專利名稱：耐磨合金粉末及涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通過熱噴涂設(shè)備沉積的鉻-鉬合金以及耐磨合金粉末。該耐磨合金粉末用于形成具有同樣組成的涂層。
背景技術(shù)：
硬質(zhì)表面涂層金屬及合金是本領(lǐng)域已知的。例如，多年來鉻金屬已經(jīng)用作電鍍涂層，目的是將磨損或損耗部件修復(fù)至其原始尺寸、提高耐磨性和耐蝕性、并減小摩擦力。但硬鉻電鍍存在諸多限制。部件的外形復(fù)雜時，難以通過電沉積獲得均勻的涂層厚度。涂層厚度不均勻則必須磨削至最終的表面形態(tài)，由于電鍍鉻固有的脆性和堅硬，這對于電鍍鉻而言既困難又昂貴。電鍍的沉積速度相當(dāng)慢，因而需要大量資金投資在鍍覆設(shè)備上。通常必須涂覆一層或一層以上的底漆、或者采用昂貴的表面清洗和蝕刻工序來制備基底。處理剩余的鍍液也大大增加了該工藝的成本。
另一種沉積鉻金屬的方法是通過金屬噴鍍，例如使用等離子、高速氧燃料(HVOF)或爆炸噴槍。該方法允許在幾乎任何金屬基底上涂覆涂層而無需底漆。涂層厚度可以非常精密地控制，因而任何隨后的精加工都可以被控制到最低限度。但是，具有為特定用途設(shè)定的耐磨性的特定涂層可能需要相當(dāng)多的精加工。
美國專利3846084公開了利用等離子或爆炸噴槍工藝制成的涂層，通過在鉻基體中引入彌散分布的碳化鉻顆粒，該涂層的相容性、摩擦特性和耐磨性優(yōu)于硬鉻電鍍產(chǎn)品。這種涂層可以由粉末的機械混合物制成。但由其制成的涂層的質(zhì)量存在某些限制。等離子、HVOF和爆炸噴槍涂層導(dǎo)致重疊的薄片或“縱板(splat)”的多層結(jié)構(gòu)。每個縱板來源于用于制備該涂層的粉末的單個顆粒。在涂層沉積工藝中，兩種或兩種以上粉末顆粒如果發(fā)生結(jié)合或合金化的話也僅發(fā)生極少量。
美國專利656248081公開了一種耐磨涂層，用于保護與另一表面發(fā)生滑動接觸的表面，如內(nèi)燃機的活塞環(huán)和氣缸內(nèi)襯。該耐磨涂層是通過HVOF鍍覆一種粉末而制成，該粉末包含約13-約43wt％鎳-鉻合金、約25-約64wt％碳化鉻、以及約15-約50wt％鉬的混合物。
美國專利650329081公開了一種用于通過熱噴涂設(shè)備進行沉積的耐蝕粉末。該粉末含有約30-60wt％鎢、約27-60wt％鉻、約1.5-6wt％碳、總量約10-40wt％的鈷和鎳以及附帶的雜質(zhì)和熔點抑制劑。該耐蝕粉末用于形成具有相同組成的涂層。
一直需要能夠通過熱噴涂設(shè)備沉積、并具有良好耐磨和/或耐蝕性的粉末和涂層。因此，一直需要開發(fā)新的粉末并研究其熱噴涂沉積形成耐磨和耐蝕涂層的潛力。因此，本領(lǐng)域需要提供能夠通過熱噴涂設(shè)備沉積、并具有良好耐磨和耐蝕性的粉末和涂層。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及含有約20-65wt％鉻、約20-65wt％鉬、約0.5-3wt％碳以及約10-45wt％鎳的合金。該合金包括遍布分散的鉻和鉬的析出碳化物(以及任選氮化物)。本發(fā)明還涉及用于通過熱噴涂設(shè)備沉積的耐磨合金粉末。該粉末包含約20-65wt％鉻、約20-65wt％鉬、約0.5-3wt％碳以及約10-45wt％鎳的合金。該耐磨合金粉末用于形成具有同樣組成的涂層。
發(fā)明詳述如上所述，本發(fā)明涉及用于通過諸如等離子、HVOF或爆炸噴槍等熱噴涂設(shè)備沉積的耐磨合金粉末。該粉末由含有約20-65wt％鉻、約20-65wt％鉬、約0.5-3wt％碳以及約10-45wt％鎳的合金制成。該合金包括遍布分散的鉻和鉬的析出碳化物和任選氮化物。該合金用于形成具有同樣組成的耐磨粉末和涂層。
此處所述的合金依賴于高含量的鉻和鉬而獲得良好的耐磨性。有利地，該合金含有至少約20wt％鉻，優(yōu)選至少約30wt％鉻，更優(yōu)選至少約35wt％鉻。含有低于約20wt％鉻的粉末對于許多應(yīng)用而言耐磨性不足。鉻含量超過約65wt％傾向于降低涂層的耐磨性，這是因為涂層會變得過脆。
類似地，該合金含有至少約20wt％鉬，優(yōu)選至少約25wt％鉬，更優(yōu)選約30或35wt％鉬。含有低于約20wt％鉬的粉末對于許多應(yīng)用而言耐磨性不足。鉬含量超過約65wt％傾向于降低涂層的耐磨性，這是因為涂層會變得過脆。
在本發(fā)明的一個實施方案中，該合金含有約20-65wt％、優(yōu)選約30-60wt％、更優(yōu)選約35-55wt％的鉻；約20-65wt％、優(yōu)選約25-60wt％、更優(yōu)選約30-55wt％的鉬；約0.5-3wt％、優(yōu)選約1-2.5wt％、更優(yōu)選約1.5-2wt％的碳；和約10-45wt％、優(yōu)選約15-35wt％、更優(yōu)選約20-35wt％的鎳。這些合金用于形成具有同樣組成的耐磨粉末和涂層。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，該合金含有約50-90wt％、優(yōu)選約60-80wt％、更優(yōu)選約65-75wt％的鉻和鉬；約0.5-3wt％、優(yōu)選約1-2.5wt％、更優(yōu)選約1.5-2wt％的碳；以及約10-45wt％、優(yōu)選約15-35wt％、更優(yōu)選約20-35wt％的鎳。這些合金用于形成具有同樣組成的耐磨粉末和涂層。
碳含量控制由該粉末形成的涂層的硬度和耐磨性。賦予涂層足夠的硬度需要最低約0.5wt％的碳。如果碳超過約3wt％，該粉末的熔點會變得過高，難以霧化該粉末。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，該合金、粉末和涂層中可以加入鈷。該粉末可以含有約10-45wt％、優(yōu)選約15-35wt％、更優(yōu)選約20-35wt％的鎳和鈷。這可有利于所述鉻/鉬/碳組合的熔化，如果單獨存在，會形成對于霧化而言熔點過高的碳化物。提高鈷和鎳的含量還傾向于提高熱噴涂粉末的沉積效率。由于鎳和鈷的總含量高于約45wt％會傾向于軟化涂層、并限制涂層的耐磨性，因此鎳和鈷的總含量最好保持在約45wt％以下。此外，該合金可以僅含有鎳或鈷，這是因為僅含有鎳(例如約10-45wt％鎳)或僅含有鈷(例如約10-45wt％鈷)的涂層可以形成具有專為特定用途設(shè)定的耐磨性的粉末。但是對于多數(shù)應(yīng)用而言，鈷和鎳是可以互換的。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，該合金、粉末和涂層中可以加入硼、硅和/或錳。該合金可以含有約0.5-3wt％、優(yōu)選約1-2.5wt％、更優(yōu)選約1.5-2wt％的碳和硼、硅和/或錳。為了促進為霧化而進行的熔化，該合金可以任選地含有熔點抑制劑，如硼、硅和錳。過量的熔點抑制劑傾向于降低耐蝕性和耐磨性。
如上所述，該合金包含遍布分散的鉻和鉬的析出碳化物(以及任選氮化物)。該合金可以包含超過0.25體積分?jǐn)?shù)的析出碳化物和任選氮化物。優(yōu)選地，該合金中分散的析出碳化物和任選氮化物的體積分?jǐn)?shù)可以為0.25或更高，更優(yōu)選為0.35-0.80。優(yōu)選地，析出的碳化物和任選氮化物晶粒的最大尺寸粒徑可以為微米和亞微米級，例如0.5或以下與20微米之間，更優(yōu)選1-10微米。該析出碳化物和任選氮化物的粒徑和體積分?jǐn)?shù)可以通過改變鉻、鉬和碳含量來調(diào)整。
本發(fā)明所述合金可以與鉬混合制成具有專用于特定用途的耐磨性的粉末?？梢耘c本發(fā)明所述合金混合的鉬含量并非必須限制在很窄范圍內(nèi)，可以為總合金/鉬混合組合物的約10-50wt％，優(yōu)選約15-45wt％，更優(yōu)選約20-40wt％?；旌系你f的含量不包括合金鉬的含量?；旌系你f的量取決于所需用途。
有利地，本發(fā)明所述粉末可以通過對具有此處所述比例的元素的混合物進行惰性氣體霧化制成?？梢杂糜谥苽浔景l(fā)明粉末的優(yōu)選霧化方法記載于美國專利5863618，此處引用其公開內(nèi)容作為參考。這些粉末的合金一般在約1600℃熔化，隨后在保護氣氛(如氬氣、氦氣或氮氣)中霧化。最有利的氣氛是氬氣。可以采用氮氣氣氛，但會導(dǎo)致形成分散于整個合金中的多余的硬質(zhì)相，例如氮化物。如上所述，為了促進為霧化而進行的熔化，該合金可以任選地包含熔點抑制劑，如硼、硅和錳。
或者，燒結(jié)和粉碎、燒結(jié)和噴霧干燥、燒結(jié)和等離子致密化都是可用于制造該粉末的方法。但氣體霧化代表了制造該粉末的最有效方法。氣體霧化技術(shù)一般制造粒徑分布為約1-500微米的粉末。為了熱噴涂用途，將該粉末篩分為約1-100微米的粒徑。
可以通過多種本領(lǐng)域已知方法、利用本發(fā)明所述合金制成涂層。這些方法包括熱噴涂(等離子、HVOF、爆炸噴槍等)、激光鍍覆；以及等離子轉(zhuǎn)移弧(PTA)。熱噴涂是沉積粉末形成本發(fā)明所述涂層的優(yōu)選方法。本發(fā)明所述耐磨合金粉末用于形成具有同樣組成的涂層。
本發(fā)明所述合金粉末用于形成具有良好耐磨性的涂層或制品，如保護與其它表面發(fā)生滑動接觸的表面的耐磨涂層，如內(nèi)燃機的活塞環(huán)和氣缸內(nèi)襯。
下述實施例用于解釋本發(fā)明的某些優(yōu)選實施方案，并不意味著對本發(fā)明作出限制。
實施例1通過與美國專利5863618類似的方法制備表1所列的合金粉末。
表1
本發(fā)明的其他變更和改進對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。本發(fā)明僅受權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.一種合金，含有約20-65wt％鉻、約20-65wt％鉬、約0.5-3wt％碳、以及約10-45wt％鎳。
2.如權(quán)利要求1所述的合金，含有約10-45wt％的鎳和鈷。
3.如權(quán)利要求1所述的合金，含有約0.5-3wt％的碳和硼、硅和/或錳。
4.如權(quán)利要求1所述的合金，還含有遍布分散的鉻和鉬的析出碳化物和任選氮化物。
5.如權(quán)利要求4所述的合金，其中該合金中遍布分散的析出碳化物和任選氮化物的體積分?jǐn)?shù)為0.25或更高。
6.如權(quán)利要求4所述的合金，其中所述析出的碳化物和任選氮化物的最大尺寸粒徑為0.5或以下與20微米之間。
7.一種用于通過熱噴涂設(shè)備沉積的耐磨粉末，該粉末含有約20-65wt％鉻、約20-65wt％鉬、約0.5-3wt％碳、以及約10-45wt％鎳的合金。
8.如權(quán)利要求7所述的耐磨粉末，其中該合金還含有約10-45wt％的鎳和鈷。
9.如權(quán)利要求7所述的耐磨粉末，其中該合金還含有約0.5-3wt％的碳和硼、硅和/或錳。
10.如權(quán)利要求7所述的耐磨粉末，其中該合金還含有遍布分散的鉻和鉬的析出碳化物和任選氮化物。
11.如權(quán)利要求10所述的耐磨粉末，其中該合金中遍布分散的析出碳化物和任選氮化物的體積分?jǐn)?shù)為0.25或更高。
12.如權(quán)利要求10所述的耐磨粉末，其中所述析出的碳化物和任選氮化物的最大尺寸粒徑為0.5或以下與20微米之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于通過熱噴涂設(shè)備沉積的合金和耐磨合金粉末。該合金含有約20－65wt％鉻、約20－65wt％鉬、約0.5－3wt％碳、以及約10－45wt％鎳。該耐磨合金粉末用于形成具有同樣組成的涂層。
文檔編號C09C1/62GK1997474SQ200580017117
公開日2007年7月11日 申請日期2005年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月28日
發(fā)明者W·J·C·亞羅辛斯基, L·B·滕普爾斯 申請人:普萊克斯S·T·技術(shù)有限公司