專利名稱:含鉬、銅和硼的鐵合金的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于一種鐵合金的組成，它包含鉬、銅和硼，其特征在于改善了抗磨損和抗腐蝕性能，本發(fā)明還涉及熱噴鍍這種合金的方法。
熱噴鍍，也稱火焰噴鍍，包括使一種熱易熔材料例如金屬或陶瓷熱軟化，并將軟化了的顆粒狀的材料噴射到欲被涂覆的表面。被加熱的材料顆粒撞到激冷它們的表面并結(jié)合在該表面上。常規(guī)的熱噴鍍槍用來既加熱又推噴這些顆粒。有一種熱噴鍍槍，供給熱噴鍍槍的是粉末狀熱易熔材料。這種粉末一般由小顆粒組成，例如，在美國標準篩孔尺寸100目(149微米)至約2微米之間的小顆粒。
熱噴鍍槍通常利用燃燒或等離子火焰產(chǎn)生熱以熔化粉末顆粒。但熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人認識到，還可以利用其它的加熱手段，例如電弧、電阻加熱器或感應(yīng)加熱器，這些加熱器可單獨使用或與其它形式的加熱器組合使用。粉末型燃燒熱噴鍍槍中，用來運載和輸送粉末的載體氣體可以是某種燃燒氣，或一種惰性氣體例如氮，或僅僅是壓縮空氣。在等離子噴鍍槍中，基本等離子氣一般是氮或氬，常常在這種基本氣體中加入氫或氦。載體氣體一般與基本等離子氣體相同，盡管諸如碳氫化合物等其它氣體也可以在某些條件下使用。
材料可以以棒狀或線狀形式被送入加熱區(qū)域。對于線型熱噴鍍槍，把要被噴射的棒或線狀的材料送入由某種類型的火焰例如燃燒火焰形成的加熱區(qū)域中，在那里材料被熔化或至少被熱軟化并且通常是通過鼓風氣體使之霧化，然后以細小分散形式被推進到要涂覆的表面。在電弧線型噴涂槍中，二根線在它們端部之間的電弧放電中被熔化，通過壓縮氣體，通常是壓縮空氣，使這種熔化了的金屬霧化并噴射到需要涂覆的工件上。棒或線材可常規(guī)地通過拉撥成形，或可通過把粉末燒結(jié)在一起形成，或借助一種有機粘結(jié)劑或其它適宜的粘結(jié)劑粘結(jié)成形，這些粘結(jié)劑能在加熱區(qū)域的熱量中分解從而釋放出要被噴鍍的細小分散的粉末。
有一類稱為硬面合金可被用來制造涂層，例如通過熱噴鍍來形成涂層。這種鐵合金包含硼和硅，硼和硅在工藝過程中充當熔劑并在涂層中作為硬化劑。通常，合金涂層用于硬質(zhì)面層以提供抗磨性，特別是用于要求良好的表面光潔度的地方。
用于表面涂層的鐵合金可以包含鉻、硼、硅和碳，并可附加包含鉬和/或鎢。例如美國專利第4，064，608號揭示的鐵基硬面合金，其組成范圍如下(重量百分比)約0.5至3%的硅，約1至3%硼，0至3%的碳，約5至25%的鉻，0至15%的鉬，0至15%的鎢，其余基本上為鐵。該合金被應(yīng)用在楊琪造紙機的干燥器軋輥，包括在高溫潮濕、腐蝕條件中處理紙張。但這種合金在酸腐蝕和摩擦損耗方面不如期望的那么好。
在某些情況下，在含鉬合金中加入銅。美國專利第4，536，232揭示了一種鑄鐵合金為(重量百分比)約1.2至2的碳，1至4的鎳，1至4的鉬，24至32的鉻，最多達1的銅和最多達約1%的一種可包括硼的微量合金元素。
一個類似的鐵合金組可以非晶態(tài)存在，它們包含例如元素鉬和/或鎢，硼、硅和/或碳。這種非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的合金通過從熔體快速冷卻(淬冷)制備成，例如，如美國專利第4，116，682所描述的，非晶態(tài)的帶子可通過在一個激冷的表面上使熔態(tài)的合金流驟冷而制得。一種將這種合金加工為直接可用形態(tài)的實際方法是通過熱噴鍍來產(chǎn)生涂層。
上面提到的美國專利第4，116，682描述了一種非晶態(tài)金屬合金的Ma Tb Xc公式，其中M可以是鐵、鈷、鎳和/或鉻，T可包括鉬和鎢，X可包括硼和碳，后面X組的硼等等有最大為10的原子百分數(shù)，換算成非晶態(tài)合金中硼為約1.9%的重量百分數(shù)，這樣的硼含量在特性上比上述通常的硬面合金中的硼含量低。
美國專利第4，473，401號中描述了一種針對疲勞性能的非晶態(tài)鐵基合金，包含(原子百分比)25%或低于該值的硅;2.5至25%的硼，規(guī)定硅和硼的總量在17.5至35%的范圍內(nèi);1.5至20%的鉻;0.2至10%的磷和/或碳;低于或等于30%的至少一種在一個包括鉬和銅的12個元素的組中的元素;其余為鐵;最大有效值為Mo5%和銅25%。在轉(zhuǎn)換了單位之后銅的最大值為約重量的0.8%。這種類型的合金在抗磨和抗酸性腐蝕方面受到限制。
鐵基成份的意義在于它們的成本比鎳和鈷的合金低，但是，對于耐腐蝕、抗摩擦損耗和抗磨耗的綜合特性還期望進一步得到改善。
鑒于上述，本發(fā)明的一個主要目的是提供一種新穎的鐵合金組成，其特征是有綜合的抗腐蝕、抗磨損和抗磨耗性能。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種用于熱噴鍍工藝的非晶態(tài)合金。
本發(fā)明的另一個目的是提供生產(chǎn)抗腐蝕和抗磨涂層的改進的熱噴鍍工藝方法。
上述的和其它目的通過一種概括地有下列組成的合金來達到，按重量百分比0至40%鉻;
1至40%鉬，1至15%銅，0.2至5%硼，0至5%硅，0.01至2%碳，以及余量為附帶雜質(zhì)和至少30%鐵;如果硼為至少2%，鉬則為至少10%。
根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)展了一種具有高度的抗磨損和抗腐蝕性的合金材料。本合金特別適用于借助常規(guī)熱噴鍍設(shè)備向金屬基體上進行熱噴鍍。
本發(fā)明的合金成份大致在下列重量百分含量范圍內(nèi)0至40%鉻，1至40%鉬，1至15%銅，0.2至5%硼，0至5%硅，0.01至2%碳，以及余量為附帶雜質(zhì)和至少30%鐵;如果硼大于2%則鉬為至少10%。
在一種實例中，合金的硼含量比較低并能夠成為非晶態(tài)，其含量范圍如下0至40%鉻，1至30%鉬，1至15%銅，0.2至2%硼，0至3%硅，0.01至2%碳，以及余量為附帶雜質(zhì)和至少30%鐵;硼和碳的總量低于約3.0%。
該實例的較佳成份為20至30%鉻，1至20%鉬，2至8%銅，0.5至2%硼，0至1%硅，
0.01至1%碳，以及余量為附帶雜質(zhì)和至少50%鐵。
在第2個實例中，包含了更多的硼，同時可能成為非晶態(tài)的趨勢較小，其成份如下0至40%鉻，10至40%鉬，1至15%銅，2至5%硼，0至5%硅，0.01至2%碳，以及余量為附帶雜質(zhì)和至少30%鐵;
對于實例2的優(yōu)選組成為10至30%鉻，10至30%鉬，1至5%銅，3至4%硼，0至4%硅，0.01至1%碳，以及余量為附帶雜質(zhì)和至少50%鐵。
如實例2所表明的，鉬含量不象實施例1那樣低，而連帶著較高的硼含量。這樣，如果硼含量高于約2%，為了盡量增強它們綜合的抗磨耗和抗磨擦(滑動)磨損性能，鉬含量要高于10%。
可任選的元素為鎳、鈷和錳，總含量最多達約20%，更佳地為低于15%(以重量百分計)，以改善抗腐蝕性和延展性。其它可包含在組成中的可任選的元素為鋯、鉭、鈮、鎢、釔、鈦、釩和鉿，總含量最多達約30%，更佳地為低于10%(重量百分)，以形成碳化物并進一步改善抗磨耗和耐腐蝕性。進一步可任選的元素可以是磷、鍺和砷，總量最多達約2%，較佳地為低于1%，以降低熔點。此外，附帶雜質(zhì)應(yīng)少于約2%，更可取地為0.5%。
具有本發(fā)明成分的合金，特別是以涂層形態(tài)的，例如通過焊接或熱噴鍍工藝生產(chǎn)的這種合金，具有意外低的含氧量，甚至是在空氣中生產(chǎn)的也是如此。它們具有耐磨耗，耐附著(滑動)磨損和耐腐蝕的綜合特性，這對于鐵基合金是特別有用的。
本文上面所描述的具有較低硼含量的實例1的合金，如果通過淬冷來產(chǎn)生也很有可能以非晶態(tài)存在。這種非晶態(tài)進一步提高了上述的有益綜合特性。
雖然本發(fā)明的組成可能在鑄造、燒結(jié)或焊接、或作為一種淬冷的粉末或帶子等方面相當有用，但特別適合用作為一種由熱噴鍍生產(chǎn)的涂層。
作為熱噴鍍材料的組成應(yīng)呈合金形式(與多種組分的復(fù)合物不同)，因為從合金可得到所期望的最大的均質(zhì)性的優(yōu)點。適合于熱噴鍍用的合金粉末的顆粒大小和可流動性就是這樣的一種形式。這種粉末應(yīng)該在100目(美國標準篩孔尺寸)(149微米)至約2微米的范圍內(nèi)。例如，一種粗的級別可以是-140+325目(-105+44微米)，細的級別可為-325目(-44微米)+15微米。熱噴鍍材料可單獨使用或，例如作為一種粉末與另一種熱噴鍍粉末，諸如碳化鎢，混合使用。
在用于熱噴鍍時，合金熱噴鍍材料不需要具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，甚至可以有普通的宏觀晶體結(jié)構(gòu)，這是從一般生產(chǎn)過程中的常規(guī)冷卻速度下得到的。因而，熱噴鍍粉末可以通過使熔體霧化并在室溫下冷卻霧滴那樣的標準方法制得。然后熱噴鍍?nèi)刍勰╊w粒并在正被涂覆表面上冷卻，從而產(chǎn)生了一個可能是基本或完全非晶態(tài)的涂層，特別是當組成是落入第1種，即上面描述的低硼的實例時更是如此。利用常規(guī)的制選工藝過程，使熱噴鍍粉末的生產(chǎn)保持比較簡單并且使成本降低。
粉末以常規(guī)方式噴鍍，利用一種粉末型熱噴鍍槍，然而也能用塑料或類似的粘結(jié)劑將該粉末結(jié)合成復(fù)合線或棒，例如，用聚乙烯或聚氨酯，它們均在槍的加熱區(qū)域中分解。合金棒或線材也可用于線型熱噴鍍工藝。棒或線材應(yīng)具有常規(guī)尺寸并對于火焰噴鍍線材要有精確的允許公差，例如，它的尺寸可在6.4毫米和20號線規(guī)內(nèi)變動。
與已有的涂層相比本發(fā)明的合金呈現(xiàn)出在耐磨和抗腐蝕二方面都有明顯的改進。這種涂層特別適用于軸承和磨損表面，特別是對存在腐蝕條件的地方，例如，噴鍍楊琪造紙機干燥器的輥子;汽車和柴油發(fā)動機活塞環(huán);泵部件例如軸、套簡、封口、葉輪、氣缸接觸面、柱塞、彎可(Wankel)發(fā)動機部件例如殼體、尾板;以及機械零件例如氣缸內(nèi)襯、活塞、閥桿和水力夯錘等等。
例1根據(jù)本發(fā)明，一種通過氮氣使熔體霧化而制備的熱噴鍍合金粉末具有下列重量百分比成份17.6%鉻，9.8%鎳，3.4%鉬，3.2%銅，1.8%硼，0.05%碳，余量為鐵和附帶雜質(zhì)。
粉末篩分為約-170+325目(-105+44微米)和具有粗晶結(jié)構(gòu)，可由一種等離子槍噴鍍，這種等離子槍在美國專利第3，145，287中描述并由梅特科公司(Metco lnc.)銷售，型號為7MB，帶有一個6號粉末排口和GP噴管，使用的參數(shù)如下氬氣在6.7巴壓力和72標準立升/分鐘的流量下，氫氣在3.3巴壓力和9立升/分鐘流量下，電弧在80伏和500安培時，用9立升/分鐘流量的氬載體氣體以每小時3公斤的速率供給粉末，噴射距離為15厘米。使用了一對并行和毗連熱噴咀的空冷噴嘴?；w是由常規(guī)方法噴粒過的冷軋鋼。
產(chǎn)生的涂層厚度達1.3毫米，這些涂層根據(jù)X射線衍射測量為約有60%的非晶質(zhì)。氣孔率低于約0.5%，而氧含量低于約2%。硬度Rc32。
例2按同樣方法制備的第二種熱噴鍍合金粉末的成份如下16.3%鉻，15.6%鉬，3.1%銅，3.6%硼，3.9%硅，0.5%碳，余量為鐵和附帶雜質(zhì)。
粉末的尺寸與例1的相同并且以基本與例1相同的方法熱噴鍍，氣孔率低于約1%，氧含量由金相檢驗不出。硬度Rc為45，平均顯微硬度DPH(300)為700到800。
例3制備與例2成份相同的粉末，只是尺寸為-325目(44微米)+15微米。噴鍍槍的參數(shù)與例1給出的相同。氣孔率低于約1%，氧含量由金相檢驗不出，硬度Rc40，顯微硬度平均DPH(300)為700到800。
例4列在下面表1中的合金粉末，不屬本發(fā)明范圍，按例1的參數(shù)同樣地被制備和噴鍍。粉末合金號4、5、6和7具有與例1中給出的相同尺寸。合金粉末第8號較細，與例3給出的相同。
表1
8＊細粉末對例中的涂層進行抗腐蝕試驗，通過從基體上將涂層剝下讓它們在約25℃下暴露在25%的鹽酸溶液中三小時。測得的腐蝕速率為每年1毫米。
例中合金的抗磨耗性是通過將涂層試樣放到一滑動機械中，用150克53至15微米的氧化鋁研磨粉在500毫升水中的稀泥漿對鑄鐵板進行滑動試驗。施加3.3公斤/平方厘米的載荷并以122厘米/秒的速度移動表面20分鐘?？鼓バ员硎緸橐环N比率，即，一個同樣測試的被作為工業(yè)標準的熱噴鍍?nèi)刍繉覣MS4775A的損耗，對于每個例子的涂層損耗的比率。
例中合金的抗滑動磨損用由伊利諾斯州Downer Grove的Fayville-Levalle公司提供的Alpha LFW-1摩擦和磨損試驗機來測定，使用3.5厘米直徑的試驗環(huán)，在每分鐘197轉(zhuǎn)下加載45公斤旋轉(zhuǎn)12，000次。給出摩擦系數(shù)，并作為一種粘附不粘附的指標，如果存在任何粘附現(xiàn)象的話。
所有例舉合金對于上面所指試驗的結(jié)果示于表Ⅱ。
表Ⅱ
＊1、2和3為按照本發(fā)明的例子。
當參照具體實例對本發(fā)明作了上述詳細描述時，在本發(fā)明精神和附加權(quán)利要求
范圍內(nèi)的各種變動和變換對于熟悉本技術(shù)的人來講將變得很明顯。所以本發(fā)明僅受到附加的權(quán)利要求
或它們的等同物的限定。
權(quán)利要求
1.一種合金，其特征在于具有高的耐磨性和抗腐蝕性，基本包含(按重量百分比)0至40% 鉻，1至40% 鉬，1至15% 銅，0.2至5% 硼，0至5% 硅，0.01至2% 碳，以及余量為附帶雜質(zhì)和至少30%的鐵；如果硼大于2%則鉬為至少10%。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的合金，其特征在于，基本包含下列成分(重量百分比)0至40%鉻，1至30%鉬，1至15%銅，0.2至2%硼，0至3%硅，0.01至2%碳，以及余量為附帶雜質(zhì)和至少30%的鐵;硼和碳的總含量為小于約3.0%。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1的合金，其特征在于基本包含(重量百分比)0至40%鉻，10至40%鉬，1至15%銅，2至5%硼，0至5%硅，0.01至2%碳，以及余量為附帶雜質(zhì)和至少30%鐵。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2的合金，其特征在于基本包含(按重量百分比)10至30%鉻，1至20%鉬，2至8%銅，0.5至2%硼，0至1%硅，0.01%至1%碳，以及余量為附帶雜質(zhì)和至少50%鐵。
5.根據(jù)權(quán)利要求
3的合金，其特征在于基本包含(按重量百分比)10至30%鉻，10至30%鉬，1至5%銅，3至4%硼，0至4%硅，0.01至1%碳，以及余量為附帶雜質(zhì)和至少50%鐵。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1或2或3或4或5的合金，其特征在于進一步包含一定量的組元(按重量百分比)總重量最多達20%的一種或多種從包含鎳、鈷和錳的這個組中選出的第一元素;總重量最多達30%的一種或多種從包含鋯、鉭、鈮、鎢、釔、鈦、釩和鉿的這個組中選出的第二元素;以及總重量最多達2%的一種或多種從包含磷、鍺和砷的這個組中選出的第三元素。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6的熱噴鍍粉末，其特征在于其中附加的元素存在下列重量百分含量;總重量最多達15%的一種或多種從包含鎳、鈷和錳的這個組中選出的第一元素;總重量最多達10%的一種或多種從包含鋯、鉭、鈮、鎢、釔、鈦、釩和鉿的這個組中選出的第二元素;以及總量最多為1%的一種或多種從包含磷、鍺和砷的這個組中選出的第三元素。
8.按權(quán)利要求
2的合金，其特征在于該合金為熱噴鍍合金粉末形式。
9.按權(quán)利要求
3的合金，其特征在于該合金為熱噴鍍合金粉末形式。
10.按權(quán)利要求
4的合金，其特征在于該合金為熱噴鍍合金粉末形式。
11.按權(quán)利要求
5的合金，其特征在于其為熱噴鍍合金粉末形式。
12.按權(quán)利要求
8的合金粉末，其特征在于該合金有晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。
13.按權(quán)利要求
10的合金粉末，其特征在于該合金有晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。
14.一種熱噴鍍合金粉末，其特征在于能夠產(chǎn)生具有高耐磨性和耐磨蝕性的涂層，基本包含(按重量百分比)10至30%鉻，1至20%鉬，2至8%銅，0.5至2%硼，0至1%硅，以及0.01至1%碳;總量最多達15%的一種或多種從包含鎳、鈷和錳的這個組中選出的第一元素;總量最多達10%的一種或多種從包含鋯、鉭、鈮、鎢、釔、鈦、釩和鉿的組中選出的第二元素;總量最多達1%的一種或多種從包含磷、鍺和砷的這個組中選出的第三元素;余量為附帶雜質(zhì)和至少30%鐵;硼和碳的總量為少于約3%;以及合金粉末有基本為晶質(zhì)的結(jié)構(gòu)。
15.一種熱噴鍍合金粉末，其特征在于能夠產(chǎn)生具有高的耐磨性和耐腐蝕性的涂層，主要包含(按重量百分比)10至30%鉻，10至30%鉬，1至5%銅，3至4%硼，0至4%硅，以及0.01至1%碳;總量最多達15%的一種或多種從包含鎳、鈷和錳的這個組中選出的第一元素;總量最多達10%的一種或多種從包含鋯、鉭、鈮、鎢、鈦、釔、釩和鉿的這個組中選出的第二元素;總量最多達1%的一種或多種從包含磷、鍺和砷的這個組中選出的第三元素;以及余量附帶雜質(zhì)和至少30%的鐵。
16.一種熱噴鍍工藝方法，其特征在于包括熱噴鍍權(quán)利要求
1或3或5的合金以產(chǎn)生涂層的步驟。
17.一種熱噴鍍工藝方法，其特征在于包括熱噴鍍權(quán)利要求
9或11或15的合金粉末以產(chǎn)生涂層的步驟。
18.一種熱噴鍍工藝方法，其特征在于包括熱噴鍍權(quán)利要求
2或4的合金以產(chǎn)生非晶態(tài)合金涂層的步驟。
19.一種熱噴鍍工藝方法，其特征在于包括熱噴鍍權(quán)利要求
8或10或12或13或14的合金粉末以產(chǎn)生非晶態(tài)合金涂層的步驟。
專利摘要
本發(fā)明揭示了一種新穎的鐵基合金，其特征在于高的耐磨性和耐腐蝕性。該合金主要包含0-40％鉻，1-40％鉬，1-15％銅，0.2-5％硼，以及0.01-2％碳；余量為附帶雜質(zhì)和至少30％鐵，如果硼大于2％則鉬至少為10％。該合金更可取的是以粉末形式用于熱噴鍍，所產(chǎn)生的涂層可以有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
文檔編號C23C4/06GK86107901SQ86107901
公開日1987年5月20日 申請日期1986年11月21日
發(fā)明者米切爾·R·多夫曼, 蘇伯拉馬尼·蘭蓋思瓦米, 約瑟夫·D·里登, 約翰·H·哈林頓 申請人:帕金-埃爾默有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan