[发明专利]一种碳化钨强化钴基复合材料及其应用

说明书

本发明公开了一种用于铜基体等离子熔覆的碳化钨强化钴基复合材料，以钴基合金为熔覆材料，碳化钨为陶瓷强化相，通过粉体混合、干燥、熔覆的制备过程，制备并筛选出合适配比的混合粉体，在铜表面电镀镍层改善涂层的质量，通过等离子熔覆的方法在铜基体表面添加能显著增加铜基体硬度及耐磨性的熔覆涂层，最后通过长时间高温时效处理使涂层的物相变得更均匀，更趋向于稳定态，硬度及耐磨性进一步提高。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料防护涂层领域，尤其涉及用于铜基体等离子熔覆的碳化钨强化钴基复合材料。

背景技术

铜及铜合金是工业生产中的重要金属材料之一，因其具有优异的导电和导热能力，广泛应用于交通运输、冶金、微电子，以及国防工业等行业。然而，铜及其合金的硬度和耐磨性较低，特别是在高温条件下，限制了其在极端的高温及磨损环境下的应用，如连铸模具，高炉风口等。例如，炼铁高炉风口被热风带动的煤粉和焦炭冲刷磨损，会导致铜及铜合金的使用寿命严重降低。在传统工艺上，可以通过添加不同的合金元素，来提高铜合金的力学性能，但是合金元素的添加，会引起基体微观组织的改变(如晶格畸变,晶粒比例增加等)，从而降低铜材的导电性和导热性。

表面处理技术在不影响材料基体的组织和性能的前提下，通过改变材料表面的组织结构或涂镀不同材料，可以使材料表面获得新的性能，延长材料的使用寿命和应用范围。因此表面强化是提高铜合金的表面性能，同时能够兼顾合金基材导电性能的有效方法之一。考虑到铜及铜合金对激光的反射率很高，在对铜合金进行重熔处理时较为困难，而等离子熔覆技术具有成本低、生产率高、冶金结合性能好等优点，因此采用等离子熔覆的方式来制备铜基体表面防护层。在材料选择方面，钴基合金因其耐磨性和耐高温性而被广泛应用于防护涂层领域。然而，单一钴基合金在高炉风口等极端高温和磨损环境下并不是一个好的选择。研究表明，由金属基体和硬质陶瓷颗粒如碳化钨、碳化铬和碳化钛等组成的复合镀层具有比单一合金更高的硬度和耐磨性，已广泛应用于轧辊、耐磨板、活塞杆和涡轮等部件，以提高钴基合金防护层的使用寿命。其中，碳化钨作为硬质陶瓷强化相的选择之一，与钴具有良好的润湿性，具有高硬度(2500～2700HV)和高耐磨性，可以作为极端磨损条件下的增强相。目前，碳化钨是钴基合金中常见的强化相，Co-WC复合材料在切削刀具中应用十分广泛。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于铜基体等离子熔覆的碳化钨强化钴基复合材料及其制备方法。

发明内容

本发明的目的是通过控制变量的对照实验分析碳化钨的添加对钴基合金熔覆层的影响，选出硬度、耐磨性能最好的比例，并用这个比例配置出用于等离子熔覆的混合粉体。用这种方法制备出的混合粉体可用于等离子熔覆制备防护涂层，改善铜表面耐磨损性能。采用长时间时效处理的方式均匀化熔覆涂层中的物相，使非稳态的物相转化为稳态。

本发明是一种用于铜基体等离子熔覆的碳化钨强化钴基复合材料，以铜作为基底层，在铜表面镀一层镍层以改善熔覆涂层的形貌，减少氧化铜带来的影响，以均匀混合的stellite6合金和碳化钨的复合粉体作为等离子熔覆所用的粉体，在铜表面进行等离子熔覆，使其表面获得一层强度、硬度、耐磨性、熔点等重要性能远高于铜的碳化钨增强相钴基合金复合涂层。为了使熔覆层形貌稳定，使熔覆层和铜基体可以结合紧密，减少气孔的产生，需要严格把控整个工艺中的参数。为减小氧化铜在熔覆过程中对涂层质量的影响，如气孔、氧化铜的还原和偏聚，润湿角等，在铜基体表面电镀一层镍层。由于熔覆后直接空冷导致熔覆涂层的物相处于非稳定态，各物相分布不均匀，反应不充分，因此对熔覆涂层进行长时间高温时效处理，使物相转变为稳态，改善熔覆涂层的性能。梯度等离子熔覆涂层使得涂层具有良好的硬度和耐磨性能的同时能有效控制宏观缺陷的数量。

为实现上述目的，本发明在第一方面提供了一种用于铜基体等离子熔覆的碳化钨强化钴基复合材料，其特征在于，包括钴基合金基体和碳化钨陶瓷强化相，其中碳化钨的比例在30％-40wt％。

进一步地，采用stellite6钴基合金，形貌为粒径为45μm-55μm的球形粉末。