CN102387870A

CN102387870A - 用于底材的无铬涂层

Info

Publication number: CN102387870A
Application number: CN2010800134735A
Authority: CN
Inventors: 迈克·W·塞茨
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Integrated Global Services Inc
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: AU2010229319A1; AU2010229319B2; KR101548553B1; EP2414106A1; PL2414106T3; MX2011009089A; CA2756033A1; JP2012521496A; CN102387870B; WO2010110873A1; CA2756033C; EP2414106B1; KR20120009422A; JP5275509B2; EP2414106A4

Abstract

摘要：本发明公开了一种优选为复合丝的无铬混合物或合金，用于例如通过热喷涂技术而在底材上形成一种耐磨耐蚀的涂层。该涂层由于其物理性能而尤其适用于高温侵蚀性腐蚀环境。最终涂层呈现出良好的硬度、韧性和粘结特性。复合丝包括金属外护套和内芯，且可形成无铬涂层，该涂层按重量百分比计大体上包括60％-90％的基本金属、2％-10％的钛、2％-10％的硅、以及2％-10％的硼，其中，该基本金属包括至少2％的铝及/或硅。

Description

用于底材的无铬涂层

技术领域

本发明涉及无铬金属涂层组合物、以及用于形成该涂层组合物的热喷涂丝。

背景技术

在本发明以前，在耐高温腐蚀的金属涂层中难免使用铬。由于铬会对人类和环境造成危害，因而在涂装工艺中不希望使用铬。

发明内容

在本发明的一实施方式中提供了一种用于形成金属无铬涂层的前体材料复合物。在本发明的另一实施方式中，该前体材料采用复合丝。在本发明的又一实施方式中，可由该复合丝形成金属无铬涂层。

一般而言，无铬金属涂层前体包括基本金属成分、硅成分、钛成分、以及硼成分。基本金属成分的重量百分比至少约为54％。基本金属成分选自铁、镍、钴、铅、锌、铜、锡和铝中的至少一种，且始终包括占涂层前体质量至少约为1％(重量百分比)的合金铝及/或硅。硅、钛和硼成分的重量百分比均约为1％-15％。

可根据本发明的另一实施方式而在复合丝中加入上述成分。该复合丝通常包括重量百分比为70-95％的金属外护套、以及重量百分比约为5-30％的内芯。金属外护套优选包括重量百分比至少约为70％的易于被轧制和拉制成护套的基本金属、以及重量百分比至少约为2％的合金铝及/或硅。在本发明的一实施方式中，内芯包括约为15-30％的钛、约为15-35％的硅、约为20-50％的硼、以及0-15％的碳，这些成分均优选以粒子的形式存在。

可采用热喷涂技术而使复合丝在底材上形成本发明所述的金属无铬涂层。按重量百分比计，无铬涂层组合物通常大体上包括约为60-90％的基本金属、至少约为2％的铝、约为2-10％的钛、约为2-10％的硅、以及约为2-10％的硼。该涂层在高温下耐磨耐蚀。

附图说明

附图用图示出根据本发明的实施方式的复合丝。

具体实施方式

在下文的描述中，给出的所有百分比均为重量百分比，除非另有说明。在本发明中，对用于形成无铬涂层的前体材料、优选以复合丝形式存在的前体材料、以及由该丝形成的涂层作出了说明。

一般而言，无铬金属涂层前体包括以合金、混合物或复合物的形式存在的基本金属成分、硅成分、钛成分、以及硼成分。基本金属成分的重量百分比至少约为54％。基本金属成分通常选自铁、镍、钴、铅、锌、铜、锡和铝中的至少一种，且始终包括占涂层前体质量至少约为1％(重量百分比)的合金铝及/或硅。硅、钛和硼成分的重量百分比均约为1％-15％。

在无铬涂层前体中，基本金属通常占涂层前体质量的至少约为68％(重量百分比)，且其中合金铝及/或硅成分的重量百分比至少约为2％。硅、钛和硼的重量百分比均约为2％-10％。

优选地，在无铬涂层前体中，基本金属成分的重量百分比至少约为76％，且基本金属成分选自铁、镍、钴和铝的至少一种。基本金属成分是一种混合物或合金，优选为合金，且始终包括占涂层前体质量至少约为3％(重量百分比)的铝。硅、钛和硼优选以粒子团的形式存在，百分比约为4-7％，且优选作为由基本金属成分形成的复合丝的内部。

通过传统的电弧喷涂装置来进丝，即可由本文所述的复合丝而形成本发明所述的涂层。复合丝10通常包括重量百分比为70％-95％的金属外护套20以及重量百分比约为5％-30％的内芯30。在一优选实施方式中，复合丝包括重量百分比约为75％-85％的金属外护套以及重量百分比约为15％-25％的内芯。

金属外护套优选包括重量百分比至少约为70％的易于被轧制和拉制成护套的基本金属、以及重量百分比至少约为2％的合金铝及/或硅。也可只将铝作为基本金属。在本发明的一实施方式中，内芯包括约为15-30％的钛、约为15-35％的硅、约为20-50％的硼、以及0-15％的碳，均优选以粒子混合物的形式而存在，这些粒子优选呈粉末状。钛、硅和硼可存在于含有另外元素的化合物的混合物中。

基本金属优选为一种相对较软的基本金属或合金，例如至少为镍、铁或钴之一。优选为镍，且外护套最优选包括镍和铝的合金。示例性的材料包括重量百分比约为70％-98％的镍、以及重量百分比约为2％-30％合金铝及/或硅，优选地，镍的重量百分比约为85％-98％、以及合金铝及/或硅的重量百分比约为2％-15％，且最优选地，镍的重量百分比约为90％-97％、以及合金铝的重量百分比约为3％-10％。

内芯优选包括约为20％-30％的钛、约为20％-30％的硅、约为30％-40％的硼、以及约为0％-15％的碳。如果需要，通常以碳化物形式存在的碳可存在于内芯中，但是由于它可能不存在于涂层组合物中，或者至少其存在的数量不足以影响其性能，因而它不是本涂层发明要考虑的材料。可通过适当数量的TiSi源来提供钛和硅，例如含量约为50％-60％的TiSi源，该TiSi源例如可以是由TiSiFe与一种硼源以及可选的碳构成的混合物，例如百分比约为40％-50％的B₄C。

内芯也可包括另外的材料。这些另外的材料可包括：碳化物，例如碳化钨、碳化钛、碳化钒等；氧化物，例如氧化铝、氧化锆等；以及硼化物，例如硼化镍、硼化铁等。内芯也可包括另外的金属粉末，例如铝、镍、或合金粉末，或诸如碳化钨镍的复合粉末。例如，内芯可包括约为0.1％-10％的钼、约为0.1％-10％的钨、约为0.1％-10％的钕、以及约为0.1％-10％的碳。此外，在内芯中可含有包括镁、磷、钒、锰、铁、钴、镍、铜、锆、铌、钼、钽及/或钨的金属或金属合金粉末，含量例如约为0.1％-10％。

此外，可将上文所列的芯成分在护套内混合成合金，此时该成分无需存在于内芯中，或其数量可减少。例如，可将重量约为复合丝重量的2％-10％的钛、硅和硼在护套内混合成合金。铝成分可以类似的方式存在于内芯中而非护套中。

粉末内芯的粒度将会对所涂覆的涂层的物理性能产生影响。通常粉末粒子越细，涂层就越均匀，且耐磨耐蚀性能一般就越好。然而，制造成本和制造条件约束将会限制粒度范围的下限。

可通过传统方式形成有芯的丝，即芯丝，方法是将用于形成内芯的无需呈凝聚态的混合物置于将被制成外金属护套的条状物上。该条状物可通过连续多次的拉丝延模而在内芯周围形成外丝护套。芯丝的最终外径将取决于其用途。对于大多数应用，芯丝的最终直径约为0.8-6.4mm。传统的芯丝制造技术在美国专利No.6,156,443(Dallaire等人)和No.6,513,728(Hughes等人)中公开，且二者均作为参引合并于本文中。

除上文所讨论的复合丝之外，本发明还提供了一种在底材上形成耐磨耐蚀涂层的方法。该方法通常包括用于制造具有由金属或合金形成的外护套以及粉末内芯的复合丝所需的步骤，以及通过热喷涂技术而使复合丝形成熔融金属涂层，从而对底材进行涂装。由于本发明的丝不能通过普遍可利用的技术而被焊接，因而必须通过非焊接方法来形成熔融涂层。

按重量百分比计，所得到的熔融金属无铬涂层组合物大体上通常包括约为60％-90％的基本金属、至少约为2％的铝、约为2％-10％的钛、约为2％-10％的硅、以及约为2％-10％的硼。基本金属优选地选自镍、铁和钴中的至少一种，最优选为镍。如果需要，涂层中可包括另外的成分，这些另外的成分例如选自包括约为0.1％-10％的铁、约为0.1％-10％的钼、约为0.1％-10％的钨、以及约为0％-10％的碳。

本发明所述的涂层特别用于受磨损及/或腐蚀的物品。这类物品例如包括炉管、液压活塞杆、泵壳、造纸和钢铁工业中的滚筒、耐磨板、轴颈和轴、以及涡轮叶片和罩壳。

在一应用中，本发明的涂层用于保护炉管免受侵蚀性腐蚀的损耗，且通过传统的电弧喷涂装置而被涂覆在炉管上。然而，由下文中的描述可知，也可通过以丝作为进料的其他热喷涂装置而将涂层涂覆在炉管上。电弧喷涂的方法和装置在本技术领域中有大量的文献报导，例如参见美国专利No.6,156,443(Dallaire等人)和No.5,837,326(Dallaire等人)，以及欧洲专利No.EP 0522 438(Zurecki等人)，这些专利均作为参引合并于本文中。

实施例

根据下列组合物形成复合丝：

16wt％芯材料：

43wt％B₄C(79wt％B，21wt％C)

57wt％TiSiFe(44wt％Ti，44wt％Si，10wt％Fe，2wt％其他元素)

芯组合物(基于基本元素)：

34wt％B

9wt％C

25wt％Ti

25wt％Si

6wt％Fe

1wt％其他元素

84wt％护套材料：

95wt％Ni

5wt％Al

复合丝组合物(基于基本元素)：

79.8wt％Ni

4.1wt％Si

4.1wt％Al

1.2wt％Fe

0.7wt％C

6.1wt％B

3.8wt％Ti

Claims

1.一种无铬金属涂层前体，包括：

重量百分比至少约为54％的基本金属，所述基本金属选自铁、镍、钴、铅、锌、铜、锡和铝的至少一种，且所述涂层前体始终包括重量百分比至少约为1％的铝；

重量百分比约为1％-15％的硅；

重量百分比约为1％-15％的钛；以及

重量百分比约为1％-15％的硼。

2.根据权利要求1所述的无铬涂层前体，包括：

重量百分比至少约为68％的基本金属，所述基本金属选自铁、镍、钴、铅、锌、铜、锡和铝的至少一种，且所述基本金属始终包括重量百分比至少约为2％的合金铝及/或硅；

重量百分比约为2％-10％的硅；

重量百分比约为2％-10％的钛；以及

重量百分比约为2％-10％的硼。

3.根据权利要求1所述的无铬涂层前体，包括：

重量百分比至少约为76％的基本金属，所述基本金属选自铁、镍、钴和铝的至少一种，且所述基本金属始终包括重量百分比至少约为3％的合金铝；

重量百分比约为3％-7％的硅；

重量百分比约为3％-7％的钛；以及

重量百分比约为3％-7％的硼。

4.根据权利要求1所述的无铬涂层前体，包括镍、铁及/或钴与铝构成的合金，以及硅、钛和硼的粒子团。

5.一种熔融无铬金属涂层组合物，按重量百分比计大体上包括：

重量百分比约为70％-90％的基本金属，所述基本金属选自铁、镍、钴、铅、锌、铜、锡和铝的至少一种，且所述金属组合物始终包括重量百分比至少约为2％的铝、重量百分比约为2％-10％的钛、重量百分比约为2％-10％的硅、以及重量百分比约为2％-10％的硼。

6.根据权利要求5所述的熔融无铬金属涂层组合物，包括重量百分比范围约为2％-10％的铝。

7.根据权利要求6所述的熔融无铬金属涂层组合物，其中，所述至少一种基本金属选自镍、铁和钴。

8.根据权利要求7所述的熔融无铬金属涂层组合物，其中，所述基本金属包括镍；所述组合物按重量百分比计还包括至少一种另外的成分，所述成分选自重量百分比约为0.1％-10％的铁、重量百分比约为0.1％-10％的钼、以及重量百分比约为0.1％-10％的钨。

9.一种基本上无铬的用于在底材上形成耐磨耐蚀涂层的复合丝，

所述复合丝包括重量百分比范围约为70％-95％的金属外护套、以及重量百分比范围约为5％-30％的粒子内芯；

其中，所述金属外护套包括：

重量百分比至少约为70％的基本金属、以及重量百分比至少约为2％的合金铝及/或硅；

且其中，所述内芯或粒子包括：

重量百分比范围约为15％-30％的钛；

重量百分比范围约为15％-35％的硅；

重量百分比范围约为20％-50％的硼；以及

重量百分比范围约为0％-15％的碳。

10.根据权利要求9所述的复合丝，其中，所述基本金属包括镍、铁和钴中的至少一种。

11.根据权利要求9所述的一种复合丝，其中，所述外护套包括镍和铝及/或硅的合金。

12.根据权利要求9所述的复合丝，其中，所述外护套包括重量百分比范围约为85％-98％的镍、以及重量百分比范围约为2％-15％的合金铝及/或硅。

13.根据权利要求12所述的复合丝，其中，所述外护套包括重量百分比范围约为90％-97％的镍、以及重量百分比范围约为3％-10％的合金铝。

14.根据权利要求9所述的复合丝，其中，所述内芯包括：

重量百分比范围约为20％-30％的钛；

重量百分比范围约为20％-30％的硅；

重量百分比范围约为30％-40％的硼；以及

重量百分比范围约为0％-15％的碳。

15.根据权利要求14所述的复合丝，其中，所述内芯包括下列物质的混合物：重量百分比范围约为50％-60％的TiSi源，以及重量百分比范围约为40％-50％的B₄C。

16.根据权利要求9所述的复合丝，包括重量百分比范围约为80％-90％的金属外护套、以及重量百分比范围约为10％-20％的内芯。

17.根据权利要求9所述的复合丝，还包括重量百分比范围约为0.1％-10％的钼、重量百分比范围约为0.1％-10％的钨、以及重量百分比范围约为0.1％-10％的碳。

18.一种用于在底材上形成耐磨耐蚀涂层的方法，包括以下步骤：提供权利要求9所述的复合丝，以及使用所述丝来形成涂层。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，使用所述丝来形成所述涂层的所述步骤包括将所述丝热喷涂到所述底材上。