球形 WC- Co热喷涂粉末的制备
石建华
硬质合金
摘 要：阐述了制备球形 WC- Co 热喷涂粉末http://www.sunspraying.com/zhuanjiadayi/suoyouxiaolei/2012-08-22/175.html的一种方法。该方法的关键技术在于利用压力喷雾干燥的方式对原始热喷涂粉末制粒, 然后通过烧结、气流破碎和冷流分级等过程生产出成品, 同时对球形 WC- Co 热喷涂粉末的应用也做了简单介绍。
关键词：热喷涂；球形；WC- Co；热喷涂粉末；压力喷雾干燥
1 前 言
碳化钨基热喷涂粉末广泛用于高速氧气燃料喷涂(HVOF)来制造高硬度和优越耐磨性的致密涂层。在磨粒磨损和冲蚀抗力十分重要的地方, 一般采用含Co(12～17)wt%的 WC- Co 热喷涂粉末, 而要求高耐腐蚀性的地方则优先采用 WC- Co- Cr 热喷涂粉末。但是涂层性能并不仅仅取决于热喷涂粉末成分, 它受喷涂过程中发生的相转变的影响很大。由于喷涂材料在火焰中氧化或因 WC 相应与 Co 或 Co- Cr 基体间的活化反应的结果 , WC- Co 和 WC- Co- Cr 涂 层 会 含 有 不 同 量 的W2C、W、混合碳化物(η- 相 M6C、M2C)等相。而且, 过饱和的 Co(W、C)基体的快速凝固会造成非晶态相生成。相转变和所造成的涂层特性受着热喷涂粉末品种和成分、喷涂系统和所用燃料的影响。一般来说, 热喷涂粉末成分、喷涂系统和所用燃料对于用户来说是基本固定的, 热喷涂粉末品种选择对保证涂层质量起着非常关键的作用。
不同类型热喷涂粉末的组织见图 1。WC- Co 硬质合金热喷涂粉末的制备方法, 大致有3 类: 熔化法、烧结破碎、团聚烧结。目前在国内大都采用机械混合和烧结破碎, 以烧结破碎为主。熔化法、烧结破碎生产的喷涂粉末颗粒形貌均为不规则形, 流动性能差。同时生产过程中给周围环境带来粉尘和噪音污染, 在发达国家烧结破碎法生产硬质合金喷涂粉末正在被逐渐淘汰。而团聚烧结法几乎不给周围环境带来粉尘和噪音污染, 生产出的热喷涂粉末基本呈球形(又称球形喷焊粉), 具有良好的流动性能。在发达国家团聚烧结法生产喷涂粉末正在得到广泛应用。
在生产烧结破碎法喷涂粉末的过程中, 由于是采用机械破碎方式, 破碎后的物料形貌极其不规则。要制成球形的喷涂粉末关键技术在于通过特殊的方式将一定比例的 WC- Co 混合粉末制成球形粒子再通过一定的方式使之致密化, 使粒度分布达到喷涂粉末的要求。其中为了使工业化生产成为可能, 第一阶段制粒过程中粒度控制也是非常关键的。通过压力喷雾方式制成一定粒度范围的混合料粒, 再通过烧结使之致密化, 再通过气流分级方式使最终产品的粒度分布达到喷涂要求, 这个工艺过程是我们经过反复实践得出的最佳工艺过程。
2 工艺概述
整个生产工艺大致分为下列步骤:配料→湿磨混合→喷雾干燥→烧结→分散→气流分级→分析检测→成品
2.1 湿磨混合
产品的物理机械性能及使用性能首先决定于化学成分, 通过湿磨混合, 使产品符合一定的化学成分要求。使各组元成分基本上混合, 并不困难。在通常条件下, WC 和 Co 的混合料湿磨 8~16 小时以后, 无论是混合料化学成分, 还是合金金相检验, 都未发现不均匀的现象。要达到完全均匀混合, 则 WC、Co 混合料至少要磨 24 小时。如果要达到 WC 被 Co 包覆的程度, 通常需要更长的时间。由于喷涂粉末的特殊性, 其球磨工艺和一般的合金生产工艺有很大的差别。首先, 由于喷涂工艺对粉末的特殊要求, 对 WC、Co 粉的要求和一般合金有很大的区别, 特别是原始 WC 和 Co 粉的晶粒度。其次球磨时间也和一般合金的生产工艺有很大的差异。最后, 在成型剂的加量, 加入时间, 添加剂的种类等方面球形喷涂粉末也有其特殊的要求。在选择了适当的磨筒转速、填充系数、合金球尺寸、球料比、固液比、研磨时间等参数以后, 就会得到合格的混合料料浆。
2.2 喷雾干燥
喷雾干燥是球形 WC- Co 喷涂粉末生产过程中的关键工序, 我们利用压力喷雾干燥的方式将 WC-Co 混合料浆干燥制成球形颗粒, 同时在粒度、松装密度、组织结构等方面满足下道生产工序和最终的热喷涂工艺方面的要求。
喷雾干燥是将溶液、乳浊液、悬浊液或料浆在热风中喷雾成细小的液滴, 在下落的过程中, 水分被蒸发而成为粉末状或颗粒状的产品。喷雾干燥分为三个基本过程: 料液雾化成雾滴; 雾滴和干燥介质接触、混合及流动, 即进行干燥; 干燥产品与空气分离。在实际的生产过程中, 由于料液中有机溶剂的存在, 我们采用的是闭路式的喷雾干燥系统。干燥气体是氮气和研磨液蒸气的混合物。WC- Co 在有机溶剂研磨一起在球磨机研磨时, 我们加入 2%左右的粘合剂, 同时也起到润滑作用。WC、Co 的悬浮液(含 50%～75%的固体) 在氮气压力下从料浆槽压送到喷雾干燥器中。此外, 可不采用氮气压传送而采用料浆泵系统。在干燥室中是一种“喷泉式”的喷嘴雾化。在喷嘴处悬浮液雾化成粗雾滴。出口温度取决于有机研磨液的性质。在干燥室的底部得到绝对干燥的球形 WC-Co 喷涂粉末的半成品粉末。离开干燥室的气体所带走的细颗粒热喷涂粉末在旋风分离器中回收。
2.3 烧结
烧结是球形 WC- Co 喷涂粉末生产过程中的一道主要工序。烧结的目的是使多孔, 疏松的半成品热喷涂粉末变成具有一定的组织和性能的预合金化热喷涂粉末。烧结过程比较复杂, 既有物理变化, 也有化学反应, 主要使烧结体致密化; 碳化物晶粒长大; 粘结相成分的变化及合金组织的形成。
由于喷涂工艺对热喷涂粉末的特殊要求, 既要求热喷涂粉末有极窄的粒度范围, 同时因为喷涂过程中热喷涂粉末在焰流中停留的时间极短, 要求热喷涂粉末有良好致密化程度。致密化决定于过程的具体条件, 通常属于液相烧结。虽然扩散过程和物理- 化学反应过程对硬质合金烧结体的致密化都具有一定的实际意义, 但起决定作用的是流动过程。即使含 Co25%～30%的合金, 实际的烧结温度通常不能低于出现液相的温度而且收缩的完成通常发生在出现液相的很短时间。对于球形WC- Co 喷涂粉末来说, 由于烧结的最终产品形态为球形粉末, 因此烧结工艺的选择非常关键。针对球形WC- Co 喷涂粉末的烧结过程, 我们选择了最佳的烧结温度和保温时间。在不影响最终产品形态的前提下, 最终产品的致密化程度也达到了最佳。
2.4 气流分级
热喷涂工艺对热喷涂粉末有一个特殊的要求就是粉末粒度分布在规定范围内尽可能的窄, 这样能够保证焰流的稳定, 提高上粉效率和保证涂层性能的稳定。通过大量的研究和实践证明: 粉末之间的相互粘结是造成分级不彻底的主要原因, 另外气流分级参数的选择对产品质量和生产效率起了很关键的作用。所谓分级就是利用粉体颗粒的大小和形状的差别将其分离的操作。用分级机生产一定粒度要求的粉体时根据产品的用途可以大体分为三类:
a)微粉
把由分级得到的微粉部分作为产品时经常是和粉碎机组合成一个系统。此时分级机的任务就是将仅用粉碎难于得到的微粉分离出来, 防止粉碎机的过粉碎, 更高速度地生产微粉。由化学方法生产的粉体一次粒子非常小, 但有很多凝聚成结实的二次粒子, 有时这些二次粒子也需要去除。近年来由于分级机的技术改进所得到的粉体粒度不断减小, 一部分已经达到了亚微米级。
b)粗粉
各种工艺方法制造的原料粉体, 一般具有很宽的粒度分布, 有时微粉含量高反而有害。因此采用分级机把微粉除去。除去这些微粉仅用分级机就可以达到目的, 分级机的重要用途是同时生产出中间产品。近年来要求除去的微粉的粒子有时连检测设备都几乎检测不到。在微粉的去除过程中, 正在寻求能把附着在粗粉上的微粉也能去掉的高精度分级机。
c)中间组分
不断提高粉体的功能性, 有时需要得到窄粒度分布的接近均匀粒径的粒子, 这样的粉体由粉碎工程或化学工程得到的粉体去除粗粉和微粉得到。这一领域需要分级精度很高的装置, 被称为精密分级领域。这一领域多数用于生产高附加值的产品。在实际的生产过程中, 我们采用图 3 所示的分级设备。
经过此工艺生产出的球形喷涂粉末, 在颗粒形貌、粒度分布等各方面均有了明显的突破。该工艺生产的热喷涂粉末在喷涂过程中热喷涂粉末的上粉效率大大提高,涂层的耐磨损性能较普通喷涂粉有了明显的提高。典型产品的特性值列于表 1, 热喷涂粉末形貌如图 4, 涂覆层的组织状态见图 5。
3 应用实例
球形 WC- Co 粉喷涂的几种产品分别如图 6～图9, 喷涂方法及涂层抛光效果如图 10 ～图 11 所示。
4 结论
通过此工艺方法生产球形 WC- Co 喷涂粉末,已经在实际的生产中得到的广泛的应用。到目前为止, 已经出口 5 吨左右的产品, 产品得到美国、韩国、日本的认可。为硬质合金行业在硬面材料领域的发展开创了一个新的途径。热喷涂领域是朝阳工业,随着热喷涂事业的发展, 喷涂粉末生产将有一个美好的前景!
图略
参考文献略
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