金屬陶瓷粉末的製作方法
2023-05-04 04:57:01
金屬陶瓷粉末的製作方法
【專利摘要】本發明涉及金屬陶瓷粉末、製造金屬陶瓷粉末的方法以及該金屬陶瓷粉末用於表面塗覆和作為熱噴塗粉末的用途。本發明還涉及製造塗覆部件的方法，所述方法包括通過熱噴塗金屬陶瓷粉末施加塗層，以及涉及可根據該方法得到的塗覆部件。
【專利說明】金屬陶瓷粉末
發明領域
[0001]本發明涉及金屬陶瓷粉末、製造金屬陶瓷粉末的方法以及該金屬陶瓷粉末作為用於表面塗覆的熱噴塗粉末的用途。本發明還涉及製造塗覆部件的方法，包括通過該金屬陶瓷粉末的熱噴塗製造塗層，以及可根據該方法獲得的塗覆部件。
[0002]熱噴塗粉末用於在基底上製造塗層。在此將粉末狀顆粒引入對準待塗覆的(大多為金屬的)基底的燃燒火焰或等離子火焰中。由此，所述顆粒在火焰中完全或部分熔融，衝擊在基底上，在那裡固化並以固化的「潑濺物(splats)」的形式形成塗層。通過熱噴塗製造的塗層可製備最多數毫米的層厚。熱噴塗粉末的一個常見用途是製造磨損保護層。熱噴塗粉末通常是金屬陶瓷粉末的亞類，其一方面包含硬質材料，最通常為碳化物，如碳化鎢、碳化鉻和碳化鑰，和另一方面包含由金屬構成的基質，例如鈷、鎳及其與鉻的合金，或較不常包含含鐵合金。因此，熱噴塗粉末和由其製成的噴塗層是複合材料。
[0003]塗料-類似於實心材料(Massivwerkstoff)-以可憑經驗確定的性質為特徵。這些包括硬度(例如Vickers-、Brinell-、Rockwell-和Knoop-硬度)、耐磨性(例如ASTM G65)、抗空蝕性以及在各種介質中的腐蝕行為。耐腐蝕性在噴塗材料的選擇中越來越重要，因為許多磨損保護層必須在化學侵蝕性環境中在酸性條件下可靠存在(例如用在油氣工業、造紙工業、化學工業和食品飲料工業以及製藥工業中，通常在隔絕氧氣的條件下)。例如，當在氯化物或海水存在下輸送酸性的石油或天然氣時，對於閥芯和活塞杆既是這種情況。在食品飲料工業以及化學工業中也有許多用途，其中磨損和腐蝕產生負的協同效應並因此降低抗磨塗層的壽命。
[0004]噴塗層在酸性液體介質中和在氯化物存在下的腐蝕根據與硬質合金的情況相同的已知原則進行:侵襲基質合金，由此釋放基質合金的離子。由此釋放噴塗層的硬質材料，並剝離該噴塗層。如果與摩擦磨損疊加，則發生磨損和腐蝕的負協同效應。腐蝕行為由於硬質材料與基質之間會發生接觸腐蝕而加重，因此在複合材料中的基質比其單獨存在時更容易腐蝕。這在硬質合金中同樣能觀察到。
`[0005]多種材料已被確認為製造用於上述用途的噴塗層用的熱噴塗粉末，例如WC-CoCr86/10/4 或 WC-CoNiCr 86/9/1/4、WC_Cr3C2_Ni 或 Cr3C2_NiCr。所有上述材料的共同特徵在於它們在基質中包含Cr，因為這確保了它們的耐腐蝕性。
[0006]另一材料是WC-NiMoCrFeCo 85/15，其作為熱噴塗粉末商購可得(來自H.C.Starck GmbH, D的Amperit? 529)。其基質由類似於Hastelloy? C的合金構成。儘管Hastelloy? C在酸性介質中成功使用,但這種合金缺乏耐磨性。但作為複合材料中的基質合金，「噴塗粉末」或「噴塗層」，其表現出較差的性質。
[0007]對市場上常用的碳化鉻-NiCr (80/20)材料也類似適用。在此，沒能將NiCr 80/20的良好耐酸性轉移到具有碳化鉻的熱噴塗粉末或由其製成的噴塗層中。
[0008]Fe基基質合金，例如衍生自奧氏體不鏽鋼，如316L或根據DE 10 2006 045 481B3基於FeCrAl 70/20/10的那些，在低pH值下的酸性環境中損壞。
[0009]所有上述材料作為壓實的噴塗粉末轉移到鹽酸、硫酸和檸檬酸中時，在這些介質的至少一種中表現薄弱或在機械特性值中表現薄弱。
[0010]因此本發明的目的是提供金屬陶瓷粉末，其適合作為熱噴塗粉末並在所有三種介質中都提供穩定塗層而不嚴重損害耐磨性和抗空蝕性的機械特性值或在氯化物存在下的穩定性。
[0011]在此，在真實條件下以基質金屬的排放物形式測定耐腐蝕性，而非在真實條件下無法量化使用壽命的電化學方法如電位圖。
[0012]令人驚訝地，現在已經發現，通過包含一種或多種硬質材料和特定的基質金屬組合物的金屬陶瓷粉末可以解決上述問題。
[0013]本發明因此提供一種金屬陶瓷粉末，其包含
a)50至90重量％的一種或多種硬質材料和
b)10至50重量％的基質金屬組合物，其中重量數據基於所述金屬陶瓷粉末的總重量計，其特徵在於，所述基質金屬組合物包含下列:
i)40至75重量％的鐵和鎳，
ii)18至35重量％的鉻，
iii)3至20重量％的鑰，
iv)0.5至4重量％的銅，
其中金屬i)至iv)的重量數據在每種情況中基於所述基質金屬組合物的總重量計，且其中鐵與鎳的重量比在3:1至1:3的範圍。
[0014]本發明的金屬陶瓷粉末非常適合作為熱噴塗粉末。這些粉末可用於表面塗覆，特別是金屬基底的表面塗覆。本發明的金屬陶瓷粉末在此可例如通過熱噴塗法，如等離子噴塗或高速火焰噴塗(HV0F)、火焰噴塗法、電弧噴塗、雷射噴塗或堆焊，例如PTA法施加到多種多樣的部件上，以賦予各部件所需的表面性質。
[0015]本發明的金屬陶瓷粉末以50至90重量％的量，優選以60至89重量％，特別是70至88重量％的量包含一種或多種硬質材料，在每種情況中基於所述金屬陶瓷粉末的總重量計。本發明的金屬陶瓷粉末可包含典型的硬質材料。但是，優選金屬碳化物作為硬質材料，特別優選選自 WC、Cr3C2, VC、TiC, B4C, TiCN, SiC, TaC, NbC, Mo2C 和這些的混合物。
[0016]特別優選地,所述硬質材料是WC和/或Cr3C2。
[0017]本發明的金屬陶瓷粉末的另一基本成分是以10至50重量％，優選11至40重量％，特別是12至30重量％的量存在的基質金屬組合物，在每種情況中基於所述金屬陶瓷粉末的總重量計。該基質金屬組合物是本發明的金屬陶瓷粉末的優異性質的決定性因素。
[0018]本發明因此另外提供基質組合物用於製造金屬陶瓷粉末的用途，所述基質組合物包含:
i)40至75重量％的鐵和鎳，
ii)18至35重量％的鉻，
iii)3至20重量％的鑰，
iv)0.5至4重量％的銅，
其中金屬i)至iv)的重量數據在每種情況中基於所述基質金屬組合物的總重量計，且其中鐵與鎳的重量比在3:1至1:3的範圍。
[0019]在一個優選實施方案中，該基質金屬組合物包含V)鈷，特別以最多10重量％的量，基於所述基質金屬組合物的總重量計，
作為另外的金屬。
[0020]該基質金屬組合物此外還可包含
vi)改性劑，特別選自Al、Nb、T1、Ta、V、S1、W和它們的任意混合物。
[0021]所述改性劑的常見存在量在此為基質金屬組合物的總重量的最多5重量％。
[0022]在本發明的一個具體實施方案中，根據本發明待使用的基質金屬組合物基本上由下列組分構成:
i)40至75重量％的鐵和鎳，
ii)18至35重量％的鉻，
iii)3至20重量％的鑰，
iv)0.5至4重量％的銅，
V)任選最多10重量％的鈷，
vi)任選最多5重量％的一種或多種改性劑，
其中金屬i)至vi)的重量數據在每種情況中基於所述基質金屬組合物的總重量計，且其中鐵與鎳的重量比在3:1至1:3的範圍。
[0023]用包含15至50重量％，優選20至45重量％鐵的基質金屬組合物可以獲得優異的性質。
[0024]更優選包含15至50重量％,更優選20至45重量％鎳的基質金屬組合物。
[0025]鉻、鑰和銅在該基質金屬組合物中的存在對獲得金屬陶瓷粉末或由其製成的表面塗層的優異性質其主要作用。
[0026]該基質金屬組合物優選具有20至33重量％，更優選20至31重量％的鉻。
[0027]在另一優選的實施方案中，該基質金屬組合物包含4至15重量％的鑰，特別是5至10重量％的鑰。
[0028]對於腐蝕性質，銅含量其決定性作用，特別是與特定的鐵-鎳比相互作用。用優選包含0.7至3重量％，特別是0.9至2.0重量％銅的基質金屬組合物獲得優異的腐蝕結果。
[0029]該基質組合物中鐵與鎳的重量比同樣有利於本發明的金屬陶瓷粉末的耐腐蝕性。
[0030]該基質金屬組合物中鐵與鎳的重量比優選為1:2至2:1,更優選1: 1.5至1.5:1。[0031 ] 本發明的金屬陶瓷粉末優選用作熱噴塗粉末。某些粒度經證實在此特別合適。在一個優選實施方案中，藉助根據ASTM C1070的雷射散射測得，本發明的金屬陶瓷粉末的平均粒度為10至100微米。
[0032]本發明還提供製造本發明的金屬陶瓷粉末的方法。
[0033]因此，在本發明的另一實施方案中提供製造金屬陶瓷粉末的方法，其包括下列步驟: a)將一種或多種硬質材料粉末與粉末狀基質金屬組合物的混合或研磨，所述粉末狀基質金屬組合物包含下列:
i)40至75重量％的鐵和鎳，
ii)18至35重量％的鉻，
iii)3至20重量％的鑰，
iv)0.5至4重量％的銅，其中金屬i)至iv)的重量數據在每種情況中基於所述基質金屬組合物的總重量計，且其中鐵與鎳的重量比在3:1至1:3的範圍，
b)燒結所述粉末混合物和
c)任選粉化步驟b)中燒結的混合物。
[0034]根據本發明的金屬陶瓷粉末-製造方法的步驟a)中的混合或研磨例如可以通過將粉末狀硬度載體(硬質材料)以及粉末狀基質金屬組合物分散在液體中進行。在研磨的情況中，所述分散體隨後在研磨步驟中例如在球磨機或磨碎機中研磨。
[0035]在本發明的一個優選實施方案中，該基質金屬組合物作為合金粉末存在。
[0036]根據本發明的金屬陶瓷粉末-製造方法的特徵優選在於，通過分散在液體中混合，任選隨後研磨，通過除去該液體緊接著造粒步驟，其更優選通過噴霧乾燥進行。然後將該噴霧顆粒分級，並在隨後的熱工藝步驟中燒結至該顆粒具有足以使該顆粒在熱噴塗過程中不崩解程度的機械強度，以便可靠地進行熱噴塗工藝。該粉末混合物的燒結優選在減壓下和/或在任意壓力下在保護氣體，優選選自氫氣、氬氣、氮氣及其混合物的存在下進行。
[0037]當使用避免氧化的保護氣體時，也可以大致在大氣壓範圍內進行燒結。在燒結步驟後通常得到粉末或容易轉化成粉末的鬆散燒結餅。所得粉末的尺寸和外觀類似於噴霧顆粒。附聚的/燒結的噴塗粉末是特別有利的，因為它們在組分的選擇(例如它們的含量和粒度)中提供大的自由度並由於它們的良好可流動性，在噴塗法中可以易於計量加入。在本發明的一個特別優選的實施方案中，對於本發明的金屬陶瓷粉末和在根據本發明的金屬陶瓷粉末-製造方法的範圍內使用細微分布的硬度載體，其優選具有藉助根據ASTM C1070的雷射散射測得的低於20微米的平均粒度。此類細微分布的硬度載體的使用產生非常光滑的磨損表面，這又導致低的摩擦係數和長的使用壽命。
[0038]可以類似地製造經燒結/經粉碎的金屬陶瓷粉末或噴塗粉末，區別在於，粉末組分不一定在分散體中溼混合，而是可以幹混合併任選壓片或壓實成其它模製品。隨後的燒結步驟類似地進行，但通常獲得密實牢固的燒結體，其必須通過機械性損傷又轉化成粉末狀。但是，在這些情況中，所得到的具有10至100微米平均粒度的粉末通常具有不規則形狀並以破裂表面為特徵。這些熱噴塗粉末具有明顯較差的可流動性，這在熱噴塗時對於恆定的施加速率會是不利的，但仍可行。
[0039]本發明的金屬陶瓷粉末或可根據本發明的金屬陶瓷粉末-製造方法獲得的金屬陶瓷粉末可用作熱噴塗粉末。本發明因此還提供本發明的金屬陶瓷粉末或通過本發明的金屬陶瓷粉末-製造方法可獲得的金屬陶瓷粉末作為熱噴塗粉末的用途。
[0040]此外，本發明的金屬陶瓷粉末非常適用於表面塗覆，特別是金屬基底或部件的表面塗覆。
[0041]本發明因此還提供本發明的金屬陶瓷粉末或根據本發明可通過金屬陶瓷粉末-製造方法獲得的金屬陶瓷粉末用於表面塗覆的用途。所述表面塗覆優選通過熱噴塗法，例如通過等離子噴塗或高速火焰噴塗或火焰噴塗法或電弧噴塗或雷射噴塗或堆焊進行。
[0042]本發明的金屬陶瓷粉末或可通過根據本發明的金屬陶瓷粉末-製造方法獲得的金屬陶瓷粉末賦予用其塗覆的部件優異的性質，特別是在腐蝕性環境條件下，例如在低於7的PH-值下和在可能 存在的氯離子存在下的磨損保護方面。[0043]本發明因此還提供製造塗覆部件的方法，包括通過熱噴塗本發明的金屬陶瓷粉末或可通過根據本發明的金屬陶瓷粉末-製造方法獲得的金屬陶瓷粉末施加塗層。
[0044]本發明還提供可通過本發明的製造方法獲得的塗覆部件。根據本發明的塗覆部件特別用於在腐蝕性環境條件下，特別在低於7的pH-值下和在可能存在的氯離子存在下的磨損保護。
[0045]在另一優選實施方案中，該塗覆部件是與包含酸和/或氯離子的介質接觸的裝置的部件。例如，本發明的塗覆部件是閥芯或活塞杆。
[0046]下列實施例解釋本發明，但不應將本發明局限於此。
[0047]實施例1 (對比例)
具有根據表1的組成的噴塗粉末藉助熱壓在1000°c下壓實10分鐘，壓成具有相同比表面的密實的模製品。藉助SiC砂紙打磨外周層。然後將該圓柱形模製品在500毫升介質(IN鹽酸，IN硫酸和IN檸檬酸-後者相當於1/3 mol/1)中在20°C下在空氣侵入下暴露28天。然後取出180毫升並測定構成基質的元素的含量。
[0048]在噴塗層上測定機械特性值耐磨性和抗空蝕性。還對該噴塗層施以根據ASTMB117的鹽霧試驗，並在1000小時後記錄變化。
[0049]還在結構鋼ST37和不鏽鋼V4A上製造由噴塗粉末製成的塗層。為此使用JP5000HVOF燃燒器。表中的數據以重量百分比給出。
[0050]表1:現有技術的噴塗粉末
【權利要求】
1.金屬陶瓷粉末，其包含 a)50至90重量％的一種或多種硬質材料和 b)10至50重量％的基質金屬組合物，其中重量數據基於所述金屬陶瓷粉末的總重量計，其特徵在於，所述基質金屬組合物包含下列: i)40至75重量％的鐵和鎳， ii)18至35重量％的鉻， iii)3至20重量％的鑰， iv)0.5至4重量％的銅， 其中金屬i)至iv)的重量數據在每種情況中基於所述基質金屬組合物的總重量計，且其中鐵與鎳的重量比在3:1至1:3的範圍。
2.根據權利要求1的金屬陶瓷粉末，其特徵在於，所述基質金屬組合物另外包含V)鈷，優選以最多10重量％的量，基於所述基質金屬組合物的總重量計。
3.根據權利要求1或2的金屬陶瓷粉末，其特徵在於，所述基質金屬組合物另外包含vi)改性劑，優選選自Al、Nb、T1、Ta、V、S1、W和它們的任意混合物。
4.根據權利要求3的金 屬陶瓷粉末，其特徵在於，所述改性劑以最多5重量％的量存在，基於所述基質金屬組合物的總重量計。
5.根據權利要求1至4的一項或多項的金屬陶瓷粉末，其特徵在於，所述基質金屬組合物基本上由下列組分構成: i)40至75重量％的鐵和鎳， ii)18至35重量％的鉻， iii)3至20重量％的鑰， iv)0.5至4重量％的銅， V)任選最多10重量％的鈷， vi)任選最多5重量％的一種或多種改性劑， 其中金屬i)至vi)的重量數據在每種情況中基於所述基質金屬組合物的總重量計，且其中鐵與鎳的重量比在3:1至1:3的範圍。
6.根據權利要求1至5的一項或多項的金屬陶瓷粉末，其特徵在於，所述基質金屬組合物包含15至50重量％，優選20至45重量％的鐵。
7.根據權利要求1至6的一項或多項的金屬陶瓷粉末，其特徵在於，所述基質金屬組合物包含15至50重量％，優選20至45重量％的鎳。
8.根據權利要求1至7的一項或多項的金屬陶瓷粉末，其特徵在於，所述基質金屬組合物包含20至33重量％，優選22至31重量％的鉻。
9.根據權利要求1至8的一項或多項的金屬陶瓷粉末，其特徵在於，所述基質金屬組合物包含4至15重量％，優選5至10重量％的鑰。
10.根據權利要求1至9的一項或多項的金屬陶瓷粉末，其特徵在於，所述基質金屬組合物包含0.7至3重量％，優選0.9至2.0重量％的銅。
11.根據權利要求1至10的一項或多項的金屬陶瓷粉末，其特徵在於，所述基質金屬組合物中鐵與鎳的重量比為1:2至2:1,優選1: 1.5至1.5:1。
12.根據權利要求1至11的一項或多項的金屬陶瓷粉末，其特徵在於，所述硬質材料是金屬碳化物，優選選自wc、Cr3C2、VC、TiC, B4C, TiCN, SiC, TaC, NbC, Mo2C以及它們的混合物。
13.根據權利要求12的金屬陶瓷粉末，其特徵在於，所述硬質材料是WC和/或Cr3C2。
14.根據權利要求1至13的一項或多項的金屬陶瓷粉末，其特徵在於，所述粉末具有10至100微米的平均粒度，根據ASTM C1070測定。
15.製造金屬陶瓷粉末的方法，其包括下列步驟: a)將一種或多種硬質材料粉末與粉末狀基質金屬組合物混合或研磨，所述粉末狀基質金屬組合物包含下列: i)40至75重量％的鐵和鎳， ii)18至35重量％的鉻， iii)3至20重量％的鑰， iv)0.5至4重量％的銅， 其中金屬i)至iv)的重量數據在每種情況中基於所述基質金屬組合物的總重量計，且其中鐵與鎳的重量比在3:1至1:3的範圍， b)燒結所述粉末混合物和 c)任選粉化在步驟b)中燒結的混合物。
16.根據權利要求15的方法，其特徵在於，所述燒結在減壓下和/或在保護氣體存在下進行，所述保護氣體優選選自氫氣、氬氣、氮氣及其混合物。
17.根據權利要求15或16的方法，其特徵在於，步驟a)中的混合通過分散在液體中進行。
18.根據權利要求17的方法，其特徵在於，通過分散在液體中混合後，通過除去所述液體緊接著造粒步驟，所述造粒步驟優選通過噴霧乾燥進行。
19.根據權利要求15至18的一項或多項的方法，其特徵在於，使用合金粉末作為基質金屬組合物。
20.根據權利要求1至14的一項或多項的金屬陶瓷粉末用於表面塗覆的用途。
21.根據權利要求20的用途，其特徵在於，所述表面塗覆通過熱噴塗法進行。
22.根據權利要求1至14的一項或多項的金屬陶瓷粉末作為熱噴塗粉末的用途。
23.製造塗覆部件的方法，所述方法包括通過熱噴塗根據權利要求1至14的一項或多項的粉末施加塗層。
24.可根據權利要求23的方法獲得的塗覆部件。
25.根據權利要求24的塗覆部件，其用於在腐蝕性環境條件下，特別在低於7的pH-值下和任選在氯離子存在下的磨損保護。
26.根據權利要求24的塗覆部件，其特徵在於，所述部件是與包含酸和/或氯離子的介質接觸的裝置的部件。
【文檔編號】B22F9/02GK103781929SQ201280043321
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年9月4日 優先權日:2011年9月6日
【發明者】S.齊默曼, B.格裡斯 申請人:H.C. 施塔克股份有限公司