CN1675011A - 用于熔融金属装置的涂层 - Google Patents

Abstract

一种用于熔融金属盛放和转移用途的改进型多重涂层，涂层包括直接施加在熔融金属盛放和转移装置表面上的粘合层，以及多孔陶瓷材料层，陶瓷层的制造方法是：共沉积所述陶瓷材料粉末与适用的有机聚合材料粉末，然后加热所述聚合材料使之热解形成多孔层。优选粘合层是由金属，金属间化合物或复合材料颗粒形成的。金属组分可以是金属，金属间化合物，氧化物，包层或合金形式的，由选自Mo，Ni，Al，Cr，Co，Y和W的一种或多种金属组分构成，可能混有氧化钇，氧化铝，氧化锆，硼，碳，粒径是5到250微米，优选是40到125微米。粘合层厚度优选为5到300微米，在要施加多孔陶瓷涂层的表面上形成基本均匀的涂层。

Description

用于熔融金属装置的涂层

发明领域

本发明涉及用来处置熔融金属的装置的涂层，这些装置具体是用来转移、搅拌和盛放熔融金属的。

发明背景

在许多熔融金属操作中，用来操作熔融金属的装置通常具有保护其表面以免受到熔融金属磨蚀和腐蚀作用的涂层。特别是，多年来使用了金属陶瓷涂层来改变与熔融金属槽，流动槽，浇注包，撇渣器和虹吸管接触的难熔材料表面性能。所有这些装置都与流动的熔融金属接触，从而使涂层不仅受到于熔融金属的腐蚀作用，还受到于涂层表面上熔融金属曳力的磨蚀作用。涂层的隔热性质还能防止熔融金属的热量损失。

解决磨蚀问题的一个可能途径就是提供厚的涂层。但不幸的是，因为微裂隙或附着差的原因，厚涂层容易脱层，而且其强度通常小于薄的涂层。

厚涂层的另一个问题来源于基材和涂层之间热膨胀的差别。当厚涂层经受温度变化时，由这些热膨胀差别产生的应力对厚涂层的影响更为显著，会导致剥落。由于脱层问题和热膨胀不匹配，其使金属装置有效热绝缘的能力，耐磨损性和使用寿命会受到不利影响，所以陶瓷厚涂层无法广泛用于金属转移和盛放的装置中。

称涂层为“陶瓷基”时，术语“陶瓷”的含义与其在本领域中公知的含义相同，即“高温处理或烧结的无机非金属材料”(McGraw-Hill科学技术百科全书1994)。陶瓷类材料通常包括氧化物，氮化物，硼化物，硅化物和硫化物。铝酸盐和铍化物等金属间化合物物与磷化物，锑化物和砷化物也被认为是“陶瓷”。

PCT/AU00/00239中提出了一种用于与低压或重力模铸中与熔融金属接触的铸模部件表面的改进铸模涂层。在该参考文献中，涂层是多孔陶瓷材料层，其制造方法是：通过热喷涂方法共沉积陶瓷材料粉末和适用的有机聚合材料粉末，然后加热该聚合材料(在氧化气氛中)使其分解并将其除去。

该方法还提供了在这种金属铸模部件表面上形成铸模涂层的方法，首先通过热喷涂方法，使这些材料的粉末共沉积，在表面上形成有机聚合材料和陶瓷材料的初始涂层，然后加热初始涂层，除去聚合材料，留下陶瓷材料的多孔涂层。在低压和重力模铸中，熔融金属不会连续通过铸模表面，所以耐磨蚀性和耐磨损性不是重要考虑因素。

已知铸模涂层技术中通常包括使用陶瓷颗粒在水基粘合剂最常见的是硅酸钠或硅酸钾中形成的水基分散液。必须正确储存和混合这种类型的涂料混合物。利用加压空气喷枪将涂层施加到准备好的铸模部件表面上。这时，预对铸模部件预热至大约150℃到220℃，从铸模部件表面蒸发掉水分，使粘合剂聚合，将陶瓷颗粒粘合在一起并与铸模表面粘合。

但是在液体金属转移和盛放用途中，涂层上有明显大得多的金属曳力。因此热匹配和层流效应在涂层的使用寿命与耐磨性方面产生更大的影响。

申请人发现，上述PCT专利申请中公开的涂料组合物能令人惊异地从该发明所述的铸模用途推广到液体金属的转移和盛放装置。

发明概述

因此，本发明提供了一种用于熔融金属盛放和转移装置的改进型多重涂层，涂层中包括直接施加在熔融金属盛放和转移装置表面的粘合层，再加上多孔陶瓷材料层，该陶瓷层的制造方法是：共沉积所述陶瓷材料粉末和适用的有机聚合材料粉末，然后加热所述聚合材料至其热解形成多孔层。

申请人发现，在施加多孔陶瓷材料层之前，将粘合层施加在熔融金属转移和盛放装置表面上，能减小多孔陶瓷涂层和金属基材之间的热膨胀不匹配，施加该层能大大提高多孔陶瓷层的物理粘合力。

在使用经过涂敷的熔融金属盛放和转移装置时，基材和陶瓷层之间的热膨胀不匹配会导致出现一开始无法检测到的细小裂隙。这使得金属基材在很大程度上受到氧化和磨蚀的作用。申请人发现，通过提供粘合层，不仅能降低热膨胀不匹配，还能显著减轻因为氧化和磨蚀所造成的基材损坏。

优选粘合层是由金属，金属间化合物或复合物颗粒材料形成的。粘合层是由施加在转移、搅拌或盛放装置金属表面上的颗粒材料形成的。可以通过热喷涂方法施加粘合层，比如真空等离子体喷涂(VPS)，大气压力等离子体喷涂(APS)，燃烧火焰喷涂和超高速氧燃料(HVOF)喷涂等方法。

粘合层中的金属可以是金属，金属间化合物，氧化物，包层或合金形式的，包括一种或多种选自Mo，Ni，Al，Cr，Co，Y和W的金属组分，可以混有氧化钇，氧化铝，氧化锆，硼，碳，其粒径是5到250微米，通常是40到125微米。优选粘合层的厚度是5到300微米，在要施加多孔陶瓷层的表面上形成基本均匀的涂层。

将粘合层施加在转移，搅拌或盛放装置的金属表面之后，将陶瓷和聚合物粉末沉积上去。然后加热陶瓷和聚合物粉末使聚合物粉末热解，在粘合层上留下多孔陶瓷层。

形成多孔层的陶瓷粉末可以选自氧化物，氮化物，碳化物和硼化物中的至少一种金属化合物，优选是氧化铝，氧化钛，氧化硅，稳定或部分稳定的氧化锆，氮化硅，碳化硅和碳化钨。

或者，陶瓷粉末可以是选自粘土矿物，硬质岩石矿，与钛铁矿，金红石和/或锆石等重矿砂中的至少一种矿物化合物。

有机聚合物粉末可以由一种热塑性材料形成，比如聚苯乙烯，苯乙烯-丙烯腈，聚甲基丙烯酸酯类，聚酯类，聚酰胺类，聚酰胺-酰亚胺类和PTFE。

优选陶瓷和聚合物粉末具有较窄的粒径分布，优选是20到400微米。

用于形成多孔陶瓷层的陶瓷和聚合物颗粒粒径不超过约300微米，而且不小于约5微米。

多孔层的厚度是大约50到600微米，根据其用途，孔隙率可高达70％。

更优选多孔涂层的厚度是大约100到400微米。该涂层的隔热性能随涂层厚度，陶瓷热导率和涂层孔隙率而异。

本发明提供了一种在接触熔融金属的装置表面形成涂层的方法，包括以下步骤：先将初始涂层施加在装置表面，共沉积有机聚合材料粉末和陶瓷材料粉末，在该表面上形成陶瓷隔热层，优选加热此涂层至热解，除去聚合材料，留下多孔陶瓷材料层。该温度高于聚合物的热解温度，高达550℃。如果要涂布的装置是金属，比如是软钢或铸铁时，应当避免温度超过600℃，因为如此高的温度会对金属部件的回火，微观结构和性质产生影响。事实上，超过900℃时，钢模会发生奥氏体相转变，会改变硬度，并导致金属部件发生变形。

为了获得非常平滑的表面光洁度，可以再施加一层不含聚合物的精细陶瓷材料最外层。当涂层具有很多孔隙时，这种最外层是特别有用的。

本发明另一方面提供了一种用于与熔融金属接触的金属装置的改进涂层。改进涂层中包括粘合层和多孔陶瓷材料层，陶瓷层的制造方法是：共沉积所述陶瓷材料粉末和适用的有机聚合材料粉末，然后优选加热所述聚合材料至超过550℃的温度，将其除去。

发明详述

参考以下一些非限制性实施例说明本发明。

为了缩小金属装置和涂层之间的热膨胀不匹配，将下述粘合层施加在涂层和转移与盛放装置的金属表面之间。粘合层还起到提高涂层粘合力的作用。

特别适合的粘合层粉末是Metco 480-NS级完全合金化的球形粉末，它是气喷法制成的镍95％铝5％粉末，粒径不超过90微米而且不小于45微米。还可以使用其他商用粘合涂层以及金属与陶瓷粘合涂层的混合物。

特别是，申请人发现这些涂料组合物适用于转移槽，流动槽，浇注包，撇渣器和虹吸管。

实施例1

使用Miller Thermal SG 100 Plasma Spray Torch热喷涂装置将粘合层施加在准备好的金属表面上。粘合涂层的粉末是Metco 480-NS级完全合金化的球形粉末，它是气喷法制成的镍95％铝5％粉末，其粒径范围是不超过90微米而且不小于45微米。所用过程设定值如下所示：

电压：        33

电流：        650

等离子体气体：50磅/平方英寸的氩和50磅/平方英寸的氦

粉末供料速度：35磅/平方英寸下为1.5转/分

喷涂距离：    100毫米

混合陶瓷粉末和聚合物粉末，进行热喷涂，在用于将熔融金属转移至定义了低压金属模铸部件表面阴模的浇注包上形成共沉积涂层。该陶瓷粉末是Metco 210(NS/NS-1/NS-1-G)级24％氧化镁稳定的氧化锆，其粒径范围不超过90微米而且不小于11微米，熔点是2140℃，密度是4.2克/立方厘米。聚合物粉末由Sulzermetco提供，被研磨至-150+45微米(-100+325)。MgO(24％)ZrO₂/聚苯乙烯粉末混合物中含有15体积％(3重量％)的聚合物。

用Miller Thermal SG 100 Plasma Spray Torch和Miller Thermal粉末供料器共沉积粉末混合物，设定值如下所示：

电压：        34

电流：        750

等离子体气体：50磅/平方英寸的氩和50磅/平方英寸的氦

粉末供料速度：35磅/平方英寸下为2.88转/分

喷涂距离：    100毫米

共沉积了混合粉末之后，在大气压力条件下将沉积的涂层加热至450℃保持1小时，使聚合物分解。聚合物在空气中320到350℃能完全分解。分解除去聚合物之后形成的多孔稳定氧化锆涂层是一种非常好的涂层，具有很好的耐磨损性和足够的隔热性，能够承受熔融金属的磨蚀，还表现出低传热系数，在转移熔融金属以前能够延缓处理熔融金属时发生的固化作用。

Claims (24)

1.一种用于熔融金属盛放，搅拌和转移装置的多重涂层，该涂层包括直接施加在熔融金属盛放和转移装置表面的粘合层和多孔陶瓷材料层，所述陶瓷层的制造方法是：共沉积所述陶瓷材料粉末和适用的有机聚合材料粉末，在共沉积之后加热所述聚合物材料，将其除去。

2.如权利要求1所述的多重涂层，其特征在于形成粘合层的颗粒材料中具有至少一种金属，金属间化合物，氧化物，包层或合金形式的金属组分。

3.如权利要求2所述的涂层，其特征在于粘合层中的至少一种金属组分选自钼，镍，铝，铬，钴，钇和钨。

4.如权利要求3所述的涂层，其特征在于该至少一种金属组分与氧化钇，氧化铝，氧化锆，硼或碳中的至少一种物质混合。

5.如权利要求2所述的涂层，其特征在于颗粒材料的粒径是5到250微米。

6.如权利要求2所述的涂层，其特征在于颗粒材料的粒径是40到125微米。

7.如权利要求1所述的涂层，其特征在于粘合层的厚度是5到300微米。

8.如权利要求1所述的涂层，其特征在于构成多孔层的陶瓷粉末是选自氧化物，氮化物，碳化物和硼化物的至少一种金属化合物。

9.如权利要求1所述的涂层，其特征在于构成多孔层的陶瓷粉末是选自氧化铝，氧化钛，氧化硅，稳定化的氧化锆，氮化硅，碳化硅和碳化钨的至少一种金属化合物。

10.如权利要求1所述的涂层，其特征在于构成多孔层的陶瓷粉末是选自钛铁矿，金红石或氧化锆的至少一种矿物化合物。

11.如权利要求1所述的涂层，其特征在于有机聚合物是选自聚苯乙烯，苯乙烯-丙烯腈，聚甲基丙烯酸酯类，聚酯类，聚酰胺类，聚酰胺-酰亚胺类和PTFE的至少一种热塑性材料。

12.如权利要求9所述的涂层，其特征在于陶瓷颗粒的粒径是20到400微米。

13.如权利要求9所述的涂层，其特征在于陶瓷颗粒的粒径是5到300微米。

14.如权利要求11所述的涂层，其特征在于聚合物颗粒粒径是20-400微米。

15.如权利要求11所述的涂层，其特征在于聚合物颗粒粒径是45-300微米。

16.如权利要求1所述的涂层，其特征在于多孔涂层厚度是50到600微米。

17.一种在金属转移和盛放装置表面上形成涂层的方法，包括以下步骤：

将粘合层施加在装置的金属表面上；

在粘合层上共沉积陶瓷和有机聚合物的颗粒材料层；

加热陶瓷和有机聚合材料层，使陶瓷材料粘合并除去聚合材料，留下多孔陶瓷材料层。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于加热使陶瓷颗粒粘合并除去聚合材料的步骤是在温度超过聚合材料热解温度的条件下进行的，高达550℃。

19.如权利要求17所述的方法，其特征在于粘合层由颗粒材料形成，所述颗粒材料具有至少一种金属，金属间化合物，氧化物，包层或合金形式的金属组分。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于粘合层中的至少一种金属组分选自钼，镍，铝，铬，钴，钇和钨。

21.一种金属盛放和转移的装置，包括：

由金属基材形成的装置，用来接触熔融金属，

该基材具有包括施加在装置表面上的初始粘合层的多重涂层，

多孔隔热陶瓷层，其形成方法是：共沉积陶瓷颗粒和聚合物的粉末，并加热共沉积层，使陶瓷颗粒粘合并除去聚合物。

22.如权利要求21所述的装置，其特征在于粘合层的厚度是5到300微米，多孔陶瓷隔热层的厚度是50到600微米。

23.如权利要求21所述的熔融金属盛放和转移装置，其特征在于粘合层由施加在金属基材上的颗粒材料形成，颗粒材料中含有至少一种金属，金属间化合物，氧化物，包层或合金形式的金属组分。

24.如权利要求23所述的金属盛放和转移装置，其特征在于粘合层中的至少一种金属组分选自钼，镍，铝，铬，钴，钇和钨。