TWI258509B - Corrosion resistant powder and coating - Google Patents

Description

1258509 (1) 政、發明說明 [^明所屬之技術領域】 本發明係關於一種鉻-鎢或鎢-鉻合金粉末，其可用以 幵多）¾具有腐蝕與磨損性質之卓越組合的塗層或物件。 【先前技術】 硬表面塗層金屬與合金係已知的。例如，許多年來銘^ 金屬已用作爲電鑛塗層以使磨損或受損部分恢復其原始尺 寸’而增加磨損與抗腐蝕性，且可用以降低摩擦。然而， 硬鉻電鍍有許多限制。當零件的組態變得複雜，將難以經 由電沈積而得到均勻的塗層厚度。非均勻塗層厚度須要作 硏磨以得到最終表面組態，針對電鍍鉻這將是困難且昂貴 的。此類缺點係起因於鉻與生倶來的脆性與硬度。此外， 鉻電鍍具有相對低的沈積速率且經常須要相當的資本投資 在電鍍設備上。除此之外，經常必須施用一或更多層底漆 ，或使用昂貴的表面淸洗與蝕刻步驟以準備用於鉻沈積的 基材。處置用過的電鍍浴也將顯著地增加此方法之成本。 一項供選擇的沈積鉻金屬之方法爲經由金屬噴塗，如 使用電漿或爆轟槍。此方法允許塗層施用於幾乎任何金屬 基材上而不使用底漆。其沈積速率非常高，可將資本投資 降低最低。此外’可非常緊密地控制塗層厚度，而使任何 後續的最終處理可保持在最低。且最後’可使溢噴容易地 內含且回收，使可簡單做到污染控制。 遺憾地，電獎沈積鉻在室溫下不如硬電鍍鉻耐磨。此 -6- (2) 1258509 係因爲鉻板的耐磨性不是元素鉻與生倶來的性質， 其大幅地來自雑質及於電鍍期間加入在塗層中的應 漿沈積鉻爲鉻的較純形式，而缺少硬鉻板的耐磨性 保留電鍍硬鉻之耐蝕性特性。 製作改良的塗層，可由在鉻基質之中加入碳化 的分散液，而改良耐磨性。此類型的塗層可由粉末 混合而生產。然而，產自彼的塗層之品質有特定的 電漿與爆轟槍沈積兩者造成帶有重疊、薄的、薄j： 條”之多層結構的塗層。各長條係源自單一的用以 層的粉末顆粒。若有存在任何可能性，其係微小的 ，於塗層沈積方法期間可將二或更多粉末微粒結合 化。此將造成某些該長條完全爲鉻合金，且一些完 化鉻，而有微粒間的間隔，其係經由起始鉻與碳化 微粒的而大小控制。J.F. Pelton ，在 U.S No.3,8 4 6,〇84敘述一種粉末，其中實質上每一顆粒 與碳化鉻之混合物組成。此專利之粉末可製作一種 其中各長條爲鉻與碳化鉻之混合物。 硬表面塗層亦可使用燒結的鈷結構而製作，該 鈷結構將封裝鎢碳化物微粒。然而此類合金具有針 應用上不合意的高孔隙度，且受限於碳化鎢含量。 內含鎢、鉻、及鎳的碳化物之合金已使用於硬 例如，Kruske 等人，在 U.S. Pat. No.4,231，793 中 合金其內含2至1 5重量百分比的鎢、2 5至5 5重 比的鉻、〇. 5至5重量百分比的碳、且鐵、硼、矽 但據信 力。電 ;但其 鉻微粒 之機械 限制。 V或”長 製作塗 可能性 或合金 全爲碳 鉻粉末 ；.Pat. 均由鉻 塗層， 燒結的 對一些 表面。 揭不一· 量百分 、及磷 -7- (3) (3)1258509 之各自用量不超過5重量百分比，以及促成百分比平衡量 的鎳。同樣地，S . C . D u B 〇 i s，在 U · S . P a t. N 〇 . 4，7 3 1，2 5 3 內揭示內含的合金3至14重量百分比的鎢、22至36重 量百分比的鉻、0 . 5至1 . 7重量百分比的碳'0.5至2重量 百分比的硼、1 . 0至2.8重量百分比且促成百分比平衡的 鎳。 S. C. DuBo 在 U.S. Pat. No.5，141，571 中敘述另一硬 表面，其內含鎢與鉻的合金。在此合金中的鎢含量爲12 至20重量百分比，鉻含量爲13至30重量百分比，且碳 含量爲〇. 5至1重量百分比。此合金亦含有鐵、硼、及矽 各佔2至5百分比，與促成百分比平衡量的鎳。此硬面板 合金含有包埋的碳化鎢及碳化鉻結晶。

Cabot Corporation(目前爲 Haynes Inti.)在其 1 982 題 目爲，'Stellite Surfacing Alloy Powders'’（Stellite 爲 Deloro S I e 11 i t e公司的註冊商標）的商品小冊之中發表一組耐蝕性 合金稱爲"Stellite Alloys”。於此揭示參考的 Stellite alloy組成物含有〇至15百分比的鎢，19至30重量百分 比的絡，0.1至2·5重量百分比的碳，至高達22重量百分 比的鎳，且鐵、硼及矽之各自用量不超過3重量百分比， 與促成百分比平衡量的鈷。 【發明內容】 本發明爲一種耐蝕性粉末’經由熱噴霧裝置而用於沈 積。以重量百分比計’此粉末實質上含有約3 0至6 0的鎢 -8- (4) (4)1258509 、約2 7至60的鉻、約].5至6的碳，總量約]0至4〇的 鈷加上鎳與偶發性的雜質，加上熔點抑制劑。此耐鈾性粉 末用於形成帶有相同組成的塗層。 【實施方式】 詳細描述 此合金依靠高濃度的鉻及鎢以發揮卓越的腐蝕及耐磨 性。有利地，此合金至少含有約2 7重量百分比的鉻。除 非特別另外說明，本發明意指對所有組成物的重量百分比 。內含少於27重量百分比的鉻之粉末在許多用途上有不 充分的抗腐鈾性。一般而言，增加鉻可提高抗腐蝕性。但 超過約6 0重量百分比的鉻含量將傾向於降低塗層的耐磨 性，因爲塗層變得太脆。 同樣地，鎢含量至少在約3 0重量百分比將可增加硬 度，且可貢獻於耐磨性，且在不同的環境下可增進抗腐蝕 性。但若鎢濃度超過6 0重量百分比，此粉末可能形成具 有不充分抗腐鈾性的塗層。 碳的濃度將控制由此粉末形成的塗層之硬度及磨損性 質。須要最小在約1 · 5重量百分比的碳以給予塗層足夠的 硬度。然而，若碳超過6重量百分比碳，則此粉末的熔融 溫度變得太尚，且將變得太難以霧化此粉末。基於此，最 有利者在於限制碳含量在5重量百分比。 此基質中鈷與鎳的最小總含量至少約1 0重量百分比 。此可增進鉻/鎢/碳組合物的熔融，若使其單獨存在，將 -9- (5) (5)1258509 形成碳化物而具有針對霧化太高的熔融溫度。提高鈷與鎳 之濃度亦傾向增加粉末熱噴塗的沈積效率。因爲，鈷加上 鎳之總含量若高於此濃度，將傾向於使此塗層軟化且限制 塗覆層的耐磨性，然而，鈷與鎳之總濃度最佳可維持低於 約4 0重量百分比。此外，此合金可僅含有鎳或鈷，因爲 僅含有鎳（即約10至30百分比鎳）或僅含有鈷（即約10至 3 0百分比鈷）的塗層可用以形成粉末，而帶有針對特定應 用訂做的抗腐蝕性。但針對大部分應用，鈷與鎳係可交換 的。 有趣地，此鉻與鎢（強的碳化物前驅物）及約1 . 5至6 重量百分比碳之組合物，典型地不會形成使用掃描電子顯 微鏡可偵測的尺寸之碳化物。此耐蝕性粉末典型的形態中 ，缺少平均橫切寬度超過1 〇 // m的碳化物。有利地，此 耐蝕性粉末缺少碳化物缺少平均橫切寬度超過1 0 // m的 碳化物，且最有利地少於2 // m。此粉末在意料之外可維 持其顯著部分的鉻在基質中，而不是大的碳化物沈源物， 顯現進一步的貢獻於塗層的抗腐蝕性。但儘管缺乏經由光 學顯微鏡可偵測的碳化物，此粉末具有卓越的抗磨損性。 有利地，製作本發明的粉末的，係經由以惰性氣體將 在此所述比例的元素之混合物作霧化的方式。在約1 6 0 0 °C之溫度將的此類粉末合金典型地熔融，且然後在保護氣 體下作霧化。最有利地此氣體爲氬。爲促進針對霧化的熔 融，此合金可視需要而含有熔融點抑制劑如硼、矽及錳。 然而，過度的熔點抑制劑傾向於降低腐鈾與磨損性質兩者 -10- (6) (6)1258509 供選擇地，燒結與壓碎，燒結與噴霧乾燥，燒結與電 组緻抬化爲_造此粉末的可詎方法。然而氣體霧化代表製 造此粉末最有效的方法。氣體霧化技藝典型地製作出尺寸 分佈在約1至1 〇 〇微米的粉末。 下表”大約”代表此粉末寬、中、及窄的組成，與自該 粉末形成的塗層。 表 1 元素 寬 中 ----- 窄 鎢 30-60 30-55 — 1 鉻 27-60 27-55 -- ------ 30-S0 碳 1.5-6 1.5-6 -------- —1.5-5 —_〇：3-— ____10-30 熔點抑制劑總量 ----~ 0-5 銘與鏡的總量* 10-40** 10-35

加上偶發性的雜質 *加上熔點抑制齊1J 表2含有二種特別化學品的組成範圍，該化學品所：开^ 成的塗層具有卓越的腐蝕及磨損性質。 -11 - (7)1258509 元素 範圍1 範圍2 鎢 ___ 3 5»45 3 0-40 鉻 3 0-40 40-50 碳 3-5 1.5-5 站與鎳的總量 15-25 15-25 範圍 3 0-40 45-50 10-15

可使用本發明的合金，經由在此技藝中熟知的各種方 法而製作此類塗層。此類方法包含下列者：熱噴霧、電漿 、H VOF(高速氧燃料）、爆轟槍等；雷射鍍層；及電漿轉 移電弧（ΡΤΑ)。 實施例 以下實施例代表特定的本發明較佳具體實施例之說明 ，且未意味著任何限制。表3中各粉末可經由作霧化於 1 5 00 °C之溫度在氬中而製備。此類粉末可進一步的離析 爲1 0至5 0微米的尺寸分佈。 12- (8) 1258509 表3 組成物（重量。） 粉末 Cr W CO Ni C 1 40 43 13 0.5 4.0 — 2 3 6 40 20 0 3.9 3 48 3 6 12 0 4.0 4 48 3 1 17 0 3.9 5 27 47 22 0 4.5 6 45 34 0.5 19 1.9 — 7 4 5 34 0 ]8 3.6 A 28 4.5 6 1 2.5 1 .3 B 3 . 8 8 1 1 0 0 5.2

附註：粉末 A與B代表比較例。粉末 a代表 S t e 11 i t e ® 6組成物，且粉末B代表一種W C耐磨粉末。 然後，使用JP_5〇〇〇®HVOF系統將表3中的各粉末噴 霧在鋼基材上，其操作條件如下：氧氣流1 9 0 0 scfh( 5 3. 8 m3/h)，煤油流 5.7 gph(21.6 1/h)，載體氣流 22 scfh(0.62 m 3 / h )，粉末進料8 0 g /分鐘，噴灑距離1 5 i η · ( 3 8 . 1 c m)， 火炬桶長度8 i η . ( 2 0.3 cm )以形成表4中的各塗層。 -13 - (9) 1258509 表4 粉末 HV 300 沈積效率（％) 1 840 46 2 1040 5 8 3 950 5 5 4 860 60 5 950 5 1 6 750 7 1000 5 1 A 600 66 B 1240 40

表4數據可闡明比較沈積效率，將適合於粉末B典型 WC粉末。此外，圖1的柱狀圖顯示卓越的硬度係由本發 明的粉末所達成。 經由多重試驗的耐磨性測量，代表不同可能的磨損應 用。此類測試方法包含以下者：測試方法ASTM G-6 5 (乾 燥砂/橡膠輪）；及測試方法ASTM G- 76 (3 0與9〇度腐触’ a m姻Μ氬化鋁）。針對平均摩擦力測試，在盤上測試測 使用細傲# # ,棚哲），使用10Ν負載，測定摩擦係數。如下表5包 量球（鋼負^ 含經由此類測試方法所得到的數據。 -14- (10) 1258509 表5 粉末 砂的體積損失 (mm3/1000 rev.) 腐鈾度 (/^ni/g) 腐鈾90度 ("m/g) 平均摩擦 1 4.0 21 121 - 2 5.5 30.3 107 0.62 3 3.0 22 115 •— 4 5.4 26.9 103 0.64 5 4.0 25 115 寿 6 19.8 35.8 120 0.69 7 6.7 29.6 97 0.59 A 56.5 32.6 69 0.69 B 0.9 11 75 0.61

圖2的柱狀圖闡明卓越的抗砂磨耗性’係由在此製作 塗層而達成。圖3繪出碳百分比對圖2中各塗層的體積損 失百分比之關係。此闡明介於碳化物相體積百分比與耐磨 性之間有強的關聯。 於loot，在鹽酸（HC1)與磷酸（H3P〇4)之中將粉末加 熱1小時，而測定由加速侵襲造成的重量損失。於重量損 失測量之後’於1〇〇 將粉末放置在硝酸鹽（ΗΝ03)中另 時’以測試第一局度腐蝕環境。如下表6提供測量當 於第〜L — /人水解’第二次水解之後的百分比重量損失，且提 供總重鼇損失百分比。 -15- (11) !2585〇9 表6 -^末 _____一·- 第-* 第二次腐鈾 總腐蝕 2.4____ 1 . 8 4.1 4 _ ---—-- 4 1.9 6.3 3.9 13.6 ^ —7 ---— 1.8 6.3 S----J ~~~~^___ Δ 9 0.6______ 47.0 95.0 〆 ——--- 8^6__ <1.0 8.6

相較於Stellite 6粉末-一種熟知有卓越抗腐齡性的 組成物，此類粉末有較佳抗腐触性。 總而言之，本發明提供一種粉末’其可形成具有各性 蓂的獨特組合之塗層。此類塗層帶有抗磨損性與抗腐触性 之組合，其係由慣常的粉末所無法達成者。此外，此塗層 可有利地抑制形成大的內含鉻的碳化物’以進一步改良耐 磨性，此塗層對於配對表面有較少侵鈾性。 本發明的其它變化且改良將顯見於那些熟悉此技藝的 專業人士。本發明不限制於除了如敘述於申請專利範圍者 【圖示簡單說明】 圖1爲威克（V i c k e r，s)硬度Η V 3 0 〇的柱狀圖，比較本 發明塗層與先前的耐蝕性塗層。 -16- (12)1258509 圖2爲耐磨性數據的柱狀圖，比較本發明塗層與比較 腐蝕及耐磨塗層。 圖3爲碳百分比相對於本發明塗層體積損失的繪圖。

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Claims (1)

1. (1) (1)1258509 拾、申請專利範圍 ].一種耐蝕性粉末，其可經由熱噴霧裝置而用於沈 積，以重量百分比計，此粉末實質上係由朽3 〇至6 〇的鎢 ，約2 7至6 0的鉻，約1 . 5至6的碳，總量約1 〇至4 0之 鈷加上鎳與偶發性的雜質加上熔點抑制劑所組成。 2.如申請專利範圍第1項之耐蝕性粉末，其中該粉 末的形態中不含平均橫切寬度超過1 0 # m的碳化物。 3 . —種耐蝕性粉末，其可經由熱噴霧裝置而用於沈 β 積，以重量百分比計，此粉末實質上係由約3 0至5 0的鎢 ，約3 0至5 0的鉻，約1 . 5至5的碳，總量約1 0至3 0 之鈷加上鎳與偶發性的雜質，及0至3的熔點抑制劑所組 ^ 成。 . 4 ·如申請專利範圍第3項之耐蝕性粉末，其中該粉 末含有約1 〇至3 0的鈷。 5 如申請專利範圍第3項之耐蝕性粉末，其中該粉 末含有約1 0至3 0的鎳。 着 6 ·如申請專利範圍第3項之耐蝕性粉末，其中該粉 末的形態中不含平均橫切寬度超過2 // m的碳化物。 7，如申請專利範圍第3項之耐蝕性粉末，其中該粉 末含有約3 5至45的鎢，約3 〇至40的鉻，約3至5的碳 _ ，且鈷加上鎳的總量約1 5至2 5。 8 ·如申S靑專利範圍第3項之耐蝕性粉末，其中該粉 不含有約3 0至4 0的鎢，約4 0至5 0的鉻，約1 . 5至5的 碳，且鈷加上鎳的總量約]5至2 5。 -18- (2) (2)1258509 9 如申請專利範圍第3項之耐蝕性粉末，其中粉末 含有約3 0至4 0的錫，約4 5至5 0的銘，約3至5的碳， 且鈷加上鎳的總量約1 〇至1 5。 10 一種耐蝕性塗層 > 其具有良好的耐磨性，以重量 百分比計，此塗層實質上係由約3 0至60的鎢，約27至 6 0的鉻，約1 . 5至6的碳，總量約1 0至4 0的鈷加上鎳與 偶發性的雜質及熔點抑制劑所組成。

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