CN1760409A - 热喷涂粉末、热喷涂方法及热喷涂涂层的形成方法 - Google Patents

热喷涂粉末、热喷涂方法及热喷涂涂层的形成方法 Download PDF

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Abstract

一种热喷涂粉末，其含有包含炭黑的铬铁基合金粉末。合金粉末中炭黑的质量与合金粉末中铬和铁的总质量之比为2％或更多。该合金粉末的10％颗粒尺寸D10优选为10μm或更大，并且进一步优选为15μm或更大。该合金粉末的50％颗粒尺寸D50优选为20μm或更大。该热喷涂粉末适用于通过高速火焰喷涂形成热喷涂涂层。

Description

热喷涂粉末、热喷涂方法及热喷涂涂层的形成方法
                              技术领域
本发明涉及一种用于通过高速火焰喷涂形成热喷涂涂层的热喷涂粉末。本发明还涉及一种热喷涂方法，以及使用该热喷涂粉末形成热喷涂涂层的方法。
                              背景技术
一种在各类工业用机器和普通机器的金属部件表面形成热喷涂涂层的技术，需要能够赋予表面诸如耐腐蚀性、耐磨性以及耐热性等特性。例如，日本专利第2969050号和日本专利第3155124号分别公开了一种技术，该技术在钠硫电池阴极室内表面上涂布了由铬铁基合金制成的热喷涂涂层，从而由多硫化钠使之赋予耐腐蚀性。特别地，日本专利第3155124号公开了一种通过等离子喷涂铬铁基合金粉末形成热喷涂涂层的技术。
日本专利第2969050号和第3155124号中的由铬铁基合金制成的热喷涂涂层的硬度和耐磨性较低，因此不适用于需要耐磨性的场合。具有高耐磨性的热喷涂涂层包括由含有碳化钨和钴的金属陶瓷粉末形成的热喷涂涂层，和由含有碳化钨、钴和铬的金属陶瓷粉末形成的热喷涂涂层。然而，与由铬铁基合金粉末形成的热喷涂涂层相比，由这些金属陶瓷粉末形成的热喷涂涂层十分昂贵。因此，在现有的由金属陶瓷粉末形成的热喷涂涂层价格昂贵的情况下，工业上就需要由铬铁基合金粉末形成的热喷涂涂层的耐磨性有所改善。
                              发明内容
因此，本发明目的在于提供一种热喷涂粉末，其能够形成具有较为令人满意耐磨性的由铬铁基合金粉末形成的热喷涂涂层。本发明的另一个目的在于提供一种热喷涂方法，以及使用该热喷涂粉末形成热喷涂涂层的方法。
为达到上述及其他目的，提供了一种热喷涂粉末。该热喷涂粉末包含的铬铁基合金粉末含有炭黑。合金粉末中炭黑的质量与合金粉末中铬和铁的总质量之比为2％或更多。
本发明还提供了一种包含对上述热喷涂粉末进行高速火焰喷涂的方法。
本发明还提供了一种形成热喷涂涂层的方法。该方法包含对上述热喷涂粉末进行高速火焰喷涂形成热喷涂涂层的方法。
本发明的其他方面和优点将在以下通过实施例的方式说明本发明的原理而成为显而易见的。
                              具体实施方式
现在将对本发明的一个实施方式进行描述。
根据本实施方式的热喷涂粉末由含有炭黑的铬铁基合金粉末形成。
如果合金粉末中炭黑的质量与合金粉末中铬和铁的总质量之比小于2％，由该热喷涂粉末形成的热喷涂涂层的硬度较小，并且耐磨性不能令人满意。因此，从获得具有较好耐磨性的热喷涂涂层考虑，炭黑的比例必须为2％或更大。然而，尽管炭黑的比例为2％或更大，但当炭黑的比例小于3％时，热喷涂涂层的耐磨性可能并不充分。因此，炭黑的比例优选为3％或更大。同时，如果炭黑的比例大于10％，会有可能由于热喷涂涂层的脆化导致热喷涂涂层的耐磨性下降的危险。因此，从防止脆化导致的热喷涂涂层的耐磨性下降考虑，炭黑的比例优选为10％或更小。在本实施方式的热喷涂粉末中，合金粉末中炭黑的质量与合金粉末中铬和铁的总质量的比，同热喷涂粉末中炭黑的质量与热喷涂粉末中铬和铁的总质量的比相等。
当合金粉末中铬的含量小于60mass％时，热喷涂粉末形成的热喷涂涂层可能不会具有较高的硬度。当热喷涂涂层的硬度不高时，热喷涂涂层的耐磨性不充分。因此，铬的含量优选为60mass％或更多。同时，当铬的含量大于95mass％时，或特别地进一步大于85mass％时，甚至特别地更进一步大于80mass％时，会有附着率(热喷涂率)下降的问题。因此，从防止附着率下降考虑，铬的含量优选为95mass％或更小，并且进一步优选为85mass％或更小，并且更进一步优选为80mass％或更小。在本实施方式的热喷涂粉末中，合金粉末中的铬含量与热喷涂粉末中的铬含量相等。
当合金粉末的10％颗粒尺寸D10小于10μm时，或特别地进一步小于15μm时，在热喷涂的过程中可能会出现一种称为喷溅的现象。因此，从防止出现喷溅考虑，10％颗粒尺寸D10优选为10μm或更大，并且进一步优选为15μm或更大。同时，当10％颗粒尺寸D10大于25μm时，附着率可能下降。因此，从防止附着率下降考虑，10％颗粒尺寸D10优选为25μm或更小。热喷涂粉末的10％颗粒尺寸D10，是当合金粉末中的颗粒体积从最小尺寸颗粒以升序累积，直到累积的体积达到合金粉末中所有颗粒体积总和的10％时，最终合计的颗粒尺寸。合金粉末的10％颗粒尺寸D10的测量是使用了例如激光衍射粒度仪。在本实施方式的热喷涂粉末中，合金粉末的10％颗粒尺寸D10与热喷涂粉末的10％颗粒尺寸D10相等。
喷溅指的是过量熔化的热喷涂粉末粘附并堆积在热喷涂器的喷嘴内壁的现象，这会由于那些沉积物在热喷涂过程中脱落而造成热喷涂涂层的污染。当发生喷溅时，热喷涂涂层的结构会变得不均匀，而造成热喷涂涂层的质量显著下降。
当合金粉末的50％颗粒尺寸D50小于20μm时，可能会有发生喷溅的危险。因此，从防止出现喷溅考虑，50％颗粒尺寸D50优选为20μm或更大。同时，当50％颗粒尺寸D50大于50μm时，会有附着率可能下降的危险。因此，从防止附着率下降考虑，50％颗粒尺寸D50优选为50μm或更小。热喷涂粉末的50％颗粒尺寸D50，是当合金粉末中的颗粒体积从最小尺寸颗粒以升序累积直到累积的体积达到合金粉末中所有颗粒体积总和的50％时，最终合计的颗粒尺寸。合金粉末的50％颗粒尺寸D50的测量是使用了例如激光衍射粒度仪。在本实施方式的热喷涂粉末中，合金粉末的50％颗粒尺寸D50与热喷涂粉末的50％颗粒尺寸D50相等。
热喷涂粉末是用于通过例如高速火焰喷涂形成热喷涂涂层。通过高速火焰喷射热喷涂粉末形成的热喷涂涂层具有令人满意的耐磨性。能够以合适的方式喷射热喷涂粉末的高速火焰喷涂器包括高输出型高速火焰喷涂器例如由Parxair/TAFA制造的“JP-5000”和由Sulzer Metco制造的“Diamond jet(混合型)”。
本优选实施方式具有以下优点。
通过高速火焰喷射本实施方式的热喷涂粉末形成的热喷涂涂层具有令人满意的耐磨性。因此，该热喷涂粉末非常适用于作为含有碳化钨和钴的金属陶瓷粉末或含有碳化钨、钴和铬的金属陶瓷粉末的替代品，以形成所需要耐磨性的热喷涂涂层。
根据高速火焰喷涂，由于与其他喷涂方法例如火焰喷涂和等离子喷涂相比，从热喷涂器喷射的热喷涂粉末颗粒的速度较高，热喷涂粉末以高速与基板表面发生碰撞。这使热喷涂涂层与基板的附着力较高，并且热喷涂涂层较厚。此外，根据高速火焰喷涂，与其他喷涂方法相比，喷涂过程中热喷涂粉末不易发生过热现象，这抑制了热喷涂粉末的热变化。在使用高速火焰喷涂时热喷涂粉末的热变化被抑制的原因包括：由于高速火焰喷涂的热源火焰是在高压下，进入火焰的空气量较小；以及由于从热喷涂器中喷射高速热喷涂粉末颗粒，热喷涂粉末在火焰中的停留时间段较短。当热喷涂涂层与基板的附着力较高，并且热喷涂涂层较厚，或热喷涂涂层不含发生热变化的热喷涂粉末时，热喷涂涂层的耐磨性得到改善。
本优选的实施方式可以根据以下方法修改。
铬铁基合金粉末可以包含除了炭黑、铬和铁以外其他组分。而炭黑、铬和铁在合金粉末中的总量优选为90mass％或更多，并且进一步优选为95mass％或更多，并且更进一步优选为98mass％或更多。当合金粉末中二氧化硅的质量与合金粉末中铬和铁的总质量的比大于1％时，可能无法获得高质量的热喷涂涂层。因此，当合金粉末进一步含有二氧化硅时，二氧化硅的比例优选为1％或更小。
热喷涂粉末可以包含除了铬铁基合金粉末以外的其他粉末。而热喷涂粉末中铬铁基合金粉末的含量优选为90mass％或更多，并且进一步优选为95mass％或更多，并且更进一步优选为98mass％或更多。
热喷涂粉末可以通过除了高速火焰喷涂以外的其他热喷涂以形成热喷涂涂层。
接下来，将对本发明的实施例与对照例进行描述。
制备根据实施例1～4和对照例1～3的由铬铁基合金粉末形成的热喷涂粉末。各个热喷涂粉末的详情如表1所示。
在表1中标题为“炭黑比例”一栏中的数值指的是热喷涂粉末中炭黑的质量与热喷涂粉末中铬和铁的总质量的比。在表1中标题为“D3”、“D10”、“D50”和“D90”四栏中的数值分别指的是热喷涂粉末的3％颗粒尺寸D3、10％颗粒尺寸D10、50％颗粒尺寸D50和90％颗粒尺寸D90，它们均由HORIBA有限公司制造的激光衍射粒度仪“LA-300”测定。热喷涂粉末的3％颗粒尺寸D3，是热喷涂粉末中的颗粒体积从最小尺寸颗粒以升序累积，直到累积的体积达到热喷涂粉末中所有颗粒体积总和的3％时，最终合计的颗粒尺寸。热喷涂粉末的90％颗粒尺寸D90，是热喷涂粉末中的颗粒体积从最小尺寸颗粒以升序累积，直到累积的体积达到热喷涂粉末中所有颗粒体积总和的90％时，最终合计的颗粒尺寸。
在实施例1～4和对照例1和2中，根据如表2所示的第一种喷涂条件，在基板上通过高速火焰喷涂热喷涂粉末形成具有厚度为200μm的热喷涂涂层。在对照例3中，根据如表2所示的第二种喷涂条件，在基板上通过高速火焰喷涂热喷涂粉末形成具有厚度为200μm的热喷涂涂层。
基于热喷涂过程中出现的喷溅现象，将实施例1～4和对照例1～3的热喷涂粉末按照两个级别进行评估：好(1)和差(2)。即，当开始热喷涂后五分钟时，如果熔化的热喷涂粉末粘附在热喷涂器的喷嘴处，将热喷涂粉末定为差；而如果熔化的热喷涂粉末未粘附在热喷涂器的喷嘴处，将热喷涂粉末定为好。评估结果显示在表1中标题为“喷溅”的一栏中。
形成热喷涂涂层的基板分别沿着垂直于基板表面的横截面进行切割。然后，通过打磨、清洗以及干燥对横截面进行镜面抛光。随后，根据如表3所示的测量条件，使用Shimadzu公司制造的Vickers硬度测试仪“HMV-1”测量横截面的热喷涂涂层的维克尔斯(Vickers)硬度。基于测量结果，将实施例1～4和对照例1～3的热喷涂涂层的硬度按照三个级别进行评估：优秀(1)、好(2)和差(3)。即，当维克尔斯(Vickers)硬度(Hv 0.2)为800或更高时，将热喷涂粉末定为优秀；当维克尔斯(Vickers)硬度(Hv 0.2)为700或更高并且小于800时，将热喷涂粉末定为好；并且当维克尔斯(Vickers)硬度(Hv 0.2)为小于700时，将热喷涂粉末定为差。维克尔斯(Vickers)硬度的测量值以及评估结果显示在表1中标题为“硬度”的一栏中。
参照JIS H 8682-1中对基板上形成的热喷涂涂层进行干磨损测试。更具体地，使用往复式磨损测试仪(Suga测试仪器有限公司制造)在负载为大约31N(3.15kgf)下用砂纸(SIC#180)摩擦热喷涂涂层的表面400次。根据通过磨损测试获得的热喷涂涂层的磨损量，将实施例1～4和对照例1～3的热喷涂粉末形成的热喷涂涂层的耐磨性按照三个级别进行评估：优秀(1)、好(2)和差(3)。即，当热喷涂涂层的磨损量与进行相同磨损测试的真实样品(SS400钢板)的磨损量的比值小于20％时，将热喷涂粉末定为优秀；当比值为20％或更大并且小于30％时，将热喷涂粉末定为好；并且当比值为30％或更大时，将热喷涂粉末定为差。热喷涂涂层的磨损量与真实样品的磨损量的比值，以及基于该比值的评估结果显示在表1中标题为“耐磨性”的一栏中。
表1
         热喷涂粉末组合物(mass％) 炭黑比例              颗粒尺寸分布 喷溅      硬度        耐磨性
Cr Fe C  D3(μm) D10(μm) D50(μm) D90(μm) 测量值  评估   测量值  评估
  实施例1   66.5％   28.3％   5.2％   5.5％   13.8   17.3   31.5   53.9   1   856   1   18％   1
  实施例2   67.2％   29.6％   3.2％   3.3％   14.3   19.5   28.9   55.2   1   765   2   24％   2
  实施例3   64.6％   25.6％   9.8％   11％   13.5   15.5   33.5   52.5   1   875   1   27％   2
  实施例4   66.5％   28.3％   5.2％   5.5％   17.8   24.7   44.5   66.7   1   737   2   28％   2
  对照例1   68.8％   30.9％   0.3％   0.3％   14.6   18.2   35.5   56.5   1   633   3   35％   3
  对照例2   66.5％   28.3％   5.2％   5.5％   7.8   9.3   19.7   38.9   2   711   2   28％   2
  对照例3   66.5％   28.3％   5.2％   5.5％   13.8   17.3   31.5   53.9   2   665   3   48％   3
表2
  第一种热喷涂条件   第二种热喷涂条件
  基板：SS400钢板(7cm×5cm×2.3mm，去油污，并且使用氧化铝磨石#40磨毛表面)喷涂器：“JP-5000”，由Parxair/TAFA制造氧气流速：1450scfh煤油流速：6.0gph喷涂距离：380mm喷管长度：101.6mm   基板：SS400钢板(7cm×5cm×2.3mm，去油污，并且使用氧化铝磨石#40磨毛)喷涂器：“SG-100”，由Parxair/TAFA制造电流：800A氩气压：50psi氦气压：100psi喷涂距离：120mm
表3
  压头：由钻石制成的棱椎体相对面之间的夹角：136度压头负载：2.0N(＝大约0.2kgf)施加负载后保持时间：15秒
如表1所示，在实施例1～4中，喷溅、硬度和耐磨性的各评估结果都是优秀或好。结果表明实施例1～4的热喷涂粉末能够在不产生喷溅的同时形成具有高硬度和耐磨性的高质量热喷涂涂层。与对照例3的通过等离子喷涂形成的热喷涂涂层相比，实施例1中的通过高速火焰喷涂形成的热喷涂涂层，其喷溅、硬度和耐磨性的各评估结果是令人满意的。结果表明本发明的热喷涂粉末适用于通过高速火焰喷涂形成热喷涂涂层。

Claims (9)

1.一种热喷涂粉末，其特征在于一种含有炭黑的铬铁基合金粉末，其中合金粉末中炭黑的质量与合金粉末中铬和铁的总质量之比为2％或更多。
2.如权利要求1所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述合金粉末中炭黑的质量与合金粉末中铬和铁的总质量之比为3％或更多。
3.如权利要求1所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述合金粉末中10％颗粒尺寸D10为10μm或更大。
4.如权利要求3所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述合金粉末中10％颗粒尺寸D10为15μm或更大。
5.如权利要求1所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述合金粉末中50％颗粒尺寸D50为20μm或更大。
6.如权利要求1所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述合金粉末中铬的含量为60mass％或更多。
7.如权利要求1～6中任一项所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述热喷涂粉末适用于通过高速火焰喷涂形成热喷涂涂层。
8.一种方法，其特征在于，使用如权利要求1～6中任一项所述的热喷涂粉末进行高速火焰喷涂。
9.一种形成热喷涂涂层的方法，起特征在于，通过使用如权利要求1～6中任一项所述的热喷涂粉末进行高速火焰喷涂来形成热喷涂涂层。
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