CN1039849A - 用于火焰喷涂的碳化钨 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钴结合碳化钨粉末及其制备方法，它是通过制备一种由10％至30％颗粒度为-5微米的第一碳化钨粉末、40％至80％颗粒度为-4410微米的第二碳化钨粉末、8％至25％颗粒度为-5微米的钴粉末和0.5至3％颗粒度为-1微米的碳粉构成的混合物而产生的，并通过压缩、烧结、粉碎和分粒而对混合物进行处理，从而产生一种颗粒度在-10010微米范围中的钴结合碳化钨粉末。

Description

本发明涉及热喷涂，具体地说，涉及适用于火焰喷涂的碳化钨粉末。

热喷涂包括使热可熔材料诸如金属、碳化物或陶瓷热软化，以及将软化的颗粒状材料喷射到所要涂布的表面。这些经加热的颗粒冲击该表面，在那里，它们被激冷并被结合起来。一种常规的热喷涂枪被用作将颗粒加热和喷射的目的。在一种类型的热喷涂枪中，将热可熔材料以粉末状态供应给所述枪，该粉末通常由例如颗粒尺寸在100目美国标准筛网尺寸（150微米）和约5微米之间的小颗粒构成。

这里所用的术语“火焰喷涂”具体指作为一组较广的热喷涂方法的燃烧喷涂方法。热喷涂枪通常利用一种燃烧或等离子体火焰来产生用于熔解所述粉末颗粒的热量。然而，对于本技术领域中的技术人员来说，其他加热装置也可使用，诸如电弧、电阻加热器或感应加热器，而这些装置可被单独或与其他形式加热器结合使用。在粉末型燃烧火焰喷涂枪中，夹带和运输粉末的载体气体可以是一种燃烧气体或一种惰性气体诸如氮气，或者它干脆可以是压缩空气。在等离子体喷涂枪中，基本等离子气体通常为氮气或氩气，并且氢气或氦气通常被加至基本气体中。

可将所述材料可选择性地以棒状或线状送入加热区中。在线型热喷涂枪中，所要喷涂的材料棒或线被送入某些类型火焰，诸如燃烧火焰形成的加热区中，在那里，它被熔化或至少热软化，并且通常被强射流气体雾化，从而被以细分状态喷射到所要涂布的表面上。所述棒或线可通常由拉延成形，或者可通过将粉末烧结在一起而成形，也可通过由一种有机粘合剂或其他合适的粘合剂将粉末结合在一起而成形，上述粘合剂在加热区的热量作用下会分解，由此释放出粉末而被以细分状态喷涂。

由于耐磨对于热喷涂层来说是一个通常的要求，因此碳化物粉末对喷涂来说是至关重要的。在高温喷涂过程期间，不含任何粘合剂（“纯净的”）的碳化物，诸如碳化钨会产生氧化并失碳。在美国专利3，419，415号中揭示了使这些影响减至最小的努力，其中，由碳化物和附加碳形成复合粉末。然而，该方法不是特别成功，并且显然从没在商业上发展过。

英国专利说明书（专利号为867，455）提供了用于喷涂的、与喷焊自助熔合金粉末混合的、金属结合的碳化物粉末。通常，涂层被随后熔化，可熔性自助熔合金的加入不仅使工艺的时间和成本增加，而且导致涂层中的碳化物量较少。美国专利4，136，230号描述了在熔融火焰喷涂涂层中，自助熔合金基体中的碳化钨颗粒的典型晶粒尺寸。

美国专利3，023，490号讲述了一种包含在可熔合金基体中的碳化钨大颗粒和小颗粒的涂层。该涂层是通过将在一种浆状物中的粉末施面于基体上并在原位将涂层喷火熔化形成的;但这是一种不能与热喷涂广泛竞争的方法。

因此，发展来用于热喷涂的碳化钨粉末通常要求粉末中具有添加材料粘合剂。首先，由于碳化钨自身不能在火焰中适当地熔融，并且对实际涂层来说太脆，因此，在粉末中掺合入一种金属诸如钴或镍。该粉末是通过与金属熔合或烧结并且将产物粉碎（如上述英国专利所讲述的那样）而制得的。其次，燃烧火焰喷涂趋于使纯净金属结合的碳化物粉末氧化和脱碳。热喷涂也趋于使碳化物溶解入基体中。高速等离子气体使这些影响减至最小，从而得到极好的效果。然而，对于燃烧火焰喷涂方法来说，粉末通常是与另一种火焰喷涂材料掺合的。

当在1960年左右发展等离子气体和焊燃方法时，粉末诸如结合有钴的碳化钨（无混合物）的喷涂对于产生高耐磨性涂层来说变得相当成功。然而，用于这些方法的装置是很贵的，并且不太轻便，从而限制了应用。在不添加自助熔合金条件下喷涂高质量的结合有钴的碳化钨涂层方面，更轻便的和更经济合理的燃烧火焰喷涂方法仍没有取得普遍成功。

因此，本发明的目的是提供一种用于热喷涂的改进的碳化物粉末，更具体地说，是提供一种不需要附加剂的适用于火焰喷涂的新颖的钴结合的碳化钨粉末，以及提供一种制造该粉末的新方法。

借助于由本发明方法制造的钴结合的碳化钨粉末，可达到上述和其他目的;该方法包括制备一种混合物，所述混合物基本上由颗粒尺寸为-5微米的第一碳化钨粉末、颗粒尺寸为-44′20微米的第二碳化钨粉末、颗粒尺寸为-5微米的钴粉末以及颗粒尺寸为-1微米的碳粉末构成。混合物的比例为10%至30%第一碳化钨、40%至80%第二碳化钨、8%至25%钴和0.5至3%（以重量计，总共为100%）。对混合物进行处理是通过压缩所述混合物以得到一种压缩产物、烧结所述压缩产物以得到一种烧结产物、粉碎所述烧结产物以得到一个粉碎产物、以及将粉碎产物分粒以得到尺寸范围为-150′5微米的结合有钴的碳化钨粉末而进行的。较佳的是，进行这样的烧结，使得产生在钴基体中的碳化钨晶体，其尺寸主要为-30′1微米。

根据本发明，通常利用两种尺寸的起始碳化钨粉末来制得一种混合的粉末，所述碳化钨最好是WC，但也可为W₂C或这两种物质的共晶体等，并且它们不需要彼此相同。第一碳化物是很细的，颗粒尺寸小于约5微米。第二碳化钨粉末相对来说较粗，颗粒尺寸基本上为-44′10微米。将这些起始物与颗粒尺寸为-5微米的钴粉末混合。进一步根据本发明，颗粒尺寸为-1微米的碳粉末被包括在混合物中。

较好的是，第一碳化钨粉末的颗粒尺寸为约0.3至1.2微米，第二碳化钨粉末的颗粒尺寸为约20至30微米，钴粉末的颗粒尺寸为小于约1.5微米，而碳粉末的颗粒尺寸为小于0.5微米。另外，最好以约21%第一碳化钨、60%第二碳化钨、18%钴和1%的比例来制备所述混合物。

所述混合物的比例应为约10%至30%第一碳化钨、40%至80%第二碳化钨、8%至25%钴和0.5至3%碳（重量，总共为100%）。所述混合物可选择性地可由机械方法搅拌，诸如通过碾磨成一种足够能使配料彻底和完全混合的混合产物。然后，将所得粉末压缩成合适尺寸的烧结产物坯料，并进行烧结。

碾磨、压缩和烧结通常是根据用来制造工具坯料的常规实践来进行的，不同之处在于烧结时间和温度应得到特别的关注。烧结应如此进行，使得能产生一种由硬的致密聚集体形成的烧结产物，其中，碳化钨晶体在钴基体中的生长最小。所得在钴基体中的碳化钨晶体的尺寸应主要为-30′1微米，最好为2-10微米，并且基本上无超过30微米的颗粒。该结构主要通过溶入基体的细的第一碳化物颗粒和部分溶解以使尺寸减小的较大的第二碳化物颗粒而产生。也可预料有一些加入的碳溶解和/或与其他组份反应。

由常规滚轧碾磨机粉碎烧结产物，从而产生尽可能与最终尺寸接近的粉碎产物。通过诸如淘分、旋风分离和/或筛分来进行分粒，从而产生最终级别的结合有钴的碳化钨粉末，其尺寸一般应在通常与火焰喷涂粉末有关的尺寸范围内，即-150′5微米，最好为-53′10微米。可供选择的是，对于非常细密的结构（texture）涂层，所希望的粉末颗粒尺寸为-44′5微米。

可用任何常规热喷涂枪进行喷涂，但本发明的粉末特别适用于采用燃烧火焰喷涂枪喷涂。可通过常规喷砂制备基体表面诸如钢，尽管涂层具有与钢板自结合性而可将薄涂层施加于光滑清洁的表面上。直至1.5mm厚的涂层都可被施加于平的经喷砂的碳钢板上。

采用粉末型热喷涂枪，本发明的粉末能以常规方式喷涂。但是采用能在枪的加热区中分解的塑料或类似粘合剂诸如聚乙烯或聚氨脂来将其结合成复合物线或棒也是可能的。所述棒或线应具有常规的尺寸和精度公差（对于火焰喷涂线来说），因此，例如，其尺寸可在6.4mm和20号线规（gauge）间变化。

得到了具有高结合强度和良好耐磨性、耐低角磨蚀和腐蚀性的高质量涂层。其典型的应用是风扇叶片、泵盖、导丝器、导线拉延绞盘和心轴。火焰喷涂枪的轻便性使得能在野外施加涂层。下列例子是为了描述，而不是为了对其限制。

例子

制备由21%（重）第一结晶碳化钨（WC）（颗粒度为0.3至1.2微米）、60%（重）第二结晶碳化钨（WC）（颗粒度为20至30微米）、18%（重）纯度为99+%的钴粉末（颗粒度小于1.5微米）和1%（重）石墨态碳（颗粒度小于0.5微米）构成的粉末混合物。将所得粉末压缩成坯料，在1300℃下在真空中烧结30分钟。然后用常规轧辊粉碎机在2至3个辊子组中将烧结产物粉碎，去除粗颗粒，并筛分至-53′10微米。其颗粒度分布为约80%+44微米和20%-44微米。所得粉末含有约74%钨、21%钴和5%碳，其中游离碳的含量在0.33%和0.5%之间（以所有产物计）。

采用一个P7 C-D喷嘴和一个在6.4cm处的十字喷口中通过压力为50psi（3.5kg/cm²）的空气的空气喷射装置，使用由Perkin-Elmer公司，Westbury NY销售的Metco Type 6P火焰喷涂枪将得到的粉末进行火焰喷涂。氧气流速在压力35psi（2.5kg/cm²）下为29 l/min（标准），乙炔流速在压力15psi（1.0kg/cm²）下为22l/min）。采用一具Metco Type 3MP粉末送料器，在压力为55psi（3.9kg/cm²）下的氮气载体流速为7.11/min，其喷涂率为4.5kg/hr。喷涂距离为8cm，沉积率为80%。

喷砂钢上的结合强度超过8000psi（562kg/cm²），涂层密度为12.5gm/cc，孔隙率为小于2%。不溶解的碳化钨量（金相学上可见）为17-20%。宏观硬度为洛氏56-59，显微硬度为DPH850-950。当测得喷涂涂层为350-450微英寸时，采用金刚石砂轮磨削涂层小于4微英寸。

耐磨损性是按照下列程度测量的：

1.采用超测微计，在四个位置测量试样的厚度（包括涂层），并记录读数。通过在试样的边缘标上记号或数字而确定四个点的位置，以作进一步测量。

2.采用分析天平，准确称量各个试样，并记录其重量。

3.将一具驱动装置插入钻床心轴。

4.将一具台秤放在钻床台面上。将钻台臂（手柄）向下拉至一个水平位置，并将其锁在原位。

5.升高钻床台面，并将1400克载荷加至手柄上。

6.放开钻床心轴，将重量挂在压力臂上。

7.移去台秤。

8.升高心轴，并用3.18cm空白销代替对准销。

9.将两个试样放在一磨损轨道上，降低所述心轴，直到驱动销进入所述试样的驱动孔中，锁在原处，在试样上不加载。

10.起动钻床，在槽中倾注入彻底混合的氧化铝研磨剂粉末浆状物，这是在500cc水中含有颗粒度为-53微米+15微米的150克研磨剂的浆状物。放开锁住的心轴，使1400克的载荷施加上去。记下起动的时间。

11.使试验运行10分钟。

12.移下试样，并在溶剂中将其洗涤，称量并测量厚度，记录读数，以与起始读数比较。

13.将试验运行三次，并将结果平均。

相对于12%钴结合的碳化钨的Metco        73F-NS常规等离子喷涂涂层，进行耐磨性比较。测量结果表明，常规涂层损失为本例子碳化物涂层厚度损失的1.1倍，体积损失为0.8倍。

通过将在压力为60psi（4.2kg/cm²）的压缩空气中的颗粒度为-53′15微米的氧化铝经过直径为3.3mm的喷嘴以各种角度喷射到喷层表面上，测量磨蚀性能，20°角度下的体积损失为0.39（10^-4cm³），45°下为0.44，90°下为1.23。常规73F-NS的对照结果分别为0.39、0.62和1.12。

因此，通过将本发明的粉末进行火焰喷涂而得到一钴结合的碳化钨涂层，它们的性能与现有技术等离子体碳化物涂层相当相似。可以预料，本发明的粉末已按照包括制造粉末的方法得到最好的描述。这特别是因为细颗粒度的第二碳化钨起始物粉末溶于钴基体中而变得不能分辨。因此业已发现，根据本发明方法制备的粉末引起火焰喷涂涂层质量的极大改善。

尽管上面已参考具体实施例详细描述了本发明，对那些该领域的熟练人员来说，落在本发明精神和所附权利要求范围中的各种变化和改进将会是显而易见的。因此，本发明只是规定为受到所附权利要求书或它们的等同物的限制。

Claims (7)

1、一种适用于火焰喷涂的钴结合的碳化钨粉末的制造方法，其特征在于它包括：制备基本上由颗粒度为-5微米的第一碳化钨粉末、颗粒度为-44+10微米的第二碳化钨粉末、颗粒度为-5微米的钴粉末和颗粒度为-1微米的碳粉末构成的混合物，所述混合物的比例为约10%至30%第一碳化钨、40%至80%第二碳化钨、8%至25%钴和0.5至3%碳(总共100%，以重量计)，和通过压缩所述混合物以产生一种压缩产物、烧结所述压缩产物以产生一种烧结产物、粉碎所述烧结产物以产生一种粉碎产物、以及分粒所述粉碎产物以产生钴结合的碳化钨粉末，来对混合物进行处理。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一碳化钨粉末的颗粒度为约0.3至1.2微米，第二碳化钨粉末的颗粒度为约20至30微米，所述钴粉末的颗粒度为小于约1.5微米，而所述碳粉末的颗粒度为小于约0.5微米。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述混合物是以比例为约21%第一碳化钨、60%第二碳化钨、18%钴和1%碳制备的。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述混合物是以比例为约21%第一碳化钨、60%第二碳化钨、18%钴和1%碳制备的。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于烧结是这样进行的，以在钴基体中产生碳化钨晶体，所述晶体的大小主要为-30′1微米。

6、一种适用于火焰喷涂的钴结合的碳化钨粉末的制造方法，其特征在于它包括：

制备由颗粒度为约0.3至1.2微米的第一碳化钨粉末、颗粒度为约20至30微米的第二碳化钨粉末、颗粒度为小于约1.5微米的钴粉末和颗粒度为小于约0.5微米的碳粉末构成的混合物，所述混合物的比例为约21%第一碳化钨、60%第二碳化钨、18%钴和1%碳，和

通过压缩所述混合物以产生一种压缩产物、烧结所述压缩产物以产生一种烧结产物、粉碎所述烧结产物以产生一种粉碎产物、和分粒所述粉碎产物以产生钴结合的碳化钨粉末，其中所述烧结是这样进行的，使得在钴基体中产生碳化钨晶体，而所述晶体的大小主要为-30′1微米。

7、一种适用于火焰喷涂的钴结合的碳化钨粉末，其特征在于它包括在钴基体中的碳化钨晶体，所述晶体的大小主要为-30′1微米，并且所述钴结合的碳化钨粉末是由权利要求1或2或3或4或6的方法制备的。