发明领域
[0001] 本发明涉及一种意欲用于金属零件的表面涂覆中的预
合金金属基粉末。所述粉末使
用例如
激光熔覆或等离子传递
电弧焊接(PTA)或
热喷涂(例如HVOF)沉积。所述粉末可用于降低沉积涂层的摩擦和提高其减磨性能。该类涂层还可提高
机械加工性。作为减摩或减磨组分，可使用处于预合金粉末中的硫化锰或硫化钨夹杂物。
[0002] 背景
[0003] 热
表面处理，即热喷涂和堆焊粉末级配广泛用于涂覆抗磨和抗
腐蚀部件表面。已知Fe、Ni和Co基级配根本性地提高暴露于磨损和/或腐蚀下的部件的寿命。然而，仍存在大量需要提高部件寿命的应用场合。此外，Ni和Co在世界市场上的高价格和有限可得性也需要更长的寿命提高。最后，新涂层沉积方法如激光熔覆、冷喷和高速喷涂的开发为合金化、更精确控制涂覆方法和更高自动化开启了新的可能性，由此需要其他类型的粉末。
[0004] 一种改善摩擦和磨损性能的潜在方法可为将固体
润滑剂掺入热表面处理级配中，从而使得沉积的涂层包含减摩和减磨物质，同时保持可接受
水平的
耐腐蚀性和硬度。
[0005] 固体润滑剂为能降低两个彼此相对滑动表面之间的摩擦和磨损而无需液体介质的软质固相材料。被视为固体润滑剂的材料必须满足至少一个如下标准：粘合
接触表面—粘性；低剪切强度—低固有摩擦；低硬度—低磨损率；和对预期环境的热化学
稳定性。固体润滑剂的实例为：滑石、
石墨、硫化锰(MnS)、二硫化钼(MoS2)或二硫化钨(WS2)。固体润滑剂的使用可提供在如下方面中的优点：在极低或极高
温度下的稳定性，在极端环境，例如冷或热环境或者具有高
辐射水平的环境下的稳定性，机械设计问题(更轻的设计、降低的临界速度)或者能承载极端
载荷。
[0006] 长期以来，在热表面处理中使用固体润滑剂已是一种困难的提议，原 因在于大量固体润滑剂为金属硫化物，而
焊缝中的即使痕量的硫也可导致开裂和/或腐蚀。
[0007] Skarvelis等，ASME J.Tribol.132(2010)031302-1-031302-8，Surf.&Coat.Techn.203(2009)1384-1394和Trib.Int.42(2009)1765-1770描述了使用混合有金属粉末的MnS粉末，并将所得的粉末混合物用于例如PTA(等离子传递电弧
焊接)中。
[0008] 然而，固体润滑剂可具有与油或脂相比为高的
摩擦系数；当不可更换时，固体润滑剂膜的磨损寿命有限；与油或脂相比不具有或具有有限的冷却能
力；或者倾向于发生由碎屑和残余颗粒所导致的堵塞。
[0009] 发明简述
[0010] 令人惊讶地，本
发明人注意到固体润滑剂当以夹杂物存在于预合金金属粉末中时显示出比该固体润滑剂以粉末组分存在于粉末混合物中时更好的润滑效果。
[0011] 本发明涉及一种与固体润滑剂(例如MnS或WS2)预合金化的金属粉末，以及所述金属粉末在涂覆基材表面中的用途。使用本发明固体润滑剂的主要益处在于暴露于磨损和/或腐蚀下的部件具有更长的寿命。
[0013] 图1：通过使用预混有金属合金粉末的MnS粉末制得的涂层中的摩擦系数(COF)和磨损。
[0014] 图2：通过使用具有MnS夹杂物的预合金金属粉末制得的涂层中的摩擦系数(COF)和磨损。
[0015] 图3：1525-30SP570+5％MnS预合金粉末颗粒的SEM显微照片。深灰色区域为含MnS的夹杂物。
[0016] 图4：板材上的滑
块磨损。不锈
钢板上摩擦接触的滑块，法向载荷10N，滑动速度0.36m/s，干(未润滑的)。Y轴显示了摩擦系数，而X轴显示了滑动距离。
[0017] 详细描述
[0018] 本发明人揭示，硫化锰MnS是合适的固体润滑剂。结果显示了预合金化至金属粉末中的Mn和S的减摩和减磨潜力。特别地，与Mn和S预合金化 的粉末非常适于被覆焊接(weld cladding)方法，例如激光熔覆或PTA。此外，热喷涂，例如
火焰喷涂、HVOF、HVAF、
冷喷涂、
等离子体喷涂等也可为合适的应用。与不具有固体润滑剂夹杂物的金属合金相比，由具有MnS夹杂物的预合金金属粉末制成的合金化级配经平面
研磨测试评价的机械加工性不变。
[0019] 本文中的所有百分比均为重量％。
[0020] 在一个方面中，本发明提供了一种包含硫化锰(MnS)或硫化钨(WS2)夹杂物的预合金金属粉末的组合物。本文所用的术语“预合金”是指其粉末颗粒具有例如MnS和/或WS2夹杂物的金属粉末，即当制备所述预合金粉末时，所述金属中夹杂有Mn和/或W以及S。
[0021] 根据本发明适于应用的金属粉末合金通常为镍、
铁或钴基的。
[0022] 因此，本发明的一个实施方案为一种预合金镍基金属粉末合金的组合物，其包含如下成分或由其组成：C，0.05-0.4％；Si，2.0-3.1％；B，0.6-1.5％；Cr，2.6-3.6％；Fe，1.2-2.5％；Al，0.2-0.7％；MnS夹杂物，4-15％；余量为Ni。
[0023] 本发明的另一实施方案为一种预合金钴基金属粉末合金的组合物，其包含如下成分或由其组成：C，0.05-0.4％；Si，2.0-3.1％；B，0.6-1.5％；Cr，2.6-3.6％；Fe，1.2-2.5％；Al，0.2-0.7％；MnS夹杂物，4-15％；余量为Co.
[0024] 本发明的另一实施方案为一种组合物或预合金铁基金属粉末，其包含如下成分或由其组成：1-1.3％C，1-1.3％；Cr，22-27％；Mn，4-5％；Ni，3-5％；Si，3-4％；Mo，1.5-2.5％；MnS夹杂物，4-15％；余量为Fe。
[0025] 本发明的另一实施方案为一种预合金镍基金属粉末合金的组合物，其包含如下成分或由其组成：C，0.05-0.2％；Si，2.2-2.9％；B，0.8-1.3％；Cr，2.8-3.45％；Fe，1.4-2.3％；Al，0.3-0.5％；MnS夹杂物，4-15％；余量为Ni。
[0026] 本发明的另一实施方案为一种预合金钴基金属粉末合金的组合物，其包含如下成分或由其组成：C，0.05-0.2％；Si，2.2-2.9％；B，0.8-1.3％；Cr，2.8-3.45％；Fe，1.4-2.3％；Al，0.3-0.5％；MnS夹杂物，4-15％；余 量为Co。
[0027] 本发明的另一实施方案为一种组合物或预合金铁基金属粉末，其包含如下成分或由其组成：C，1.2％；Cr，25％；Mn，4.5％；Ni，4％；Si，3.3％；Mo，2％；MnS夹杂物，4-15％；余量为Fe。
[0028] 在一个实施方案中，呈夹杂物形式的MnS和/或WS2的量为4-8重量％或5-8重量％。
[0029] 所述预合金镍、铁或钴基粉末优选通过将包含Mn或W、S和选自C、Si、B、Cr、Fe、Al、Ni、Co和V的其他合金化元素的熔体水或气体雾化而制备。
[0030] 所述预合金粉末合金的粒度通常为10-800μm或10-200μm或优选为15-150μm或50-150μm。
[0031] 所述固体润滑剂(例如MnS或WS2)以夹杂物形式存在。这些夹杂物通过将所述固体润滑剂(例如MnS或WS2)添加至熔融金属本身中而制备，或者替代地，可使FeS与合适量的FeMn混合，然后添加至所述熔融金属中。
[0032] 在一个方面中，本发明提供了一种借助沉积技术如激光熔覆或PTA(等离子传递电弧)，热喷涂方法如HVOF(高速
氧燃料喷涂(high velocity oxy fuel spray))、HVAF(高速乙炔燃料喷涂(high velocity acetylene fuel spray))或
等离子喷涂，或者借助淤浆法如离心浇铸使用上述金属粉末表面涂覆金属零件的方法。
[0033] 在一个实施方案中，本发明提供了上文的用途，其中所述金属粉末包含呈夹杂物的4-10重量％或4-8重量％或5-7重量％MnS或WS2。
[0034] 在另一方面中，本发明还提供了适于借助本发明粉末涂覆的如上文所述制备的金属零件，其用于机械中的干摩擦接触，例如工业
阀门、金属板材成型(SMF)工具、炼铁厂中的输送辊、切纸刀和玻璃模具。
实施例[0035] 实施例1制备预合金粉末
[0036] 如下所述制备金属粉末：通过雾化以所述量含有如下元素的熔体而制备具有如下组成的金属粉末：C，0.05-0.2％；Si，2.2-2.9％；B，0.8-1.3％；Cr，2.8-3.45％；Fe，1.4-2.3％；Al，0.3-0.5％；MnS，4-15％；余量为Ni。 所得粉末包含呈处于金属合金基体中的夹杂物形式的MnS。该粉末在本文中称为“粉末A”。
[0037] 实施例2
[0038] 通过在常规粉末混合器中将具有如下组成的预合金金属粉末与5重量％MnS混合而制备预混合的粉末：C，0.05-0.2％；Si，2.2-2.9％；B，0.8-1.3％；Cr，2.8-3.45％；Fe，1.4-2.3％；Al，0.3-0.5％。该粉末在本文中称为“粉末B”。
[0039] 实施例3通过使用PTA沉积而施加粉末
[0040] 如下所述将预合金或预混合粉末施加至测试试样上：借助PTA(等离子传递电弧)以允许稀释5-15％的设定参数将粉末A沉积至S235JRG(
基础结构钢)基材板上。
[0041] 实施例4
[0042] 手动将粉末B以粉末形式分布于基材上，然后与基材熔接。
[0043] 实施例5
[0044] 还通过激光熔覆将本发明的粉末施加至基材上。在获自粉末A和粉末B的涂层中存在固体润滑剂(MnS)夹杂物。获自粉末A的涂层导致比获自粉末的那些更细的MnS夹杂物尺寸。
[0045] 实施例6磨损测试
[0046] 实施磨损测试，其显示了粉末A在金属表面涂层或包覆层中的有益效果。试样为表面硬化的矩形块，其中基体金属为常用的低
碳结构钢(EN S235JRG，ASTM A570Gr.36)且表
面层具有在整饰测量中测得为至少1mm的厚度。测试表面具有表面粗糙度Ra为0.3-0.4μm的研磨饰面，其通过双平面研磨制备。计数器 环由AISI 316L(EN X2CrNiMo17 12 2)或AISI 304L(EN X2CrNi19-9)
不锈钢制成。摩擦测试为未润滑的，即干摩擦，且在测试前，将测试试样仔细清洁并借助
乙醇脱脂。磨损测试类似于ASTM G77标准中所述的测试。测试的最大Hertzian接触压力为180MPa，
角速度为0.36m/s且总滑动距离为
594m。
[0047] 实施例7板材上的滑块磨损测试
[0048] 实施板材上的滑块磨损测试，其显示了粉末A在金属表面涂层或包覆 层中的有益效果。试样为圆柱环 其中基体金属为常用的低碳结构钢(EN S235JRG，ASTM A570Gr.36)且表面层具有在整饰测量中测得为至少0.5mm的厚度。测试表面具有表面粗糙度Ra为0.3-0.4μm的研磨饰面，其通过双OD研磨制备。1000×1000×1.5mm相对板材由AISI316L(EN X2CrNiMo17 12 2)不锈钢制成。摩擦测试为未润滑的，即干摩擦，且在测试前，将测试试样仔细清洁，然后借助乙醇脱脂。测试的法向载荷为10N，滑动速度为
0.36m/s且总滑动距离为3m。结果示于图4中。
[0049] 实施例8腐蚀测试
[0050] 盐喷雾腐蚀测试结果根据ISO 16701实施。对零件以如下各间隔，在12、15、30和39天后宏观照相。随后实施SEM(扫描
电子显微法)研究。获自粉末B的涂层在39天后显示出锈蚀峰阵列。在12天停止时，发现锈蚀开始。获自粉末A的涂层获得了类似类型的锈蚀，但锈蚀峰的数量要少得多，且这些的尺寸更小。所述结果的定量化可通过使用
图像分析软件如Adobe Photoshop将SEM显微照片
像素化而进行。
