CN1781875A - 一种碳化钨-钴/二硫化钼复合粉末及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
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,MoS2 1~6%重量。本发明碳化钨-钴/二硫化钼复合粉末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。
Description
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***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,***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***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,MoS2 1~6%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***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***喷涂***,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***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***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***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***喷涂***进行***喷涂试验,***喷涂***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。***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***喷涂***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***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***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Ф50mm×10mm,其硬度为>HRA89。实验中选择实验机速度为400r/mm,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Ф4mm×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。***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***喷涂***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~).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***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***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Ф50mm×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。***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***喷涂***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***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***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Ф50mm×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。***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***喷涂***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***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***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Ф50mm×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。
Claims (6)
1、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-Co94~99%重量,MoS2 1~6%重量。
2、按照权利要求1所述碳化钨-钴/二硫化钼复合粉末,其特征在于:所述的WC-Co成分中,Co的含量为5~20%。
3、按照权利要求3所述碳化钨-钴/二硫化钼复合粉末,其特征在于:所述的WC-Co成分中,Co的含量为10~15%。
4、一种权利要求1所述碳化钨-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。
5、按照权利要求4所述碳化钨-钴/二硫化钼复合粉末的制备方法,其特征在于: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。
6、按照权利要求4所述碳化钨-钴/二硫化钼复合粉末的制备方法,其特征在于:所述液态介质选择为无水乙醇、水。
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