一種液壓傳動構(gòu)件表面防護涂層的制備方法
【專利摘要】一種液壓傳動構(gòu)件表面防護涂層的制備方法，屬于金屬材料磨損、腐蝕與防護【技術領域】。首先制備出平均粒徑小于200nm的WC-Co復合粉末，并對其進行團聚造粒，獲得具有合適粒度分布的熱噴涂喂料粉末，然后利用空氣作為助燃氣的超音速火焰噴涂技術在經(jīng)過預處理的液壓傳動構(gòu)件表面進行硬質(zhì)合金涂層的制備，最后對工件表面進行磨拋處理，獲得兼具高表面質(zhì)量和高力學性能的液壓傳動構(gòu)件表面防護涂層。本發(fā)明提供的方法簡單易行且可實現(xiàn)批量生產(chǎn)。
【專利說明】一種液壓傳動構(gòu)件表面防護涂層的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料磨損、腐蝕與防護【技術領域】，具體是為液壓傳動構(gòu)件提供了一種耐磨、耐腐蝕的硬質(zhì)合金防護涂層的制備方法。
【背景技術】
[0002]大量工程機械使用液壓傳動系統(tǒng)，其中的液壓傳動構(gòu)件(如柱塞、活塞、連桿等)表面經(jīng)受反復的摩擦磨損、腐蝕作用極易導致早期失效報廢，影響工程作業(yè)。為增強表面防護，通常在傳動構(gòu)件表面進行電鍍硬鉻處理，提高其使用壽命。然而，電鍍硬鉻工藝中六價鉻離子排放會帶來嚴重的環(huán)境污染和職業(yè)健康等問題，歐美等國家已于2010年明確規(guī)定禁止使用含高價鉻的電鍍工藝。在我國一些大型城市目前也已經(jīng)嚴禁電鍍硬鉻生產(chǎn)，但在中小城市和地區(qū)還在較大范圍內(nèi)使用電鍍硬鉻工藝。
[0003]WC基硬質(zhì)合金涂層是國內(nèi)外公認的替代電鍍硬鉻的最佳選擇。然而，目前工業(yè)化規(guī)模應用的絕大多數(shù)是初始為微米尺度的粗粉WC基涂層，雖然可滿足硬度和耐磨性的要求，但涂層表面質(zhì)量明顯低于電鍍硬鉻表面光潔度。與初始為常規(guī)粗粉的涂層相比，由于納米粉末具有小尺寸效應、表面效應等，使粉末顆粒熔點降低，表面性能大幅度增強，噴涂過程中粒子的平鋪性和沉積效率提高，涂層組織的致密性增強。因此，納米粉末制備的WC基涂層可具有顯著提高的表面質(zhì)量、結(jié)構(gòu)致密性和層間結(jié)合強度，既具有比微米涂層更高的硬度、耐磨耐蝕性和強韌性，又具有和電鍍硬鉻相媲美的表面光潔度。由于優(yōu)異的綜合性能，納米粉末制備的WC基涂層可完全勝任高表面質(zhì)量需求的液壓傳動構(gòu)件表面防護，可望全面取代有環(huán)境污染問題的電鍍硬鉻工藝，并具有更高的綜合力學性能。
[0004]目前制約納米粉末用于WC基涂層工業(yè)規(guī)?；苽涞年P鍵因素是絕大多數(shù)制粉方法難以滿足熱噴涂工藝對納米粉末性能和批量的要求，因此，國內(nèi)外至今尚無納米粉末用于制備液壓傳動構(gòu)件表面防護WC基涂層的報道。本研究組原創(chuàng)性建立了一種制備超細(亞微米尺度以下)WC-C0復合粉末的技術，已授權國家發(fā)明專利(專利號:ZL200610165554.2)。該技術可實現(xiàn)規(guī)模化制備高質(zhì)量的亞微米和納米尺度的WC-Co復合粉末。本發(fā)明即為解決目前液壓傳動構(gòu)件制造過程中存在電鍍工藝帶來環(huán)境污染和粗粉涂層表面質(zhì)量較差等問題，提供了一種兼具高表面質(zhì)量和高力學性能的液壓傳動構(gòu)件表面防護WC基涂層的制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明首先應用 已有專利技術(授權專利號:ZL200610165554.2)批量制備出納米(平均粒徑小于200nm) WC-Co復合粉，再利用已有專利技術(授權專利號:ZL201010219344.3)進行納米WC-Co復合粉末的團聚造粒，獲得具有合適粒度分布的熱噴涂喂料粉末，然后利用超音速火焰噴涂技術在經(jīng)過預處理的液壓傳動構(gòu)件表面進行硬質(zhì)合金涂層的制備，最后對工件表面進行磨拋處理，獲得兼具高表面質(zhì)量和高力學性能的液壓傳動構(gòu)件表面防護涂層。[0006]本發(fā)明提供的一種液壓傳動構(gòu)件表面防護涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0007](1)以平均粒徑小于200nm的WC-Co復合粉為原料，通過團聚造粒和氣流分級處理，得到粒度分布在5~25 μ m、流動性在20~25s/50g的熱噴涂喂料；
[0008](2)對液壓傳動構(gòu)件(即為待噴涂的工件)表面進行除油、除銹、噴砂粗化和預熱處理，預熱火焰為還原性火焰，工件表面溫度控制在150~200°C ；
[0009](3)利用空氣作為助燃氣的超音速火焰噴槍噴涂步驟(1)得到的熱噴涂喂料，在步驟(2)預熱后的工件表面沉積0.165~0.180mm厚的涂層，超音速火焰噴槍的槍管長度為160~170mm，噴涂焰流溫度為1800~2000°C，工件旋轉(zhuǎn)線速度為0.3~0.5m/s，根據(jù)工件直徑和旋轉(zhuǎn)線速度來確定熱噴涂時噴槍的水平移動速度，計算公式如下:當工件直徑為D，工件旋轉(zhuǎn)線速度為V時，控制噴槍水平移動速度為VP1600V/D，其中V單位為m/s，D單位為mm, V0 單位為 mm/s ；
[0010](說明:公式Vfieoov/D只是關于數(shù)值的計算，計算過程中ieoo是相當于轉(zhuǎn)換系數(shù)，有單位的，其使得Vtl通過VfieOOV/D計算后的數(shù)值表示的是mm/s的單位數(shù)值，這里公式為簡化后的只是進行數(shù)值運算的公式)。
[0011](4)對步驟(3)噴涂后的工件冷卻，將表面進行磨拋處理:先利用180#金剛石砂輪進行一遍粗磨，表面磨削量控制在0.010~0.020mm，然后利用400#金剛石砂輪進行精細打磨，表面磨削量控制在0.003~0.005mm，磨拋后即得到兼具高表面質(zhì)量和高力學性能的液壓傳動構(gòu)件表面防護涂層。
[0012]本發(fā)明方法的技術特色主要表現(xiàn)為:(1)采用納米復合粉作為初始制備原料，并結(jié)合空氣作為助燃氣的低溫超音速火焰噴涂技術(火焰溫度比常規(guī)的以氧氣為助燃氣時降低了 1OO(TC)及特殊組合的噴涂工藝參數(shù)，不僅有效抑制了納米WC粉末在噴涂時的分解脫碳，使制備涂層具有顯著提高的硬度和耐磨性，還充分發(fā)揮出納米粉末在制備高表面質(zhì)量硬質(zhì)合金涂層的優(yōu)勢，從而滿足液壓傳動工件同時對涂層表面質(zhì)量和力學性能的高標準要求；(2)采用的熱噴涂喂料粒度范圍為5~25 μ m，其粒度明顯低于常規(guī)熱噴涂粉末的粒度(一般為15-45 μ m), 一方面可保證納米結(jié)構(gòu)喂料顆粒在較低的火焰溫度下能充分熔化，使制備涂層具有高的致密性和結(jié)合強度，另一方面基于涂層由粒子平鋪堆疊形成的原理知，較小和較窄粒度分布的喂料顆粒由于平鋪層厚度差異小，制備涂層更易獲得高的表面光潔度；(3)本發(fā)明中要求控制喂料粉末的流動性在20~25s/50g的范圍，實質(zhì)上是綜合調(diào)控了喂料粉末的致密度和球形度，即具有合適的致密度和較高的球形度(>90%)，以防止喂料顆粒出現(xiàn)“粘槍”的有害現(xiàn)象，有效保證工業(yè)生產(chǎn)中制備涂層的性能和表面質(zhì)量具有優(yōu)異的穩(wěn)定性；(4)根據(jù)液壓傳動構(gòu)件(即為待噴涂工件)的直徑和水平旋轉(zhuǎn)速度，設計了相應計算公式來精確控制熱噴涂時噴槍的水平移動速度，這使得本發(fā)明適用于不同工業(yè)領域中各種直徑的軸類傳動構(gòu)件的噴涂，能夠防止噴涂后工件表面出現(xiàn)“螺旋軌跡”或“凹凸不平”的現(xiàn)象而增加表面粗糙度和后續(xù)磨拋加工量；(5)利用本發(fā)明制備的液壓傳動構(gòu)件表面涂層的粗糙度顯著低于常規(guī)粗粉涂層，使后續(xù)磨拋加工量明顯減小，不僅大大提高生產(chǎn)加工效率、節(jié)約制造成本，而且徹底解決了電鍍硬鉻層生產(chǎn)過程中帶來的環(huán)境污染問題。本發(fā)明提供的方法簡單易行，各步驟之間緊密相連、互為補充，是一種獲得兼具高表面質(zhì)量和高力學性能的液壓傳動構(gòu)件表面防護涂層的有效方法?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0013]圖1本發(fā)明制備得到的熱噴涂喂料粉末的顯微形貌圖；其中，a為實施例1中的熱噴涂喂料粉末的顯微形貌、b為實施例2中的熱噴涂喂料粉末的顯微形貌、c為實施例3中的熱嗔涂喂料粉末的顯微形貌；d為對比實施例1中的熱嗔涂喂料粉末的顯微形貌；e為對比實施例2中的熱噴涂喂料粉末的顯微形貌。
[0014]圖2本發(fā)明制備得到的液壓支架柱塞表面涂層的物相檢測結(jié)果；其中a為實施例3中制備的液壓支架柱塞表面涂層的XRD圖譜、b為對比實施例1中制備的液壓支架柱塞表面涂層的XRD圖譜。
【具體實施方式】
[0015]以下實施例進一步解釋了本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。
[0016]以下實施例中均利用 申請人:已有的專利技術(授權專利號ZL200610165554.2)制備WC-Co復合粉，均以制備得到的WC-12wt.%Co復合粉為例，并利用 申請人:已有的專利技術(授權專利號ZL201010219344.3)對制備的復合粉進行團聚造粒。均以一種煤礦用液壓支架柱塞作為液壓傳動構(gòu)件的例子進行表面防護涂層的制備。
[0017]實施例1
[0018]以平均粒徑為180nm的WC-Co復合粉為原料，通過團聚造粒和氣流分級處理，制備得到粒度分布在5~25 μ m的熱噴涂喂料(如圖la)，熱噴涂喂料的流動性為20s/50g ;待噴涂的液壓支架柱塞(即為待噴涂的工件)直徑為140mm，對工件表面進行除油、除銹、噴砂粗化和預熱處理，預熱火焰為還原性火焰，工件表面溫度控制在200°C ;利用空氣作為助燃氣的超音速火焰噴槍噴涂制備的WC-Co喂料，在預熱后的柱塞表面沉積0.180mm厚的涂層，超音速火焰噴槍的槍管長度為170_，噴涂焰流溫度為2000°C，柱塞旋轉(zhuǎn)線速度為0.3m/s，噴槍水平移動速度為3.4mm/s ;對噴涂、冷卻后的工件表面進行磨拋處理，先利用180#金剛石砂輪進行一遍粗磨，表面磨削量為0.020mm，然后利用400#金剛石砂輪進行精細打磨，表面磨削量為0.005mm，磨拋后即得到兼具高表面質(zhì)量和高力學性能的液壓柱塞表面防護涂層。對制備的柱塞涂層進行取樣分析，其致密性、顯微硬度和粗糙度測試結(jié)果見表1。
[0019]實施例2
[0020]以平均粒徑為120nm的WC-Co復合粉為原料，通過團聚造粒和氣流分級處理，制備得到粒度分布在5~25 μ m的熱噴涂喂料(如圖lb)，熱噴涂喂料的流動性為23s/50g ;待噴涂的液壓支架柱塞(即為待噴涂的工件)直徑為160mm，對工件表面進行除油、除銹、噴砂粗化和預熱處理，預熱火焰為還原性火焰，工件表面溫度控制在180°C ;利用空氣作為助燃氣的超音速火焰噴槍噴涂制備的WC-Co喂料，在預熱后的柱塞表面沉積0.170mm厚的涂層，超音速火焰噴槍的槍管長度為165mm，噴涂焰流溫度為1900°C，柱塞旋轉(zhuǎn)線速度為0.4m/s，噴槍水平移動速度為4.0mm/s ;對噴涂、冷卻后的工件表面進行磨拋處理，先利用180#金剛石砂輪進行一遍粗磨，表面磨削量為0.015mm，然后利用400#金剛石砂輪進行精細打磨，表面磨削量為0.004mm，磨拋后即得到兼具高表面質(zhì)量和高力學性能的液壓柱塞表面防護涂層。對制備的柱塞涂層進行取樣分析，其致密性、顯微硬度和粗糙度測試結(jié)果見表1。
[0021]實施例3[0022]以平均粒徑為70nm的WC-Co復合粉為原料，通過團聚造粒和氣流分級處理，制備得到粒度分布在5~25 μ m的熱噴涂喂料(如圖lc)，熱噴涂喂料的流動性為25s/50g ;待噴涂的液壓支架柱塞(即為待噴涂的工件)直徑為180mm，對工件表面進行除油、除銹、噴砂粗化和預熱處理，預熱火焰為還原性火焰，工件表面溫度控制在150°C ;利用空氣作為助燃氣的超音速火焰噴槍噴涂制備的WC-Co喂料，在預熱后的柱塞表面沉積0.165mm厚的涂層，超音速火焰噴槍的槍管長度為160mm，噴涂焰流溫度為1800°C，柱塞旋轉(zhuǎn)線速度為0.5m/s，噴槍水平移動速度為4.4mm/s ;對噴涂、冷卻后的工件表面進行磨拋處理，先利用180#金剛石砂輪進行一遍粗磨，表面磨削量為0.010mm，然后利用400#金剛石砂輪進行精細打磨，表面磨削量為0.003mm，磨拋后即得到兼具高表面質(zhì)量和高力學性能的液壓柱塞表面防護涂層。對制備的柱塞涂層進行取樣分析，涂層的物相檢測結(jié)果見圖2(a)，其致密性、顯微硬度和粗糙度測試結(jié)果見表1。
[0023]對比實施例
[0024]以下實施例為區(qū)別本發(fā)明技術特征和技術效果進行的對比實驗。
[0025]對比實施例1
[0026]以平均粒徑為70nm的WC-Co復合粉為原料，通過團聚造粒和氣流分級處理，制備得到粒度分布在25~45 μ m的熱噴涂喂料(如圖ld)，熱噴涂喂料的流動性為18s/50g ;待噴涂的液壓支架柱塞(即為待噴涂的工件)直徑為180mm，對工件表面進行除油、除銹、噴砂粗化和預熱處理，預熱火焰為中性火焰，工件表面溫度控制在100°C ;利用氧氣作為助燃氣的超音速火焰噴槍噴涂制備的WC-Co喂料，在預熱后的柱塞表面沉積0.165mm厚的涂層，超音速火焰噴槍的槍管長度為150mm，噴涂焰流溫度為2800°C，柱塞旋轉(zhuǎn)線速度為0.6m/s，噴槍水平移動速度為4.5mm/s ;對噴涂、冷卻后工件表面進行磨拋處理，先利用180#金剛石砂輪進行一遍粗磨，表面磨削量為0.010mm，然后利用400#金剛石砂輪進行精細打磨，表面磨削量為0.003mm。對磨拋后的柱塞涂層進行取樣分析，涂層的物相檢測結(jié)果見圖2 (b)，其致密性、顯微硬度和粗糙度測試結(jié)果見表1。
[0027]對比實施例2
[0028]以平均粒徑為l.0ymW WC-Co粉末為原料，通過團聚造粒和氣流分級處理，制備得到粒度分布在15~45 μ m的熱噴涂喂料(如圖le)，熱噴涂喂料的流動性為15s/50g ;待噴涂的液壓支架柱塞(即為待噴涂的工件)直徑為180mm，對工件表面進行除油、除銹、噴砂粗化和預熱處理，預熱火焰為中性火焰，工件表面溫度控制在220°C ;利用氧氣作為助燃氣的超音速火焰噴槍噴涂制備的WC-Co喂料，在預熱后的柱塞表面沉積0.180mm厚的涂層，超音速火焰噴槍的槍管長度為150_，噴涂焰流溫度為3000°C，柱塞旋轉(zhuǎn)線速度為0.8m/s,噴槍水平移動速度為5.0mm/s ;對噴涂、冷卻后的工件表面進行磨拋處理，先利用180#金剛石砂輪進行一遍粗磨，表面磨削量為0.020mm，然后利用400#金剛石砂輪進行精細打磨，表面磨削量為0.005mm。對磨拋后的柱塞涂層進行取樣分析，其致密性、顯微硬度和粗糙度測試結(jié)果見表1。
[0029]表1實施例1~3及對比實施例1~2制備得到的柱塞涂層的致密性、顯微硬度和粗糙度測試結(jié)果
[0030]
【權利要求】
1.一種液壓傳動構(gòu)件表面防護涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)以平均粒徑小于200nm的WC-Co復合粉為原料，通過團聚造粒和氣流分級處理，得到粒度分布在5~25 μ m、流動性在20~25s/50g的熱噴涂喂料； (2)對液壓傳動構(gòu)件表面進行除油、除銹、噴砂粗化和預熱處理，預熱火焰為還原性火焰，工件表面溫度控制在150~200°C ； (3)利用空氣作為助燃氣的超音速火焰噴槍噴涂步驟(1)得到的熱噴涂喂料，在步驟(2)預熱后的工件表面沉積0.165~0.180mm厚的涂層，超音速火焰噴槍的槍管長度為160~170mm，噴涂焰流溫度為1800~2000°C，工件旋轉(zhuǎn)線速度為0.3~0.5m/s，根據(jù)工件直徑和旋轉(zhuǎn)線速度來確定熱噴涂時噴槍的水平移動速度，計算公式如下:當工件直徑為D，工件旋轉(zhuǎn)線速度為V時，控制噴槍水平移動速度為VP1600V/D，其中V單位為m/s，D單位為mm, V0 單位為 mm/s ； (4)對步驟(3)噴涂后的工件冷卻，將表面進行磨拋處理:先利用180#金剛石砂輪進行一遍粗磨，表面磨削量控制在0.010~0.020mm，然后利用400#金剛石砂輪進行精細打磨，表面磨削量控制在0.003~0.005mm，磨拋后即得到兼具高表面質(zhì)量和高力學性能的液壓傳動構(gòu)件 表面防護涂層。
【文檔編號】C23C4/10GK103789714SQ201410054349
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月18日 優(yōu)先權日:2014年2月18日
【發(fā)明者】宋曉艷, 王海濱, 郭廣生, 劉雪梅, 賀定勇 申請人:北京工業(yè)大學