采用铁基合金粉末的热喷涂应用的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用在热喷涂技术中的热喷涂粉末(20)，该热喷涂技术如火焰喷涂，等离子喷涂，冷喷涂，以及高速氧燃料喷涂(HVOF)。该热喷涂粉末(20)通过水雾化或气雾化形成，且该热喷涂粉末包括：3.0-7.0重量％的碳，10.0-25.0重量％的铬，1.0-5.0重量％的钨，3.5-7.0重量％的钒，1.0-5.0重量％的钼，不超过0.5重量％的氧，以及至少40.0重量％的铁，基于热喷涂粉末(20)的总重量。该热喷涂粉末(20)可以应用到金属本体(如活塞或活塞环)上以形成涂层。该热喷涂粉末(20)也可以提供喷涂形成部分。
【专利说明】采用铁基合金粉末的热喷涂应用 相关申请的交叉引用
[0001] 本申请要求于2012年3月9日提交的序列号为No. 61/608, 853的临时申请的权 益，其通过引用整体合并于此。
【技术领域】
[0002] 本发明大致涉及耐磨的热喷涂粉末，形成其的方法以及其应用。
【背景技术】
[0003] 热喷涂技术被用于在汽车发动机部件（如活塞和活塞环）上应用耐磨涂层。该涂 层可在活塞沿气缸滑动时保护活塞环的表面避免磨损。该涂层还可以减少由于暴露于发动 机的燃烧室中的极端温度和污染物中而造成的活塞的腐蚀和氧化。这种耐磨涂层已知由各 种陶瓷材料，铬基粉末，以及钥基粉末形成。热喷涂技术的实例包括燃烧，放电，冷喷涂，以 及激光。
【发明内容】
[0004] 本发明的一个方面提供一种用在热喷涂技术中的粉末金属材料，包括：3. 0-7. 0 重量％的碳，10. 0-25. 0重量％的铬，1. 0-5. 0重量％的钨，3. 5-7. 0重量％的钒，1. 0-5. 0重 量％的钥，不超过0. 5重量％的氧，以及至少40. 0重量％的铁，基于粉末金属材料的总重 量。
[0005] 本发明的另一个方面提供形成用在热喷涂技术中的粉末金属材料的方法，包括以 下步骤：提供熔化的铁基合金，包括3. 0-7. 0重量％的碳，10. 0-25. 0重量％的铬，1. 0-5. 0 重量％的鹤，3. 5-7. 0重量％的|凡，1. 0-5. 0重量％的钥，不超过0. 5重量％的氧，以及至少 40. 0重量％的铁，基于熔化的铁基合金的总重量；以及雾化该熔化的铁基合金以提供该铁 基合金的水雾化液滴。
[0006] 本发明的另一个方面提供耐磨部件，包括：热喷涂的粉末金属材料，其中，该热喷 涂的粉末金属材料包括3. 0-7. 0重量％的碳，10. 0-25. 0重量％的铬，1. 0-5. 0重量％的钨， 3. 5-7. 0重量％的钒，1. 0-5. 0重量％的钥，不超过0. 5重量％的氧，以及至少40. 0重量％ 的铁，基于该热喷涂的粉末金属材料的总重量。
[0007] 本发明的另一个方面提供形成耐磨部件的方法，包括以下步骤：喷涂粉末金属材 料，其中，该粉末金属材料包括3. 0-7. 0重量％的碳，10. 0-25. 0重量％的铬，1. 0-5. 0重 量％的钨，3. 5-7. 0重量％的钒，1. 0-5. 0重量％的钥，不超过0. 5重量％的氧，以及至少 40. 0重量％的铁，基于粉末金属材料的总重量。
[0008] 与热喷涂技术中使用的其它材料相比，该热喷涂粉末成本低廉地提供优异的耐磨 性能。该热喷涂粉末还具有较低的熔点，因此在热喷涂技术中节约能源地仅需要较低的温 度。该热喷涂粉末也可以被应用到金属本体（如活塞或活塞环）上而不会对本体造成损 害。此外，与热喷涂技术中使用的其它铁基材料相比，该热喷涂粉末在热喷涂技术中可以提 供改善的抗氧化性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 结合附图参考以下详细描述，本发明的其他优点将更为容易领会和理解，其中：
[0010] 图1示出了根据本发明的一个实施例的高速氧燃料喷涂（HV0F)腔室枪将热喷涂 粉末喷涂到活塞的外表面上；
[0011] 图2示出了根据本发明的另一个实施例的HV0F腔室枪将热喷涂粉末喷涂到活塞 环的外表面上；
[0012] 图3是沿着图2的活塞环的线3的截面图；
[0013] 图4示出了根据本发明的另一个实施例的HV0F腔室枪喷涂热喷涂粉末以形成喷 涂形成部分；以及
[0014] 图5是用于形成热喷涂粉末的示例性过程的示意图。
【具体实施方式】
[0015] 本发明的一个方面提供一种用在热喷涂技术（也称为热喷涂工艺或应用）中的耐 磨的粉末金属材料。该粉末金属材料（也称为热喷涂粉末20)通过雾化熔化的铁基合金形 成，该铁基合金包括碳（C)，铬（Cr)，钨（W)，钒（V)，钥（Mo)，以及铁（Fe)。该热喷涂粉末20 是铁基合金，且任选地包括其它组分，如钴（Co)，铌（Nb)，钛（Ti)，锰（Μη)，硫（S)，硅（Si)， 磷（P)，锆（Zr)，以及钽（Ta)。
[0016] 与其他热喷涂材料相比，该热喷涂粉末20包括含量足以成本低廉地提供优异的 耐磨性能的铬，钨，钒和钥。这些元素的含量足以形成金属碳化物。在一个实施例中，该热 喷涂粉末20包括10. 0至25. 0重量％的铬，优选11.0-15. 0重量％的铬，以及最优选13. 0 重量％的铬；1. 0-5. 0重量％的钨，优选1. 5-3. 5重量％的钨，以及最优选2. 5重量％的钨； 3. 5-7. 0重量％的钒，优选4. 0-6. 5重量％的钒，以及最优选6. 0 %重量％的钒；1. 0-5. 0重 量％的钥，优选1. 0-3. 0重量％的钥，以及最优选1. 5重量％的钥。
[0017] 热喷涂粉末20包括碳，其含量足以提供基于热喷涂粉末20的总体积的大于15 体积％的金属碳化物。在一个实施例中，该热喷涂粉末20包括至少3. 0重量％的碳，或 3. 0-7. 0重量％的碳，以及最优选约3. 8重量％的碳，基于该热喷涂粉末20的总重量。随着 热喷涂粉末20中的碳的量的增加，热喷涂粉末20的硬度增大。这是因为在雾化步骤中，较 大量的碳形成了更大量的碳化物，从而增加了硬度。热喷涂粉末20中的碳的量被称为碳总 量（C tot)。
[0018] 该热喷涂粉末20还包括碳的化学计算量（CstoiJ，它代表了被结合在合金碳化物 中的平衡状态下的总碳含量。碳化物的类型和组成根据碳含量和合金元素含量而变化。
[0019] 在雾化过程中形成所需量的金属碳化物所必要的碳的化学计算量取决于热喷涂 粉末20中的碳化物形成元素的量。用于特定组成的碳的化学计算量通过各碳化物形成元 素的量乘以各元素的乘系数而获得。对于一个特定的碳化物形成元素，其乘系数等于沉淀 该特定的碳化物形成元素的1重量％所需的碳的量。根据所形成的沉淀物的类型，碳的量， 以及各合金元素的量，乘系数有所不同。根据碳的量和各合金元素的量，特定的碳化物的乘 系数也会有所不同。
[0020] 例如，为了在热喷涂粉末20中形成（Cr23.5Fe 7.3V63. #〇3.2W2.9) 8C7 (也称为M8C7)的 沉淀物，碳化物形成元素的乘系数计算如下。首先，M8C 7碳化物的原子比为：1. 88原子铬， 0. 58原子铁，5. 05原子钒，0. 26原子钥，0. 23原子钨，以及7原子碳。接下来，每摩尔的M8C7 碳化物的各元素质量为：钒=257. 15克，铬=97. 76克，铁=32. 62克，钥=24. 56克，钨 =42. 65克，以及碳=84. 07克。各碳化物形成元素的重量比为：|凡=47. 73重量％，铬= 18. 14重量％，铁=6. 05重量％，钥=4. 56重量％，鹤=7. 92重量％，以及碳=15. 60重 量％。该重量比表示47. 73克的钒与15. 60克的碳发生反应，这意味着1克的钒与0. 33克 的碳反应。为了在M8C7碳化物中沉淀1.0重量％的钒需要0.33重量％的碳，因此，钒的乘 系数为0. 33。同样的方法获得的乘系数为：铬=0. 29,钥=0. 06,以及钨=0. 03。
[0021] 接下来，热喷涂粉末20中的碳的化学计算量通过由各碳化物形成元素的量乘以 各相关的乘系数，然后将各值加起来。例如，如果热喷涂粉末20包括4. 0重量％的钒，13. 0 重量％的铬，1. 5重量％的钥，以及2. 5重量％的钨，那么碳的化学计算量=(4. 0*0. 33) + (1 3. 0*0· 29) + (L 5*0. 06) + (2. 5*0. 03) = 5. 26 重量 ％。
[0022] 此外，该热喷涂粉末20包括的Ct(rt/Cst()ic;h小于1. 1。因此，当热喷涂粉末20包括 上限为7. 0重量％的碳时，Cstoieh是6. 36重量％的碳（7. 0%重量的碳/1. 1)。
[0023] 下表提供一些实例，包括在热喷涂粉末20中可找到的其他碳化物类型，以及铬， 钒，钥和钨的通用碳化物的化学计算量的乘系数。然而，在表中所列的各碳化物的金属原子 可以部分地被其它原子代替，乘系数相应变化。
【权利要求】
1. 一种用在热喷涂技术中的粉末金属材料，其特征在于，该粉末金属材料包括： 3. 0-7. 0重量％的碳，10. 0-25. 0重量％的铬，1. 0-5. 0重量％的钨，3. 5-7. 0重量％的钒， 1. 0-5. 0重量％的钥,不超过0. 5重量％的氧，以及至少40. 0重量％的铁，基于粉末金属材 料的总重量。
2. 根据权利要求1所述的粉末金属材料，其特征在于，该粉末金属材料包括：3. 5 至4. 0重量％的碳，11. 0-15. 0重量％的铬，1. 5-3. 5重量％的钨，4. 0-6. 5重量％的钒， 1. 0-3. 0重量％的钥，不超过0. 3重量％的氧，以及50. 0-81. 5重量％的铁。
3. 根据权利要求2所述的粉末金属材料，其特征在于，该粉末金属材料由以下组分组 成：3. 8重量％的碳，13. 0重量％的铬，2. 5重量％的钨，6. 0重量％的钒，1. 5重量％的钥， 0. 2重量％的氧，70. 0至80. 0重量％的铁，以及不超过2. 0重量％的杂质。
4. 根据权利要求1所述的粉末金属材料，其特征在于，该粉末金属材料包括：钴，铌， 钛，锰，硫，硅，磷，锆和钽中的至少一种。
5. 根据权利要求1所述的粉末金属材料，其特征在于，该粉末金属材料包括基于粉末 金属材料的总体积为至少15. 0体积％的金属碳化物。
6. 根据权利要求5所述的粉末金属材料，其特征在于，金属碳化物选自：M8C7，M7C 3，M6C， 其中，Μ为至少一种金属原子，C为碳。
7. 根据权利要求6所述的粉末金属材料，其特征在于，M8C7是（V63Fe 37)8C7 ;M7C3选自： (Cr34Fe66) 7C3, Cr3.5Fe3.5C3，以及 Cr4Fe3C3 ;而 M6C 选自：Mo3Fe3C，Mo2Fe4C，W 3Fe3C，以及 W2Fe4C。
8. -种形成用在热喷涂技术中的粉末金属材料的方法，其特征在于，该方法包括以下 步骤： 提供熔化的铁基合金，该铁基合金包括：3. 0-7. 0重量％的碳，10. 0-25. 0重量％的铬， 1. 0-5. 0重量％的钨，3. 5-7. 0重量％的钒，1. 0-5. 0重量％的钥，不超过0. 5重量％的氧，以 及至少40. 〇重量％的铁，基于熔化的铁基合金的总重量；以及 雾化该熔化的铁基合金以提供该铁基合金的雾化液滴。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法包括研磨该雾化液滴。
10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该雾化步骤包括：在铁基合金中形成基 于铁基合金的总体积为至少15. 0体积％的金属碳化物。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，金属碳化物选自：m8c7，m7c 3，m6c^*， Μ为至少一种金属原子，C为碳。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，M8C7是（V63Fe 37) 8C7 ;M7C3选自： (Cr34Fe66) 7C3, Cr3.5Fe3.5C3，以及 Cr4Fe3C3 ;而 M6C 选自：Mo3Fe3C，Mo2Fe4C，W 3Fe3C，以及 W2Fe4C。
13. -种耐磨部件，包括：热喷涂的粉末金属材料，其中，该热喷涂的粉末金属材料包 括3. 0-7. 0重量％的碳，10. 0-25. 0重量％的铬，1. 0-5. 0重量％的钨，3. 5-7. 0重量％的钒， 1. 0-5. 0重量％的钥,不超过0. 5重量％的氧，以及至少40. 0重量％的铁，基于该热喷涂的 粉末金属材料的总重量。
14. 根据权利要求13所述的耐磨部件，其特征在于，该耐磨部件还包括一具有外表面 的本体，热喷涂的粉末金属材料被设置于所述外表面上。
15. 根据权利要求14所述的耐磨部件，其特征在于，本体是具有内表面和外表面的活 塞环，该内表面围绕中心轴设置，该外表面与该内表面相对设置，热喷涂的粉末金属材料在 外表面上形成涂层。
16. 根据权利要求14所述的耐磨部件，其特征在于，本体是具有外表面的活塞，热喷涂 的粉末金属材料在外表面上形成涂层。
17. 根据权利要求13所述的耐磨部件，其特征在于，耐磨部件由热喷涂的粉末金属材 料组成。
18. 根据权利要求17所述的耐磨部件，其特征在于，耐磨部件是活塞环。
19. 根据权利要求13所述的耐磨部件，其特征在于，包括与热喷涂的粉末金属材料混 合的第二粉末金属材料。
20. -种形成耐磨部件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：喷涂粉末金属材 料，其中，该粉末金属材料包括3. 0-7. 0重量％的碳，10. 0-25. 0重量％的铬，1. 0-5. 0重 量％的钨，3. 5-7. 0重量％的钒，1. 0-5. 0重量％的钥，不超过0. 5重量％的氧，以及至少 40. 0重量％的铁，基于粉末金属材料的总重量。
21. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，喷涂步骤选自以下热喷涂技术：粉末火 焰喷涂，等离子喷涂，冷喷涂，以及高速氧燃料喷涂（HVOF)。
22. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，该方法包括在喷涂步骤之前加热粉末 金属材料，该粉末金属材料在喷涂步骤中被加热。
23. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，热喷涂技术包括：提供含燃料和氧气的 混合物的燃烧室；点燃燃料和氧气的混合物；以及在点燃步骤后将粉末金属材料供应进燃 烧室以加速该粉末金属材料。
24. 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，点燃步骤包括在燃烧室中产生压力，并 将粉末金属材料加速到超音速的速度。
25. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，该方法包括提供本体，喷涂步骤包括将 粉末金属材料喷涂到本体上。
26. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，喷涂步骤形成耐磨部件，该耐磨部件是 具有内表面和外表面的活塞环，该内表面围绕中心轴设置，该外表面与该内表面相对设置。
【文档编号】B22F3/115GK104302426SQ201380023676
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年3月8日 优先权日:2012年3月9日
【发明者】小丹尼斯·B·克里斯托夫森, 吉勒斯·埃斯佩兰斯, 杰里米·科思 申请人:费德罗-莫格尔公司