TWI548753B - 組成物及應用其製成之塗層結構 - Google Patents

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Description

組成物及應用其製成之塗層結構
本揭露內容是有關於一種組成物及應用其製成之塗層結構。
隨著煉鋼技術的提升與進步以及各行業對鋼鐵材料之需求的提高，從早期鋼鐵廠生產之用於家電及汽車鋼板的普通電磁鋼片，至今新的高張力鋼板亦逐漸發展。所謂的高張力鋼板，也就是含有錳(Mn)的鋼材，可用以增加抗拉強度。然而，含有錳的鋼材對氧、鋁等金屬親和性較高，很容易發生氧化沾黏等問題，在其生產過程中，在高溫熱處理爐裡與鋼板接觸的圓形輥輪上也容易產生結瘤(buildup)的狀況，而容易在高溫軟化的鋼板留下印痕，造成鋼板品質不良。
因此，如何改善接觸鋼板的塗層材料已成為目前的一個重要研究課題，特別是發展新一代針對高錳鋼材之抗磨耗塗層材料，已成為業界努力的目標之一。
本揭露內容係有關於一種組成物及應用其製成之塗層結構。
根據本揭露內容之一實施例，係提出一種組成物。組成物包括3%至小於15%重量百分比的鋁、10%至小於30%重量百分比的鉻、大於0%至15%重量百分比的氧，大於0%至15%重量百分比的釔，以及其餘部分為鈷或鎳之至少其中之一。
根據本揭露內容之另一實施例，係提出一種塗層結構。塗層結構包括3%至小於15%重量百分比的鋁、10%至小於30%重量百分比的鉻、大於0%至15%重量百分比的氧，大於0%至15%重量百分比的釔，以及其餘部分為鈷或鎳之至少其中之一，其中塗層結構具有一厚度，此厚度係為50~200微米。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
100‧‧‧金屬基材
200‧‧‧塗層結構
300‧‧‧錳粉末
400‧‧‧鋼材
第1A圖繪示一比較例之塗層結構之電子顯微鏡圖。
第1B圖繪示依照本揭露內容之一實施例之塗層結構之電子顯微鏡圖。
第2圖繪示依照本揭露內容之一實施例之塗層結構之測試方法示意圖。
第3A圖~第3E圖繪示依照本揭露內容的實施例與比較例之塗層結構進行過如第2圖所示的測試方法後之電子顯微鏡圖。
本揭露內容之實施例中，組成物應用於製作塗層結 構，可以使得此塗層結構於高溫環境下具有較佳的抗沾黏以及耐磨耗能力。以下係參照所附圖式詳細敘述本揭露內容之實施例。實施例所提出的細部結構及組成為舉例說明之用，並非對本揭露內容欲保護之範圍做限縮。具有通常知識者當可依據實際實施態樣的需要對該些結構及組成加以修飾或變化。
根據本揭露內容之實施例，以下係提出一種組成物。根據本揭露內容之實施例，組成物例如是粉體組成物。
一實施例中，組成物包括3%至小於15%重量百分比的鋁、10%至小於30%重量百分比的鉻、大於0%至15%重量百分比的氧，大於0%至15%重量百分比的釔、0%至3%重量百分比的氮、0%至3%重量百分比的碳、鉬或硼，以及其餘部分為鈷或鎳之至少其中之一。也就是說，本揭露內容之一實施例之組成物中，除上述重量百分比的鋁、鉻、氧化釔和氮化硼之外，組成物的其餘部分為鈷、或鎳、或鈷和鎳之組合。
根據本揭露內容之實施例，組成物應用於製作塗層結構，可以使得此塗層結構於高溫環境下具有較佳的抗沾黏以及耐磨耗能力，特別是在連續高溫退火爐作業時，針對含有錳的鋼材(例如是含有1%重量百分比以上的錳的鋼材)表面具有良好的抗沾黏以及耐磨耗能力，並且可以作為具有良好特性的金屬基材之保護層。
詳細來說，氮化硼具有六方(hexagonal)晶體結構、低剪應力、易成為附著佳之固體潤滑薄膜、低磨耗與耐高溫化學穩定度之優點。由於氮化硼具有耐高溫以及附著性佳的特性，相較於碳化物(carbide)和硫化鉬(MoS2)，此兩者雖然具有良好的潤 滑效果，但無法耐高溫；因此，根據本揭露內容之實施例，組成物包括氮化硼，因而可以使得此組成物製作的塗層結構與其塗覆的材料之間具有較佳的附著性，同時尚能夠於高溫環境下作業，且具有較高的穩定性。一實施例中，此組成物製作的塗層結構例如是塗覆在金屬輥輪上，高溫環境例如是900~1050℃的作業溫度。
更進一步來說，相較於傳統以鍍鉻方式製作保護塗層結構，根據本揭露內容之實施例的組成物所製成的塗層結構更環保，且不產生對環境有害之化學廢料。
一實施例中，組成物更可包含大於0%至3%重量百分比的碳。
一實施例中，組成物更可包含大於0%至3%重量百分比的鉬。
一實施例中，釔佔組成物的重量百分比例如是1%至15%，氧佔組成物的重量百分比例如是1~15%。
一實施例中，氧和釔的混合物佔組成物的重量百分比例如是10~30%。
一實施例中，氮佔組成物的重量百分比例如是0.1~3%。
一實施例中，硼佔組成物的重量百分比例如是0.1~3%。
一實施例中，組成物中，除上述重量百分比的鋁、鉻、氧、氮、釔、碳、鉬和硼之外，組成物的其餘部分例如含鈷。另一實施例中，組成物中，除上述重量百分比的鋁、鉻、氧、氮、 釔、碳、鉬和硼之外，組成物的其餘部分例如是鎳。又一實施例中，組成物中，除上述重量百分比的鋁、鉻、氧化釔和氮化硼之外，組成物的其餘部分例如含鈷和鎳之組合。
根據本揭露內容之實施例，以下係提出一種塗層結構。於一些實施例中，塗層結構例如是應用前述之組成物而製成。
實施例中，塗層結構包括3%至小於15%重量百分比的鋁、10%至小於30%重量百分比的鉻、大於0%至15%重量百分比的氧，大於0%至15%重量百分比的釔、0%至3%重量百分比的氮、0%至3%重量百分比的碳、鉬或硼、以及其餘部分為鈷或鎳之至少其中之一。塗層結構具有一厚度，此厚度例如是50~200微米。換言之，實施例之塗層結構中，除上述重量百分比的鋁、鉻、氧、氮、釔、碳、鉬和硼之外，塗層結構的其餘部分為鈷、或鎳、或鈷和鎳之組合。
根據本揭露內容之實施例，由於塗層結構具有良好的材料特性，因此將上述塗層結構塗覆於工件表面後，可以保護工件表面，並延長工件使用壽命。一實施例中，工件例如是在鋼板製作過程中於高溫退火流程中使用的金屬輥輪，金屬輥輪的材質例如可包括鐵、鋼、或不銹鋼。
一實施例中，塗層結構例如是採用上述的組成物並以高速火焰熔射方法製作，由於氮、碳、鉬、硼的顆粒具有較佳的散熱效果，於進行高溫噴塗時，粉體組成物中的氮化硼周圍附近的其他顆粒可以吸收來自散熱顆粒之熱源，而使得粉體組成物中的顆粒更能夠保持在高熱的潤濕狀態，進而促進塗層結構的顆粒扁平化程度、鄰近顆粒之間的附著力、以及顆粒和被塗覆的工 件表面之間的附著力。
更進一步來說，採用前述組成物製作塗層結構，可以無須改變既有的塗佈製程(例如是噴塗方式)，而可以製作出具有耐高溫、抗磨耗且抗沾黏特性的塗層結構。
第1A圖繪示一比較例之塗層結構之電子顯微鏡圖，如第1A圖所示的塗層結構以鎳為主要成分並包括0~30%重量百分比的釔和氧的混合物。第1B圖繪示依照本揭露內容之一實施例之塗層結構之電子顯微鏡圖，如第1B圖所示的塗層結構以鎳為主要成分並包括大於0%至3%重量百分比的氮、大於0%至3%重量百分比的碳、大於0%至3%重量百分比的鉬或大於0%至3%重量百分比的硼以及0%~30%重量百分比的氧和釔混合物。如第1A圖所示的比較例的塗層結構中，其顆粒較圓而不扁平；相對地，如第1B圖所示的實施例之塗層結構中，由於散熱顆粒的影響，整體的顆粒均具有較為扁平的形狀，因而使得顆粒之間具有較高的鍵結強度且排列較為緻密，而具有較佳的黏合性及較高的穩定性。
一實施例中，氧和釔混合物佔塗層結構的重量百分比例如是10~30%。
一實施例中，氮、碳、鉬和硼佔塗層結構的重量百分比例如是0.1~5%。
一實施例中，塗層結構更可包括0.4%至1%重量百分比的釔。
一實施例中，塗層結構中，除上述重量百分比的鋁、鉻、氧、氮、碳、鉬和硼之外，塗層結構的其餘部分例如是鈷。 另一實施例中，塗層結構中，除上述重量百分比的鋁、鉻、氧、釔、氮、碳、鉬和硼之外，塗層結構的其餘部分例如是鎳。又一實施例中，塗層結構中，除上述重量百分比的鋁、鉻、氧、釔、氮、碳、鉬和硼之外，塗層結構的其餘部分例如是鈷和鎳之組合。
根據本揭露內容之實施例，以下係提出一種塗層結構的製造方法。於一些實施例中，塗層結構的製造方法包括以下步驟。
首先，提供一組成物。組成物的性質如前所述，在此不再贅述。上述組成物例如是粉體的形式。
實施例中，粉體的製作方式例如可以是將所有組成成分混合；或者，也可以先將鋁、鉻、氧、釔、鎳和/或鈷混合後，再加入氮、碳、鉬和硼混合。
接著，採用粉體的組成物製作塗層結構。將粉體的組成物塗佈在金屬基板上，而製作成一塗層結構。實施例中，塗佈組成物的方式例如可以是粉體塗裝、電弧熔射、火焰熔射、電漿熔射、高速火焰熔射、物理氣相沉積(Physical vapor deposition，PVD)、或化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)。
實施例中，採用熔射法噴覆粉體組成物的材料可以填補磨耗掉之尺寸，修補工件(例如是金屬基板或輥輪)，而可以藉由熔射技術讓工件再生使用。並且，採用熔射法噴覆粉體組成物可以創造大於10000psi的塗層結構與其下之金屬基板的鍵結力，而無須使用額外的熱處理，來增加塗層結構與金屬基板之間的鍵結力。此外，利用熱熔射法可以同時將粉體組成物中的金屬成分以及陶瓷成分同時噴覆在金屬基板上而形成塗層結構。
一實施例中，例如是採用粉體的組成物並以高速火焰熔射法製作塗層結構。舉例而言，以特定燃氣流量(20~100l/min)、氧氣流量(300~500l/min)及粉末載氣流量(10~50l/min)等條件下，將粉體的組成物噴塗在金屬基板上，而製作成一塗層結構。
以下係就實施例作進一步說明。以下係列出數個實施例之組成物的組成以及製作成塗層結構後之特性測試結果，以說明應用本揭露內容所製得之組成物的特性。然而以下之實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本揭露內容實施之限制。各實施例之組成物的組成以及製作成塗層結構後之特性測試結果如表1~2，其中各元素的比例係以佔整體組成物的重量百分比表示。
第2圖繪示依照本揭露內容之一實施例之塗層結構之測試方法示意圖。將粉末狀態的組成物以高溫熔射方法製成塗層結構200於金屬基材100上，接著在塗層結構200上覆蓋純度為99.99%的錳粉末300，最後以鋼材400(例如是304不鏽鋼板)壓覆於錳粉末300上。之後，將整個結構設置於加熱爐中以900℃加熱3個小時，加熱完畢後取出並檢視塗層結構200的表面沾黏程度，並且使用影像分析軟體加以分析，實施例與比較例之塗層結構的組成與測試結果請參照表1~2。
表1~2中，陶瓷百分比表示氧化釔和氮化硼合計之重量百分比；抗錳特性分為「可」、「尚可」及「不佳」三個等級，「可」代表為可以使用，「尚可」代表為可使用，但較「可」的表面差一點，「不佳」代表為表面沾黏較多，使用上較不佳；表 面氧化物沾黏程度分為「多」和「少」兩個等級，其中「少」表示沾黏的氧化物佔全部面積的40%以下。此外，表1的實施例1~15的塗層結構中，除表列的重量百分比的鋁、鉻、釔、氧、氮、碳、鉬和硼之外，組成物的其餘部分為鈷。表2的實施例16~30的塗層結構中，除表列的重量百分比的鋁、鉻、釔、氧、氮、碳、鉬和硼之外，組成物的其餘部分為鎳。
第3A~3E圖繪示依照本揭露內容的實施例與比較例之塗層結構進行過如第2圖所示的測試方法後之電子顯微鏡圖。如第3A圖所示的塗層結構以鈷為主要成分並包括20%重量百分比的氧化鋁，如第3B圖所示的塗層結構以鈷為主要成分並包括0~3%重量百分比的氮、碳、鉬和硼以及0~30%重量百分比的釔和氧的混合物，如第3C圖所示的塗層結構以鎳為主要成分並包括0~3%重量百分比的氮、碳、鉬和硼以及0~30%重量百分比的釔和氧混合物，如第3D圖所示的塗層結構以鎳為主要成分並包括0~3%重量百分比的氮、碳、鉬和硼以及0~30%重量百分比的釔和氧混合物，如第3E圖所示的塗層結構以鎳為主要成分。
再經影像分析塗層結構表面的污染物後，其結果如 表3所示。
如表3所示，新塗層之沾黏僅為全部面積的35.6%(第3C圖與第3D圖)，相較於如第3A圖所示的比較例之塗層結構，污染物的沾黏則高達全部面積的65%。也就是說，採用本揭露內容之實施例的組成物所製作的塗層結構具有大幅提昇的抗沾能力。
舉例而言，本揭露內容之實施例之塗層結構例如塗佈於連續式鋼板退火爐內運送鋼板或鋼帶之爐輥上。舉例而言，在高溫850℃以上且爐內氣氛為90~93%N2和7~10%H2下，實施例之塗層結構塗佈在接觸高錳鋼材之高溫區的爐輥表面，可以避免退火爐中的爐輥與鋼板或鋼帶的表面產生反應，而可以避免在輥面之結瘤(buildup)的發生，進而防止在高溫軟化的鋼帶或鋼板上留下連續的印痕或者結瘤物附著鋼板或鋼帶上的情形。如此一來，可以有效提升鋼帶或鋼板的品質，設備的停機或維修更換的情形可以減少，進而提高生產效率，同時也減少了設備的維護費用成本。換言之，採用本揭露內容之實施例之塗層結構，可以使 得生產之鋼材或鋼帶的品質穩定，且可以降低維修工時與維護成本。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧金屬基材
200‧‧‧塗層結構
300‧‧‧錳粉末
400‧‧‧鋼材

Claims (14)

  1. 一種組成物，包括：3%至小於15%重量百分比的鋁；10%至小於30%重量百分比的鉻；大於0%至15%重量百分比的氧；10%至15%重量百分比的釔；以及其餘部分為鈷或鎳之至少其中之一。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之組成物，更包括選自氮、碳、鉬、及硼所成之族群。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之組成物，其中氮的含量係為大於0%至3%重量百分比。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之組成物，其中碳的含量係為大於0%至3%重量百分比。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之組成物，其中鉬的含量係為大於0%至3%重量百分比。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之組成物，其中硼的含量係為大於0%至3%重量百分比。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之組成物，其中氮、碳、鉬、 硼佔該組成物的重量百分比為0.1~5%，且其餘部分為鎳。
  8. 一種塗層結構，包括：3%至小於15%重量百分比的鋁；10%至小於30%重量百分比的鉻；大於0%至15%重量百分比的氧；10%至15%重量百分比的釔；以及其餘部分為鈷或鎳之至少其中之一，其中該塗層結構具有一厚度，該厚度係為50~200微米。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之塗層結構，更包括選自氮、碳、鉬、及硼所成之族群。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之塗層結構，其中氮的含量於0%至3%重量百分比。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之塗層結構，其中碳的含量係為大於0%至3%重量百分比。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之塗層結構，其中鉬的含量係為大於0%至3%重量百分比。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之塗層結構，其中硼的含量係為大於0%至3%重量百分比。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之塗層結構，其中氮、碳、鉬、硼佔該組成物的重量百分比為0.1~3%，且其餘部分為鎳。
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