专利名称：耐腐蚀且耐磨损的包覆层的制作方法
技术领域：
本发明涉及包覆层，并且更具体地是针对具有改进的耐腐蚀性的耐磨损包覆层及其制造方法。背景资料磨损和腐蚀是起作用而 减小设备的使用寿命的两个因素。一种增大工具或设备的耐磨损性的解决方案是将一种耐磨损涂层施加在一个工具的外表面上以便提供额外的保护。尽管这有助于在磨损条件中增加该工具的使用寿命，但是该工具由于暴露在腐蚀性环境中仍然易具有更短的使用寿命。为了增加在此类环境中使用的设备的使用寿命，希望的是提供一种包覆层，该包覆层在例如高度腐蚀性的环境如酸性环境中是耐腐蚀的且耐磨损的。发明_既述本发明提供了一种物品，该物品包括一个基底以及一个耐腐蚀且耐磨损的包覆层，该包覆层被钎焊在该基底的至少一部分上。该包覆层可以包括多个硬质颗粒以及分散在一种镍基合金基质中的一种合金化添加物。该合金化添加物可以包括钼或铜中的至少一种。该合金化添加物可以包括钼以及铜。该包覆层可以包括占该包覆层总重量的按重量计从约2%至4%的钼和/或可以包括占该包覆层总重量的按重量计从约至3%的铜。这些硬质颗粒可以包括粗晶碳化钨颗粒以及非粗晶碳化钨颗粒。这些非粗晶碳化钨颗粒的尺寸可以是从约2 μ m至5 μ m。该包覆层可以包括占该包覆层总重量的按重量计从约40%至 70%的粗晶碳化钨颗粒。该包覆层不包括钴结合的碳化钨颗粒。该包覆层具有的厚度可以是从约0. 003英寸至约0. 100英寸。该基底可以是碳钢和合金钢、镍、不锈钢、钴、镍基合金、 以及钴基合金。本发明的一个方面提供了一种耐腐蚀且耐磨损的包覆层，该包覆层包括多个硬质颗粒以及分散在一种镍基合金基质中的一种合金化添加物，其中该合金化添加物包括钼或铜中的至少一种，并且该包覆层不包括钴结合的碳化钨颗粒。这些硬质颗粒可以包括按重量计从约40%至70%的粗晶碳化钨颗粒以及按重量计从约5%至约30%的、尺寸为从约2 至5μπι的碳化钨颗粒。这些硬质颗粒可以包括按重量计从约40%至50%的粗晶碳化钨颗粒以及按重量计从约10%至20%的、尺寸为从约2至5μπι的碳化钨颗粒。该合金化添加物可以占该包覆层总重量的按重量计高达10%，并且可以进一步包括按重量计约2%至 4%的钼以及按重量计约至约3%的铜。该包覆层可以包括按重量计40%至70%的粗晶碳化钨；按重量计5%至30%的、具有的尺寸为2至5 μ m的碳化钨颗粒；按重量计2%至 4 %的钼，按重量计1 %至3 %的铜，按重量计1 %至5 %的硼，按重量计0至20 %的铬，按重量计高达50%的镍，按重量计高达1 %的钨，以及按重量计小于2%的杂质，如铁。本发明的又一个方面提供了一种包覆基底的方法该方法包括将一个薄膜施加在一个基底上并且将该薄膜以及该基底加热以便在其上形成一个钎焊的包覆层。该薄膜可以包括一种镍基填充剂合金、多个硬质颗粒、以及一种合金化添加物，该合金化添加物包括钼和铜中的至少一种。在本方法中，将该薄膜和该基底加热包括使该镍基填充剂合金熔化以便形成该基底上的钎焊的包覆层。这些硬质颗粒可以包括粗晶碳化钨颗粒以及非粗晶碳化钨颗粒。该合金化添加物可以包括按重量计从2%至4%的钼以及按重量计至3%的铜。 这些硬质颗粒包括按重量计从约40%至70%的粗晶碳化钨颗粒以及按重量计从约5%至 30 %的、2至5 μ m的碳化钨颗粒。本发明的这些以及其他方面将从下面的说明中变得更清楚。附图简要说明
图1是本发明的一种包覆层的微结构的光学显微镜照片。图2是图1的包覆层的微结构的电子显微镜照片。优选实施方案的详细说明在描述本发明的方法和材料之前，应当理解本披露不受限于所描述的具体的方法以及材料，因为这些可以改变。还应该理解本说明书中使用的术语只是为了描述这些特定的形式或实施方案的目的、而不是旨在限制其范围。例如，除非上下文明确地另有说明，如在此和所附权利要求书中所使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数的指代物。例如，尽管在此提及的是“一个”包覆层、“一块”布料等等，但是可以使用这些或任何其他组分中的一个或多个。此外，如在此使用的词语“包括”旨在表示“包含但不限于”。除非另外限定，在此使用的所有技术的以及科学的术语具有与本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。如在此使用的，除非另外清楚地说明，所有的数字，诸如表示数值、范围、量值、或者百分比的那些，可以被理解为前面有词语“约”，即使该术语没有清楚地出现在本说明书以及权利要求书中。同样地，在此引用的任何的数字范围旨在包括其中所包含的所有子范围。本发明的包覆层是具有改进的耐腐蚀特性的耐磨损包覆层。具体地说，本发明的包覆层可以用在如下基底上，这些基底具有的耐腐蚀性至少与本发明的包覆层同样好(如果没有更好)，这些基底被暴露在腐蚀性以及侵蚀性的环境中。此类腐蚀性的以及侵蚀性的环境包括例如但不限于具有小于7的pH水平和/或升高的温度的酸性环境。在多个实施方案中，该包覆层包括以下各项(按照该包覆层总重量的百分比)按重量计40%至70%的粗晶碳化钨；按重量计5%至30%的、具有的尺寸为2至5μπι的碳化钨颗粒；按重量计2%至4%的钼，按重量计至3%的铜，按重量计至5%的硼，按重量计0至20%的铬，按重量计高达50%的镍，按重量计高达1 %的钨，以及按重量计小于 2%的杂质，如铁。该包覆层可以包括硬质颗粒、合金化添加物、以及一种填充剂合金。如在此使用的，术语“填充剂合金”和“钎焊合金”可互换使用并且可以是一种金属或者一种合金，如在此进一步说明的。利用一块柔性布料、一种浆料或类似物将这些硬质颗粒、合金化添加物以及填充剂合金施加在该基底上。在多个实施方案中，在同一块柔性布料中将这些硬质颗粒、合金化添加物、以及填充剂合金一起施加。如在此进一步说明的柔性布料可以或可以不具有与该包覆层相同的组成。可以用一种低温粘合剂将该柔性布料或类似物施加在该基底上。在多个实施方案中，可以使用单独包含这些硬质颗粒、合金化添加物、以及该填充剂合金的多个交替布料层来形成本发明的包覆层。例如，可以将一块具有硬质颗粒以及合金化添加物的碳化物布料与一块包含该填充剂合金的单独的钎焊布料结合使用。可替代地，可以使用包含其组合的多个单独的层。此类布料还可以包括有机粘结剂，如加工过程中的多种聚合物试剂。适合的粘结剂包括例如由Dupont在TEFLON名称下出售的聚四氟乙烯。 还可以使用本领域的普通技术人员已知的其他粘结剂。在多个实施方案中，该碳化物布料和该钎焊布料可以包括一种有机粘结剂，该有机粘结剂在形成本发明的包覆层的高温加工过程中被去除。该包覆层典型地是通过一种渗透钎焊方法来生产的，其中用该该钎焊合金来填充这些硬质颗粒以及合金化添加物的一种多孔结构。例如，可以将带有一个或多个包含硬质颗粒、合金化添加物、以及填充剂合金的布料层的该基底置于真空中、一种惰性气氛的加热炉中、或者一种还原气氛的加热炉中，并且然后加热至一个钎焊温度，即，高于该钎焊合金的液相线温度但是低于这些硬质颗粒以及合金化添加物的液相线温度。该钎焊合金具有一个相对低的熔点，它允许该钎焊操作在并不有害地影响该基底材料的温度下进行。在该方法的过程中，该钎焊合金熔化并且渗入这些硬质颗粒和合金化添加物的多孔结构中，使得该钎焊合金通过一种毛细作用“填充”该结构并且润湿了该基底。被结合在该钎焊合金基质中的硬质颗粒和合金化添加物的一种复合材料由此形成了被冶金结合到该基底上的包覆层。该包覆层和/或该布料中的硬质颗粒可以包括碳化物、氮化物、硼化物、和/或碳氮化物。适合的硬质颗粒的其他实例包括碳化钨、碳化钒、碳化铌、碳化铬、碳化钛、碳化钽、 碳化钼、碳化铪中的一种或多种。在本发明中可以使用任何其他适合的、与一种镍钎焊材料相容的硬质颗粒。在一个实施方案中，适合的硬质颗粒是碳化钨颗粒。这些碳化钨颗粒可以包括粗晶碳化钨 颗粒以及非粗晶碳化钨颗粒。粗晶碳化钨颗粒是通过一种高温铝热法由精矿直接制得的。该包覆层中这些粗晶碳化钨颗粒的尺寸是小于50 μ m，如小于44μπι，并且例如-325筛目。在其他实施方案中，该包覆层的这些碳化钨颗粒可以包括尺寸为从1至 10 μ m、如1至6 μ m、或如2至5 μ m的非粗晶碳化钨颗粒。这些颗粒可以包括例如碳化钨单晶体或晶粒的一种附聚体。在多个实施方案中，用于本发明的包覆层中的这些硬质颗粒可以包括粗晶碳化钨颗粒和非粗晶碳化钨颗粒的一种组合。例如，该包覆层可以包括的硬质颗粒为占该包覆层总重量的按重量计40%至70%的粗晶碳化钨(如按重量计40%至50%)，并且进一步包括按重量计5%至30%、如按重量计10%至20%的、具有的尺寸为2至5μ m的碳化钨颗粒。 在其他实施方案中，所使用的硬质颗粒的量值是使得该包覆层具有按重量计43 %至49 % 的粗晶碳化钨颗粒以及按重量计10%至20%的、尺寸为2至5 μ m的碳化钨颗粒。虽然不受一种理论的束缚，但诸位发明人已经建立了以下理论，即，使用纯的碳化钨(不同于例如钴结合的碳化钨)，辅助增加了如此形成的包覆层的均质性，由此增大了该基底的耐腐蚀性。 这样，使用纯的碳化钨通过减少和/或消除较不贵重的元素(如该包覆层中的钴)的量而抬高了如此形成的包覆层的价值。在多个优选实施方案中，该包覆层不包括钴结合的碳化钨颗粒。本发明的包覆层进一步包括至少一种合金化添加物。少量的合金化添加物辅助增加了该包覆层在被暴露于PH水平小于7、pH为1的环境中时的耐腐蚀性。这种环境可以包括还原性酸如盐酸、硫酸等等的环境。这些合金化添加物可以是不连续的金属粉末。这些合金化添加物被选择为在不损害该包覆层的耐磨损性的情况下来增加该包覆层的耐腐蚀性。 这些合金化添加物具有一个高于该填充剂合金的熔融温度，并且因此不会有害地影响该渗透过程。预期这些合金化添加物与填充剂合金的结合是通过一种扩散过程来进行的。 在多个实施方案中，该包覆层包括占该包覆层总重量的按重量计高达10%的合金化添加物，如按重量计高达7%、如按重量计2%至5%的合金化添加物。合金化添加物的实例包括但不限于钼、铜、以及类似物。在某些实施方案中，该合金化添加物是一种精细粉末以便协助该扩散过程。具体地说，虽然不受一种特定理论的束缚，但是相信该合金化添加物在钎焊过程中扩散进入到该填充剂合金中。在多个实施方案中，该包覆层包括的合金化添加物为钼或铜中至少一种。在其他实施方案中，这些合金化添加物包括钼以及铜。该包覆层可以包括按重量计从2 %至4 %的钼，如按重量计2 %的钼。该包覆层可以包括按重量计从1 %至3 %的铜，如按重量计2 %的铜。在这些包覆层中使用的填充剂合金可以包括一种金属或合金。该填充剂合金可以具有的熔点为IlOOMn 1055°C。在一个实施方案中，该填充剂合金可以是一种镍基合金。 如在此使用的，术语“镍基”合金是指一种包括至少50重量％的镍的合金。该镍基填充剂合金可以包括的合金化添加物为硼以及铬。在一个实施方案中，该镍基填充剂合金包括从 0至20重量％的Cr、从1至5重量％的B、以及余量的Ni。在另一个实施方案中，在本发明的包覆层中使用的镍基填充剂材料是具有以下组成的一种镍-磷钎焊合金(1)11重量％ 的P，以及余量的Ni和伴随的杂质，或者(2) 10重量％的P ；14重量％的Cr ；以及余量的Ni 和伴随的杂质。这些硬质颗粒和合金化添加物与镍基填充剂合金的重量比的范围典型地是从 1 0. 5至1 2，如1 0. 4至1 1.5。在多个实施方案中，该重量比是从1 0. 4至 1 0. 7。在多个实施方案中，该包覆层的钎焊基质(即，在钎焊之后)可以进一步包括一种相抑制剂(Phase suppressant)。该包覆层可以包括例如按重量计2%至10%的相抑制齐U，如按重量计3%至5%。该相抑制剂在功能上起作用并且辅助该包覆层的可加工性或制造。该相抑制剂消除了或者最小化了某些有害的相在Wc-Co体系中的形成并且还增加了该包覆层的耐腐蚀性。在一个实施方案中，该相抑制剂与该填充剂合金一起溶解，由此辅助增大该包覆层的耐腐蚀性。该相抑制剂可以是一种金属或一种合金。例如，该相抑制剂可以是一种镍基合金和/或可以类似于该钎焊合金的组成。在多个实施方案中，该相抑制剂可以具有的组成为 16重量％的0、16重量％的临、5重量％&Fe、4重量％的12. 5重量％的(0、1重量％的 Mn、和余量的M以及伴随的杂质。在多个实施方案中，该相抑制剂被选择为使得该包覆层具有按重量计2%至4%的钼和/或按重量计至3%的铜。该包覆层可以位于该基底的至少一部分上。在多个实施方案中，该包覆层可以覆盖该基底的整个外表面区域。有待用本发明的包覆层涂覆的基底可以是任何由金属或合金构成的金属物品，该金属或合金是例如不同的碳钢以及合金钢、镍、不锈钢、钴等等，以及诸如镍基合金、钴基合金等的合金。该基底可以具有高于该填充剂合金的熔点或固相线温度。该基底优选具有与本发明的包覆层至少一样好或者更好的耐腐蚀性。在本发明的一个实施方案中，可以将包括硬质颗粒、合金化添加物、以及一种有机粘结剂的一个第一薄膜或布料辊压至一个预定的厚度，从而形成一块柔性布料，该柔性布料维持了一个均勻的重量并且容易与下面的基底的形状一致。在一个实施方案中，第一布料或碳化物布料的组成可以包括以包覆层的总重量计，按重量计65%至75%的粗晶碳化钨颗粒；按重量计15%至 20%的、尺寸为2μπι至5μπι的碳化钨颗粒；按重量计2%至5% 的钼和/或按重量计1 %至3 %的铜，按重量计5 %至15 %的相抑制剂，以及按重量计0. 1 % 至3%的特氟伦。然后将该布料切成适当的形状并且施加在该基底上，例如使用一种低温粘合剂， 如在美国专利号4，194，040中说明的。然后将包含填充剂合金的一个第二薄膜或布料(例如，一个钎焊布料，如一种镍基钎焊合金粉末以及一种有机粘合剂)施加在该第一层上。在将这些布料层施加在该基底上之后，将它们加热至高于该填充剂或钎焊材料的液相线的一个温度以便影响这些硬质颗粒和至少一种合金化元素一起的冶金结合并且以便形成到该基底上的一种冶金结合。该钎焊温度是低于1130°C，如950°C至1125°C。还应该理解，实现该冶金结合的加热过程可以包括多个步骤。熔融的填充剂或钎焊合金通过毛细作用向下流入这些硬质颗粒中并且形成了 M基基质的硬质颗粒的一种聚集体复合材料，该复合材料被冶金结合到该基底上。在本发明的另一个实施方案中，用硬质颗粒、合金化添加物、以及填充剂合金的一种混合物制成一个单一的柔性的薄膜或者布料，然后将其施加在该基底上。如上所述的加热至该钎焊合金的钎焊温度导致了这些硬质颗粒和合金元素钎焊在一起并且钎焊到该基底上。在一个进一步的实施方案中，这些硬质颗粒、该至少一种合金化添加物、以及该镍基填充剂可以按一种浆料的形式施加在一个基底上。该浆料可以包括一种液体载体，如水， 并且依照已知的以及本领域普通技术人员了解的来选择微粒固体与液体之比。该包覆层具有超过70，OOOpsi的冶金结合强度并且对于碎削、开裂、以及剥落是极有回弹性的。这些硬质颗粒和该至少一种合金化添加物的组成提供了高的耐磨损性和耐腐蚀性，并且该填充剂合金的组成为该包覆层提供了延展性。该包覆层的耐腐蚀性可以通过材料损失来测量，例如根据ASTM G31腐蚀试验程序，按mpy(密尔每年)计。本发明的包覆层与使用钴结合的碳化钨的包覆层相比耐腐蚀性多至少2倍，如耐腐蚀性多2至6倍。这取决于该腐蚀介质的浓度。已发现本发明的包覆层还具有高的耐磨损性。例如，根据ASTM G65磨耗试验程序，本发明的包覆层的耐磨损性典型地超过50ARF并且范围可以从60至130ARF或者更高。此外，本发明的包覆层的耐磨损性是该基底的至少两倍，典型地是多至少3至5倍。实例以下实例旨在阐释本发明并且不应解释为以任何方式限制本发明。对本发明的包覆层的耐腐蚀性和耐磨损性进行测试并且与三个对比包覆层进行比较。在一个镍基合金基底上形成了本发明的一个钎焊的包覆层。使用了具有表1中所示的化学组成的第一层，或者在本实例中是指一个碳化物布料。该碳化物布料包括-325筛目的粗晶钨颗粒、具有的粒径为2至5 μ m的碳化钨颗粒、以及钼和铜。这些钼和铜颗粒的尺寸是2至3微米。在该碳化物布料中使用的相抑制剂是一种-325筛目的镍合金粉末，该镍合金粉末包括约16重量％的Cr、16重量％的Mo、5重量％的Fe、4重量％的W、2. 5重量％ 的Co、l重量％的Mn、以及余量的Ni和伴随的杂质。该碳化物布料的厚度是0. 04英寸。表 1碳化物布料的化学组成
权利要求
1.一种物品，包括 一个基底；以及一个耐腐蚀且耐磨损的包覆层，该包覆层被钎焊在该基底的至少一部分上，其中该包覆层包括多个硬质颗粒以及分散在一种镍基合金基质中的一种合金化添加物，并且其中，该合金化添加物包括钼或铜中的至少一种。
2.如权利要求1所述的物品，其中这些硬质颗粒包括粗晶碳化钨颗粒以及非粗晶碳化钨颗粒。
3.如权利要求2所述的物品，其中该包覆层包括占该包覆层总重量的按重量计从约 40 %至70 %的粗晶碳化钨颗粒。
4.如权利要求2所述的物品，其中这些非粗晶碳化钨颗粒的尺寸是从约2μ m至5 μ m。
5.如权利要求1所述的物品，其中该包覆层不包括钴结合的碳化钨颗粒。
6.如权利要求1所述的物品，其中该合金化添加物是钼和铜。
7.如权利要求1所述的物品，其中该包覆层包括占该包覆层总重量的按重量计从约 2%至4%的钼。
8.如权利要求1所述的物品，其中该包覆层包括占该包覆层总重量的按重量计从约至3%的铜。
9.如权利要求1所述的物品，其中该包覆层具有的厚度为从约0.003英寸至约0. 100英寸。
10.如权利要求1所述的物品，其中该基底包括碳钢以及合金钢、镍、不锈钢、钴、镍基合金、以及钴基合金。
11.一种耐腐蚀且耐磨损的包覆层，包括多个硬质颗粒以及分散在一种镍基合金基质中的一种合金化添加物，其中该合金化添加物包括钼或铜中的至少一种，并且其中该包覆层不包括钴结合的碳化钨颗粒。
12.如权利要求11所述的包覆层，其中这些硬质颗粒包括按重量计从约40%至70%的粗晶碳化钨颗粒以及按重量计从约5%至30%的、尺寸为从约2至5 μ m的碳化钨颗粒。
13.如权利要求11所述的包覆层，其中该合金化添加物占该包覆层总重量的按重量计高达10%。
14.如权利要求11所述的包覆层，其中该包覆层包括按重量计从约2%至4%的钼以及按重量计从约至约3%的铜。
15.如权利要求11所述的包覆层，其中这些硬质颗粒包括按重量计从约40%至50%的粗晶碳化钨颗粒以及按重量计从约10%至20%的、尺寸为从约2至5 μ m的碳化钨颗粒。
16.如权利要求11所述的包覆层，其中该包覆层包括按重量计40%至70%的粗晶碳化钨；按重量计5%至30%的、具有的尺寸为2至5μ m的碳化钨颗粒；按重量计2%至4%的钼，按重量计至3%的铜，按重量计至5%的硼，按重量计0至20%的铬，按重量计高达50%的镍，按重量计高达1 %的钨，以及按重量计小于2%的杂质，如铁。
17.—种包覆基底的方法，包括 将一个薄膜施加在一个基底上，并且将该薄膜和该基底加热，其中，该薄膜包括一种镍基填充剂合金、多个硬质颗粒、以及一种合金化添加物，该合金化添加物包括钼和铜中的至少一种，并且其中将该薄膜和该基底加热包括使该镍基填充剂合金熔化而在该基底上形成一个钎焊的包覆层。
18.如权利要求17所述的方法，其中这些硬质颗粒包括粗晶碳化钨颗粒以及非粗晶碳化钨颗粒。
19.如权利要求17所述的方法，其中该合金化添加物包括按重量计从2%至4%的钼以及按重量计至3%的铜。
20.如权利要求17所述的方法，其中这些硬质颗粒包括按重量计从约40%至70 %的粗晶碳化钨颗粒以及按重量计从约5%至30%的2至5 μ m的碳化钨颗粒。
全文摘要
本发明披露了耐腐蚀且耐磨损的包覆层，这些包覆层包括多个硬质颗粒以及分散在一种镍基合金基质中的一种合金化添加物。该合金化添加物包括钼或铜中的至少一种。该包覆层不包括钴结合的碳化钨颗粒。
文档编号B23K1/00GK102416532SQ20111029581
公开日2012年4月18日 申请日期2011年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者丁红波 申请人:钴碳化钨硬质合金公司