热喷涂粉末
阅读：357发布：2020-05-12
专利汇可以提供热喷涂粉末专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种粒状 烧结 金属陶瓷 颗粒的 热 喷涂 粉末，其包含 碳 化钨或碳化铬以及含 硅 的 铁 基 合金 。 热喷涂 粉末中的合金含量优选为5至40 质量 ％。在此情况下，该合金含有含量为0.1至10质量％的硅。，下面是热喷涂粉末专利的具体信息内容。
1.一种包含粒状烧结金属陶瓷颗粒的热喷涂粉末，其特征是，含有碳化钨或碳化铬、以及含硅的铁基合金。
2.根据权利要求1所述的热喷涂粉末，其中所述合金在所述热喷涂粉末中的含量为5至40质量％的，并且所述合金含有含量为0.1至10质量％的硅。
3.根据权利要求2所述的热喷涂粉末，其中所述合金还含有0.5至20质量％的铬。
4.根据权利要求2或3所述的热喷涂粉末，其中所述合金还含有5至20质量％的镍。
5.根据权利要求2至4中任一项中所述的热喷涂粉末，其中所述合金还含有铝、钼、和锰中的至少一种。
6.根据权利要求1至5中任一项中所述的热喷涂粉末，其中所述热喷涂粉末除所述合金之外的余量为所述碳化钨或碳化铬。
7.根据权利要求1至6中任一项中所述的热喷涂粉末，其中所述粉末用于通过冷喷涂形成热喷涂层。
8.根据权利要求1至6中任一项中所述的热喷涂粉末，其中所述粉末用于通过高压冷喷涂形成热喷涂层。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的热喷涂粉末，其中所述粉末用于通过低压冷喷涂形成热喷涂层。
10.一种形成热喷涂层的方法，包括：通过冷喷涂法对根据权利要求1至6任一项中所述的热喷涂粉末进行热喷涂，以形成所述热喷涂层。
11.一种形成热喷涂层的方法，包括：通过高压冷喷涂法对根据权利要求1至6中任一项中所述的热喷涂粉末进行热喷涂，以形成所述热喷涂层。
12.一种形成热喷涂层的方法，包括：通过低压冷喷涂法对根据权利要求1至6中任一项中所述的热喷涂粉末进行热喷涂，以形成所述热喷涂层。
热喷涂粉末
技术领域
背景技术
[0002] 为了给各种工业机器或通用机器的金属零件赋予例如耐磨损性、耐热性和耐腐蚀性的特性，通常在零件表面上设置热喷涂层。金属陶瓷粉末作为用于形成热喷涂层的材料为业界所熟知，该金属陶瓷粉末至少含有陶瓷(例如碳化钨)和钴作为其主要组分(例如，参见专利文件1和2)。与其他金属相比，作为将热喷涂粉末中的陶瓷颗粒加以粘合的粘合剂钴具有更优异的能力。因此，由含钴金属陶瓷粉末所形成的热喷涂层与由含其他金属的金属陶瓷粉末所形成的热喷涂层相比，在硬度、耐磨损性、耐热性和耐腐蚀性方面更加优异。然而，虽然钴作为用于电子设备的二次电池、硬质合金等的材料在现代社会中是必不可少的，但它却是以高价格销售，因为其供应商分布不均衡并且从政治和经济方面来看其供应是不稳定的。同时，因为其产量较低，所以钴的价格会不稳定地变化。这是含钴金属陶瓷粉末的价格提高的一个原因。因此，一直存在着对开发出如下新型金属陶瓷粉末的需求：可以形成具有等于或优于由含钴金属陶瓷粉末所形成热喷涂层的性能的热喷涂层同时含有是钴替代物的金属，这样的金属与钴相比价格稳定地更低且产量更高，因此可以稳定地供应。
[0003] 现有技术文件
[0004] 专利文件1：日本专利公开第8-311635号
[0005] 专利文件2：日本专利公开第10-88311号
发明内容
[0006] 发明所要解决的问题
[0007] 因此，本发明的一个目的是提供一种热喷涂粉末，该热喷涂粉末可以形成具有等于或优于由含钴金属陶瓷粉末所形成热喷涂层的性能热喷涂层同时含有是钴替代物的金属并且与钴相比价格稳定地更低且产量更高，因此可以稳定地供应。
[0008] 解决问题的手段
[0010] 该热喷涂粉末中的合金含量优选为5至40质量％。在此情况下，所述合金中含有含量为0.1至10质量％的硅。
[0012] 优选地，该热喷涂粉末中除所述合金以外的剩余部分是碳化钨或碳化铬。
[0013] 发明的效果
[0014] 本发明提供一种可以形成热喷涂层的热喷涂粉末，该热喷涂粉末具有等于或优于由含钴金属陶瓷粉末所形成的热喷涂层的性能同时含有是钴替代物的金属并且与与钴相比价格稳定地更低且产量更高，因此可以稳定地供应。
具体实施方式
[0015] 在下文中，将对本发明的一具体实施方式进行描述。
[0016] 根据本具体实施方式的热喷涂粉末包含金属陶瓷的粒状烧结颗粒(在下文中，也称为“粒状烧结金属陶瓷颗粒”)。该粒状烧结金属陶瓷颗粒是通过将陶瓷颗粒与金属颗粒的混合物粒化并将所得粒化产物(颗粒)烧结而制造。因此，各个粒状烧结金属陶瓷颗粒是通过使陶瓷颗粒与金属颗粒凝聚而获得的复合颗粒。
[0017] 陶瓷颗粒包含碳化钨和碳化铬中的至少一种，优选地包含碳化钨。亦即，热喷涂粉末包含碳化钨和碳化铬中的至少任一种，优选地包含碳化钨作为陶瓷组分。
[0018] 金属颗粒包含含硅的铁基合金。亦即，热喷涂粉末含有含硅的铁基合金作为金属组分。含硅的铁基合金除硅以外可包含金属，例如铬、镍、铝、钼和锰。
[0019] 热喷涂粉末中的金属组分的含量优选为5质量％以上、更优选为10质量％以上、更优选为12质量％以上。换句话说，热喷涂粉末中的陶瓷组分的含量优选为95质量％以下、更优选为90质量％以下、更优选为88质量％以下。当热喷涂粉末中的金属组分的含量增加时，由热喷涂粉末所形成热喷涂层的脆度往往会降低。具有较低脆度的热喷涂层通常具有更高的耐磨损性。在这方面，当热喷涂粉末中的金属组分的含量为5质量％以上、更具体地10质量％以上、或者12质量％以上(换句话说，当热喷涂粉末中的陶瓷组分的含量为95质量％以下、更具体地90质量％以下、或者88质量％以下时)时，热喷涂层的耐磨损性可容易地提高到在实用中尤其适宜的水平。
[0020] 另一方面，热喷涂粉末中的金属组分的含量优选为40质量％以下、更优选为30质量％以下。换句话说，热喷涂粉末中的陶瓷组分的含量优选为60质量％以上、更优选为70质量％以上。当热喷涂粉末中的金属组分的含量减小时，由热喷涂粉末所形成热喷涂层的硬度往往会提高。具有提高的硬度的热喷涂层通常具有更高的耐磨损性。在这方面，当热喷涂粉末中的金属组分的含量为40质量％以下、更具体地为30质量％以下时(换句话说，当热喷涂粉末中的陶瓷组分的含量为60质量％以上，更具体地70质量％以上时)，热喷涂层的耐磨损性可容易地提高到在实践中尤其适宜的水平。
[0021] 热喷涂粉末中所含有的作为金属组分的铁基合金中的硅含量优选为0.1质量％以上、更优选为1质量％以上。当铁基合金中的硅含量增加时，铁基合金的熔点下降，此外由热喷涂粉末所形成热喷涂层的润滑性和耐腐蚀性往往会提高。在这方面，当铁基合金中的硅含量为0.1质量％以上、更具体地1质量％以上时，热喷涂层的润滑性和耐腐蚀性可容易地提高到尤其适宜实用的水平。
[0022] 另一方面，铁基合金中的硅含量优选为10质量％以下、更优选为7质量％以下。当铁基合金中的硅含量减小时，由热喷涂粉末所形成热喷涂层的韧性增加，因此热喷涂层的耐磨损性往往会提高。在这方面，当铁基合金中的硅含量为10质量％以下、更具体地7质量％以下时，热喷涂层的耐磨损性可容易地提高到在实用中尤其适宜的水平。
[0023] 当铁基合金含有铬时，铁基合金中的铬含量优选为0.5质量％以上、更优选为1质量％以上、更优选为5质量％以上。当铁基合金中的铬含量增加时，由热喷涂粉末所形成热喷涂层的耐腐蚀性往往会提高。在这方面，当铁基合金中的铬含量为0.5质量％以上、更具体地1质量％以上、或者5质量％以上时，热喷涂层的耐腐蚀性可容易地提高到在实用中尤其适宜的水平。
[0024] 另一方面，铁基合金中的铬含量优选为20质量％以下、更优选为18质量％以下。当铁基合金中的铬含量减小时，由热喷涂粉末所形成热喷涂层的韧性增加，因此热喷涂层的耐磨损性往往会提高。在这方面，当铁基合金中的铬含量为20质量％以下、更具体地18质量％以下时，热喷涂层的耐磨损性可容易地提高到在实用中尤其适宜的水平。
[0025] 当铁基合金含有镍时，铁基合金中的镍含量优选为5质量％以上。当铁基合金中的镍含量增加时，由热喷涂粉末所形成热喷涂层的耐腐蚀性往往会提高。在这方面，当铁基合金中的镍含量为5质量％以上时，热喷涂层的耐腐蚀性可容易地提高到在实用中尤其适宜的水平。
[0026] 另一方面，铁基合金中的镍含量优选为20质量％以下、更优选为18质量％以下。当铁基合金中的镍含量减小时，由热喷涂粉末所形成热喷涂层的韧性增加，因此热喷涂层的耐磨损性往往会提高。在这方面，当铁基合金中的镍含量为20质量％以下、更具体地18质量％以下时，热喷涂层的耐磨损性可容易地提高到在实用中尤其适宜的水平。
[0027] 当铁基合金含有铝时，铁基合金中的铝含量优选为0.4质量％以上、更优选为1质量％以上。当铁基合金中的铝含量增加时，由热喷涂粉末所形成热喷涂层的耐腐蚀性往往会提高。在这方面，当铁基合金中的铝含量为0.4质量％以上、更具体地1质量％以上时，热喷涂层的耐腐蚀性可容易地提高到在实用中尤其适宜的水平。
[0028] 另一方面，铁基合金中的铝含量优选为5质量％以下、更优选为3质量％以下。当铁基合金中铝含量的下降时，由热喷涂粉末所形成热喷涂层的韧性增加，因此热喷涂层的耐磨损性往往会提高。在这方面，当铁基合金中的铝含量为5质量％以下、更具体地3质量％以下时，热喷涂层的耐磨损性可容易地提高到在实践中尤其适宜的水平。
[0029] 当铁基合金中含有钼时，铁基合金中的钼含量优选为0.4质量％以上、更优选为1质量％以上。当铁基合金中的钼含量增加时，由热喷涂粉末所形成热喷涂层的耐腐蚀性往往会提高。在这方面，当铁基合金中的钼含量为0.4质量％以上、更具体地1质量％以上时，热喷涂层的耐腐蚀性可容易地提高到在实践中尤其适宜的水平。
[0030] 另一方面，铁基合金中的钼含量优选为5质量％以下、更优选为3质量％以下。当铁基合金中的钼含量下降时，由热喷涂粉末形成热喷涂层的韧性增加，因此热喷涂层的耐磨损性往往会提高。在这方面，当铁基合金中的钼含量为5质量％以下、更具体地3质量％以下时，热喷涂层的耐磨损性可容易地提高到在实践中尤其适宜的水平。
[0031] 当铁基合金含有锰时，铁基合金中的锰含量优选的是在0.1至5质量％的范围内、更具体地在1至3质量％的范围内。当铁基合金中的锰含量在上述范围内时，由热喷涂粉末所形成热喷涂层的耐腐蚀性可容易地提高到在实践中尤其适宜的水平。
[0032] 粒状烧结金属陶瓷颗粒的平均粒径(体积平均粒径)的下限优选为5μm、更优选为8μm、更优选为15μm。当粒状烧结金属陶瓷颗粒的平均粒径增加时，热喷涂粉末中所包含自由细颗粒(在热喷涂期间会过分熔化)的量较小，因此不太可能发生喷溅。喷溅表示这样的现象，过分熔化的热喷涂粉末粘接并沉积在热喷涂装置的喷嘴内壁上所形成的沉积物在热喷涂粉末的热喷涂期间从内壁上掉下并与热喷涂层混合。该现象降低了热喷涂层的性能。在这方面，当粒状烧结金属陶瓷颗粒的平均粒径为5μm以上、更具体地8μm以上、或者15μm以上时，可容易地将热喷涂粉末的热喷涂期间喷溅的发生抑制到在实践中尤其适宜的水平。
[0033] 粒状烧结金属陶瓷颗粒的平均粒径的上限优选为50μm、更优选为40μm、更优选为30μm。当粒状烧结金属陶瓷颗粒平均粒径的减小时，由热喷涂粉末所形成热喷涂层的密实度增加，因此热喷涂层的硬度和耐磨损性往往会提高。在这方面，当粒状烧结金属陶瓷颗粒的平均粒径为50μm以下、更具体地40μm以下、或者30μm以下时，热喷涂层的耐磨损性可容易地提高到在实践中尤其适宜的水平。
[0034] 粒状烧结金属陶瓷颗粒的抗压强度的下限优选为100兆帕、更优选为150兆帕、更优选为200兆帕。具有较高抗压强度的粒状烧结金属陶瓷颗粒不太可能发生解体。因此，就包含具有较高抗压强度的粒状烧结金属陶瓷颗粒的热喷涂粉末而言，在热喷涂之前由于粒状烧结金属陶瓷颗粒的解体所导致的自由细颗粒(在热喷涂期间会过分熔化)的产生受到抑制，因此不太可能发生喷溅。在这方面，当粒状烧结金属陶瓷颗粒的抗压强度为100兆帕以上、更具体地150兆帕以上、或者200兆帕以上时，可容易地将在热喷涂粉末的热喷涂期间喷溅的发生抑制到在实践中尤其适宜的水平。
[0035] 粒状烧结金属陶瓷颗粒的抗压强度的上限优选为800兆帕、更优选为700兆帕。具有较低抗压强度的粒状烧结金属陶瓷颗粒在热喷涂期间承受热源的加热而容易地被软化和熔化。因此，就包含具有较低抗压强度的粒状烧结金属陶瓷颗粒的热喷涂粉末而言，粘接效率往往会提高。在这方面，当粒状烧结金属陶瓷颗粒的抗压强度为800兆帕以下、更具体地700兆帕以下时，热喷涂粉末的粘接效率可容易地提高到在实践中尤其适宜的水平。
[0036] 例如，可以按如下方式制造根据本具体实施方式的热喷涂粉末，亦即粒状烧结金属陶瓷颗粒：首先，将包含碳化钨和碳化铬中的至少一种的陶瓷颗粒与包含含硅铁基合金的金属颗粒在分散介质中混合以制备浆料。可以将适当的粘合剂加到该浆料中。然后，用滚筒翻滚制粒机、喷射制粒机、或压缩制粒机将该浆料制成粒状粉末。对如此获得的粒状粉末进行烧结，必要时进一步压碎成更小的颗粒并进行分级，以制造粒状烧结金属陶瓷颗粒。应当指出的是，可在真空中或者惰性气体气氛中用电炉或燃气炉将粒状粉末烧结。
[0037] 根据本具体实施方式的热喷涂粉末主要是用于利用高速火焰热喷涂(例如高速空气燃料(HVAF)热喷涂或者高速氧气燃料(HVOF)热喷涂)形成金属陶瓷热喷涂层的用途。特别是在HVOF的情况下，与HVOF之外的其它高速火焰热喷涂法相比，易于由具有高粘接效率的热喷涂粉末形成了硬度和耐磨损性更优异的热喷涂层。因此，HVOF是优选的热喷涂法。
[0038] 根据本具体实施方式，获得以下的优点。
[0039] 在根据本具体实施方式的热喷涂粉末中，含硅的铁基合金是钴的替代物。根据由日本国立材料科学研究所(National Institute for Materials Science)出版的《元素战略展望：材料及完全替代战略(Element strategy outlook：Material and fully alternative strategy》)，铁的地壳丰度约为钴的2,000倍，硅的地壳丰度约为钴的22,000倍；铁的年产量约为钴的25,000倍，硅的年产量约为钴的100倍；铁和硅的平均价格均约为钴平均价格的0.03倍。这意味着可以以低价格稳定地提供本具体实施方式的热喷涂粉末，因为它含有含硅铁基合金作为钴的替代物。
[0040] 此外，使根据本具体实施方式的热喷涂粉末中所包含的硅在热喷涂层中形成细小的结晶，从而提高热喷涂层的润滑性。
[0042] 除碳化钨和碳化铬中的至少任一种、以及含硅的铁基合金之外，热喷涂粉末中的粒状烧结金属陶瓷颗粒可含有诸如不可避免的杂质或添加物之类的组分。
[0043] 热喷涂粉末可含有除粒状烧结金属陶瓷颗粒以外的组分，主要除粒状烧结金属陶瓷颗粒以外的组分含量优选地是尽可能地低。
[0045] 冷喷涂是如下技术：通过将被加热到低于热喷涂粉末熔点或软化温度的温度的工作气体加速到超音速并使固相的热喷涂粉末与被加速的工作气体一道与基体发生高速碰撞而形成涂层。在相对较高温度下的热喷涂工艺的情况下，因为把加热到等于或高于其熔点或软化温度的温度的热喷涂粉末吹向基体，所以基体视其材料和形状可能会发生热变化或变形。因此，不能在每一种材料和形状的基体上形成涂层，因而热喷涂工艺的缺点是它限制了基体的材料和形状。此外，需将热喷涂粉末加热到等于或高于其熔点或软化温度的温度，从而导致装置较大以及条件受限制(如构筑位置)。相反，因为冷喷涂能够在相对较低温度下进行热喷涂，所以基体不太可能发生热变化或变形，因而冷喷涂的一个优点是可以使一些装置小于在相对较高温度下的热喷涂工艺的装置。而且，所使用的工作气体不是燃烧气体，因而其他优点是优异的安全性以及在场所构筑的高便利性。
[0046] 一般来说，根据工作气体的压力，将冷喷涂分类成高压型和低压型。亦即，当工作气体压力的上限为1兆帕时将冷喷涂称为低压冷喷涂，当工作气体压力的上限为5兆帕时将冷喷涂称为高压冷喷涂。在高压冷喷涂的情况下，主要是将惰性气体(例如氦气、氮气或者其混合物)用作工作气体。在低压冷喷涂的情况下，将与高压冷喷涂中所使用气体相同种类的气体或者压缩空气用作工作气体。
[0047] 当把根据本具体实施方式的热喷涂粉末用于利用高压冷喷涂形成热喷涂层的用途时，以优选为0.5至5兆帕、更优选为0.7至5兆帕、更优选为1至5兆帕、最优选为1至4兆帕的压力将工作气体提供给冷喷涂，并且将工作气体加热到优选为100至1,000℃、更优选为300至1,000℃、更优选为500至1,000℃、最优选为500至800℃。在与工作气体共轴的方向上，以优选为1至200克/分钟、更优选为10至100克/分钟的供给速度将热喷涂粉末提供给工作气体。在喷涂期间，从冷喷涂喷嘴尖端到基体的距离优选为5至100毫米、更优选为10至50毫米，冷喷涂喷嘴的横向移动速度优选为10至300毫米/秒、更优选为10至150毫米/秒。要形成热喷涂层的厚度优选为50至1,000μm、更优选为100至
500μm。
500μm。
[0048] 另一方面，当把根据本具体实施方式的热喷涂粉末用于利用低压冷喷涂形成热喷涂层的用途时，以优选为0.3至1兆帕、更优选为0.5至1兆帕、最优选为0.7至1兆帕的压力将工作气体提供给冷喷涂，并且将工作气体加热到优选为100至600℃、更优选为250至600℃、最优选为400至600℃。以优选为1至200克/分钟、更优选为10至100克/分钟的供给速度，在与工作气体共轴的方向上将热喷涂粉末提供给工作气体。在喷涂期间，从冷喷涂喷嘴尖端到基体的距离优选为5至100毫米、更优选为10至40毫米，冷喷涂喷嘴的横向移动速度优选为5至300毫米/秒、更优选为5至150毫米/秒。所形成热喷涂层的厚度优选为50至1,000μm、更优选为100至500μm、最优选为100至300μm。
[0049] 接着，将参照实施例和比较例更具体地描述本发明。
[0050] (实施例1至14以及比较例1和2)
[0051] 制备根据实施例1至14以及比较例1和2的热喷涂粉末，均由粒状烧结金属陶瓷颗粒所组成。在表1中所示的第一条件至第三条件中的一个条件下对各热喷涂粉末进行热喷涂，而形成厚度为200μm的热喷涂层。
[0052] 表1
[0053]
[0054] 将实施例1至14及比较例1和2的热喷涂粉末以及由该热喷涂粉末所形成的热喷涂层详细地示于表2。
[0055] 表2
[0056]
[0057] (实施例15至22及比较例3至7)
[0058] 制备根据实施例15至22及比较例3至7的热喷涂粉末，各粉末是由粒状烧结金属陶瓷颗粒所组成。在表3中所示的第四条件或第五条件下对各热喷涂粉末进行热喷涂，而形成热喷涂层。
[0059] 表3
[0060]
[0061] 将根据实施例15至22及比较例3至7的热喷涂粉末以及由该热喷涂粉末所形成的热喷涂层详细地示于表4。
[0062] 表4
[0063]
[0064] 表5
[0065]
[0066] 表2和表4中名称为“陶瓷组分的类型”的列中显示了各热喷涂粉末中的陶瓷组分的类型。在各列中，“WC”代表碳化钨，“-”表示不含陶瓷组分。
[0067] 表2和表4中的名称为“金属组分的类型”的列中显示了各热喷涂粉末中的金属组分的类型。将由“合金1”、“合金2”、“合金3”、“合金4”、“合金5”和“合金6”所代表合金的组成示于表5。包含12质量％的各合金且剩余部分为碳化钨的粒状烧结金属陶瓷颗粒的熔点(更准确地说，液相出现温度)也示于表5。根据利用理学公司制造的热分析装置“TG-DTA Thermo plus EVO”所测量的第一吸热峰，计算出粒状烧结金属陶瓷颗粒的液相出现温度。包含12质量％的钴且剩余部分为碳化钨的粒状烧结金属陶瓷颗粒的液相出现温度为1,270℃。用于比较例1、3和6的钴的熔点为1,490℃，用于比较例7的镍的熔点为1,455℃。
[0068] 表2和表4中名称为“金属组分的含量”的列中显示了各热喷涂粉末中的金属组分的含量。应当指出的是，各热喷涂粉末中除金属组分以外的剩余部分是陶瓷组分。
[0069] 表2和表4中名称为“平均粒径D50”列中显示了用激光衍射/散射粒径测量仪“LA-300”(由HORIBA公司生产)测量各热喷涂粉末的平均粒径(体积平均粒径)所得出的结果。
[0070] 表2和表4中的名称为“抗压强度”的列中显示了各热喷涂粉末中所包含粒状烧2
结金属陶瓷颗粒的抗压强度的测量结果。具体地，显示了按照公式σ＝2.8×L/π/d 计算出的粒状烧结金属陶瓷颗粒的抗压强度σ[兆帕]。在该式中，“L”代表临界载荷[N]，“d”代表热喷涂粉末的平均粒径[毫米]。临界载荷是当利用压头将以恒定速率增加的压缩载荷施加于粒状烧结金属陶瓷颗粒上时，在压头位移快速增加时施加于粒状烧结金属陶瓷颗粒上的压缩载荷的量值。此临界载荷是利用由岛津公司制造的微型压缩测试仪“MCTE-500”而测量。
结金属陶瓷颗粒的抗压强度的测量结果。具体地，显示了按照公式σ＝2.8×L/π/d 计算出的粒状烧结金属陶瓷颗粒的抗压强度σ[兆帕]。在该式中，“L”代表临界载荷[N]，“d”代表热喷涂粉末的平均粒径[毫米]。临界载荷是当利用压头将以恒定速率增加的压缩载荷施加于粒状烧结金属陶瓷颗粒上时，在压头位移快速增加时施加于粒状烧结金属陶瓷颗粒上的压缩载荷的量值。此临界载荷是利用由岛津公司制造的微型压缩测试仪“MCTE-500”而测量。
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