專利名稱：用于底材的無鉻涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無鉻金屬涂層組合物、以及用于形成該涂層組合物的熱噴涂絲。
背景技術(shù)：
在本發(fā)明以前，在耐高溫腐蝕的金屬涂層中難免使用鉻。由于鉻會對人類和環(huán)境造成危害，因而在涂裝工藝中不希望使用鉻。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一實施方式中提供了一種用于形成金屬無鉻涂層的前體材料復(fù)合物。 在本發(fā)明的另一實施方式中，該前體材料采用復(fù)合絲。在本發(fā)明的又一實施方式中，可由該復(fù)合絲形成金屬無鉻涂層。一般而言，無鉻金屬涂層前體包括基本金屬成分、硅成分、鈦成分、以及硼成分?；窘饘俪煞值闹亓堪俜直戎辽偌s為M%。基本金屬成分選自鐵、鎳、鈷、鉛、鋅、銅、錫和鋁中的至少一種，且始終包括占涂層前體質(zhì)量至少約為(重量百分比)的合金鋁及/或硅。 硅、鈦和硼成分的重量百分比均約為-15%?？筛鶕?jù)本發(fā)明的另一實施方式而在復(fù)合絲中加入上述成分。該復(fù)合絲通常包括重量百分比為70-95%的金屬外護套、以及重量百分比約為5-30%的內(nèi)芯。金屬外護套優(yōu)選包括重量百分比至少約為70%的易于被軋制和拉制成護套的基本金屬、以及重量百分比至少約為2%的合金鋁及/或硅。在本發(fā)明的一實施方式中，內(nèi)芯包括約為15-30%的鈦、約為15-35%的硅、約為20-50%的硼、以及0-15%的碳，這些成分均優(yōu)選以粒子的形式存在。可采用熱噴涂技術(shù)而使復(fù)合絲在底材上形成本發(fā)明所述的金屬無鉻涂層。按重量百分比計，無鉻涂層組合物通常大體上包括約為60-90%的基本金屬、至少約為2%的鋁、 約為2-10%的鈦、約為2-10%的硅、以及約為2-10%的硼。該涂層在高溫下耐磨耐蝕。


附圖用圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的復(fù)合絲。
具體實施例方式在下文的描述中，給出的所有百分比均為重量百分比，除非另有說明。在本發(fā)明中，對用于形成無鉻涂層的前體材料、優(yōu)選以復(fù)合絲形式存在的前體材料、以及由該絲形成的涂層作出了說明。一般而言，無鉻金屬涂層前體包括以合金、混合物或復(fù)合物的形式存在的基本金屬成分、硅成分、鈦成分、以及硼成分?；窘饘俪煞值闹亓堪俜直戎辽偌s為M%?；窘饘俪煞滞ǔ＿x自鐵、鎳、鈷、鉛、鋅、銅、錫和鋁中的至少一種，且始終包括占涂層前體質(zhì)量至少約為(重量百分比)的合金鋁及/或硅。硅、鈦和硼成分的重量百分比均約為1%-15%。在無鉻涂層前體中，基本金屬通常占涂層前體質(zhì)量的至少約為68% (重量百分比)，且其中合金鋁及/或硅成分的重量百分比至少約為2%。硅、鈦和硼的重量百分比均約為 2% -10%。 優(yōu)選地，在無鉻涂層前體中，基本金屬成分的重量百分比至少約為76%，且基本金屬成分選自鐵、鎳、鈷和鋁的至少一種?；窘饘俪煞质且环N混合物或合金，優(yōu)選為合金，且始終包括占涂層前體質(zhì)量至少約為3% (重量百分比)的鋁。硅、鈦和硼優(yōu)選以粒子團的形式存在，百分比約為4-7%，且優(yōu)選作為由基本金屬成分形成的復(fù)合絲的內(nèi)部。通過傳統(tǒng)的電弧噴涂裝置來進絲，即可由本文所述的復(fù)合絲而形成本發(fā)明所述的涂層。復(fù)合絲10通常包括重量百分比為70%-95%的金屬外護套20以及重量百分比約為5 % -30 %的內(nèi)芯30。在一優(yōu)選實施方式中，復(fù)合絲包括重量百分比約為75 % -85 %的金屬外護套以及重量百分比約為15% -25%的內(nèi)芯。金屬外護套優(yōu)選包括重量百分比至少約為70%的易于被軋制和拉制成護套的基本金屬、以及重量百分比至少約為2%的合金鋁及/或硅。也可只將鋁作為基本金屬。在本發(fā)明的一實施方式中，內(nèi)芯包括約為15-30%的鈦、約為15-35%的硅、約為20-50%的硼、以及0-15%的碳，均優(yōu)選以粒子混合物的形式而存在，這些粒子優(yōu)選呈粉末狀。鈦、硅和硼可存在于含有另外元素的化合物的混合物中?；窘饘賰?yōu)選為一種相對較軟的基本金屬或合金，例如至少為鎳、鐵或鈷之一。優(yōu)選為鎳，且外護套最優(yōu)選包括鎳和鋁的合金。示例性的材料包括重量百分比約為70% -98%的鎳、以及重量百分比約為2% -30%合金鋁及/或硅，優(yōu)選地，鎳的重量百分比約為85%-98%、以及合金鋁及/或硅的重量百分比約為2%-15%，且最優(yōu)選地，鎳的重量百分比約為90% -97%、以及合金鋁的重量百分比約為3% -10%。內(nèi)芯優(yōu)選包括約為20% -30%的鈦、約為20% -30%的硅、約為30% -40 %的硼、以及約為0% -15%的碳。如果需要，通常以碳化物形式存在的碳可存在于內(nèi)芯中，但是由于它可能不存在于涂層組合物中，或者至少其存在的數(shù)量不足以影響其性能，因而它不是本涂層發(fā)明要考慮的材料。可通過適當(dāng)數(shù)量的TiSi源來提供鈦和硅，例如含量約為50% -60%的TiSi源，該TiSi源例如可以是由TiSii^e與一種硼源以及可選的碳構(gòu)成的混合物，例如百分比約為40% -50%的B4C。內(nèi)芯也可包括另外的材料。這些另外的材料可包括碳化物，例如碳化鎢、碳化鈦、碳化釩等；氧化物，例如氧化鋁、氧化鋯等；以及硼化物，例如硼化鎳、硼化鐵等。內(nèi)芯也可包括另外的金屬粉末，例如鋁、鎳、或合金粉末，或諸如碳化鎢鎳的復(fù)合粉末。例如，內(nèi)芯可包括約為0. -10%的鉬、約為0. 1% -10%的鎢、約為0. 1% -10%的釹、以及約為0. -10%的碳。此外，在內(nèi)芯中可含有包括鎂、磷、釩、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋯、鈮、鉬、鉭及/或鎢的金屬或金屬合金粉末，含量例如約為0. 1% -10%。此外，可將上文所列的芯成分在護套內(nèi)混合成合金，此時該成分無需存在于內(nèi)芯中，或其數(shù)量可減少。例如，可將重量約為復(fù)合絲重量的2%-10%的鈦、硅和硼在護套內(nèi)混合成合金。鋁成分可以類似的方式存在于內(nèi)芯中而非護套中。粉末內(nèi)芯的粒度將會對所涂覆的涂層的物理性能產(chǎn)生影響。通常粉末粒子越細，涂層就越均勻，且耐磨耐蝕性能一般就越好。然而，制造成本和制造條件約束將會限制粒度范圍的下限?？赏ㄟ^傳統(tǒng)方式形成有芯的絲，即芯絲，方法是將用于形成內(nèi)芯的無需呈凝聚態(tài)
5的混合物置于將被制成外金屬護套的條狀物上。該條狀物可通過連續(xù)多次的拉絲延模而在內(nèi)芯周圍形成外絲護套。芯絲的最終外徑將取決于其用途。對于大多數(shù)應(yīng)用，芯絲的最終直徑約為0. 8-6. 4mm。傳統(tǒng)的芯絲制造技術(shù)在美國專利No. 6，156，443 (Dallaire等人)和 No. 6，513，728 (Hughes等人)中公開，且二者均作為參引合并于本文中。除上文所討論的復(fù)合絲之外，本發(fā)明還提供了一種在底材上形成耐磨耐蝕涂層的方法。該方法通常包括用于制造具有由金屬或合金形成的外護套以及粉末內(nèi)芯的復(fù)合絲所需的步驟，以及通過熱噴涂技術(shù)而使復(fù)合絲形成熔融金屬涂層，從而對底材進行涂裝。由于本發(fā)明的絲不能通過普遍可利用的技術(shù)而被焊接，因而必須通過非焊接方法來形成熔融涂層。按重量百分比計，所得到的熔融金屬無鉻涂層組合物大體上通常包括約為 60% -90%的基本金屬、至少約為2%的鋁、約為2% -10%的鈦、約為2% -10%的硅、以及約為2%-10%的硼?；窘饘賰?yōu)選地選自鎳、鐵和鈷中的至少一種，最優(yōu)選為鎳。如果需要，涂層中可包括另外的成分，這些另外的成分例如選自包括約為0. 1% -10%的鐵、約為 0. 1% -10%的鉬、約為0. 1% -10%的鎢、以及約為0% -10%的碳。本發(fā)明所述的涂層特別用于受磨損及/或腐蝕的物品。這類物品例如包括爐管、 液壓活塞桿、泵殼、造紙和鋼鐵工業(yè)中的滾筒、耐磨板、軸頸和軸、以及渦輪葉片和罩殼。在一應(yīng)用中，本發(fā)明的涂層用于保護爐管免受侵蝕性腐蝕的損耗，且通過傳統(tǒng)的電弧噴涂裝置而被涂覆在爐管上。然而，由下文中的描述可知，也可通過以絲作為進料的其他熱噴涂裝置而將涂層涂覆在爐管上。電弧噴涂的方法和裝置在本技術(shù)領(lǐng)域中有大量的文獻報導(dǎo)，例如參見美國專利No. 6，156，443 (Dallaire等人)和No. 5，837，326 (Dallaire等人)，以及歐洲專利No. EP 0522 438 (Zurecki等人)，這些專利均作為參引合并于本文中。實施例
根據(jù)下列組合物形成復(fù)合絲
16wt%芯材料
43wt% B4C(79wt% B,21wt% C)
57wt% TiSiFe (44wt% Ti,44wt% Si, IOwt% 6，2界1%其他元素)
芯組合物(基于基本元素)
34wt% B
9wt% C
25wt% Ti
25wt% Si
6wt% Fe
Iwt %其他元素
套材料
95wt% Ni
5wt% Al
復(fù)合絲組合物(基于基本元素)
79. 8wt% Ni
4. Iwt % Si
4.Iwt %Al
1.2wt%Fe
0.7wt%C
6.Iwt %B
3.8wt%Ti
權(quán)利要求
1.一種無鉻金屬涂層前體，包括重量百分比至少約為的基本金屬，所述基本金屬選自鐵、鎳、鈷、鉛、鋅、銅、錫和鋁的至少一種，且所述涂層前體始終包括重量百分比至少約為的鋁； 重量百分比約為-15%的硅； 重量百分比約為-15%的鈦；以及重量百分比約為-15%的硼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無鉻涂層前體，包括重量百分比至少約為68%的基本金屬，所述基本金屬選自鐵、鎳、鈷、鉛、鋅、銅、錫和鋁的至少一種，且所述基本金屬始終包括重量百分比至少約為2%的合金鋁及/或硅； 重量百分比約為2% -10%的硅； 重量百分比約為2% -10%的鈦；以及重量百分比約為2% -10%的硼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無鉻涂層前體，包括重量百分比至少約為76%的基本金屬，所述基本金屬選自鐵、鎳、鈷和鋁的至少一種， 且所述基本金屬始終包括重量百分比至少約為3%的合金鋁； 重量百分比約為3% -7%的硅； 重量百分比約為3% -7%的鈦；以及重量百分比約為3%-7%的硼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無鉻涂層前體，包括鎳、鐵及/或鈷與鋁構(gòu)成的合金，以及硅、 鈦和硼的粒子團。
5.一種熔融無鉻金屬涂層組合物，按重量百分比計大體上包括重量百分比約為70% -90%的基本金屬，所述基本金屬選自鐵、鎳、鈷、鉛、鋅、銅、錫和鋁的至少一種，且所述金屬組合物始終包括重量百分比至少約為2%的鋁、重量百分比約為 2% -10%的鈦、重量百分比約為2% -10%的硅、以及重量百分比約為2% -10%的硼。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熔融無鉻金屬涂層組合物，包括重量百分比范圍約為 2% -10%的鋁。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熔融無鉻金屬涂層組合物，其中，所述至少一種基本金屬選自鎳、鐵和鈷。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熔融無鉻金屬涂層組合物，其中，所述基本金屬包括鎳； 所述組合物按重量百分比計還包括至少一種另外的成分，所述成分選自重量百分比約為 0. 1% -10%的鐵、重量百分比約為0. 1% -10%的鉬、以及重量百分比約為0. 1% -10%的鎢。
9.一種基本上無鉻的用于在底材上形成耐磨耐蝕涂層的復(fù)合絲，所述復(fù)合絲包括重量百分比范圍約為70% -95%的金屬外護套、以及重量百分比范圍約為5% -30%的粒子內(nèi)芯； 其中，所述金屬外護套包括重量百分比至少約為70%的基本金屬、以及重量百分比至少約為2%的合金鋁及/或娃；且其中，所述內(nèi)芯或粒子包括重量百分比范圍約為15% -30%的鈦；重量百分比范圍約為15% -35%的硅；重量百分比范圍約為20% -50%的硼；以及重量百分比范圍約為0% -15%的碳。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的復(fù)合絲，其中，所述基本金屬包括鎳、鐵和鈷中的至少一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種復(fù)合絲，其中，所述外護套包括鎳和鋁及/或硅的合金。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的復(fù)合絲，其中，所述外護套包括重量百分比范圍約為85% -98%的鎳、以及重量百分比范圍約為2% -15%的合金鋁及/或硅。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的復(fù)合絲，其中，所述外護套包括重量百分比范圍約為90% -97%的鎳、以及重量百分比范圍約為3% -10%的合金鋁。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的復(fù)合絲，其中，所述內(nèi)芯包括重量百分比范圍約為20% -30%的鈦；重量百分比范圍約為20% -30%的硅；重量百分比范圍約為30% -40%的硼；以及重量百分比范圍約為0% -15%的碳。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的復(fù)合絲，其中，所述內(nèi)芯包括下列物質(zhì)的混合物重量百分比范圍約為50% -60%的TiSi源，以及重量百分比范圍約為40% -50%的B4C。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的復(fù)合絲，包括重量百分比范圍約為80%-90%的金屬外護套、以及重量百分比范圍約為10% -20%的內(nèi)芯。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的復(fù)合絲，還包括重量百分比范圍約為0.的鉬、重量百分比范圍約為0. 1% -10%的鎢、以及重量百分比范圍約為0. 1% -10%的碳。
18.一種用于在底材上形成耐磨耐蝕涂層的方法，包括以下步驟提供權(quán)利要求9所述的復(fù)合絲，以及使用所述絲來形成涂層。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，使用所述絲來形成所述涂層的所述步驟包括將所述絲熱噴涂到所述底材上。
全文摘要
摘要本發(fā)明公開了一種優(yōu)選為復(fù)合絲的無鉻混合物或合金，用于例如通過熱噴涂技術(shù)而在底材上形成一種耐磨耐蝕的涂層。該涂層由于其物理性能而尤其適用于高溫侵蝕性腐蝕環(huán)境。最終涂層呈現(xiàn)出良好的硬度、韌性和粘結(jié)特性。復(fù)合絲包括金屬外護套和內(nèi)芯，且可形成無鉻涂層，該涂層按重量百分比計大體上包括60％-90％的基本金屬、2％-10％的鈦、2％-10％的硅、以及2％-10％的硼，其中，該基本金屬包括至少2％的鋁及/或硅。
文檔編號B05C5/04GK102387870SQ201080013473
公開日2012年3月21日 申請日期2010年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者邁克·W·塞茨 申請人:阿爾斯托姆科技有限公司