一种WC/非晶复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种WC/非晶复合涂层及其制备方法。将Fe基非晶合金粉末预铺在合金钢表面，以WC‑Co陶瓷硬质合金为电极，采用电火花沉积技术制得所述涂层。其中，以质量百分比计，Fe基非晶粉末的成分为Mo：28.5～30.0％；Co：8.0～9.0％；Cr:13.0～13.8％；Si:1.5～2.0％；Y：2.0～3.0％；其余为Fe。电火花沉积工艺参数为：电压50～150V，电容10～300μF，放电脉冲频率60～2000Hz，沉积枪转速为500rpm，Ar气流量3～9L/min。本发明专利技术制备的涂层具有高的硬度及耐磨性，可应用于金属零部件表面改性，修复及再制造，可显著改善材料的表面性能。

WC/ amorphous composite coating and preparation method thereof

The invention provides a WC/ amorphous composite coating and a preparation method thereof. The Fe amorphous alloy powder pre laid in alloy steel surface, with WC Co ceramic hard alloy electrode by electro spark deposition to prepare the coating. Among them, the percentage of Fe based amorphous powders with mass percentage is Mo:28.5 to 30%, Co:8.0 to 9%, Cr:13.0 to 13.8%, Si:1.5 to 2%, Y:2.0 to 3%, and the rest to Fe. The process parameters of electric spark deposition are: voltage 50 ~ 150V, capacitance 10~300 mu F, discharge pulse frequency 60 ~ 2000Hz, deposition gun rotational speed is 500rpm, Ar gas flow 3 ~ 9L/min. The coating prepared by the invention has high hardness and wear resistance, and can be applied to the surface modification, repair and remanufacturing of metal parts, and can remarkably improve the surface properties of the material.

【技术实现步骤摘要】
一种WC/非晶复合涂层及其制备方法
本专利技术涉及一种WC/非晶复合涂层以及制备该涂层的方法，属于表面涂层和表面改性领域。
技术介绍
非晶态合金长程无序短程有序的独特原子结构，使其具有高强度、高硬度、高弹性极限、高耐磨耐蚀及理想的磁学、电学特性能等一系列优异的物理化学和力学性能，受到了广泛关注，具有广阔的应用前景。目前，已开发出Zr基、Cu基、Fe基、Ni基、Ti基、稀土基等一系列具有较大玻璃形成能力的多元合金体系。但较小的尺寸和非晶材料固有的脆性仍然是制约其作为结构材料应用的关键。非晶复合涂层可有效解决非晶的脆性和尺寸问题，突破其应用瓶颈。如学者利用喷涂技术、激光熔覆等技术在金属基体表面成功制备了非晶复合涂层，获得优异的耐磨耐蚀等性能。但喷涂非晶涂层的膜基结合力较差，很难用于工况复杂的苛刻环境。激光熔覆制备的非晶涂层可以与基材形成冶金结合，但激光器昂贵，制备成本较高。电火花沉积技术(Electro-sparkDeposition，简称ESD)是利用高能量密度电能将电极材料熔化，并以等离子态沉积到工件表面的一种脉冲微弧焊工艺。该工艺是将电极材料作为工作阳极，被沉积金属工件作为阴极，在保护介质中电极材料与工件接触，产生火花放电，在10-5～10-6s的时间内接触部位可达到8,000～25,000K的高温，使得材料瞬间熔化，在微电场的作用下离子态的电极材料高速转移到工件表面，形成与基材呈冶金结合的沉积层。由于电火花沉积技术采用脉冲加热，其放电频率高、放电区域小、能量集中，加热和冷却速度极快(可达105-106K/s)，沉积层极易形成非晶纳米晶组织。如Liu等以Fe-Cr-Mo-Gd-C-B非晶棒为电极在304不锈钢制备沉积层。研究发现，沉积层厚度约为30μm，其中含有非晶相，与基材呈冶金结合，硬度可达1542kg/mm2。现有的电火花沉积非晶涂层专利(CN104032252A)，利用高纯Al、Ni、La进行真空中频感应熔炼，获得母合金，然后通过铜模喷铸法获得电极，利用电火花沉积技术在铝合金表面获得非晶层。该技术需要专门制作非晶合金作为电极，电极的成分与组织结构直接影响沉积层的组织与性能；一种基于电火花沉积的非晶纳米晶涂层制备方法的专利(CN104513947A)，以FeB粉、Mo粉、Fe粉、Mn粉、Cr粉、Ni粉和V粉按照比例混合，加成型剂，经球磨，成型及真空烧结后获得电极，然后利用电火花沉积技术获得非晶纳米晶沉积层。
技术实现思路
本专利技术提供一种在合金钢基材表面可快速制备的WC/非晶复合涂层及制备方法。将Fe基非晶合金粉末预先铺在合金钢基材表面，以WC-Co为电极，采用电火花沉积技术在合金钢基材表面制备WC/非晶复合涂层。本专利技术所采用的Fe基非晶合金粉末的成分为：以质量百分比计，Mo：28.5～30.0％；Co：8.0～9.0％；Cr:13.0～13.8％；Si:1.5～2.0％；Y:2.0～3.0％；其余为Fe。铁基非晶合金粉末用气体雾化方法制备，制备粉末为完全非晶态结构，粉末粒度范围在：30-100μm。上述成分中，各个元素的主要作用是：Mo：细化组织，提高沉积层韧性和耐磨性，降低裂纹敏感性；Co：提高沉积层的热强性、硬度和耐磨性；Cr：提高电极电位，防止电化学腐蚀，提高沉积层耐蚀性；Si：提高沉积层的抗氧化能力，提高沉积层的成型质量；Y：改善沉积层成型质量，提高沉积层的非晶形成能力。专利技术人经过长期试验得出本专利技术采用以下配比时，达到的效果最好。以质量百分比计，所述铁基非晶合金粉末的成分为：Mo：29％；Co：8.5％；Cr：13.5％；Si:1.8％；Y:2.5％；其余为Fe。本专利技术选用WC-Co陶瓷硬质合金作为电极，其成分为，WC：85～92％，Co：8～15％。电极直径为3mm。专利技术人经过长期试验发现，采用WC-10Co电极的沉积层与基体间结合较好，且具有较高的硬度和耐磨性。优选WC-10Co电极，其成分为：WC：90％，Co：10％。本专利技术所述的一种WC/非晶复合涂层的制备方法，采用预涂覆技术，先在合金钢基材上涂覆一层Fe基非晶粉末，以WC-Co为电极，利用SparkDepoMODEL300型电火花沉积设备进行沉积，具体工艺参数为：电压50～150V，电容10～300μF，放电脉冲频率60～2000Hz，沉积枪转速为500rpm，沉积过程采用Ar气保护，Ar气流量3～9L/min。沉积层厚度、表面粗糙度等沉积层质量与工艺参数密切相关。专利技术者经过大量试验发现，电压、电容和频率对沉积层厚度的影响是通过改变电极间放电能量实现的，沉积电容、电压越大，电极间的放电能量越大；放电频率越高，单位时间内的放电次数增加，电极材料转移量增大，厚度增大。电容、电压和放电频率三者中，电压对沉积层厚度的影响最大。电容、电压与沉积层粗糙度成正比，频率与沉积层粗糙度成反比。电容、电压越大，沉积层粗糙度越大；放电频率越大，沉积层粗糙度越小。另外，沉积工艺也会影响沉积层缺陷。电压、电容对沉积层缺陷的影响是通过改变电极间放电能量实现的，能量过小会在基体与沉积层的过渡区中产生未融合裂纹；能量过大，会由于较大的热应力和形变应力产生气孔和微裂纹等缺陷。为兼顾沉积层厚度，沉积层质量以及沉积效率，较佳的工艺为两遍沉积，具体参数为，第一遍：电压100V，电容30μF，放电脉冲频率300Hz，沉积枪转速为500rpm，沉积过程采用Ar气保护，Ar气流量5L/min。第二遍，电压50V，电容10μF，放电脉冲频率2000Hz，沉积枪转速为500rpm，沉积过程采用Ar气保护，Ar气流量5L/min。本专利技术所制备的涂层主要由W3C和非晶组成，为WC/非晶复合涂层，涂层硬度值高达2100HV，摩擦系数在0.1～0.2之间。WC具有高硬度、高强度、高弹性模量及化学稳定性等特性。WC/非晶复合涂层在摩擦载荷作用下，可通过弹性变形调节其与摩擦副之间的载荷作用与分布，从而减少或避免对摩擦副的划伤，从而起到降低摩擦系数的作用。因此，本专利技术的WC/非晶复合涂层，与合金钢基体呈冶金结合，表面粗糙度较低，具有低的摩擦系数、高的硬度及耐磨性。本专利技术的涂层及制备技术，可用于零部件表面改性、修复与再制造，有巨大的应用前景。附图说明图1为预涂粉末和沉积层的XRD图谱；可见预涂粉末的XRD图谱，只有一个漫散包，为完全非晶态。沉积层的XRD图谱在2θ＝35～50度之间也出现了明显的漫散包，说明有非晶组织存在。同时，也发现在漫散包上还叠加着明锐的衍射峰，经标定，这些衍射峰主要是W3C相。图2为沉积层的表面形貌；可见，涂层主要由熔滴沉积点和放电凹坑逐层覆盖形成，呈“火山坑”和“溅射状”花样形貌。这主要是由于电火花放电瞬间在电极与基体间产生的高温、高压使电极瞬间熔化，甚至汽化，在微电场的作用下，熔化的电极材料高速溅落在基材表面并快速凝固而形成“溅射状”花样。同时放电高温高压，可能使某些区域瞬间汽化，在放电弧的冲击压力下，形成“火山坑”形貌。图3为沉积层的截面SEM图及界面处成分分布；图4为为沉积层的截面SEM图及界面处成分分布(省略色彩)；可见，沉积层与基体结合牢固，且在结合区Fe，Si元素明显发生了扩散。说明电火花沉积并非简单的电极材料转移涂镀过程，而是电极和基体材料各元素本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种WC/非晶复合涂层，其特征在于：在合金钢基体表面预铺一层铁基非晶合金粉末，以WC‑Co为电极，采用电火花沉积技术制得，其中，以质量百分比计，所述铁基非晶合金粉末的成分为：Mo：28.5～30.0％；Co：8.0～9.0％；Cr:13.0～13.8％；Si:1.5～2.0％；Y:2.0～3.0％；其余为Fe。

【技术特征摘要】
1.一种WC/非晶复合涂层，其特征在于：在合金钢基体表面预铺一层铁基非晶合金粉末，以WC-Co为电极，采用电火花沉积技术制得，其中，以质量百分比计，所述铁基非晶合金粉末的成分为：Mo：28.5～30.0％；Co：8.0～9.0％；Cr:13.0～13.8％；Si:1.5～2.0％；Y:2.0～3.0％；其余为Fe。2.根据权利要求1所述的一种WC/非晶复合涂层，其特征在于：其特征在于，以质量百分比计，所述的WC-Co电极的成分为WC：85～92％，Co：8～15％。3.根据权利要求1所述的一种WC/非晶复合涂层，其特征在于：所述铁基非晶合金粉末用气体雾化方法制备，粉末粒度范围在：30-100μm，为完全非晶态。4.根据权利要求1所述的一种WC/非晶复合涂层，其特征在于：所述的涂层主要由WC和非晶组成，与合金钢基体之间呈冶金结合。5.根据权利要求1所述的一种WC/非晶复合涂层，其特征在于：所述的涂层硬度值高达2100HV，摩擦系数在0.1～0.2之间。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彦芳，石志强，钟鹏，孙旭，宋增金，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37