專(zhuān)利名稱(chēng)：一種碳化鎢鈷-銅-氟化物自潤(rùn)滑耐磨涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳化鎢鈷-銅-氟化物自潤(rùn)滑耐磨涂層及其制備方法，屬于防護(hù)材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
機(jī)械制造和尖端技術(shù)的發(fā)展與材料的性能所達(dá)到的最大極限息息相關(guān)，但是隨著材料所承受的工作應(yīng)力和工作溫度的不斷提高，常使材料在沒(méi)有達(dá)到使用極限之前就由于磨損而導(dǎo)致失效。在美國(guó)，1985年由于磨損造成的損失估計(jì)達(dá)200億美元。[Budinski K. G. , Surface Engineering for Wear Resistance. PrenticeHall. N. J. USA. 1988.]若把磨損和腐蝕造成的損失算在一起，估計(jì)達(dá)到2000億美元。[Bernecki T. F. . Ceramic Industry. 1989,10 :39.]在德國(guó)，專(zhuān)家們估計(jì)每年由于磨損和腐蝕造成的損失大約占社會(huì)生產(chǎn)總值的 5%。[Lugscheider E. , Proc. ofthe Nat. Thermal Spray Conf. Florida. USA. 1987 :105.]據(jù)德國(guó)Vogelpohl教授預(yù)測(cè)，全世界生產(chǎn)能源的1/3到1/2損失在摩擦磨損上，[Fuller D D. Theory andPractice of Lubrication Engineer. John ffiley&Sons, 1986.]英國(guó)H. P. Jost教授指出，世界消費(fèi)能源的30% 40%消耗在摩擦磨損上。[歐風(fēng).合理潤(rùn)滑技術(shù)手冊(cè).石油工業(yè)出版社，1993 :5.]因此探索減少和防止磨損、腐蝕的方法及技術(shù)具有重大的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。碳化鎢(WC)作為耐磨材料具有熔點(diǎn)高，硬度高(特別是熱硬度高)，化學(xué)性能穩(wěn)定等典型的陶瓷材料的特點(diǎn)。并且鈷(Co)熔體對(duì)碳化鎢的潤(rùn)濕性最好，以碳化鎢鈷(WC-Co) 為代表的金屬-陶瓷復(fù)合涂層的制備受到研究者們的高度重視。但WC-Co涂層硬度高，會(huì)對(duì)對(duì)偶件產(chǎn)生嚴(yán)重的摩擦磨損，間接增加了磨損量。堿土金屬氟化物(CaF2,BaF2及62襯.% BaF2-38wt. % CaF2共晶體)大約在400°C時(shí)，經(jīng)歷了從易碎到易延展的轉(zhuǎn)變，減少了本身的切變強(qiáng)度，提高了作為高溫固體潤(rùn)滑劑的能力，在超過(guò)400°C時(shí)表現(xiàn)出良好的固體潤(rùn)滑性能。金屬銅具有很好的導(dǎo)熱性、韌性、延展性和可塑性，熔點(diǎn)較高(1085°C)，在缺氧或空氣條件下，與稀硫酸或有機(jī)酸不發(fā)生反應(yīng)，氧化產(chǎn)物Cu2O具有一定潤(rùn)滑作用。另外，銅原料來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉。鑒于此，本發(fā)明期望通過(guò)在碳化鎢鈷中同時(shí)加入堿土金屬氟化物和銅固體潤(rùn)滑劑，降低涂層的摩擦系數(shù)和磨損率。至今，碳化鎢鈷-銅-氟化物自潤(rùn)滑耐磨涂層以及采用大氣等離子噴涂技術(shù)制備此類(lèi)復(fù)合涂層尚未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種碳化鎢鈷-銅-氟化物自潤(rùn)滑耐磨涂層及其制備方法。本發(fā)明的制備方法包括下述步驟(1)將市售碳化鎢鈷(WC-C0)粉、銅粉和氟化物粉在無(wú)水乙醇介質(zhì)中進(jìn)行球磨混合，控制球磨轉(zhuǎn)速為100 150r/min，混合時(shí)間為24 48小時(shí)。
所述碳化鎢鈷粉的平均粒度為15 45 μ m, WC晶粒尺寸為200 800nm，Co含量為 10 14wt. %o所述銅粉的平均粒度為15 50 μ m。所述氟化物粉的平均粒度為1 6 μ m。 所述氟化物粉包括CaF2或BaF2或組成為62wt. % BaF2_38wt. % CaF2的共晶體。(2)上述混合粉末在40 80°C下烘干，烘干后粉末在真空中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為 1000 1200°C，恒溫時(shí)間為1 3小時(shí)。(3)將燒結(jié)后塊體破碎形成粉體，所述粉體的粒徑不大于75 μ m。(4)對(duì)金屬基材進(jìn)行表面預(yù)處理。所述表面預(yù)處理包括清洗、除油、噴砂、車(chē)螺紋或滾花、電拉毛等。所述金屬基材包括A3低碳鋼、不銹鋼和軸承鋼等。(5)以步驟C3)所得粉體為原料，采用大氣等離子噴涂方法制備涂層。所述大氣等離子噴涂方法以氬氣為主氣，氫氣為輔氣，并以氬氣為送粉氣。所述大氣等離子噴涂方法控制主氣和輔氣的氣體流量分別為45 75slpm和2 4slpm ；控制送粉氣流量為3 6slpm，送粉速率為12 16rpm ；噴涂過(guò)程中控制電流為 350 450A，電壓為50 60V，噴涂距離為100 120mm，控制噴涂時(shí)間和次數(shù)，使得所制備涂層厚度為100 500 μ m。本發(fā)明制得涂層的組分為碳化鎢鈷、銅和氟化物，厚度為100 500 μ m。所述涂層組分含量為碳化鎢鈷銅氟化物=(60 80) (10 30)余量。所述涂層組分優(yōu)選范圍為碳化鎢鈷銅氟化物=(75 80) (10 15)
余里ο由于所添加銅的保護(hù)作用，碳化鎢在等離子噴涂過(guò)程中的脫碳減少，復(fù)合涂層中脆性相減少，疲勞磨損消失。同時(shí)，由于噴涂過(guò)程中的急冷，復(fù)合涂層中產(chǎn)生非晶態(tài)BaF2/ CaF2,該非晶體常溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，極大地改進(jìn)了復(fù)合涂層的摩擦性能。利用掃描電子顯微鏡(SEM)j^fR (EDS)和UMT多功能摩擦磨損測(cè)試儀對(duì)所得到的樣品進(jìn)行表征。將所制得的涂層依次使用不同粒徑的Al2O3磨料進(jìn)行表面研磨，并用金剛石研磨膏拋光至表面粗糙度Ra = 0. 5 μ m。采用UMT多功能摩擦磨損測(cè)試儀，球-盤(pán)接觸方式進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)所用對(duì)磨球?yàn)橹睆?mm的302不銹鋼球，硬度為RC39。其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)正壓力10N，滑動(dòng)線(xiàn)速度0. 5m/s，摩擦?xí)r間20分鐘，摩擦行程600米。摩擦系數(shù)由摩擦設(shè)備直接讀取，采用表面輪廓儀測(cè)出磨痕截面積，截面積與磨痕周長(zhǎng)相乘得出磨損體積，磨損率由以下公式計(jì)算，摩擦系數(shù)和磨損率值均取5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值。
權(quán)利要求
1.一種碳化鎢鈷-銅-氟化物自潤(rùn)滑耐磨涂層，其特征在于涂層組分為碳化鎢鈷、銅和氟化物，厚度為100 500 μ m。涂層組分含量為碳化鎢鈷銅氟化物=(60 80) (10 30)余量。涂層組分優(yōu)選范圍為碳化鎢鈷銅氟化物=(75 80) (10 15)余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化鎢鈷-銅-氟化物自潤(rùn)滑耐磨涂層的制備方法，其特征在于a、將市售碳化鎢鈷(WC-Co)粉、銅粉和氟化物粉在無(wú)水乙醇介質(zhì)中進(jìn)行球磨混合，控制球磨轉(zhuǎn)速為100 150r/min，混合時(shí)間為M 48小時(shí)。b、上述混合粉末在40 80°C下烘干，烘干后粉末在真空中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000 1200°C，恒溫時(shí)間為1 3小時(shí)；c、將燒結(jié)后塊體破碎形成粉體，所述粉體的粒徑不大于75μ m。d、以步驟c所得粉體為原料，采用大氣等離子噴涂方法制備碳化鎢鈷-銅-氟化物自潤(rùn)滑耐磨涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳化鎢鈷-銅-氟化物自潤(rùn)滑耐磨涂層的制備方法，其特征在于所用碳化鎢鈷粉的平均粒度為15 45 μ m, WC晶粒尺寸為200 800nm，Co含量為10 Hwt. %。所用銅粉的平均粒度為15 50μπι。所用氟化物粉的平均粒度為1 6 μ m。所用氟化物粉包括CaF2或BaF2或組成為62wt. % BaF2_38wt. % CaF2的共晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳化鎢鈷-銅-氟化物自潤(rùn)滑耐磨涂層的制備方法，其特征在于所述大氣等離子噴涂方法以氬氣為主氣，氫氣為輔氣，并以氬氣為送粉氣。所述大氣等離子噴涂方法控制主氣和輔氣的氣體流量分別為45 75slpm和2 4slpm ；控制送粉氣流量為3 6slpm，送粉速率為12 16rpm ；噴涂過(guò)程中控制電流為 350 450A，電壓為50 60V，噴涂距離為100 120mm，控制噴涂時(shí)間和次數(shù)，使得所制備涂層厚度為100 500 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化鎢鈷-銅-氟化物自潤(rùn)滑耐磨涂層的制備方法，其特征在于大氣等離子噴涂前對(duì)金屬基材進(jìn)行表面預(yù)處理。所述表面預(yù)處理包括清洗、除油、噴砂、車(chē)螺紋或滾花、電拉毛等。所述金屬基材包括A3低碳鋼、不銹鋼和軸承鋼等。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種碳化鎢鈷-銅-氟化物自潤(rùn)滑耐磨涂層及其制備方法。其特征在于以碳化鎢鈷、銅和氟化物粉末為原料，采用燒結(jié)破碎法制備碳化鎢鈷-銅-氟化物復(fù)合粉末，采用大氣等離子噴涂方法制得碳化鎢鈷-銅-氟化物復(fù)合涂層。本發(fā)明所制得涂層的組分含量為碳化鎢鈷∶銅∶氟化物＝(60～80)∶(10～30)∶余量，厚度為100～500μm。與傳統(tǒng)碳化鎢鈷涂層相比，所得的碳化鎢鈷-銅-氟化物復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)和磨損率都明顯降低，是一種優(yōu)良的自潤(rùn)滑耐磨涂層。
文檔編號(hào)C23C4/02GK102190911SQ20101012058
公開(kāi)日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2010年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月9日
發(fā)明者季珩, 楊濤, 祝迎春, 袁建輝, 鄭學(xué)斌 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所