专利名称：涂覆方法
技术领域：
本发明涉及物体(例如机器部件)的涂覆方法和带有相应的涂覆层的物体。本发明特别是，但不是排他地，应用于导纱零件的，特别是导引含有人造纤维或细丝的纱的零件(例如用于化纤设备的牵伸罗拉)的涂覆方法。采用本发明的涂覆方法可以获得各种效果，但本发明特别感兴趣的是零件的制造，它可在暴露的表面上产生催化效应，以便在所述表面上获得沉积物的分解作用。这样就可以获得自动净化效应。分解作用可以通过空气中的氧的效应发生。不过，它也可以是一般意义上的催化效应，例如用于废气的较好燃烧或对所有类型的化学过程进行催化。
从专利US-C-3080134得知，该专利为机器零件提供一个硬陶瓷涂层，它具有预定的表面质量，这里指的是其表面的微观结构(具有圆的而不是尖边的隆起)以及由此所引起的粗糙度。从专利US-C-3902234得知，该专利为一种在人造纱的纺纱过程中使用的牵伸罗拉，首先提供一层根据US-C-3080134的涂覆层，之后在两个隆起之间沉积金属铂或金属钯。所述金属应具有催化剂效应以便通过空气中的氧的作用增强牵伸罗拉的表面上的沉积物的分解作用，其意思是获得这种沉积物的缓慢的、一点一点的“燃烧”效应(在小于人造材料的熔融温度的温度下)。这种催化剂涂覆的概念是非常好的。但是，US-C-3902234的涂覆的实现显出某种缺陷。金属在一种溶液中发生化学反应之后自身以颗粒的形式沉积在隆起之间。该方法必须在若干个步骤中实现，因为各活性成分必须一次一种地涂覆在物体上，在这之后物体必须被加热，以便加速反应。由于沉积不能有选择地进行，就在隆起之间以及它们上面形成一层催化剂。一般来说，在金属和陶瓷表面之间只形成了一种非常松散的粘接，使得金属涂层的外部可以很容易地碎裂掉，这样就在隆起之间留下所希望的催化沉积层，但是损失了所去掉的催化剂材料。即使所去掉的催化剂材料再次得到利用，这也会使过程变得复杂。此外，颗粒必须非常精细以便处在隆起之间——这种精细的颗粒可以进入肺中，如果颗粒是针形的话这是特别危险的。而且，铂要求特殊的处理，因为对于铂的粘接来说，要求特别低的MAK值(MAK＝最大工作面密度，英文为maximum workplaceconcentration)。
从US-C-3266477得知，该专利为烹饪用具提供了一种带有催化剂涂层，以便获得“自净”效应。为此，可期望得到较高的操作温度(200至260℃)并且催化剂层明显地设计成保护表面的未断开的涂层，即使提到了断开的可能性(第5栏，第32行)。考虑了不同类型的催化剂，它们中的某些可以借助等离子喷镀(第2栏，第30行)加以涂覆。贵金属，即使它们在US-3266477中被提及作为催化剂，显然也没有用来喷镀。
又据所知，如在一篇由地址在瑞士，5607 Hagglingen的PlasmaTechnik AG公司发表的论文(“等离子体喷镀技术—基础和应用”)中所提及的那样，例如可以喷镀铂。但是，借助喷射产生铂催化剂是相当不寻常的，例如它没有在由地址在德国Stuttgart的Keller出版Rmpp氏的化学百科全书(1987年，第八版，第3256页)的内容中提及。已知的是铂保护层的涂覆是借助线喷镀进行的，这意味着铂是以线的形式供给的(US-3136658和US-3125539)。在US-3125539中，提到了以粉末形式的涂覆(第3栏，第16行)。但是使用铂系材料产生保护层不属本发明的范围。
从现有技术中还可得到以下可能性EP-A-423063-保护层是由金属基体形成的，其中嵌入碳化和氧化陶瓷颗粒充作耐火材料。在涂覆过程中，氧化颗粒可以通过所谓高速火焰喷镀法产生。EP-A-541165-具有复杂层结构的印刷鼓，它有一层(内层)带有用等离子体喷镀方法施加的3％的铂的TiO2。铂作为添加剂以便获得导电性。GB-2130250- 轴承合金的生产(例如由Al/Pb生产)，在此可以使用等离子喷镀的方法来形成若干层而使其中一种成分的部分稳定地增加。EP-A-223104-由硅酸铝构成的保护层的应用。为此采用了等离子喷镀方法。DE-3721008- 在类似于GB2130250的合金的轴承合金中，将耐火物质的部分添加到等离子体流中。US-3279939- 通过喷镀方法可以形成一种在高的工作温度(例如约1000°F)下具有高的耐磨性的层。EP-A-592310-通过热喷镀方法可以形成具有低的摩擦系数的层。EP-A-401611-由高温化合物构成的耐腐蚀和耐磨损的保护层，它可以通过堆焊或等离子喷镀方法形成。其中提到铂作为用于改善腐蚀稳定性和用于使碳化物稳定的添加物。US-3020182- 通过热喷镀形成陶瓷/金属粘接。
上面所列的例子显示出热喷镀方法的应用已经知道有很长一段时间了。尽管如此，还是没有提及催化效应。
本发明的目的是建议一种方法和相应的产品，它可获得US-C-3902234的产品的有利效应，同时可以简化生产和延长物体的寿命。
本发明的方法包括物体的处理，在此，借助一种热喷镀方法在物体的表面上形成一层处理的材料，从而使得活性物质连同处理材料一起喷镀。
处理材料可以形成一层保护层，该保护层例如是耐磨的、耐腐蚀的或耐受类似的危害性的。陶瓷层特别适用于这种目的。
为了影响待处理的物体的暴露表面的性质，例如为了使在该表面上的沉积物发生催化分解，可以施加一种活性物质。所述的活性物质或另一种活性物质可以用来获得其他效应，例如1)为了影响其处理层自身的性质，例如为了增加其韧性。
2)为了影响物体和处理层的共同表面的性质，例如为了改善处理层的粘接性。
因此，可以在处理层的所有的层内或仅在预定的层内设置活性物质。活性物质最好施加在少数选定的层内，因为活性物质自身就是昂贵的(例如铂)，并且也是因为其效应只在某些表面(例如暴露的表面)上需要。
喷镀方法可以用通常已知的喷镀装置进行，例如借助一种喷枪进行，该喷枪由一个在保护座舱内由计算机控制的自动装置相对于夹持物体的夹紧装置加以导引。给喷镀装置的供料以这样的方式安排和控制，使得在喷镀过程中至少每隔一段时间，将处理材料以及活性物质供给准备移向物体的喷镀装置。可以提供两种材料，每一种分别提供或提供两种材料的混合物。在后一种情况下，应确保不会发生混合成分的分离(至少不会在从喷镀装置向物体供料之前发生)。为此所采取的措施有—形成那些准备一起喷镀的材料的所谓“机械合金”。
—将一种材料的颗粒用每一种其他材料层包覆起来。
—形成由两种材料构成的烧结体，它们随后被切割成小的可喷镀的颗粒。
术语“热喷镀”至少包括等离子喷镀、火焰喷镀、高速火焰喷镀，和爆炸喷镀，还有导致可接受结果的方法。
喷镀方法要求提供具有预定最小和最大的尺寸的颗粒形式的可喷镀材料。所述颗粒在喷镀之前可以是球形的，但是它在撞击物体表面时“被扁平”，由此它们就分别嵌在构建它们自身的层内，并且与该层融合在一起。这样就在每个新到达的颗粒和已经存在并且形成一层的材料之间形成一种强力粘接。这样就形成了一种复合材料，该材料包括在处理材料的衬底内的“岛状”活性物质。
在喷镀之前，颗粒可以是约为10μm的尺寸，这样的颗粒不会进入肺内。颗粒的尺寸会影响表面质量。采用喷镀的方法，就可以达到具有介于RA 0.1μm和10μm之间的粗糙度的表面。各层之间的粘接强到使产品可以被研磨或被摩擦的程度。
此外，本发明的标的物特别是一种机件，它配置有通过热喷镀获得的涂层，由此使得一种活性物质借助以这样一种方式，即使得活性物质呈现在物体的暴露表面上的方式进行的复合喷镀镶嵌在该涂层内。涂层可以以这样的方式形成预定的活性物质的分散的岛块分布在涂层的衬底范围并且由于镶嵌在该涂层内，分别被包封在其内。
活性物质可以构成涂层总重量的高达约50％的成分，在此通常能达到所述重量的10％(特别是2％-10％之间)的成分作为活性物质就足以获得所需的效果。衬底可以由这样的材料构成，这种材料是耐磨的，同时使得衬底能够获得预定的表面质量，例如分别获得预定的粗糙度数值和摩擦系数(与预定的抵抗面接触时)。
本发明的实施例将通过下面对附图的说明予以公开，其中附图所示为
图1示意地示出了一个装置，它适用于本发明的等离子喷镀；图2示意地示出了图1所示的装置的喷枪的视图3示意地示出了物体的横截面，该物体设置有根据本发明的涂层。
图1以剖视图的形式示意地示出了一个保护舱10，它包围着一个自动装置12和一个夹固住物体的夹持装置14。自动装置12的结构是根据现有技术的当前的常规形式设计的，它包括一个由程控控制部件16控制的驱动系统(未示出)。控制装置16安装在一个设置在舱10外面的操动部件(未示出)内。夹固住物体的夹持装置的驱动装置(未示出)也由同一个控制部件16控制。在所示实施例中，夹持装置14夹固住一个圆筒形物体18，该物体18借助夹持装置14的驱动装置可以以预定的速度绕轴线20转动。同时，自动装置12可以受到控制以便在轴向相对于物体18前后移动一个抓取装置22。
抓取装置22夹住一个喷枪24，其开口部分将结合图2作进一步描述。喷枪24配置有两个粉末喷射器26、28，其中每个喷射器都由一条挠曲管30、32与相应的粉末贮存器34、36相连。一条输送气体供应线(未示出)与每个贮存器34、36相连，以便如果致动气体供应，就可以借助对应的喷射器26、28分别从至少一个贮存器34、36提供粉末。气体供应可以由操动部件有选择地致动。
喷枪24的喷口部分包括一个管38，其开口端设置成对着物体18。在管38内设置有一个电极40，并且在工作过程中，形成一个光弧(等离子体)42，它会到达物体18上并在通向物体18的方向上形成一条运送通道。由喷射器28(和/或26)喷射的粉状颗粒44被引入该光弧42内并立即被沿着通向物体18的方向带走，撞击到暂时处在对面的作为物体18一部分的表面部分46上。等离子体的温度高到使粉状的颗粒44在它们到达物体18的表面上时部分地熔融。一旦到达那里，它们就被压扁在表面部分46上，借此它们就将它们的热传到物体18上并立即固化。这样它们就与它们所撞击在其上的材料粘接在一起。因此首先就形成了一薄层(又称“壳层”，未显示)，重复这个薄层的形成过程，就在物体18的表面上形成所喷镀材料的料层50(见图3)。除了其他因素外，薄层的厚度取决于粉末供应的速度、其数量和喷枪24在物体18的轴向上的线速度。如果每一薄层以同样的方式形成，则料层50的厚度就取决于形成薄层的重复次数。喷镀技术的进一步的详细内容可以从Plasma Technik AG发表的论文或从一般的文献中取得。
本发明的目的是借助一种以上的喷镀材料的受控供应来影响料层50的特性。图3示意地示出了通过本发明所实现的结构的实例。在这种情况下料层厚度的最大部分是由衬底材料52构成的，借此在单一薄层的形成过程中，将第二种材料(一种活性物质)一起喷镀上去，就形成分散的“岛”块54，它们镶嵌在或包裹在衬底52内。
在所示实施例中，活性物质只在最后一层薄层的形成过程中添加，以便至少有一个单一的岛块54出现在料层50的暴露表面56上。该系统也可以这样调节，使得实际上所有的岛块54至少部分地出现在表面56上，这在活性物质是用来在表面56上获得某种效应时是特别有意思的。
但是显然可见，所述的或某一种活性物质可以施加在结构的其他部位上，例如施加在第一薄层内(例如在表面46上获得一种效应)或施加在整个料层50内或只施加在所选定的其他薄层内。下面的实施例将得到进一步的描述，其中假定在所有的实施例中，形成有一层陶瓷材料(例如Al2O3和/或TiO2)的衬底作为耐磨材料。
1)只在最后几层由铂形成图3的岛块54；它们在表面56上产生催化效应，这一内容已经在US-C-3902234中描述，因此不再重复。这一族内的其他可能的材料是铂系的其他金属，即钌，铑，钯，锇，铱以及它们的合金。
2)在第一层(在表面46上)内由诸如镍-铝或镍-铬的粘接媒介形成岛块54；它们改善了物体18上的料层50的粘接性。
3)由Ni/Cr-合金形成岛块54并且分布在料层50的整个厚度上，这样就增加了料层的韧度。在该族内的其他的可能的活性物质是铁，钼，铝和所述金属的合金或金属陶瓷或较易延展的氧化陶瓷。
“活性物质”的效应可以受环境，例如除了其他因素还分别受温度和空气状态，例如空气的成分，空气的流通影响。因此，机件可以根据在成套设备中的安装来制造，这样就保证了合适的环境或使合适的环境成为可能，该机件例如可以包含一个加热装置(以便维持例如最低的温度水平)或包括抽吸或供应装置(例如抽吸蒸汽或供应新鲜空气或气体)。在任何情况下，机件一般适合于在预定的成套设备中的安装，它例如可以形成一根杆，该杆借助一个夹持装置插入在一种液体(液流)中，以便起到一种用于在该种液体内的预定化学反应的催化剂的作用。应该理解到，在活性物质的选择过程中必须考虑众所周知的“毒化”问题。
在催化剂必须获得“自动净化”效应的情况下，它可以被用于沉积层的氧化。对于这种情况，氧还会与催化剂以及与用于氧化的材料发生相互反应当然也是重要的。为了满足要求，将活性物质以这样的方式尽可能均匀地分布在待保护的表面上使得不是活性物质的所有“岛块”可被“覆盖”住可能也是重要的。喷镀方法，连同颗粒尺寸的合适的选择和涂层的均匀度，都给完成分布工作以支持。
本发明并不局限于将陶瓷材料用作处理材料。每一种可喷射的材料都可用作衬底。当然，陶瓷材料对于此用途来说是最感兴趣的，这是因为它们的耐磨性。
高的耐磨性在导纱元件方面具有特别的意义，但在其他的情况下则不那么重要。例如本发明应用在自动净化烘炉壁的生产方面—参见例如US3266477-在这里催化效应也是很重要的，耐磨性(例如与牵伸罗拉相比)可以是非常低的。
为了获得催化效应，活性物质必须根据最终使用来选择。有大量的材料适合于在合适的“环境”中起催化剂作用，即使是金属氧化物(Al2O3，TiO2)，它们也是耐磨的。因此选择并不局限于贵金属。
同时供应衬底材料和活性物质可以以这样的方法进行，即用衬底粉末充满贮存器34(图1)并用活性物质粉末充满贮存器36，以及将输送气体引到这两个贮存器34、36。但是如果活性物质的数量只占衬底材料数量的一小部分，这样就会导致一些问题。在后一种情况下，可以准备带有两种成分的预定部分的粉末混合物并将它们装进贮存器34或36内。在活性物质只是以单层出现的情况下，则可以在适当的时候关上或打开给相应的贮存器的气体供应，借此可以将另一种喷镀粉末装进另一个贮存器内。
现通过下面的实例对本发明的物体作更进一步的解释。物体18是欲用于由合成聚合物纺织环状细丝的牵伸罗拉部件的导丝轮(即导纱元件)。这种部件的实施例例如示于EP-A-454618和我们的1994年3月28日授予的瑞士专利第925/94号(PCT/CH94/00104)中。导丝轮自身是用钢制的，而其外圆柱表面(细丝在操作过程中经过该表面)则根据喷镀技术的已知方法制备来涂覆保护料层50(图3)。借助图1所示的装置，就用Al2O3作为衬底形成了具有例如150μm的总厚度的料层50。在构成约10至20μm薄层厚度的最后的薄层内，将约10％的重量份的铂添加到衬底材料上，使得铂呈现在表面56上(图3)。这样导丝轮根据在US-C-3902234中所解释的原理就是自动净化的。
活性物质与陶瓷的粘接强到使经涂覆的导丝轮在这之后可以研磨以便获得预定的表面质量，而没有损失大量的铂的缺点。
权利要求
1.一种物体处理方法，它可借助热喷镀方法在该物体的表面上形成一层处理材料，其特征在于一种活性物质连同该处理材料以这样的方式加以喷镀，使得活性物质在该物体的暴露表面上具有催化效应。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于该处理材料层特别是耐磨的、耐腐蚀的或类似的危害的。
3.如权利要求1和2所述的方法，其特征在于该活性物质适合于该物体表面上的沉积层的催化分解。
4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于该种或其他活性物质适合于获得下列效应之一(a)能影响该处理层的特性，例如使其韧度增加；(6)能影响该物体和处理层的共同表面的特性，例如改善该处理层的粘接性；
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于该活性物质设置在该处理表面的所有层内。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于该活性物质只设置在处理表面的预定层内。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于活性物质与衬底相比较昂贵(例如铂)。
8.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于喷镀粉末的颗粒具有至少约10μm的尺寸。
9.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于在该层内之间的粘接强到使产品在随后可以通过研磨或磨刷加以处理。
10.一种物体，特别是一种借助热喷镀设置有一层涂层(50)的机件(18)，借此将一种活性物质(54)通过一种复合的喷镀作用镶嵌在或包覆在该涂层(50)内，其特征在于该活性物质呈现在该物体的暴露表面上，在该表面上该活性物质产生一种催化效应。
11.如权利要求10所述的物体，其特征在于由预定的活性物质构成的分散岛块(54)分布在涂层(50)的衬底(52)内并且镶嵌在或包容在该衬底内。
12.如权利要求10或11所述的物体，其特征在于该活性物质占到该涂层的总重量的50％。
13.如权利要求12所述的物体，其特征在于该活性物质占到该涂层的总重量的10％。
14.如权利要求10至13中任一项所述的物体，其特征在于该衬底(52)由耐磨的并还能获得预定的表面质量的材料构成。
15.如权利要求14所述的物体，其特征在于该衬底(52)是由陶瓷材料构成的。
16.如权利要求10至15中任一项所述的物体，其特征在于该活性物质(54)只存在于毗邻该涂层(50)的一个暴露表面(56)的层内。
17.如权利要求10至16中任一项所述的物体，其特征在于涂层(50)施加在一个机件(18)上，该机件用作一个机器的导纱元件。
18.如权利要求17所述的物体，其特征在于该机件是一个导丝轮。
19.一种牵伸罗拉部件，其特征在于它具有一个如权利要求18所述的导丝轮。
全文摘要
在外薄层的形成过程中将铂粉末(54)连同涂覆材料(52)喷涂在一个物体(18)上从而生成一种催化剂。
文档编号C23C4/08GK1133898SQ96103570
公开日1996年10月23日 申请日期1996年1月30日 优先权日1995年1月31日
发明者W·芬克 申请人:里特机械公司