專利名稱：噴霧用粉末、使用這種粉末的熱噴霧法以及噴霧法涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種噴霧用粉末、使用這種粉末的熱噴霧法和噴霧法涂層。更具體而言，本發(fā)明涉及一種分散效率高的粉末，與普通產(chǎn)品相比，這種粉末能形成極高韌性和耐沖擊性，并在潮濕環(huán)境中具有優(yōu)良的抗腐蝕性和抗磨耗性的噴霧法涂層，還涉及使用這種粉末的噴霧法以及噴霧法涂層。
各種工業(yè)設(shè)備或常用設(shè)備的金屬部件根據(jù)各自的用途，需要具備各種性能如抗腐蝕性、抗磨耗性和耐熱性。然而，許多情況下，金屬不能充分滿足對(duì)其本身的要求，人們通常試圖通過表面改性來解決這類問題。除了蒸氣沉積或化學(xué)蒸氣沉積外，熱噴霧法是實(shí)際采用的表面改性方法的一種。熱噴霧的特點(diǎn)是基材的尺寸不受限制，可以在大表面積的基材上形成均勻的噴霧法涂層，形成涂層的速度快，易于就地應(yīng)用，能相當(dāng)方便地形成厚的涂層。近年來，熱噴霧法已應(yīng)用擴(kuò)展到各工業(yè)領(lǐng)域，成為極重要的表面改性方法。
對(duì)熱噴霧法，已開發(fā)出各種技術(shù)。其中，高速火焰噴霧法的特點(diǎn)是顆粒速度大，顆粒能以高速?zèng)_擊基材，可獲得與基材具有高粘合力的高密度涂層，夾帶到火焰中的環(huán)境空氣較少，而且顆粒的速率高，所以其在火焰中的停留時(shí)間短，顆粒過熱少，噴霧用材料性能很少受到影響。
作為噴霧用材料，WC具有極高的硬度和優(yōu)良的耐磨性。然而，只用WC很難進(jìn)行噴霧。通常的做法是，WC與作為粘合劑的金屬如Co或Ni、或含這樣一種金屬的合金混合或復(fù)合使用。使用Ni或Ni基合金作為粘合劑，由WC/碳化鉻/Ni或Ni基合金噴霧用粉末形成的噴霧法涂層，在潮濕環(huán)境中具有優(yōu)良的抗腐蝕性和抗磨耗性，因此被廣泛使用。
然而，使用上述噴霧用粉末形成的噴霧法涂層存在的問題是其韌性和抗沖擊性較差。具體而言，這樣的噴霧用粉末常被噴霧到在潮濕環(huán)境中使用的部件上，如果噴霧法涂層在其使用期間承受顯著的沖擊作用時(shí)，涂層會(huì)碎裂，會(huì)使涂層從基材上剝離。如果發(fā)生這種情況，產(chǎn)品的使用壽命就會(huì)縮短，噴霧法涂層的應(yīng)用也受到限制。
本發(fā)明人為解決上述問題進(jìn)行廣泛研究，結(jié)果，發(fā)現(xiàn)通過對(duì)原料粉末(WC、碳化鉻和Ni，或Ni基合金)進(jìn)行團(tuán)化和燒結(jié)，可以制得高噴霧沉積效率性的噴霧用粉末，這種粉末能形成極高韌性和抗沖擊性，并在潮濕環(huán)境中具備優(yōu)良的抗腐蝕性和抗磨耗性的噴霧法涂層。基于這一發(fā)現(xiàn)，完成了本發(fā)明。
就是說，為解決上述問題，本發(fā)明提供一種粒度為6-63微米的噴霧用粉末，所述粉末包含75-95％(重量)由WC粉末和至少一種選自Cr3C2、Cr7C3和Cr23C6的粉末構(gòu)成的陶瓷相，和5-25％(重量)Ni或Ni基合金粉末構(gòu)成的金屬相，其中構(gòu)成陶瓷相的WC粉末初級(jí)顆粒的平均粒度為5-20微米，碳化鉻粉末的初級(jí)顆粒平均粒度為1-10微米。
本發(fā)明還提供了一種熱噴霧法，所述方法包括使用這樣的粉末進(jìn)行高速火焰噴霧，以及通過使用這樣的粉末進(jìn)行高速火焰噴霧形成的噴霧法涂層，所述噴霧法涂層包含75-95％(重量)由WC粉末和碳化鉻粉末構(gòu)成的陶瓷相和5-25％(重量)由Ni或Ni基合金粉末構(gòu)成的金屬相，其中構(gòu)成陶瓷相的WC粉末初級(jí)顆粒的平均粒度為5-20微米，碳化鉻粉末的初級(jí)顆粒平均粒度為1-10微米。
附圖中，

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1制得的噴霧用粉末的顯微鏡照片(放大×2,500)，圖2是普通噴霧用粉末(比較例1)的顯微鏡照片(放大×2,500)。
在這些圖中，數(shù)字1指WC初級(jí)顆粒、數(shù)字2指碳化鉻初級(jí)顆粒、數(shù)字3指噴霧用粉末；數(shù)字10指WC初級(jí)顆粒、數(shù)字20指碳化鉻初級(jí)顆粒、數(shù)字30指噴霧用粉末。
下面結(jié)合一些優(yōu)選實(shí)施方案，詳細(xì)描述本發(fā)明。
本發(fā)明中使用的WC粉末的平均粒度為5-20微米，5-15微米為宜。本發(fā)明中使用的碳化鉻粉末的平均粒度為1-10微米，3-6微米為宜。本發(fā)明中使用的Ni或Ni基合金粉末的平均粒度一般在1-15微米范圍，較好為1-10微米。如果WC粉末和碳化鉻粉末的平均粒度分別小于5微米和1微米，噴霧法涂層受到?jīng)_擊時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，其韌性和抗沖擊性會(huì)下降。如果WC粉末和碳化鉻粉末的平均粒度分別大于20微米和10微米，難以通過團(tuán)化制得粒度至多為63微米，其中初級(jí)顆粒又均勻分布的團(tuán)化顆粒，并且沉積效率會(huì)很低。
當(dāng)通過熱噴霧的火焰加熱時(shí)，本發(fā)明團(tuán)化顆粒中使用的Ni或Ni基合金粉末發(fā)生熔化或半熔化。粒度越小，越易于熔化或半熔化。然而，要獲得平均粒度小于1微米的Ni或Ni基合金粉末，生產(chǎn)成本會(huì)很高，而這是不期望的。如果Ni或Ni基合金粉末的平均粒度大于15微米，難以通過團(tuán)化制得粒度至多為63微米，其中初級(jí)顆粒又均勻分布的團(tuán)化顆粒，而且在熱噴霧時(shí)Ni或Ni基合金粉末難以熔化或半熔化。
本發(fā)明中，將60-80％(重量)平均粒度為5-20微米的WC粉末、10-20％(重量)平均粒度為1-10微米的碳化鉻粉末和5-25％(重量)平均粒度為1-15微米的Ni或Ni基合金粉末團(tuán)化成為一種組合物顆粒，隨后燒結(jié)。如果所含WC和碳化鉻粉末的陶瓷粉末總量小于75％(重量)，Ni或Ni基合金粉末多于25％(重量)，熱噴霧形成的涂層的硬度和抗磨耗性會(huì)明顯下降，這樣就不能在實(shí)際中應(yīng)用。
如果所含WC和碳化鉻粉末的陶瓷粉末總量大于95％(重量)，Ni或Ni基合金粉末少于5％(重量)，作為陶瓷顆粒粘合劑的Ni或Ni基合金粉末量不足，熱噴霧形成的涂層的韌性會(huì)較低，其與基材的粘合力較低，容易導(dǎo)致剝離。
本發(fā)明的噴霧用粉末較好的是團(tuán)化為球形的粉末并且經(jīng)過燒結(jié)。本發(fā)明中進(jìn)行團(tuán)化為球形并燒結(jié)為噴霧用粉末的方法沒有具體限制。例如，可將原料粉末混合，加入有機(jī)粘合劑(例如PVA，聚乙烯醇)和水(或例如醇的溶劑)制得糊料，用噴霧干燥器進(jìn)行團(tuán)化，制得球形團(tuán)化粉末顆粒。這樣的顆粒經(jīng)過燒結(jié)、粉碎和分級(jí)，獲得WC/碳化鉻/Ni或Ni基合金復(fù)合材料的球形噴霧用粉末。
噴霧干燥器中形成的團(tuán)化粉末顆粒的粒度分布宜為5-75微米。通過燒結(jié)粒度分布為5-75微米的團(tuán)化粉末顆粒，隨后粉碎和分級(jí)，可獲得粒度為6-63微米的噴霧用粉末，這種粉末適用于高速火焰噴霧。通過噴霧干燥器團(tuán)化的球形粉末在300-500℃脫蠟，隨后在1200-1400℃于真空或氬氣氛中燒結(jié)。在真空或氬氣氛中燒結(jié)，可免除氧化問題。燒結(jié)后，將固化的WC/碳化鉻/Ni或Ni基合金的復(fù)合材料進(jìn)行粉碎。對(duì)粉碎方法沒有什么具體限制，可使用常規(guī)粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎。
通過粉碎，獲得球形的團(tuán)化粉末顆粒，這些團(tuán)化粉末顆粒是獨(dú)立分開的。需要時(shí)，粉碎后的WC/碳化鉻/Ni或Ni基合金復(fù)合材料的噴霧用粉末可以分級(jí)。例如，噴霧用粉末可分級(jí)成粒度分布為6-38微米、10-45微米、15-45微米、15-53微米和20-63微米，可根據(jù)高速火焰噴霧設(shè)備的類型或輸出功率選擇使用。例如，金剛石噴嘴(標(biāo)準(zhǔn)型)，它是Sulzer Metco.制造的高速火焰噴霧設(shè)備，宜使用粒度分布為6-38微米或10-45微米的WC/碳化鉻/Ni或Ni基合金復(fù)合材料噴霧用粉末。
若是混合型金剛石噴嘴，粒度分布宜為15-45微米或15-53微米。TAFA公司制造的JP-5000高速火焰噴霧設(shè)備，優(yōu)選使用粒度分布為15-45微米，其組成包含70％(重量)WC、15％(重量)碳化鉻粉末和15％(重量)Ni或Ni基合金的噴霧用粉末，所得噴霧法涂層的維克斯硬度高達(dá)1100-1300kg/mm2，該涂層顯示優(yōu)良的抗磨耗性和抗沖擊性。通過使用WC/碳化鉻/Ni或Ni基合金復(fù)合材料噴霧用粉末進(jìn)行高速火焰噴霧，可獲得致密的噴霧法涂層，該噴霧法涂層中的孔隙很少，不超過3％。
現(xiàn)結(jié)合一些實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。然而，應(yīng)理解本發(fā)明不受這些具體實(shí)施例的限制。實(shí)施例和比較例中，采用下面方法測(cè)量噴霧用粉末和噴霧法涂層的性質(zhì)。
(1)沉積效率測(cè)定熱噴霧后基材的增重，沉積效率為增重與所使用噴霧用粉末重量的比值。使用7.5×25厘米經(jīng)清洗和表面糙化的碳鋼板作為基材，TAFA公司制造的JP-5000作為熱噴霧設(shè)備。熱噴霧條件如下氧氣流量1900scfh煤油流量5.5gph粉末流量100g/min噴霧距離380mm(2)維克斯硬度切出上述熱噴霧試驗(yàn)生成的噴霧法涂層(噴霧法涂層厚度300微米)，鏡面拋光其橫截面，測(cè)定噴霧法涂層橫截面的維克斯硬度。Shimadzu Corporation制造的HMV-1維克斯硬度計(jì)作為試驗(yàn)用設(shè)備。硬度計(jì)的壓頭為金剛石棱錐形的壓頭，其相對(duì)面之間的角度為136°。在壓頭上的試驗(yàn)負(fù)荷為0.2kgf，加上負(fù)荷后的保持時(shí)間為15秒。
(3)韌性試驗(yàn)采用Shimadzu Corporation制造的HMV-1維克斯硬度計(jì)，將該壓頭負(fù)荷調(diào)節(jié)為1kgf，加負(fù)荷后，保持時(shí)間30秒，根據(jù)壓痕周圍是否形成裂紋來評(píng)價(jià)噴霧法涂層的韌性。測(cè)定的噴霧法涂層與(2)中使用的相同。壓頭為金剛石棱錐形壓頭，其相對(duì)面之間的角度為136°。韌性低的噴霧法涂層容易形成裂紋，韌性高的噴霧法涂層基本上沒有形成裂紋。在十個(gè)位置進(jìn)行測(cè)定，隨后按觀察到的裂紋次數(shù)評(píng)價(jià)韌性。
◎未觀察到裂紋。
○觀察到1-3次裂紋。
△觀察到4-7次裂紋。
×觀察到至少8次裂紋。
(4)抗?jié)衲バ?wet wear resistance)使用JP-A-10-360766中揭示的濕磨試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。使用A#8(JIS R6111)作為磨料加入水，調(diào)節(jié)漿料的濃度至80％(重量)。使用機(jī)械結(jié)構(gòu)用的碳鋼管STMK12C作為標(biāo)準(zhǔn)樣品。噴霧法涂層厚度為300微米。評(píng)價(jià)方法為計(jì)算樣品體積磨耗率(mm3)與標(biāo)準(zhǔn)樣品的體積磨耗率(mm3)的比值為磨耗比。試驗(yàn)時(shí)間為200小時(shí)(滑動(dòng)距離5.67×105米)。然而，試驗(yàn)時(shí)觀察到裂紋或剝離的樣品，其磨耗率變得極大。因此，此時(shí)用觀察到裂紋或剝離出現(xiàn)之前的磨耗率計(jì)算磨耗比。觀察到裂紋或剝離的樣品被認(rèn)為其韌性和抗沖擊性差。
實(shí)施例1在包含70％(重量)平均粒度為11微米的WC粉末、15％(重量)平均粒度為5微米的碳化鉻粉末和15％(重量)平均粒度為5微米的Ni·Cr合金粉末的混合物中，加入PVA和水，隨后攪拌制成糊料。將該糊料噴霧干燥形成球形團(tuán)化顆粒，再于1330℃在氬氣氛中燒結(jié)。然后，粉碎和分級(jí)，制得粒度分布為15-45微米的WC/碳化鉻/Ni·Cr合金復(fù)合材料的噴霧用粉末。圖1所示為這種粉末的顯微鏡照片(放大×2500)。數(shù)字1指碳化鉻粉末的初級(jí)顆粒、數(shù)字2指WC粉末的初級(jí)顆粒，混合這兩種粉末，形成粒度分布為15-45微米的噴霧用粉末。
使用TAFA公司制造的JP-5000作為高速火焰噴霧設(shè)備，使用7.5×25厘米經(jīng)脫蠟和表面糙化的碳鋼板作為基材，熱噴霧上述的噴霧用粉末，形成噴霧法涂層。沉積效率為42％，噴霧法涂層的維克斯硬度為1200。韌性試驗(yàn)中，未觀察到裂紋，評(píng)價(jià)為◎。在濕磨耗試驗(yàn)中，未觀察到裂紋或剝離，磨耗比為0.066。
比較例1在包含70％(重量)平均粒度為2微米的WC粉末、15％(重量)平均粒度為0.8微米的碳化鉻粉末和15％(重量)平均粒度為5微米的Ni·Cr合金粉末的混合物中，加入PVA和水，制成糊料。將該糊料噴霧干燥形成球形團(tuán)化顆粒，再于1330℃在氬氣氛中燒結(jié)。然后，粉碎和分級(jí)，制得粒度分布為15-45微米的WC/碳化鉻/Ni·Cr合金復(fù)合材料的噴霧用粉末。圖2所示為這種粉末的顯微鏡照片(放大×2500)。數(shù)字10指碳化鉻粉末的初級(jí)顆粒、數(shù)字20指WC粉末的初級(jí)顆粒，這兩種粉末形成粒度分布為15-45微米的噴霧用粉末。
使用TAFA公司制造的JP-5000作為高速火焰噴霧設(shè)備，使用7.5×25厘米經(jīng)脫蠟和表面糙化的碳鋼板作為基材，熱噴霧上述的噴霧用粉末，形成噴霧法涂層。沉積效率為46％，噴霧法涂層的維克斯硬度為1250。然而，在韌性試驗(yàn)中觀察到9次裂紋，評(píng)價(jià)為×，表明韌性很低。在濕磨耗試驗(yàn)中，90小時(shí)后觀察到剝離，剝離前的磨耗比為0.098。
比較例2在包含70％(重量)平均粒度為22微米的WC粉末、15％(重量)平均粒度為10微米的碳化鉻粉末和15％(重量)平均粒度為5微米的Ni·Cr合金粉末的混合物中，加入PVA和水，制成糊料。將該糊料噴霧干燥形成球形團(tuán)化顆粒，再于1330℃在氬氣氛中燒結(jié)。然后，粉碎和分級(jí)，制得粒度分布為15-45微米的WC/碳化鉻/Ni·Cr合金復(fù)合材料的噴霧用粉末。使用7.5×25厘米經(jīng)脫蠟和表面糙化碳鋼片極作為基材，熱噴霧上述的噴霧用粉末，形成噴霧法涂層。沉積效率為30％，噴霧法涂層的維克斯硬度為900。在韌性試驗(yàn)中，在三個(gè)位置觀察到裂紋，評(píng)價(jià)為○。磨耗比為0.152。實(shí)施例1和比較例1和2的結(jié)果列于表1。
表1
本發(fā)明實(shí)施例1的噴霧用粉末沉積效率高，可提供維克斯硬度高達(dá)1100或更大的涂層，這種涂層具有高韌性和抗?jié)衲バ浴１容^例1的噴霧用粉末試驗(yàn)的是平均粒度小的陶瓷粉末，沉積效率較高，維克斯硬度也很高，但是韌性和抗沖擊性明顯下降。在濕磨耗試驗(yàn)中，其韌性很低，在噴霧法涂層中形成裂紋，噴霧法涂層從基材上剝離。比較例2的噴霧用粉末試驗(yàn)的是平均粒度較大的陶瓷粉末，與實(shí)施例1相比，其韌性差，沉積效率很低，維克斯硬度也較低。而噴霧法涂層的磨耗比大，抗?jié)衲ズ男砸埠艿汀?br> 本發(fā)明提供了1)WC/碳化鉻/Ni或Ni基合金復(fù)合材料的噴霧用粉末，其平均粒度為6-63微米，該噴霧用粉末包含75-95％(重量)由WC粉末和碳化鉻粉末構(gòu)成的陶瓷相，以及5-25％(重量)由Ni或Ni基合金粉末構(gòu)成的金屬相，其中，構(gòu)成陶瓷相的WC粉末的初級(jí)顆粒的平均粒度為5-20微米，碳化鉻粉末的初級(jí)顆粒的平均粒度為1-10微米，這樣的噴霧用粉末在熱噴霧中沉積效率高，從而可以形成有極高韌性和抗沖擊性的噴霧法涂層。
2)使用上面的噴霧用粉末，通過高速火焰噴霧，可確保恒定的高沉積效率。
3)使用上面的噴霧用粉末，通過高速火焰噴霧形成的噴霧法涂層具有很高的韌性和抗沖擊性，維克斯硬度高達(dá)1100，并有優(yōu)良的抗?jié)衲ズ男浴?br> 于2000年2月17日提交的日本專利申請(qǐng)2000-038969中揭示的全部?jī)?nèi)容，包括說明書、權(quán)利要求書、附圖和摘要，全部參考結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1．一種粒度為6-63微米的噴霧用粉末，包含75-95％重量由WC粉末和至少一種選自Cr3C2、Cr7C3和Cr23C6的碳化鉻粉末構(gòu)成的陶瓷相，和5-25％重量由Ni或Ni基合金粉末構(gòu)成的金屬相，其中構(gòu)成陶瓷相的WC粉末的初級(jí)顆粒的平均粒度為5-20微米，碳化鉻粉末初級(jí)顆粒的平均粒度為1-10微米。
2．如權(quán)利要求1所述的噴霧用粉末，其特征在于所述Ni或Ni基合金粉末的平均粒度為1-15微米。
3．如權(quán)利要求1所述的噴霧用粉末，其特征在于所述WC粉末的平均粒度為10-15微米，所述碳化鉻粉末的平均粒度為3-6微米，所述Ni或Ni基合金粉末的平均粒度為1-10微米。
4．如權(quán)利要求1所述的噴霧用粉末，其特征在于所述噴霧用粉末包含60-80％重量WC粉末、10-20％重量碳化鉻粉末和5-25％重量平均粒度為1-15微米的Ni或Ni基合金粉末。
5．一種熱噴霧法，所述方法包括使用權(quán)利要求1所述的噴霧用粉末進(jìn)行高速火焰噴霧。
6．一種噴霧法涂層，通過使用權(quán)利要求1所述的噴霧用粉末進(jìn)行高速火焰噴霧形成，其包含75-95％重量由WC粉末和碳化鉻粉末構(gòu)成的陶瓷相，和5-25％重量由Ni或Ni基合金粉末構(gòu)成的金屬相，其中構(gòu)成陶瓷相的WC粉末的初級(jí)顆粒的平均粒度為5-20微米，碳化鉻粉末的初級(jí)顆粒的平均粒度為1-10微米。
全文摘要
一種粒度為6－63微米的噴霧用粉末,包含75－95%重量的由WC粉末和至少一種選自Cr
文檔編號(hào)C23C4/12GK1309106SQ01104569
公開日2001年8月22日 申請(qǐng)日期2001年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月17日
發(fā)明者五日市剛, 大澤悟 申請(qǐng)人:不二見株式會(huì)社