氧化铬喷涂用粉末及其制备方法

文档序号:1984363
专利名称:氧化铬喷涂用粉末及其制备方法
技术领域
本发明涉及氧化铬喷涂用粉末和这种粉末的制备方法。这种粉末适用于在基底上形成热喷涂层。
背景技术
众所周知,在基底,通常是金属基底上喷涂氧化铬能显著改进表面的硬度和耐磨性。为此,印花辊或轮转凹印辊上常常喷有氧化铬涂层,容易受到磨损的许多部件,如泵体、连杆、辊和印刷辊上也使用氧化铬涂层。这些部件可喷涂后就使用,也可以再进行后续加工过程,如研磨或抛光。印刷辊通常还要进行激光雕刻加工,按一定图案形成承载油墨的小单元。涂层可用许多种技术施涂,但最常用的是热喷涂方法,它将陶瓷颗粒注射到射向基底的等离子体流中。等离子体流的热量将陶瓷颗粒熔化,在冲击到基底上时,它们形成高度均匀而连续的陶瓷层,该陶瓷层能保护涂有这种陶瓷层的基底,使其具有陶瓷的表面硬度和耐磨性。
但有一个问题,基底上热喷涂了氧化铬粉后,部分氧化铬会与氧和氧化铬中的杂质反应,产生毒性很强的六价铬化合物。六价铬化合物会在例如热喷涂陶瓷粉时的高温下形成。六价铬化合物似乎在火焰中,特别是外焰部分形成。外焰部分中的材料加热到的温度不太够,粘附到喷涂表面的程度因此也不够。结果是,粉末中有很多六价铬化合物没有粘附,而是留下来参与循环或被抛弃,从而带来严重的环境问题。
在测定此效应发生程度的实验中,热喷氧化铬粉中六价铬的量经测定为39ppm,而热喷在基底上的粉末涂层中,其浓度为10ppm。但是,对于过喷涂样品,六价铬的量在470-8800ppm之间变化。氧化铬(Cr2O3)在高于1000℃的温度下,在氧存在条件下转化为六价态,但冷却后又转化为氧化铬。但如果存在碱金属或碱土金属杂质,或本领域已知的某些其他杂质,铬就形成复合物,反而能稳定六价铬。
因此,急需一种新型涂层材料,它不像目前基于氧化铬的耐磨涂层粉末那样,在使用于热喷方法中时容易氧化生成六价铬,而且不会显著损失常规氧化铬涂层那样的硬度和耐磨性。
发明概述由于α氧化铝和氧化铬(此词在这里仅指Cr2O3态)具有相同的六方晶格结构,而且晶格参数极其相近,人们都知道含有这两个物质的晶体结构非常稳定。就两种氧化物各自可占据另一种氧化物的六方晶格的相同位置而形成固溶体而言,可以说这两种氧化物彼此“互溶”。现在发现,氧化铝能非常有效地抑制六价铬物质的形成,特别是在基本上不含碱金属和碱土金属的情况下,这两种物质能促进此六价铬产物的形成。但也可以使用含有少量六价铬稳定剂的氧化铬源来抑制六价铬的形成。
因此,本发明涉及基本上呈单相的可热喷粉末,它包含45-100%氧化铬和相应地高达55%氧化铝(所有比例都基于重量),以及低于200ppm,宜低于50ppm的一种或多种六价铬稳定剂。
在存在氧化铝的情况下,至少90%的氧化铝宜为α相,因为此种氧化铬/氧化铝晶体结构中较少出现晶格不均匀性。因此,术语“基本上呈单相”在此用来描述本发明粉末时,允许粉末中存在10wt%以下的非α相。
已知碱金属和碱土金属能稳定六价铬化合物,虽然它们以痕量存在于氧化铬中,它们在用常规技术制备的α氧化铝中却相当普遍地存在。在常规氧化铝中,钠比其他碱金属或碱土金属氧化物更多量地存在。在某些情况下经证实,以γ氧化铝前体形式,如γ氧化铝、κ氧化铝、δ氧化铝、勃姆石、三水合氧化铝及其混合物,单独或与氧化铝一起启动该方法更好。这些的前体制得时形式常含有非常少量的会导致六价铬形成的杂质。与非常纯的α氧化铝相比,勃姆石中的这些杂质含量通常如下氧化钠-27ppm而不是50ppm;氧化镁—22ppm而不是78ppm;氧化钾—低于1ppm而不是68ppm;氧化钙—低于1ppm而不是104ppm。因此很清楚,就减少这些稳定六价铬的物质而言,使用勃姆石具有显著的好处。勃姆石与氧化铬粉末一起煅烧后,产生氧化铬/氧化铝单相晶体。使用勃姆石时,由于它在煅烧时有约28wt%的损失,加入的量需要调整,使得α氧化铝和氧化铬在最终产物中的比例在所需范围内。
本发明基本上呈单相的可热喷结晶粉末可用任何合适的热处理技术制备,例如,用电弧将各组分熔合在一起,将各组分粉末烧结起来,在溶胶方法中混合各前体,然后干燥并煅烧凝胶,或者使它们通过等离子体熔合。但是,较好用烧结各组分粉末混合物的方法制备,温度为1250-1500℃,宜为1300-1450℃。一般地,煅烧时间(包括常规升温阶段、煅烧温度下的保持时间和降温阶段)需要10-40小时,宜为15-30小时。煅烧时间很大程度上取决于煅烧温度,煅烧温度越低,得到所需结果时间一般越长。如果氧化铝原料是初始态勃姆石,通常需要在温度范围内的高端温度使它完全转化为α形式。这主要是因为只有α形式具有与氧化铬相匹配的晶体结构。如果过渡态氧化铝太多(即约超过氧化铝总量10wt%),则产物无法达到基本上呈单相的晶体结构。此外,如果氧化铬的粒径与α氧化铝的粒径在同一数量级或更大,则氧化铬没那么容易进入氧化铝晶格,在煅烧温度下需要更长的时间。
当α氧化铝的粒径大于氧化铬的粒径时,对粉末混合物煅烧特别有效,因为小氧化铬颗粒很容易进入α氧化铝晶格,产生单相晶体粉末材料。在此过程中,氧化铝颗粒的d50可为氧化铬d50的5-20倍,宜为2-15倍。但这并不重要,已经发现,当它们的粒径相比反过来,即氧化铬颗粒具有更大的粒径范围时,此过程同样有效。控制煅烧温度的高低和煅烧时间的长短是控制产生的氧化铬/氧化铝晶体尺寸的有效方法。因此,较长的加热时间或较高的温度都能将晶体尺寸从亚微米级有效提高至少一个数量级。
当与氧化铬混合的氧化铝组分是勃姆石时,其粒径通常与氧化铬大致相同甚至还小一点,但煅烧形成α氧化铝时发生的聚集通常能得到上述有利的d50关系。
附1是显示各种涂层样品的耐磨性的条形图。
发明详述现在结合以下一些实施例介绍本发明,这些实施例意在说明本发明的原理和它在生产耐磨性良好的涂层表面方向的应用。
用溶胶法制备高纯α氧化铝,分析其杂质含量,发现含有以下杂质氧化钠50ppm;氧化镁78ppm;氧化钾68ppm;氧化钙104ppm。在此α氧化铝粉末的粒径分布中,d10为5.08微米;d50为16.08微米;d90为29.2微米。然后将此粉末与具有以下粒径分布的精细氧化铬颗粒混合d10为0.94微米;d50为1.77微米;d90为4.44微米。所有粒径用Microtrac测定系统获得。
然后以50∶50的重量比混合这些粉末,在1350℃煅烧,煅烧时间约20小时。煅烧结束后,粒径分布如下d10为5.58微米;d50为17.18微米;d90为37.75微米。
将此粉末热喷在基底上,其孔隙率为5%,这与单独喷涂氧化铬粉末时相同。Vickers硬度为1183kg/mm2,而单独用氧化铬得到的硬度为1257kg/mm2。
在以50∶50的重量比含α氧化铝和氧化铬的本发明另一个粉末样品中,粉末含3ppm六价铬,过喷粉末含5ppm六价铬。粒径分布如下d10为14.78微米;d50为28.30微米;d90为48.98微米。
比较了四种热喷涂层的耐磨性。本发明粉末包含重量比为50/50的单晶相α氧化铝/氧化铬混合物(50A-C)。将它与两个仅用纯氧化铬的涂层(C1和C2)和一个仅用纯α氧化铝(A)的涂层进行了比较。所用测试方法见ASTM G65研磨测试。结果见

图1,表明50A-C涂层比氧化铝更耐磨,稍逊于仅用氧化铬的涂层。
权利要求
1.基本上呈单相的可热喷粉末,它包含45-100%氧化铬和相应高达55%氧化铝,这些百分数都基于重量,还包含低于200ppm的任意一种能有效稳定六价铬的化合物。
2.如权利要求1所述的粉末,其特征在于所述稳定化合物选自碱金属和碱土金属的化合物,其含量小于50ppm。
3.如权利要求1所述的粉末,其特征在于α氧化铝的含量约50-30wt%。
4.如权利要求1所述的粉末,其特征在于颗粒的d50为5-200微米。
5.生产可热喷粉末的方法,包括混合氧化铝粉末和氧化铬粉末,氧化铝粉末中碱金属和碱土金属氧化物杂质的各自含量均不超过120ppm,氧化铬粉末同样含少于120ppm能有效稳定六价铬的任何杂质;这两种粉末以合适比例混合,以便煅烧后得到含45-99wt%氧化铬和55-1wt%α氧化铝、基本上呈单相的结晶粉末;在1300-1500℃煅烧混合物,得到所述基本上呈单相的结晶粉末。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于α氧化铝的d50粒径为氧化铬粉末d50的5-20倍。
7.如权利要求5所述的方法,其特征在于氧化铝粉末选自α氧化铝、γ氧化铝、κ氧化铝、δ氧化铝、勃姆石、三水合氧化铝以及它们的混合物。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于与氧化铬粉末混合的氧化铝粉末是勃姆石。
9.如权利要求5所述的方法,其特征在于氧化铬和氧化铝所含碱金属和碱土金属杂质的量均不超过50ppm。
全文摘要
特别适用于在基底上热喷耐磨涂层的颗粒,它们具有基本上呈单相的晶体结构,包含45-100wt%氧化铬和相应0-55wt%α氧化铝。
文档编号C04B35/12GK1646432SQ03807895
公开日2005年7月27日 申请日期2003年4月4日 优先权日2002年4月8日
发明者S·H·于, H·华拉 申请人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司
再多了解一些
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