專利名稱：用于火焰噴涂的碳化鎢的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱噴涂，具體地說(shuō)，涉及適用于火焰噴涂的碳化鎢粉末。
熱噴涂包括使熱可熔材料諸如金屬、碳化物或陶瓷熱軟化，以及將軟化的顆粒狀材料噴射到所要涂布的表面。這些經(jīng)加熱的顆粒沖擊該表面，在那里，它們被激冷并被結(jié)合起來(lái)。一種常規(guī)的熱噴涂槍被用作將顆粒加熱和噴射的目的。在一種類型的熱噴涂槍中，將熱可熔材料以粉末狀態(tài)供應(yīng)給所述槍，該粉末通常由例如顆粒尺寸在100目美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)尺寸(150微米)和約5微米之間的小顆粒構(gòu)成。
這里所用的術(shù)語(yǔ)“火焰噴涂”具體指作為一組較廣的熱噴涂方法的燃燒噴涂方法。熱噴涂槍通常利用一種燃燒或等離子體火焰來(lái)產(chǎn)生用于熔解所述粉末顆粒的熱量。然而，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其他加熱裝置也可使用，諸如電弧、電阻加熱器或感應(yīng)加熱器，而這些裝置可被單獨(dú)或與其他形式加熱器結(jié)合使用。在粉末型燃燒火焰噴涂槍中，夾帶和運(yùn)輸粉末的載體氣體可以是一種燃燒氣體或一種惰性氣體諸如氮?dú)?，或者它干脆可以是壓縮空氣。在等離子體噴涂槍中，基本等離子氣體通常為氮?dú)饣驓鍤猓⑶覛錃饣蚝馔ǔ１患又粱練怏w中。
可將所述材料可選擇性地以棒狀或線狀送入加熱區(qū)中。在線型熱噴涂槍中，所要噴涂的材料棒或線被送入某些類型火焰，諸如燃燒火焰形成的加熱區(qū)中，在那里，它被熔化或至少熱軟化，并且通常被強(qiáng)射流氣體霧化，從而被以細(xì)分狀態(tài)噴射到所要涂布的表面上。所述棒或線可通常由拉延成形，或者可通過(guò)將粉末燒結(jié)在一起而成形，也可通過(guò)由一種有機(jī)粘合劑或其他合適的粘合劑將粉末結(jié)合在一起而成形，上述粘合劑在加熱區(qū)的熱量作用下會(huì)分解，由此釋放出粉末而被以細(xì)分狀態(tài)噴涂。
由于耐磨對(duì)于熱噴涂層來(lái)說(shuō)是一個(gè)通常的要求，因此碳化物粉末對(duì)噴涂來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。在高溫噴涂過(guò)程期間，不含任何粘合劑(“純凈的”)的碳化物，諸如碳化鎢會(huì)產(chǎn)生氧化并失碳。在美國(guó)專利3，419，415號(hào)中揭示了使這些影響減至最小的努力，其中，由碳化物和附加碳形成復(fù)合粉末。然而，該方法不是特別成功，并且顯然從沒在商業(yè)上發(fā)展過(guò)。
英國(guó)專利說(shuō)明書(專利號(hào)為867，455)提供了用于噴涂的、與噴焊自助熔合金粉末混合的、金屬結(jié)合的碳化物粉末。通常，涂層被隨后熔化，可熔性自助熔合金的加入不僅使工藝的時(shí)間和成本增加，而且導(dǎo)致涂層中的碳化物量較少。美國(guó)專利4，136，230號(hào)描述了在熔融火焰噴涂涂層中，自助熔合金基體中的碳化鎢顆粒的典型晶粒尺寸。
美國(guó)專利3，023，490號(hào)講述了一種包含在可熔合金基體中的碳化鎢大顆粒和小顆粒的涂層。該涂層是通過(guò)將在一種漿狀物中的粉末施面于基體上并在原位將涂層噴火熔化形成的;但這是一種不能與熱噴涂廣泛競(jìng)爭(zhēng)的方法。
因此，發(fā)展來(lái)用于熱噴涂的碳化鎢粉末通常要求粉末中具有添加材料粘合劑。首先，由于碳化鎢自身不能在火焰中適當(dāng)?shù)厝廴?，并且?duì)實(shí)際涂層來(lái)說(shuō)太脆，因此，在粉末中摻合入一種金屬諸如鈷或鎳。該粉末是通過(guò)與金屬熔合或燒結(jié)并且將產(chǎn)物粉碎(如上述英國(guó)專利所講述的那樣)而制得的。其次，燃燒火焰噴涂趨于使純凈金屬結(jié)合的碳化物粉末氧化和脫碳。熱噴涂也趨于使碳化物溶解入基體中。高速等離子氣體使這些影響減至最小，從而得到極好的效果。然而，對(duì)于燃燒火焰噴涂方法來(lái)說(shuō)，粉末通常是與另一種火焰噴涂材料摻合的。
當(dāng)在1960年左右發(fā)展等離子氣體和焊燃方法時(shí)，粉末諸如結(jié)合有鈷的碳化鎢(無(wú)混合物)的噴涂對(duì)于產(chǎn)生高耐磨性涂層來(lái)說(shuō)變得相當(dāng)成功。然而，用于這些方法的裝置是很貴的，并且不太輕便，從而限制了應(yīng)用。在不添加自助熔合金條件下噴涂高質(zhì)量的結(jié)合有鈷的碳化鎢涂層方面，更輕便的和更經(jīng)濟(jì)合理的燃燒火焰噴涂方法仍沒有取得普遍成功。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于熱噴涂的改進(jìn)的碳化物粉末，更具體地說(shuō)，是提供一種不需要附加劑的適用于火焰噴涂的新穎的鈷結(jié)合的碳化鎢粉末，以及提供一種制造該粉末的新方法。
借助于由本發(fā)明方法制造的鈷結(jié)合的碳化鎢粉末，可達(dá)到上述和其他目的;該方法包括制備一種混合物，所述混合物基本上由顆粒尺寸為-5微米的第一碳化鎢粉末、顆粒尺寸為-44′20微米的第二碳化鎢粉末、顆粒尺寸為-5微米的鈷粉末以及顆粒尺寸為-1微米的碳粉末構(gòu)成?；旌衔锏谋壤秊?0%至30%第一碳化鎢、40%至80%第二碳化鎢、8%至25%鈷和0.5至3%(以重量計(jì)，總共為100%)。對(duì)混合物進(jìn)行處理是通過(guò)壓縮所述混合物以得到一種壓縮產(chǎn)物、燒結(jié)所述壓縮產(chǎn)物以得到一種燒結(jié)產(chǎn)物、粉碎所述燒結(jié)產(chǎn)物以得到一個(gè)粉碎產(chǎn)物、以及將粉碎產(chǎn)物分粒以得到尺寸范圍為-150′5微米的結(jié)合有鈷的碳化鎢粉末而進(jìn)行的。較佳的是，進(jìn)行這樣的燒結(jié)，使得產(chǎn)生在鈷基體中的碳化鎢晶體，其尺寸主要為-30′1微米。
根據(jù)本發(fā)明，通常利用兩種尺寸的起始碳化鎢粉末來(lái)制得一種混合的粉末，所述碳化鎢最好是WC，但也可為W2C或這兩種物質(zhì)的共晶體等，并且它們不需要彼此相同。第一碳化物是很細(xì)的，顆粒尺寸小于約5微米。第二碳化鎢粉末相對(duì)來(lái)說(shuō)較粗，顆粒尺寸基本上為-44′10微米。將這些起始物與顆粒尺寸為-5微米的鈷粉末混合。進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，顆粒尺寸為-1微米的碳粉末被包括在混合物中。
較好的是，第一碳化鎢粉末的顆粒尺寸為約0.3至1.2微米，第二碳化鎢粉末的顆粒尺寸為約20至30微米，鈷粉末的顆粒尺寸為小于約1.5微米，而碳粉末的顆粒尺寸為小于0.5微米。另外，最好以約21%第一碳化鎢、60%第二碳化鎢、18%鈷和1%的比例來(lái)制備所述混合物。
所述混合物的比例應(yīng)為約10%至30%第一碳化鎢、40%至80%第二碳化鎢、8%至25%鈷和0.5至3%碳(重量，總共為100%)。所述混合物可選擇性地可由機(jī)械方法攪拌，諸如通過(guò)碾磨成一種足夠能使配料徹底和完全混合的混合產(chǎn)物。然后，將所得粉末壓縮成合適尺寸的燒結(jié)產(chǎn)物坯料，并進(jìn)行燒結(jié)。
碾磨、壓縮和燒結(jié)通常是根據(jù)用來(lái)制造工具坯料的常規(guī)實(shí)踐來(lái)進(jìn)行的，不同之處在于燒結(jié)時(shí)間和溫度應(yīng)得到特別的關(guān)注。燒結(jié)應(yīng)如此進(jìn)行，使得能產(chǎn)生一種由硬的致密聚集體形成的燒結(jié)產(chǎn)物，其中，碳化鎢晶體在鈷基體中的生長(zhǎng)最小。所得在鈷基體中的碳化鎢晶體的尺寸應(yīng)主要為-30′1微米，最好為2-10微米，并且基本上無(wú)超過(guò)30微米的顆粒。該結(jié)構(gòu)主要通過(guò)溶入基體的細(xì)的第一碳化物顆粒和部分溶解以使尺寸減小的較大的第二碳化物顆粒而產(chǎn)生。也可預(yù)料有一些加入的碳溶解和/或與其他組份反應(yīng)。
由常規(guī)滾軋碾磨機(jī)粉碎燒結(jié)產(chǎn)物，從而產(chǎn)生盡可能與最終尺寸接近的粉碎產(chǎn)物。通過(guò)諸如淘分、旋風(fēng)分離和/或篩分來(lái)進(jìn)行分粒，從而產(chǎn)生最終級(jí)別的結(jié)合有鈷的碳化鎢粉末，其尺寸一般應(yīng)在通常與火焰噴涂粉末有關(guān)的尺寸范圍內(nèi)，即-150′5微米，最好為-53′10微米?？晒┻x擇的是，對(duì)于非常細(xì)密的結(jié)構(gòu)(texture)涂層，所希望的粉末顆粒尺寸為-44′5微米。
可用任何常規(guī)熱噴涂槍進(jìn)行噴涂，但本發(fā)明的粉末特別適用于采用燃燒火焰噴涂槍噴涂?？赏ㄟ^(guò)常規(guī)噴砂制備基體表面諸如鋼，盡管涂層具有與鋼板自結(jié)合性而可將薄涂層施加于光滑清潔的表面上。直至1.5mm厚的涂層都可被施加于平的經(jīng)噴砂的碳鋼板上。
采用粉末型熱噴涂槍，本發(fā)明的粉末能以常規(guī)方式噴涂。但是采用能在槍的加熱區(qū)中分解的塑料或類似粘合劑諸如聚乙烯或聚氨脂來(lái)將其結(jié)合成復(fù)合物線或棒也是可能的。所述棒或線應(yīng)具有常規(guī)的尺寸和精度公差(對(duì)于火焰噴涂線來(lái)說(shuō))，因此，例如，其尺寸可在6.4mm和20號(hào)線規(guī)(gauge)間變化。
得到了具有高結(jié)合強(qiáng)度和良好耐磨性、耐低角磨蝕和腐蝕性的高質(zhì)量涂層。其典型的應(yīng)用是風(fēng)扇葉片、泵蓋、導(dǎo)絲器、導(dǎo)線拉延絞盤和心軸?；鹧鎳娡繕尩妮p便性使得能在野外施加涂層。下列例子是為了描述，而不是為了對(duì)其限制。
例子制備由21%(重)第一結(jié)晶碳化鎢(WC)(顆粒度為0.3至1.2微米)、60%(重)第二結(jié)晶碳化鎢(WC)(顆粒度為20至30微米)、18%(重)純度為99+%的鈷粉末(顆粒度小于1.5微米)和1%(重)石墨態(tài)碳(顆粒度小于0.5微米)構(gòu)成的粉末混合物。將所得粉末壓縮成坯料，在1300℃下在真空中燒結(jié)30分鐘。然后用常規(guī)軋輥粉碎機(jī)在2至3個(gè)輥?zhàn)咏M中將燒結(jié)產(chǎn)物粉碎，去除粗顆粒，并篩分至-53′10微米。其顆粒度分布為約80%+44微米和20%-44微米。所得粉末含有約74%鎢、21%鈷和5%碳，其中游離碳的含量在0.33%和0.5%之間(以所有產(chǎn)物計(jì))。
采用一個(gè)P7 C-D噴嘴和一個(gè)在6.4cm處的十字噴口中通過(guò)壓力為50psi(3.5kg/cm2)的空氣的空氣噴射裝置，使用由Perkin-Elmer公司，Westbury NY銷售的Metco Type 6P火焰噴涂槍將得到的粉末進(jìn)行火焰噴涂。氧氣流速在壓力35psi(2.5kg/cm2)下為29 l/min(標(biāo)準(zhǔn))，乙炔流速在壓力15psi(1.0kg/cm2)下為22l/min)。采用一具M(jìn)etco Type 3MP粉末送料器，在壓力為55psi(3.9kg/cm2)下的氮?dú)廨d體流速為7.11/min，其噴涂率為4.5kg/hr。噴涂距離為8cm，沉積率為80%。
噴砂鋼上的結(jié)合強(qiáng)度超過(guò)8000psi(562kg/cm2)，涂層密度為12.5gm/cc，孔隙率為小于2%。不溶解的碳化鎢量(金相學(xué)上可見)為17-20%。宏觀硬度為洛氏56-59，顯微硬度為DPH850-950。當(dāng)測(cè)得噴涂涂層為350-450微英寸時(shí)，采用金剛石砂輪磨削涂層小于4微英寸。
耐磨損性是按照下列程度測(cè)量的1.采用超測(cè)微計(jì)，在四個(gè)位置測(cè)量試樣的厚度(包括涂層)，并記錄讀數(shù)。通過(guò)在試樣的邊緣標(biāo)上記號(hào)或數(shù)字而確定四個(gè)點(diǎn)的位置，以作進(jìn)一步測(cè)量。
2.采用分析天平，準(zhǔn)確稱量各個(gè)試樣，并記錄其重量。
3.將一具驅(qū)動(dòng)裝置插入鉆床心軸。
4.將一具臺(tái)秤放在鉆床臺(tái)面上。將鉆臺(tái)臂(手柄)向下拉至一個(gè)水平位置，并將其鎖在原位。
5.升高鉆床臺(tái)面，并將1400克載荷加至手柄上。
6.放開鉆床心軸，將重量掛在壓力臂上。
7.移去臺(tái)秤。
8.升高心軸，并用3.18cm空白銷代替對(duì)準(zhǔn)銷。
9.將兩個(gè)試樣放在一磨損軌道上，降低所述心軸，直到驅(qū)動(dòng)銷進(jìn)入所述試樣的驅(qū)動(dòng)孔中，鎖在原處，在試樣上不加載。
10.起動(dòng)鉆床，在槽中傾注入徹底混合的氧化鋁研磨劑粉末漿狀物，這是在500cc水中含有顆粒度為-53微米+15微米的150克研磨劑的漿狀物。放開鎖住的心軸，使1400克的載荷施加上去。記下起動(dòng)的時(shí)間。
11.使試驗(yàn)運(yùn)行10分鐘。
12.移下試樣，并在溶劑中將其洗滌，稱量并測(cè)量厚度，記錄讀數(shù)，以與起始讀數(shù)比較。
13.將試驗(yàn)運(yùn)行三次，并將結(jié)果平均。
相對(duì)于12%鈷結(jié)合的碳化鎢的Metco73F-NS常規(guī)等離子噴涂涂層，進(jìn)行耐磨性比較。測(cè)量結(jié)果表明，常規(guī)涂層損失為本例子碳化物涂層厚度損失的1.1倍，體積損失為0.8倍。
通過(guò)將在壓力為60psi(4.2kg/cm2)的壓縮空氣中的顆粒度為-53′15微米的氧化鋁經(jīng)過(guò)直徑為3.3mm的噴嘴以各種角度噴射到噴層表面上，測(cè)量磨蝕性能，20°角度下的體積損失為0.39(10-4cm3)，45°下為0.44，90°下為1.23。常規(guī)73F-NS的對(duì)照結(jié)果分別為0.39、0.62和1.12。
因此，通過(guò)將本發(fā)明的粉末進(jìn)行火焰噴涂而得到一鈷結(jié)合的碳化鎢涂層，它們的性能與現(xiàn)有技術(shù)等離子體碳化物涂層相當(dāng)相似?？梢灶A(yù)料，本發(fā)明的粉末已按照包括制造粉末的方法得到最好的描述。這特別是因?yàn)榧?xì)顆粒度的第二碳化鎢起始物粉末溶于鈷基體中而變得不能分辨。因此業(yè)已發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明方法制備的粉末引起火焰噴涂涂層質(zhì)量的極大改善。
盡管上面已參考具體實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，對(duì)那些該領(lǐng)域的熟練人員來(lái)說(shuō)，落在本發(fā)明精神和所附權(quán)利要求范圍中的各種變化和改進(jìn)將會(huì)是顯而易見的。因此，本發(fā)明只是規(guī)定為受到所附權(quán)利要求書或它們的等同物的限制。
權(quán)利要求
1.一種適用于火焰噴涂的鈷結(jié)合的碳化鎢粉末的制造方法，其特征在于它包括制備基本上由顆粒度為-5微米的第一碳化鎢粉末、顆粒度為-44+10微米的第二碳化鎢粉末、顆粒度為-5微米的鈷粉末和顆粒度為-1微米的碳粉末構(gòu)成的混合物，所述混合物的比例為約10%至30%第一碳化鎢、40%至80%第二碳化鎢、8%至25%鈷和0.5至3%碳(總共100%，以重量計(jì))，和通過(guò)壓縮所述混合物以產(chǎn)生一種壓縮產(chǎn)物、燒結(jié)所述壓縮產(chǎn)物以產(chǎn)生一種燒結(jié)產(chǎn)物、粉碎所述燒結(jié)產(chǎn)物以產(chǎn)生一種粉碎產(chǎn)物、以及分粒所述粉碎產(chǎn)物以產(chǎn)生鈷結(jié)合的碳化鎢粉末，來(lái)對(duì)混合物進(jìn)行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第一碳化鎢粉末的顆粒度為約0.3至1.2微米，第二碳化鎢粉末的顆粒度為約20至30微米，所述鈷粉末的顆粒度為小于約1.5微米，而所述碳粉末的顆粒度為小于約0.5微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述混合物是以比例為約21%第一碳化鎢、60%第二碳化鎢、18%鈷和1%碳制備的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述混合物是以比例為約21%第一碳化鎢、60%第二碳化鎢、18%鈷和1%碳制備的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于燒結(jié)是這樣進(jìn)行的，以在鈷基體中產(chǎn)生碳化鎢晶體，所述晶體的大小主要為-30′1微米。
6.一種適用于火焰噴涂的鈷結(jié)合的碳化鎢粉末的制造方法，其特征在于它包括制備由顆粒度為約0.3至1.2微米的第一碳化鎢粉末、顆粒度為約20至30微米的第二碳化鎢粉末、顆粒度為小于約1.5微米的鈷粉末和顆粒度為小于約0.5微米的碳粉末構(gòu)成的混合物，所述混合物的比例為約21%第一碳化鎢、60%第二碳化鎢、18%鈷和1%碳，和通過(guò)壓縮所述混合物以產(chǎn)生一種壓縮產(chǎn)物、燒結(jié)所述壓縮產(chǎn)物以產(chǎn)生一種燒結(jié)產(chǎn)物、粉碎所述燒結(jié)產(chǎn)物以產(chǎn)生一種粉碎產(chǎn)物、和分粒所述粉碎產(chǎn)物以產(chǎn)生鈷結(jié)合的碳化鎢粉末，其中所述燒結(jié)是這樣進(jìn)行的，使得在鈷基體中產(chǎn)生碳化鎢晶體，而所述晶體的大小主要為-30′1微米。
7.一種適用于火焰噴涂的鈷結(jié)合的碳化鎢粉末，其特征在于它包括在鈷基體中的碳化鎢晶體，所述晶體的大小主要為-30′1微米，并且所述鈷結(jié)合的碳化鎢粉末是由權(quán)利要求1或2或3或4或6的方法制備的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鈷結(jié)合碳化鎢粉末及其制備方法，它是通過(guò)制備一種由10％至30％顆粒度為-5微米的第一碳化鎢粉末、40％至80％顆粒度為-4410微米的第二碳化鎢粉末、8％至25％顆粒度為-5微米的鈷粉末和0.5至3％顆粒度為-1微米的碳粉構(gòu)成的混合物而產(chǎn)生的，并通過(guò)壓縮、燒結(jié)、粉碎和分粒而對(duì)混合物進(jìn)行處理，從而產(chǎn)生一種顆粒度在-10010微米范圍中的鈷結(jié)合碳化鎢粉末。
文檔編號(hào)C22C1/05GK1039849SQ8910364
公開日1990年2月21日 申請(qǐng)日期1989年5月25日 優(yōu)先權(quán)日1988年6月2日
發(fā)明者米奇爾·R·多佛邁 申請(qǐng)人:帕金-埃爾默有限公司