喷涂，火焰喷焊等。
但是，真空钎焊所制备的复合硬质材料的基体(金属材料部分)由于在真空炉中经历了高温，处于退火态，导致其机械性能急剧下降，产品在使用过程中容易变形，断裂等；激光熔覆所制备的复合硬质材料表面具有很多裂纹，且单次熔覆厚度受到限制(一般低于1mm)，若多次熔覆增加够厚，则裂纹很多，且成本昂贵；超音速喷涂所制备的复合硬质材料，基体与喷涂层之间的结合强度较低(机械咬合方式)，导致不能有剧烈的撞击以及点与面的受力，且其厚度受到限制(一般小于0.5mm)；火焰喷焊所制备的复合硬质材料基体(金属材料部分)与耐磨层之间为微冶金结合，在受到高载荷冲击时，容易出现剥落，且工艺过程对操作人员的依赖性很高，质量稳定性难以保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合硬质材料的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题和缺陷的至少一个方面。
根据本发明的一个方面，提供一种复合硬质材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用火焰喷涂的方法将镍基合金粉末涂敷在金属基体表面形成镍基合金涂层；
(2)将硬质合金块放置于上述镍基合金涂层表面，然后在硬质合金块与镍基合金涂层之间瞬间施加大电流，使得硬质合金块与镍基合金涂层瞬间发热，将镍基合金涂层熔化；
(3)停止电流，熔化的镍基合金涂层快速凝固充当焊料的作用，将硬质合金块与金属基体固定在一起；
(4)重复上述步骤(2)和(3)，在金属基体表面固定多个硬质合金块；
(5)采用等离子转移弧熔覆技术在各所述硬质合金块之间的间隙中熔覆金属陶瓷材料，得到复合硬质材料。
进一步地，所述镍基合金涂层厚度为0.05-0.15mm。
进一步地，所述硬质合金块与金属基体固定的过程中施加在硬质合金块与镍基合金涂层之间的电流为7000-9000A。
进一步地，所述硬质合金块的上表面呈矩形、圆形、椭圆和菱形中的一种。
进一步地，所述金属合金材料包括镍基合金粉末和碳化钨颗粒，所述镍基合金粉末和碳化钨颗粒质量比为(30～60):(40～70)。
进一步地，所述镍基合金粉末的成分包括1.5-2.5wt％的B、(3-4wt％)的Si、88.5.5-95.5wt％的Ni和含量小于5wt％的Fe，形状呈球形，以及粒度尺寸为60-200目。
进一步地，所述硬质合金块的成分包括88-90wt％的WC和10-12％wt的Co，晶粒尺寸3-4微米。
进一步地，金属合金材料通过等离子转移弧熔覆在各所述硬质合金块之间的间隙后，对复合硬质材料表面用金刚石砂轮进行磨削加工或者用车铣方式加工金属基体，从而将复合硬质材料加工成结构、尺寸复合设计的工业装备零部件。
本发明提供了一种上述技术方案所述的方法制备得到的复合硬质材料，包括：
金属基体，所述金属基体的材质采用碳钢、不锈钢和镍基高温合金的一种；
通过火焰喷涂在金属基体表面形成的镍基合金涂层；
通过焊料熔焊在金属基体表面的多个均匀分散排布的硬质合金块；
通过等离子转移弧熔覆在硬质合金块之间的金属陶瓷材料，所述金属陶瓷材料包括镍基合金粉末和碳化钨颗粒。
进一步的，制得的复合硬质材料的金属基体呈管状或平面状，所述金属基体的表面均匀布置有多个硬质合金块。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中，采用等离子转移弧熔覆技术在硬质合金块之间的间隙中熔覆金属合金材料，硬质合金块与金属基材形成冶金结合，从而实现金属基材、硬质合金、镍基合金以及碳化钨颗粒的复合，得到的复合硬质材料，孔隙率更低，裂纹更少，具有较好的耐磨损性能；
硬质合金块、等离子转移弧熔覆层与金属基材之间的结合强度更高；
自动化的快速放电技术与等离子转移弧熔覆工艺，使生产流程更为简单快捷，不需要模具，省略了大量的模具雕刻与布置时间，效率更高，高度自动化的工艺执行，质量更稳定。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的方法制备的复合硬质材料零部件示意图；
图2是本发明实施例2提供的方法制备的复合硬质材料零部件示意图；
图3为本发明实施例提供的方法得到的复合硬质材料的金相图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。一种复合硬质材料的制备方法限制。
另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。
根据本发明的一个总体技术构思，如图1-3所示，提供一种复合硬质材料的制备方法，包括以下步骤：
根据设计要求，金属基材可以采用钢材，选好基体钢材的牌号，性能，形状，尺寸以及硬质合金块在钢材表面的分布，钢材的形状可以是平面，也可以的曲面；
利用火焰喷涂的方式，在钢材表面涂敷一层镍基合金涂层；
采用定制自动化的“快速放电”设备，将硬质合金块放置于上述镍基合金涂层表面，然后通过瞬间施加大电流，使得硬质合金块与镍基合金涂层瞬间发热，并且温度高于镍基合金涂层的熔点，低于硬质合金的液相点。此时，熔化的镍基合金涂层将硬质合金块的下表面润湿。当电流停止后，熔化的镍基合金涂层快速凝固充当焊料的作用，将硬质合金块与钢焊牢连接固定在一起，此时硬质合金块的横向与纵向之间具有一定的间隙。
将上述表面固定有硬质合金块的钢件，放置于等离子转移弧熔覆装置上，等离子转移弧熔覆装置配有自动送粉器，内装有镍基合金粉末与铸造碳化钨颗粒的混合粉末。根据要求工件的结构与尺寸，编制等离子转移弧熔覆的行走轨迹。启动程序，等离子转移弧熔覆装置将产生等离子弧柱，自动送粉器中的混合粉末进行等离子弧柱中，等离子弧的温度高于镍基合金粉末的熔点，低于碳化钨颗粒的熔点。此时，镍基合金粉末将熔化形成熔池，熔池中混合了碳化钨颗粒并填充在上述硬质合金块之间的间隙中，当等离子弧离开熔池后，熔池将凝固并且将钢材，硬质合金块形成冶金结合，从而实现钢材、硬质合金、镍基合金粉末以及碳化钨颗粒的复合，形成复合硬质材料。
当时复合硬质材料制备完成冷却后，采用磨削与车铣加工的方式，将复合硬质材料加工成结构，尺寸复合设计的工业装备零部件。
在本发明中，硬质合金块的截面形状可以是矩形，圆形，椭圆，以及菱形等多边形；硬质合金块的厚度为3～4mm；以硬质合金块的截面形状呈矩形为例，硬质合金块的长度为10-15mm，宽度为3-8mm。
在本发明中，在基体钢材表面火焰喷涂镍基合金涂层过程中，燃烧介质为乙炔或丙烷或雾化煤油，喷射燃烧气流压力为0.5-0.8MPa，形成的镍基合金涂层厚度为0.05-0.15mm。
在本发明中，硬质合金块与金属基体固定的过程中施加在硬质合金块与镍基合金涂层之间的电流为7000-9000A。
在本实施例中，金属合金材料包括镍基合金粉末和碳化钨颗粒，镍基合金粉末和碳化钨颗粒作为等离子转移弧熔覆材料，将硬质合金块与钢焊牢连接固定在一起；在其他的实施例中，金属合金材料包括镍基合金粉末和硬质合金颗粒；在本发明实施例中，镍基合金粉末的化学成分包括1.5-2.5wt％的B、(3-4wt％)的Si、88.5.5-95.5wt％的Ni和含量小于5wt％的Fe；镍基合金粉末的粒度为60-200目，在其他的实施例中，镍基合金粉末的粒度为70目～100目；在另一实施例中，镍基合金粉末的粒度为60目～150目。
在本实施例中，碳化钨颗粒为铸造碳化钨颗粒，碳化钨颗粒的形状为球形或破碎棱角形，碳化钨颗粒的硬度2200-2800HV，碳化钨颗粒化学成本配比：WC与W2C的共晶体，其中C含量为3.8-4.2wt％，W含量为95-96wt％，Fe含量为0-0.3wt％，其他杂质含量小于0.3wt％，颗粒尺寸为60-150目。
在本实施例中，镍基合金粉末和碳化钨颗粒质量比为(30～60):(40～70)；在其他的实施例中，镍基合金粉末和碳化钨颗粒质量比为(35～46):(54～65)。
在本实施例中，等离子转移弧熔覆过程中的电压为75-90A，离子气流量为1.2L/min～1.8L/min，送粉速率为30-45g/min。
实施例1
在尺寸为Φ120mm外径*Φ260mm内径*70mm长的管状40Cr基体外圆表面，以粉末状镍基粉末为原料，用火焰喷涂方式，涂敷一层镍基合金涂层，其厚度控制在0.08mm。
将上述表面涂敷有镍基合金涂层的40Cr基体放置于自动快速放电设备夹具上。自动快速放电设备上具有硬质合金块自动输送与加持装置，所述硬质合金块为威盾新材料技术有限公司提供的WD11C牌号，尺寸为12mm长*5mm宽*3mm厚。根据客户要求，并结合基体外径于长度尺寸，确定硬质合金块之间的横向与纵向间距分别为3.3mm与2.5mm并在自动快速放电设备上的PLC程序中进行设置。
启动自动快速放电设备，将7500A的电流瞬间作用在硬质合金块与镍基合金涂层之间并保持0.3秒后立即停止电流输出。瞬间施加并停止的电流，产生的热量将镍基合金涂层熔化并冷却凝固，熔化的镍基合金涂层在硬质合金块的下表面铺展润湿，当电流停止后，凝固的镍基合金将硬质合金块钎焊固定在40Cr基体的外表面。自动化程序，重复循环该动作，从而实现众多的硬质合金块均匀分布并固定在基体表面。
将40wt％的雾化球形镍基合金粉末颗粒与60wt％的球形铸造WC颗粒进行机械混合，得到可用于等离子转移弧熔覆的复合粉末。为了避免由于镍基合金粉末颗粒与球形铸造WC颗粒之间的密度差造成的混合不均匀，单次单容器混合的重量不超过1公斤。
将2公斤上述复合粉末装到自动等离子转移弧熔覆装置的送粉器中，并将表面固定有硬质合金块的40Cr基体放置于自定等离子转移弧熔覆装置的卡盘上固定。根据40Cr基体的外径与长度尺寸，并结合技术工艺要求，确定卡盘的转速为4min/转，等离子转移弧的摆弧宽度为20mm，等离子转移弧枪嘴距离40Cr基体的表面为10mm，等离子转移弧发生器的电流为78A，离子气流量1.5L/min，保护气流量为12L/min，送粉速度为45g/min，并在自动等离子转移弧熔覆设备上的PLC程序中进行设置。
启动等离子转移弧熔覆设备，产生等离子转移弧柱，复合粉末由送粉器输送到等离子转移弧柱中，等离子转移弧柱的温度高于复合粉末中镍基合金的熔点且低于球形WC的熔点。镍基合金在等离子转移弧柱的高温下熔化形成熔池，并将硬质合金块之间的横向于纵向间隙填满，而球形WC颗粒也伴随镍基合金的熔化而进入熔池。在等离子转移弧熔覆装置的卡盘旋转下，熔池会慢慢离开等离子转移弧并凝固。此时，40Cr基体，硬质合金块，镍基合金以及球形WC颗粒就复合为一体，形成一种复合硬质材料，兼具高的耐磨性与冲击韧性。
采用郑州磨具磨料磨削研究所生产的树脂结合剂或陶瓷结合剂金刚石外圆磨砂轮，对等离子转移弧熔覆层进行磨削加工，再用车铣加工设备对40Cr基体部位进行加工，从而得到由复合硬质制备的零部件。
本发明实施例1制备的复合材料金相组织如图1所示。从金相图中可看出复合硬质材料由钢，硬质合金块，镍基合金以及球形WC颗粒。本实施例中，由复合硬质材料制备的零部件如图1所示。
实施例2
在尺寸为Φ150mm外径*Φ70mm内径*165mm长的管状40Cr基体内壁表面，以粉末状镍基粉末为原料，用火焰喷涂方式，涂敷一层镍基合金涂层，其厚度控制在0.1mm。
将上述表面涂敷有镍基合金涂层的40Cr基体放置于自动快速放电设备夹具上。自动快速放电设备上具有硬质合金块自动输送与加持装置，所述硬质合金块为威盾新材料技术有限公司提供的WD11C牌号，尺寸为12mm长*5mm宽*3mm厚。根据客户要求，并结合基体外径于长度尺寸，确定硬质合金块之间的横向与纵向间距分别为3.5mm与3mm并在自动快速放电设备上的PLC程序中进行设置。
启动自动快速放电设备，将8000A的电流瞬间作用在硬质合金块与镍基合金涂层之间并保持0.5秒后立即停止电流输出。瞬间施加并停止的电流，产生的热量将镍基合金涂层熔化并冷却凝固，熔化的镍基合金涂层在硬质合金块的下表面铺展润湿，当电流停止后，凝固的镍基合金将硬质合金块钎焊固定在40Cr基体的外表面。自动化程序，重复循环该动作，从而实现众多的硬质合金块均匀分布并固定在基体表面。
将45wt％的雾化球形镍基合金粉末颗粒与55wt％的球形铸造WC颗粒进行机械混合，得到可用于等离子转移弧熔覆的复合粉末。为了避免由于镍基合金粉末颗粒与球形铸造WC颗粒之间的密度差造成的混合不均匀，单次单容器混合的重量不超过1公斤。
将3公斤上述复合粉末装到自动等离子转移弧熔覆装置的送粉器中，并将表面固定有硬质合金块的40Cr基体放置于自定等离子转移弧熔覆装置的卡盘上固定。根据40Cr基体的外径与长度尺寸，并结合技术工艺要求，确定卡盘的转速为4min/转，等离子转移弧的摆弧宽度为18mm，等离子转移弧枪嘴距离40Cr基体的表面为10mm，等离子转移弧发生器的电流为75A，离子气流量1.5L/min，保护气流量为12L/min，送粉速度为40g/min，并在自动等离子转移弧熔覆设备上的PLC程序中进行设置。
启动等离子转移弧熔覆设备，产生等离子转移弧柱，复合粉末由送粉器输送到等离子转移弧柱中，等离子转移弧柱的温度高于复合粉末中镍基合金的熔点且低于球形WC的熔点。镍基合金在等离子转移弧柱的高温下熔化形成熔池，并将硬质合金块之间的横向于纵向间隙填满，而球形WC颗粒也伴随镍基合金的熔化而进入熔池。在等离子转移弧熔覆装置的卡盘旋转下，熔池会慢慢离开等离子转移弧并凝固。此时，40Cr基体，硬质合金块，镍基合金以及球形WC颗粒就复合为一体，形成一种复合硬质材料，兼具高的耐磨性与冲击韧性。
采用郑州磨具磨料磨削研究所生产的树脂结合剂或陶瓷结合剂金刚石内孔磨砂轮，对等离子转移弧熔覆层进行磨削加工，再用车铣加工设备对40Cr基体部位进行加工，从而得到由复合硬质制备的零部件。
本发明实施例2，由复合硬质材料制备的零部件如图2所示。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之。

Claims (10)

1.一种复合硬质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用火焰喷涂的方法将镍基合金粉末涂敷在金属基体表面形成镍基合金涂层；
(2)将硬质合金块放置于上述镍基合金涂层表面，然后在硬质合金块与镍基合金涂层之间瞬间施加大电流，使得硬质合金块与镍基合金涂层瞬间发热，将镍基合金涂层熔化；
(3)停止电流，熔化的镍基合金涂层快速凝固充当焊料的作用，将硬质合金块与金属基体固定在一起；
(4)重复步骤(2)和(3)，在金属基体表面固定多个硬质合金块；
(5)采用等离子转移弧熔覆技术在各所述硬质合金块之间的间隙中熔覆金属陶瓷材料，得到复合硬质材料。
2.根据权利要求1所述的一种复合硬质材料的制备方法，其特征在于，所述镍基合金涂层厚度为0.05-0.15mm。
3.根据权利要求2所述的一种复合硬质材料的制备方法，其特征在于，所述硬质合金块与金属基体固定的过程中施加在硬质合金块与镍基合金涂层之间的电流为7000-9000A。
4.根据权利要求1所述的一种复合硬质材料的制备方法，其特征在于，所述硬质合金块的上表面呈矩形、圆形、椭圆和菱形中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种复合硬质材料的制备方法，其特征在于，所述金属陶瓷材料包括镍基合金粉末和碳化钨颗粒，所述镍基合金粉末和碳化钨颗粒质量比为(30～60):(40～70)。
6.根据权利要求5所述的一种复合硬质材料的制备方法，其特征在于，所述镍基合金粉末的成分包括1.5-2.5wt％的B、(3-4wt％)的Si、88.5.5-95.5wt％的Ni和含量小于5wt％的Fe，形状呈球形，以及粒度尺寸为60-200目。
7.根据权利要求6所述的一种复合硬质材料的制备方法，其特征在于，所述硬质合金块的成分包括88-90wt％的WC和10-12％wt的Co，晶粒尺寸3-4微米。
8.根据权利要求7所述的一种复合硬质材料的制备方法，其特征在于，还包括：金属合金材料通过等离子转移弧熔覆在各所述硬质合金块之间的间隙后，对复合硬质材料表面用金刚石砂轮进行磨削加工或者用车铣方式加工金属基体，将复合硬质材料加工成结构、尺寸复合设计的工业装备零部件。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种复合硬质材料的制备方法，其特征在于，制得的复合硬质材料包括：
金属基体，所述金属基体的材质采用碳钢、不锈钢和镍基高温合金的一种；
通过火焰喷涂在金属基体表面形成的镍基合金涂层；
通过焊料熔焊在金属基体表面的多个均匀分散排布的硬质合金块；
通过等离子转移弧熔覆在硬质合金块之间的金属陶瓷材料，所述金属陶瓷材料包括镍基合金粉末和碳化钨颗粒。
10.根据权利要求9所述的一种复合硬质材料的制备方法，其特征在于，制得的复合硬质材料的金属基体呈管状或平面状，所述金属基体的表面均匀布置有多个硬质合金块。
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