專利名稱：一種WC－FeNiCr超硬無磁涂層復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鐵基超硬復合材料及其制備方法，更特別的是一種無磁、耐磨、耐 腐蝕的WC-FeNiCr的涂層材料及其在金屬機械零部件上制成無磁、超硬、耐磨、耐腐蝕的涂 層的方法。
背景技術：
在航空、航天、石油、地質勘探、機械、化工等工業(yè)中，存在大量摩擦磨損運動副無
磁金屬機械零部件在腐蝕、磨損等條件下承受劇烈的摩擦磨損，要求這些零部件同時具有
優(yōu)異的耐磨性能、良好的耐腐蝕性能及優(yōu)良的無磁性能等使用性能配合。 采用表面工程手段，在奧氏體不銹鋼、無磁鋼、鋁合金、鈦合金、銅合金等無磁材質
制作成的零部件表面制備一層超硬耐磨無磁復合材料，是解決和提高運動副零部件耐磨性
能、耐蝕性能等性能最有效和最經(jīng)濟的措施之一，是解決金屬機械運動副零部件表面上制
成無磁耐磨涂層，實現(xiàn)零部件表面強化和修復的最有效方法。 目前實際應用當中使用的無磁涂層材料主要有兩種，一種是不含WC的無磁粉末 材料，其主要化學成分為Cr :20%、 Mn :4%、 Fe :18%、 Ni :50%、 Mo :6% ;另一種是含有WC 的無磁粉末材料，其主要化學成分為Cr :4%、Fe :2%、Ni :79%、W:14%。以上兩種材料屬 于鎳基的無磁材料且WC含量較低，抗磨粒磨損性能較差，大大影響工件的使用壽命。
在涂層制備技術方面，等離子噴涂、火焰噴涂、高速火焰噴涂、爆炸噴涂等熱噴涂 方法制備的涂層，組織存在疏松，孔隙率較高，特別是涂層金屬零件界面結合為機械結合界 面結合強度低，涂層在承受劇烈摩擦時容易脫落。激光熔覆方法制備涂層存在組織細小、成 分均勻、涂層致密，涂層與基體之間為冶金結合等特點，是制備高性能優(yōu)質涂層的最佳方法 之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是克服上述材料中存在的問題，提供一種碳化鎢含量較高 (20-60% )的WC-FeNiCr超硬無磁涂層復合材料及其制備方法，大大提高材料的抗磨損性 能。 本發(fā)明的一種WC-FeNiCr超硬無磁涂層復合材料，屬于鐵基復合材料，其特征在 于主要包含W、 Fe、 Ni、 Cr等元素，其中碳化鴇20 60wt%、 Fe :19 55wt%、 Ni :12 16wt%、Cr :5 13wt^，其組織結構主要由WC、W2C、奧氏體、FeCr等無磁相組成。
本發(fā)明的上述一種WC-FeNiCr超硬無磁涂層復合材料，其奧氏體為Y-Fe。
本發(fā)明的一種WC-FeNiCr超硬無磁涂層復合材料的制備方法，其特征在于，包括 如下步驟 (1)按上述質量百分比選取原料； (2)采用離心霧化、氬氣霧化或等離子旋轉電極霧化的方式得到FeNiCr合金粉 末，稱量碳化鎢粉末以及FeNiCr合金粉末，其中碳化鎢粉末質量百分比20 60%，所述的碳化鎢粉末可以是塊狀、絮狀、球狀，將碳化鎢粉末以及FeNiCr合金粉末過篩，使得粉末粒 度為120 325目； (3)將上述碳化鎢粉末與FeNiCr合金粉末混合，在球磨機里面混合2小時； (4)選取機械零部件載體，利用激光熔覆法，在機械零件表面上制備成涂層，設置
激光輸出功率2. 0 4. 5KW，圓光斑尺寸為3 6mm(或矩形光斑lX8mm)，光束掃描速度為
150 400mm/min，激光熔覆過程采用流量為20L/min的氬氣保護。 激光熔覆層組織均勻致密、無裂紋、無氣孔，同零件基材之間為完全冶金結合。 步驟(4)所述的在機械零件表面上制備成涂層的方法，還可以采用等離子熔覆、
等離子噴涂、熱噴涂等方法。 步驟(4)所述的機械零部件載體可選取奧氏體不銹鋼、無磁鋼、鋁合金、鈦合金、 銅合金等無磁材質制作成的零部件。 本發(fā)明可用于在金屬機械運動副零部件表面上制成無磁耐磨涂層，實現(xiàn)零部件表 面強化和修復。 本發(fā)明材料的相對磁導率在l. 005《^《1. 036之間，顯微硬度HV900-1800，25。C 鹽霧腐蝕的腐蝕率小于0. 5g/m2 h。 步驟(2)中所述的合金粉末，可采用離心霧化、氬氣霧化、等離子旋轉電極霧化等 方法制備成，然后與碳化鎢顆?；旌系玫交旌戏勰?，利用激光熔覆、熱噴涂、等離子熔覆、堆 焊等方法在奧氏體不銹鋼、無磁鋼、鋁合金、鈦合金、銅合金等無磁材質制作成的零部件表 面上制成無磁耐磨涂層。同時，也可以采用單元素粉末與WC顆粒制備成混合料，采用激光 熔覆等方法在氬氣保護條件下制備無磁耐磨耐蝕涂層。該超硬無磁涂層可應用于石油、化 工、冶金、電力、航空航天等工業(yè)裝備中無磁零部件的表面改性和修復。


圖1是實施例1激光熔覆WC 圖2是實施例1激光熔覆WC 圖3是實施例1激光熔覆WC 圖4是實施例1激光熔覆WC 圖5是實施例1激光熔覆WC 圖6是實施例1激光熔覆WC 圖7是實施例4激光熔覆WC 圖8是實施例4激光熔覆WC 圖9是實施例4激光熔覆WC
具體實施方式

實施例1 (1)選取典型的WC-FeNiCr超硬無磁涂層復合材料配方，碳化鎢質量百分比為 40%， Fe為36%， Cr為9%， Ni為15%。 (2)采用氬氣霧化的方式得到FeNiCr合金粉末，采用精度為0. lmg的電子天平稱 量碳化鎢粉末以及FeNiCr合金粉末，粉末粒度為120 325目。
-FeNiCr超硬無磁涂層復合材料SEM照片 -FeNiCr超硬無磁涂層復合材料EDS譜線 -FeNiCr超硬無磁涂層復合材料XRD譜線 -FeNiCr超硬無磁涂層復合材料硬度分布曲線 -FeNiCr超硬無磁涂層復合材料磁化曲線 -FeNiCr超硬無磁涂層復合材料磁滯回線 -FeNiCr超硬無磁涂層復合材料XRD譜線 -FeNiCr超硬無磁涂層復合材料磁化曲線 -FeNiCr超硬無磁涂層復合材料磁滯回線
(3)將上述碳化鎢顆粒與FeNiCr合金粉末混合料，在球磨機里面混合2小時。 (4)選取無磁鋼N1310作為基體材料，利用激光熔覆法，在機械零件表面上制備成
涂層，設置激光輸出功率2. 0 4. 5KW，圓光斑尺寸為3 6mm(或矩形光斑lX8mm)，光束
掃描速度為150 400mm/min，激光熔覆過程采用流量為20L/min的氬氣保護。 下面對本實施例得到的WC-FeNiCr無磁涂層復合材料進行組織結構分析及各種
性能測試，說明其性能的優(yōu)越性。 1、組織結構分析 用LE01450掃描電境進行涂層形貌與化學成分分析，無磁涂層典型的形貌如圖1 所示，可以看到WC硬質相彌散分布于涂層中。對涂層進行成分分析，結果如圖2所示。采 用X射線衍射儀(D8 ADVANCE)對耐磨復合材料進行物相組成成分分析，如圖3所示。X射 線衍射分析結果表明，涂層材料的主要組織組成相為WC、W^、奧氏體、FeCr等無磁相組成。
2、腐蝕實驗 將無磁涂層材料在BY-120C鹽水噴霧試驗機上進行腐蝕試驗，得到涂層材料的腐 蝕率為0. 49g/m2 h(測試條件:25。C X 168h)，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。
3、顯微硬度 用HXD-1000型顯微硬度計進行硬度測試，沿垂直于熔覆層方向間隔50um進行多 點測試，載荷為100g，加載時間為15s。激光熔覆無磁涂層復合材料的硬度很高，硬度范圍 在HV900-1800，硬度分布曲線如圖4所示，由于碳化鎢硬質相的存在，硬度波動很大
4、磁性能檢測 在Lake Shore7410型振動樣品磁強計進行WC-FeNiCr材料磁性能測試，得到材料 的相對磁導率為1. 005。同時，該材料的磁化曲線和磁滯回線分別如圖5和圖6所示。
以上數(shù)據(jù)均說明激光熔覆制備的WC-FeNiCr涂層為無磁超硬復合材料。
實施例2 選取典型的WC-FeNiCr超硬無磁涂層復合材料配方，碳化鎢質量百分比為20%， Fe為55%， Cr為13%， Ni為12%。基體材料為316L無磁不銹鋼，涂層制備方法及激光熔 覆等過程同實施例1。 經(jīng)檢測，涂層組織為WC、 W^、奧氏體、FeCr等無磁相組成。涂層材料的腐蝕率為 0. 47g/m2 *h(測試條件25°C X 168h)。材料的相對磁導率為1. 005 (有關磁性曲線與實施 例l基本相同，故省略)。
實施例3 選取典型的WC-FeNiCr超硬無磁涂層復合材料配方，碳化鴇質量百分比為60%， Fe為19%， Cr為5%， Ni為16%?；w材料為鈦合金Ti6A14V，涂層制備方法及激光熔覆 等過程同實施例1。 經(jīng)檢測，涂層組織為WC、 W^、奧氏體、FeCr等無磁相組成。涂層材料的腐蝕率為 0. 50g/m2 *h(測試條件25°C X 168h)。材料的相對磁導率為1. 010 (有關磁性曲線與實施
例l無大的差別，故省略)。
實施例4 選取典型的WC-FeNiCr超硬無磁涂層復合材料配方，碳化鴇質量百分比為50%， Fe為29X，Cr為8X，Ni為13%?；w材料為316L，涂層制備方法及激光熔覆等過程同實施例1。 經(jīng)檢測，涂層組織為WC、W2C、 Y -Fe、FeCr等無磁相組成，如圖7所示。涂層材料的 腐蝕率為0. 50g/m2 *h(測試條件25°C X 168h)。材料的相對磁導率為1. 036，該材料的磁 化曲線和磁滯回線分別如圖8和圖9所示。 本發(fā)明的無磁材料可廣泛應用于提高航空航天、石油、化工、電力、能源、有色金屬 冶金、鋼鐵冶金等工業(yè)裝備中無磁零部件和常規(guī)零部件的表面改性和修復。
權利要求
一種WC-FeNiCr超硬無磁涂層復合材料，屬于鐵基復合材料，其特征在于主要包含W、Fe、Ni、Cr等元素，其中碳化鎢20～60wt％、Fe19～55wt％、Ni12～16wt％、Cr5～13wt％，其組織結構主要由WC、W2C、奧氏體、FeCr等無磁相組成。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種WC-FeNiCr超硬無磁涂層復合材料，其特征在于所述 奧氏體為Y-Fe。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種WC-FeNiCr超硬無磁涂層復合材料的制備方法，其特征 在于，包括以下步驟(1) 按權利要求1中所述組分的質量百分比選取原料；(2) 采用離心霧化、氬氣霧化或等離子旋轉電極霧化的方式得到FeNiCr合金粉末，稱 量碳化鎢粉末以及FeNiCr合金粉末，其中碳化鎢粉末質量百分比20 60%，所述的碳化 鎢粉末可以是塊狀、絮狀、球狀，將碳化鎢粉末以及FeNiCr合金粉末過篩，使得粉末粒度為 120 325目；(3) 將上述碳化鎢粉末與FeNiCr合金粉末在球磨機里面混合2小時；(4) 選取機械零部件載體，利用激光熔覆法，在機械零件表面上制備成涂層，設置激光 輸出功率2. 0 4. 5KW，圓光斑尺寸為3 6mm，或矩形光斑1 X 8mm，光束掃描速度為150 400mm/min，激光熔覆過程采用流量為20L/min的氬氣保護。
4. 根據(jù)權利要求3所述的一種WC-FeNiCr超硬無磁涂層復合材料的制備方法，其特征 在于步驟(4)所述的在機械零件表面上制備成涂層的方法，還可以采用等離子熔覆、等離 子噴涂、熱噴涂等方法。
5. 根據(jù)權利要求3所述的一種WC-FeNiCr超硬無磁涂層復合材料的制備方法，其特征 在于步驟(4)所述的機械零部件載體可選取奧氏體不銹鋼、無磁鋼、鋁合金、鈦合金、銅合 金等無磁材質制作成的零部件。
6. 根據(jù)權利要求1、3所述的一種WC-FeNiCr超硬無磁涂層復合材料及其制備方法，其 特征在于可用于在金屬機械運動副零部件表面上制成無磁耐磨涂層，實現(xiàn)零部件表面強 化和修復。
7. 根據(jù)權利要求1、3所述的一種WC-FeNiCr超硬無磁涂層復合材料及其制備方法， 其特征在于制備而成的復合材料的相對磁導率在1. 005《《1. 036之間，顯微硬度 HV900-1800，25。C鹽霧腐蝕的腐蝕率小于0. 5g/m2 h。
全文摘要
一種WC－FeNiCr超硬無磁涂層復合材料及其制備方法，屬于表面涂層技術領域。本發(fā)明的WC－FeNiCr超硬無磁涂層復合材料，具有較高(20-60％)的碳化鎢，大大提高材料的抗磨損性能。其化學成分為碳化鎢20～60wt％、Fe20～55wt％、Ni13～17wt％、Cr5～13wt％，其組織結構主要由WC、W2C、γ-Fe、FeCr等無磁相組成。其制備方法主要包括選料、制備合金粉末、球磨、選取機械零部件載體、利用激光熔覆法在機械零件表面上制備成涂層幾個步驟。本發(fā)明可用于在金屬機械運動副零部件表面上制成無磁耐磨涂層，實現(xiàn)零部件表面強化和修復。機械零部件載體可選取奧氏體不銹鋼、無磁鋼、鋁合金、鈦合金、銅合金等無磁材質制作成的零部件。
文檔編號C23C30/00GK101693996SQ20091021054
公開日2010年4月14日 申請日期2009年11月10日 優(yōu)先權日2009年11月10日
發(fā)明者左鐵釧, 楊膠溪, 王喜兵 申請人:北京工業(yè)大學;