基于碳化钨的喷涂粉以及具有基于碳化钨的热喷涂层的基底的制作方法
【专利摘要】本发明涉及基于碳化钨的热喷涂粉以及用于热涂覆基底，特别用于热涂覆机动车的制动盘的这种喷涂粉的制造方法。根据本发明，该喷涂粉除杂质外还包含60重量%至75重量%范围的WC、14重量%至22重量%的范围Cr3C2和11重量%至23重量%范围的Ni。本发明还涉及具有基于碳化钨的热喷涂层的基底，特别是制动盘，以及在基底上制造热喷涂层的方法。
【专利说明】基于碳化钨的喷涂粉以及具有基于碳化钨的热喷涂层的基底
[0001]本发明涉及基于碳化钨的喷涂粉和用于热涂覆基底，特别是用于热涂覆机动车的制动盘的这种喷涂粉的制造方法，以及具有基于碳化钨的热喷涂层的基底，特别是制动盘，和根据各类别的独立权利要求的前序部分的热喷涂层的制造方法。
[0002]通过热喷涂施加的涂层长期以来已知用于多种用途。因此，例如，自一段时间以来已经通过等离子体喷涂来涂覆汽车发动机中用油润滑的汽缸工作面，其中该层明显降低尤其是在活塞环与缸壁之间起作用的摩擦系数，因此明显降低活塞环与气缸的磨损，这导致发动机的行驶功率提高、保养间隔期(例如换油)延长并且尤其导致发动机功率显著提高。
[0003]通过热喷涂法施加的表面的其它典型用途是用防磨损层和隔热层涂覆涡轮部件、涂覆油组分或干润滑的轴承，例如曲轴轴承或经受尤其是物理、化学或热负荷的其它工件的涂层。根据该层必须实现何种用途，使用非常特定的材料，通常以喷涂粉或喷涂丝的形式，该材料具有所需的特定性质和组成，以产生所需的待喷涂表面层的性质。
[0004]另一应用例是在基底上提供摩擦面，其正好起到反作用并应提高基底与基底接触的摩擦参与物之间的摩擦，由此可以同时防止基底本身磨损和/或损伤。
[0005]因此，例如已从DE 43 21 713 Al中已知具有热喷涂层的机动车制动盘，以一方面提高机动车刹车时的制动效果，和同时保护基底即该制动盘本身免受直接磨损并由此尤其提高制动盘的寿命。[0006]在这方面，近年来对制动系统的要求不断提高，特别是在汽车制造中以及例如在航空领域中。制动系统还必须能够有控制地和可靠地制动相对重的、此外高速的和在不利条件，如漂滑下的机动车或飞机。这例如对制动盘上的摩擦涂层的粘附拉伸强度和对物理特征值，如显微硬度和宏观硬度、摩擦层的性能的热稳定性等提出了高的要求。在这方面，仅确实出于经济原因，所述摩擦层应可以相对简单地并尽可能用已确立的方法来制造，且用于该涂层的材料应以其化学组成易于构成并能以相对小的耗费制造。此外，该摩擦层应同时具有长的使用寿命，即在运行中尽可能少机械磨损，和除此之外，还足够耐受刹车时极高的放热以及耐受化学侵蚀，例如尽可能耐腐蚀，以能实现长的保养间隔期和/或更换间隔期。
[0007]在这方面，从现有技术中获知的解决方案通常仅优化一个特定的或最多很少几个前述方面，其中必须对其它性质作出妥协。
[0008]为了能够至少部分抵消这些缺点，已就制动盘提出具有复杂的层系统的相当复杂而高成本的涂覆方法。因此，在DE 10 2009 008 114 Al中，我们提出具有碳化钨基涂层的制动盘，其中借助热喷涂法施加的碳化钨涂层必须借助碳化、氧化、气体碳氮共渗或其它基于气体或等离子体的方法后处理。
[0009]在这方面，所述后处理是绝对必要的，以通过由来自等离子体和/或气相的原子扩散形成耐磨损和耐腐蚀的硬化表面层实现摩擦面接近表面的硬度。
[0010]这种方法必然非常费力和高成本，因为在热涂覆制动盘后，必须强制性地附加连接气体处理法，这使制造不必要地复杂化并使其昂贵。[0011]因此，本发明的目的是提供用于热涂覆基底的热喷涂粉，用所述热喷涂粉可以使用本身已知的热喷涂法制造热喷涂层，可特别有利地提供该热喷涂层作为例如所有种类的陆地-或航空交通工具的制动盘上的摩擦层，并且其中在这方面同时优化所有重要的该层的要求特征。在此，与现有技术相比应明显简化该制造并应将制造过程中所需的方法步骤数减至最低。
[0012]此外，本发明的一个目的是提供相应喷涂粉的制造方法以及用于制造相应的热喷涂层的热喷涂法。
[0013]达成这一目的的本发明的主题的特点是各类别的独立权利要求的特征。
[0014]各从属权利要求涉及本发明的特别有利的实施方案。
[0015]因此，本发明涉及用于热涂覆基底的基于碳化钨的喷涂粉，所述喷涂粉除杂质外还包含60重量％至75重量％范围的WC、14重量％至22重量％范围的Cr3C2和11重量％至23重量％范围的Ni。
[0016]本发明一个重要的发现是，通过在喷涂粉中使用提高的镍含量，大约11重量％至23重量％的，例如可以制造制动盘上的摩擦表面，其尤其不经后处理也具有充足的耐腐蚀性和硬度。这与例如从DE 10 2009 008 114 Al中获知的喷涂粉相比是决定性的优点，在使用后者时，在喷涂摩擦层后，后处理是绝对必须的。
[0017]在此，在一个优选实施方案中，喷涂粉中WC的比例在63重量％至70重量％的范围，优选在67重量％。
[0018]喷涂粉中Cr3C2的比例优选选择在17重量％至19重量％的范围，特别在18重量％，其中喷涂粉中Ni的比例在13重量％至20重量％的范围，优选在15重量％。
[0019]在此，所述喷涂粉的额定粒度优选在-45微米至+11微米的范围，特别在-45微米至+20微米的范围。其中，之前对粒度使用的术语应以本领域技术人员常见的方式理解。因此，例如，-45微米至+11微米的粒度范围如通常般意味着，粒子大于11微米并小于45微米。
[0020]在此，本发明的喷涂粉除所提到的技术上重要的化学组分碳化钨(WC)、碳化铬(Cr3C2)和镍(Ni)外还包含最多0.5重量％ Fe杂质作为技术上可测得的杂质，和/或最多还包含下列作为杂质的以缩写TAO (Total All Other)概括的化学元素:Na、Mg、Al、S1、K、Ca、T1、V、Mn、Co、Cu、Zn、Ge、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Rh、Pd、Cd、In、Sn、Hf、Ta、Tl、Pb。
[0021]在此，TAO杂质的总比例同样为最多0.5重量％，因此在本发明的喷涂粉中，除技术上重要的化学组分碳化钨(WC)、碳化铬(Cr3C2)和镍(Ni)外，可包含最多I重量％的实际上不希望的杂质，即最多0.5重量％ Fe和总共最多0.5%选自上文由缩写TAO定义的元素组的杂质。当然，在理想情况中在本发明的喷涂粉中不包含杂质，即既不含Fe也不含选自TAO的元素，但这在实践中几乎无法实现。
[0022]在此，在实践中Fe可以例如特别以0.05重量％至0.5重量％存在于本发明的喷涂粉中，而对用这种喷涂粉喷涂的层的性质在技术上没有重要影响。只要Fe杂质的含量不大于0.5重量％，就能 特别可靠地确保用该喷涂粉喷涂的层的必需的耐腐蚀性。使用本发明的喷涂粉喷涂的层的其余的层性质，例如孔隙率、显微硬度和宏观硬度或例如粘附拉伸强度实际上不受这样少的Fe杂质和/或不受概括为TAO的其它杂质影响。
[0023]对于所提及的可出现在本发明的喷涂粉中的不希望的杂质，可能有不同的成因，这些通常无法用合理的技术耗费来避免，但出于所有实际目的，也不必避免，因为在上述数量级中的杂质，如已经提到的，对本发明的喷涂粉和/或用其热喷涂的喷涂层的技术相关性质实际上没有影响。
[0024]除了 Fe，钴(Co)可以例如以最多几乎0.5重量％，在实践中最多0.05重量％、0.1重量％或0.1 %至几乎0.5重量％存在，因为例如在用其以已知方式研磨制造本发明的喷涂粉时的原材料的硬金属球中除WC外也会包含Co。在制造喷涂粉时所用的原材料还可包含少量杂质，例如钽(Ta)。在此，所述杂质可在制造过程中由主要的化学原材料碳化钨(WC)、碳化铬(Cr3C2)和镍(Ni)引入，或者也可以例如由制造该粉末时所使用的粘合剂、防沫剂，由工具、工艺室等引入或以本领域技术人员已知的另外的方式以不合意地引入制造过程中并由此最终以无关紧要的程度如上所述地污染喷涂粉。
[0025]在此，本发明进一步涉及本发明的喷涂粉的制造方法，所述方法包括下列详细的本身已知的方法步骤:提供初生碳化物WCXr3C2以及Ni并由前述组分制造粉末混合物，其除上文已详细论述的杂质而外仅由60重量％至75重量％范围的WC、14重量％至22重量％范围的Cr3C2和11重量％至23重量％的Ni构成。可用作制造本发明的喷涂粉的原材料的前述所述初生碳化物的标准粒度在此在0.5微米至4微米,特别是2微米至3微米的范围，特别优选在2.5微米，其中当然也可有利地使用具有与此不同的粒度的其它初生碳化物。
[0026]在此已经表明，在大约0.5微米至4微米范围的初生碳化物的小的粒度特别非常有利地影响尤其是制动盘的磨蚀特征和由此影响磨损特征。这样的小的初生碳化物粒子本身非常一致和均匀地分布在喷涂层中，且同时在该层中彼此非常紧密地排列，并因此在该层中形成初生碳化物粒子的致密分布模式。如果例如在相同质量比的情况下，与此相反使用较大初级粒子，则它们较不致密、较不一致和较不均匀地分布在该层中，这导致，在该层的机械负载下，例如在制动过程中的制动盘的情况中，该喷涂层倾向于形成皱痕，由此促成过早磨损。此外，已经表明，与用明显更大的初生碳化物喷涂的层相比，在小的初级粒度下该层的显微硬度明显改进。
[0027]然后由该粉末混合物、液体(特别是溶剂，例如异己烷或另外本身已知的合适溶剂)和另外优选一种或多种添加剂(其例如可以是粘合剂和/或防沫剂和/或另外的在粉末制造中本领域技术人员已知的添加剂)制造悬浮液并均化该悬浮液。
[0028]由该均化悬浮液通过喷雾干燥来制造粉末饼，特别是团块，优选同时压实经干燥的混合物，和随后烧结该优选压实的混合物。最后将经烧结的粉末饼粉碎和/或研磨成粉末材料。
[0029]取决于具体用途，最后通过借助分级法选择预定的粒度分布来将该粉末材料分级并可随后用于预定用途，例如用于机动车制动盘的热涂覆。
[0030]在下表1中，示例性提供本发明的喷涂粉的一个特别优选的实施方案的化学组成，其已在试验中证实为优异。在此所有百分比是重量百分比。
【权利要求】
1.用于热涂覆基底的基于碳化钨的喷涂粉，其特征在于，除杂质外，所述喷涂粉包含60重量％至75重量％范围的WC、14重量％至22重量％范围的Cr3C2和11重量％至23重量％范围的Ni。
2.根据权利要求1的喷涂粉，其中在所述喷涂粉中WC的比例在63重量％至70重量％的范围，优选在67重量％。
3.根据权利要求1或2之一的喷涂粉，其中在所述喷涂粉中Cr3C2的比例在17重量％至19重量％的范围,优选在18重量％。
4.根据前述权利要求任一项的喷涂粉，其中在所述喷涂粉中Ni的比例在13重量％至20重量％的范围,优选在15重量％。
5.根据前述权利要求任一项的喷涂粉，其中所述喷涂粉的额定粒度在-45微米至+11微米的范围， 特别在-45微米至+20微米的范围，和/或其中初生碳化物的粒度在0.5微米至4微米的范围，特别在2微米至3微米，特别优选在2.5微米。
6.用于制造根据前述权利要求任一项的喷涂粉的方法，所述方法包含下列方法步骤: -提供WCXr3C2和Ni并制造粉末混合物，所述粉末混合物除杂质外由60重量％至75重量％范围的WC、14重量％至22重量％范围的Cr3C2和11重量％至23重量％范围的Ni构成； -制造包含所述粉末混合物、溶剂和添加剂的悬浮液并均化所述悬浮液； -通过喷雾干燥所述悬浮液制造粉末饼，特别是团块； -烧结所述粉末饼； -将经烧结的粉末饼粉碎和/或研磨成粉末材料； -通过借助分级法选择规定的粒度分布来提供喷涂粉。
7.根据权利要求6的方法，其中所述溶剂是异己烷，且所述添加剂是粘合剂和/或防沫剂。
8.具有基于碳化钨的热喷涂层的基底，其特征在于，除杂质外，所述热喷涂层包含60重量％至75重量％范围的WC、14重量％至22重量％范围的Cr3C2和11重量％至23重量％范围的Ni。
9.根据权利要求8的基底，其中用高速火焰喷涂法制造所述热喷涂层。
10.根据权利要求8或9之一的基底，其中所述热喷涂层的显微硬度在1000至1200HV0.3的范围，优选在1100至1200 HV 0.3之间，特别在1160 HV 0.3，或者所述热喷涂层的宏观硬度在90至93 HR 15N的范围。
11.根据权利要求8至10任一项的基底，其中所述热喷涂层的粘附拉伸强度在65至75 MPa的范围。
12.根据权利要求8至11任一项的基底，其中所述热喷涂层的孔隙率在0.5体积％至1.5体积％的范围，优选在I体积％。
13.根据权利要求8至12任一项的基底，其中所述基底优选是机动车的制动盘。
14.在根据权利要求8至13任一项的基底上制造热喷涂层的方法，所述方法包含下列方法步骤: -提供根据权利要求1至5任一项的喷涂粉； -提供基底，特别是机动车的制动盘坯；-使用所述喷涂粉借助热喷涂法，优选借助HVOF法涂覆基底。
15.根据权利要求14的方法，其中在基底上实现60 %至65 %范围的，优选在50 %至55%之 间的沉积效率。
【文档编号】C23C4/06GK103748247SQ201280027356
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2012年5月31日 优先权日:2011年6月10日
【发明者】G.雷塞, M.奥伊奇斯勒 申请人:苏舍美特科沃卡有限责任公司