CN1186723A - 碳化铬－镍铬雾化粉末的生产方法 - Google Patents

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Abstract

生产分散于镍铬基体中的碳化铬颗粒雾化粉末的方法,其中粉末中铬为粉末重量的55—92%。

Description

碳化铬-镍铬雾化粉末的生产方法
本发明涉及分散在镍铬基体中的碳化铬颗粒雾化粉末的生产方法。
雾化技术是将液体分散成小滴，通常以高速喷射或高速持膜的方式。使用雾化技术已生产出高质量的粉末产品如铝、黄铜、镍合金、钴合金、耐磨钢等等。可将雾化简单地定义成将液体分散成一般小于约150μm的小滴。由水或气体的高压喷射冲击引起的液流分散分别称为水雾化或气体雾化。使用离心力分散液流即为离心雾化；使用真空分散液流即为真空雾化以及使用超声能实现液流的分散称为超声雾化。通过调节雾化过程的各参数，可以得到不同的颗粒大小、颗粒大小分布、颗粒形状、颗粒化学组成和颗粒微结构。
常规的水雾化法和气体雾化法现占雾化金属粉末的大部分。水雾化的粉末形状一般是不规则的，并具有较高的表面氧含量。另一方面，气体雾化的粉末，形状通常更接近球形或圆形，若被惰性气体所雾化，则常具有较低的氧(氧化物)含量。有代表性的雾化装置主要组件包括熔化设备、喷雾室和粉末干燥(对于水雾化而言)设备。金属的熔化按标准方法进行。空气熔化、惰性气体熔化和真空感应熔化、电弧熔化及燃料加热是适宜的方法。
熔融的金属可倒入耐火材料槽中，该槽基本上是一贮池，它将均匀和受控制的熔融金属流提供给耐火材料槽喷嘴。可位于耐火材料槽底部的该喷嘴控制金属流的形状和大小并引导其通过雾化喷嘴系统，在其中通过高速雾化介质金属流被分散成细小的小滴。当液滴沉到雾化槽底部时得到冷却并固化。该雾化槽可用惰性气体清洗以减少或防止粉末的氧化。在气体雾化中，粉末可作为干颗粒收集或在槽底用水冷却。在干颗粒收集时，雾化槽应足够高以确保粉末颗粒在到达收集室底部之前已固化。也可采用使用长的卧式槽的卧式气体雾化的方式。
有各种类型本领域已知的气体喷嘴和水喷嘴来控制雾化过程的参数以生产出所需的粉末产品。
本领域中已公开的典型的通过单孔喷嘴的金属流速可为约10-200磅/分；典型的水流速为30-100加仑/分(水速为230-750英尺/秒、压力为800-3000磅/平方英寸)。典型的气体流速为40-1500标准立方英尺/分(压力为50-1200磅/平方英寸)。气体速度取决于喷嘴的设计，可从60英尺/秒至超声速。金属的熔点与熔融金属雾化时的温度差一般为约75-300℃(135-572°F)。还有其它许多本领域已知的雾化法来生产粉末产品。
美国专利第5126104号公开了一种制备适用于热喷涂的镍-铬-硼-硅合金、钼金属粉末以及Cr3C2/NiCr合金的粉末的紧密混合物，它包含将上述两种合金的初始混合物与钼粉碾磨以得到一种碾磨混合物，其中平均颗粒大小为直径少于10微米，形成一种所得碾磨混合物的水浆以及一种可为加氨钼酸盐化合物或聚乙烯醇的粘合剂，然后将碾磨混合物与粘合剂烧结。该紧密混合物与粘合剂可在还原气氛中于约800-950℃的温度下烧结足够的时间以形成烧结的、部分合铸的混合物，其堆积密度大于约1.2克/立方厘米。所得烧结混合物可在惰性载气中被带走，进入等离子体火焰中(其中等离子气体可为氩或氩与氢的混合物)，并在等离子体火焰中滞留足够的时间以基本上熔化烧结混合物的所有粉末颗粒，形成熔融部分的球状颗粒并进一步合铸烧结混合物，然后冷却。
美国专利第3846084号公开了一种用于生产具有独特耐磨损性和摩擦特性的制品或涂料的复合粉末，它基本上由铬基质与至少一种选自Cr23C8、Cr7C3和Cr3C2(每一种颗粒含约0.2％(重量)至约5.4％(重量)的碳)的一类碳化物的碳化铬组分。
美国专利第4725508公开了碳化铬(Cr3C2)粉末用于热喷淋方法上的用途。许多碳化铬粉要采用先有技术中已知的烧结技术来生产。
虽然人们自从1945年起便知道雾化法，但不了解这种方法可用来生产含大体积分数的碳化铬物相的粉末。
本发明的目的之一是生产一种分散于镍铬基体中的碳化铬颗粒的雾化粉末。
本发明的目的之二是采用廉价原材料以及采用最少过程步骤来生产粉末。
本发明的目的之三是生产分散于镍铬基体中的碳化铬颗粒的雾化粉末，其中铬的量占粉末的55-91％(重量)；镍的量占粉末的5-40％(重量)；碳的量占粉末的1-10％(重量)。
本发明涉及生产分散于镍铬基体中的碳化铬颗粒的雾化粉末的方法，它包括熔化铬、碳和镍的步骤以生成液流，然后以高压冲击选自气体、液体及其混合物的流体使其雾化，以将液流分散成小滴，再固化这些小滴，形成分散于金属镍铬基体中的碳化铬颗粒的雾化粉末。
本发明的新方法认识到熔化铬、镍和碳的自然能力通过气体雾化或水雾化可用来生产含大体积分数的碳化铬物相的碳化铬-镍铬粉末。本发明另一新颖的方面是通过改变铬和碳的含量可以控制分散于镍铬基体中的碳化铬(Cr7C3和Cr23C6)的种类、数量(体积百分数)以及碳化铬颗粒的大小。同时考虑的是在金属基体中镍与铬的比率。通过调高铬的量以及降低镍的量，可制得更硬、更耐腐蚀及更耐磨损的粘合剂物相。
使用雾化技术从熔融态中制得的在雾化粉末的总组成中重量占高的百分数的铬(55％(重量)或更高)是新颖独特的。另外，高的铬含量以及碳的存在导致了细粒(亚微至微米)碳化铬物相的高的体积分数，这对于雾化粉末而言也是新颖独特的。雾化粉末颗粒形状最好基本上为球形。
在本发明的一个实施方案中，碳化铬化合物、镍铬合金、铬、镍和碳中的至少两种成分被熔化以产生液体流。该液流优选在1300℃-1900℃下加热，更优选在1500℃-1800℃下加热，最优选在1650℃-1750℃下加热。本发明的雾化粉末碳化铬物相的体积分数优选大于0.25。该碳化铬物相的体积分数更优选为0.5或更高，优选0.7。
当使用水雾化法时，雾化水的压力优选在600-5000磅/平方英寸之间。当使用气体雾化法时，雾化气体的压力可在50-1200磅/平方英寸之间。被雾化流体的压力应足以将液流分散成直径为1-300微米的小滴。
包含液流的各组分应足以为粉末提供至少为粉末55％(重量)的铬含量以及足够的碳以确保粉末所含的碳化铬物相的体积分数超过0.25。优选粉末含Cr7C3和Cr23C6及其混合物。优选分散于镍铬基体中的碳化铬颗粒的体积分数为0.25或更大，更优选在0.35-0.80之间。优选碳化铬颗粒的大小为1-20微米，更优选其最大尺寸为2-10微米。碳化铬颗粒的大小及体积分数可通过改变铬和碳含量来调节。在雾化粉末中镍与铬的比率优选为0.30-0.70(在金属基质中的金属)。如上所述，可增加金属基质中铬的量以及降低镍的量以制得可用来生产更硬、更耐腐蚀及更耐磨损涂料的粉末。本发明的粉末可用来生产用于使用高速氧化燃料、等离子体和/或引爆枪的各种应用的热沉积涂料和贴面以及焊接贴面。
通过本发明的方法生产的雾化粉末可包括分散于镍-铬基体中的碳化铬颗粒，在粉末中含铬量为55-92％(重量)，优选70-90％(重量)；含镍量为粉末的5-40％(重量)，优选5-28％(重量)；含碳量为粉末的1-10％(重量)，优选2-6％(重量)。
在某些应用中，加入硼(B)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)等中的至少一种元素作为液流的熔点抑制剂或助熔剂将是有益的。一般添加量少于粉末的5％(重量)，优选在0.03-2.0％(重量)之间。
图1显示了根据本发明的生产的(实施例1)的碳化铬镍铬粉末雾化颗粒放大500倍时的显微照片，它含有由于中等碳含量和中等铬含量造成的大的碳化物颗粒(Cr7C3和Cr23C6)。
图2显示了根据本发明的生产的(实施例2)的雾化碳化铬镍铬粉末颗粒放大200倍的显微照片，它包含由于高碳含量和高铬含量造成的大的碳化物颗粒(Cr7C3)。
图3显示了雾化碳化铬镍铬粉末颗粒放大500倍的显微照片，它包含由于低碳含量和低铬含量造成的小的碳化物颗粒(Cr23C6)。(实施例3)。
图4显示了类似于图1的碳化铬镍电子粉末颗粒放大200倍的显微照片，它包含由于中等碳含量和中等铬含量造成的大的碳化物颗粒(Cr7C3和Cr23C6)(实施例4)。
实施例1
将一含27％(重量)碳化铬和73％(重量)镍铬的混合物加热至约1700℃以制得液流。用压力为800磅/平方英寸的氩气雾化流体，使上述液流分散成小滴，然后将小滴固化形成雾化粉末。该粉末具有以下组成：约75.5％(重量)Cr、21％(重量)Ni和约3.5％(重量)C(参见图1)。实施例2
将一含32％(重量)碳化铬和68％(重量)镍铬的混合物加热至约1700℃以制得一液流。用压力为800磅/平方英寸的氩气雾化流体将上述液流分散成小滴，然后将小滴固化形成雾化粉末。该粉末的组成如下：约88％(重量)Cr、约8％(重量)Ni和约4％(重量)C(参见图2)。实施例3
将一含60％(重量)铬、38.3％(重量)镍和1.7％(重量)碳的混合物加热至约1700℃以制得一液流。用压力为800磅/平方英寸的氩气雾化流体将上述液流分散成小滴，然后将小滴固化以形成雾化粉末。该粉末的组成如下：60％(重量)Cr、38.3％(重量)Ni和1.7％(重量)C(参见图3)。
实施例4
将一含11.5％(重量)碳化铬、65.5％(重量)Cr、21％(重量)镍和2％(重量)碳的混合物加热至约1700℃以制得一液流。用压力为800磅/平方英寸的氩气雾化流体将上述液流分散成小滴，然后将小滴固化以形成雾化粉末。该粉末的组成如下：约75.5％(重量)Cr、21％(重量)Ni和约3.5％(重量)C(参见图4)。
使用本发明的方法制得的优选雾化粉末如下：
 各种粉末
    1.     Cr     Ni     C     B     Si
                  粉末的重量百分数
    60     35     5     -     -
    2.     60     36     4     -     -
    3.     60     37.5     2.5     -     -
    4.     60     38.3     1.7     -     -
    5.     63     34.4     2.6     -     -
    6.     58     39.7     2.3     -     -
    7.     73     23.8     3.2     -     -
    8.     78     18.45     3.5     0.05     -
    9.     83     13.2     3.8     -     -
    10.     75     19.95     5     0.05     -
    11.     75.5     21     3.5     -     -
    12.     75     23.3     1.7     -     -
    13.     82     12.7     5.3     -     -
    14.     86.5     8     5.5     -     -
    15.     88     7.9     4     0.1     -
    16.     88     10     2     -     -
    17.     88     8     4     -     -
    18.     82     11.5     5.5     -     1
    19.     75     20.5     3.5     1     -
    20.     82     12.5     5     0.5     -
    21.     87     8     4     1     -
虽然本发明参照特定的实施例在上面已做了详述，对本领技术人员而言，在本发明的精神范围内以及所附的权利要求书的范畴内的各种变化及修改将是显而易见的。因此本发明只受限于所附权利要求书或其等价物。

Claims (10)

1.生产分散于镍铬基体中的碳化铬颗粒的雾化粉末的方法，它包括以下步骤：熔化铬、碳和镍以形成一液流，然后用高压冲击选自气体、液体及其混合物的流体使其雾化，以将液流分散成小滴，然后固化小滴以生成分散于镍铬基体中的碳化铬颗粒的雾化粉末。
2.权利要求1的方法，其中使用选自碳化铬化合物、镍铬合金、铬、镍和碳中的至少两种组分来产生液流。
3.权利要求1的方法，其中分散于镍铬基体中的碳化铬颗粒的雾化粉末含有占粉末重量55-92％(重量)的铬、占粉末重量5-40％(重量)的镍以及占粉末重量1-10％(重量)的碳。
4.权利要求1的方法，其中所述碳化铬颗粒含有选自Cr7C3、Cr23C6及其混合物的碳化物。
5.权利要求1的方法，其中雾化粉末金属基体中的镍与铬的比率为0.30-0.70。
6.权利要求1的方法，其中制得的所述雾化粉末选自约88％(重量)铬、约8％(重量)镍和约4％(重量)碳；以及约75.5％(重量)铬、约21％(重量)镍和约3.5％(重量)碳。
7.权利要求1的方法，其中雾化粉末含有少于5％(重量)的至少一种选自硼、硅、锰和磷的元素。
8.权利要求1的方法，其中加上如下步骤：将已雾化的粉末热沉积于一底物上以在该底物上制得一粘合的涂层。
9.分散于镍铬基体中的碳化铬颗粒的雾化粉末，它含有占粉末重量55-92％(重量)的铬、占粉末重量5-40％(重量)的镍以及占粉末重量1-10％(重量)的碳。
10.权利要求9的雾化粉末，其中所述雾化粉末选自约88％(重量)铬、约8％(重量)镍和约4％(重量)碳；以及约75.5％(重量)铬、约21％(重量)镍和约3.5％(重量)碳。
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