专利名称：热喷涂粉末、热喷涂方法及热喷涂涂层的形成方法
技术领域：
本发明涉及一种热喷涂粉末、一种热喷涂方法、以及一种形成热喷涂涂层的方法。
背景技术：
为了向各类工业用机器和普通机器的金属部件赋予有用的特性，例如耐腐蚀性、耐磨性以及耐热性，提出了一种能够在这些部件表面形成热喷涂涂层的技术。该热喷涂涂层是通过向基底材料喷涂经由加热软化或熔融的热喷涂材料形成的。因此，热喷涂涂层的表面自然不会光滑而是粗糙的。这样，在需要表面光滑的情况下就要打磨热喷涂涂层表面，直到达到预定的表面粗糙程度。然而，由于具有上述有用特性的热喷涂涂层通常硬度较高，许多情况下不易对该热喷涂涂层进行打磨。特别地，当热喷涂涂层是由含有碳化钨和金属的合金陶瓷喷涂形成时，该热喷涂涂层必须使用钻石磨料粒进行打磨，从而增加了制造成本。因此，需要一种形成具有较小表面粗糙程度、从而可以忽略或者简化热喷涂后的打磨过程的热喷涂涂层的技术。
此外，该热喷涂涂层本身是多孔性的，并能含有从基底材料向热喷涂涂层表面延伸的透过热喷涂涂层的穿透孔。然后，该热喷涂涂层根据用途，如当热喷涂涂层是用于防止基底材料被腐蚀时，需要其不包含穿透孔。在过去的工艺中，当需要热喷涂涂层不包含穿透孔时，会把所形成的热喷涂涂层加厚。然而在厚度增加的同时，热喷涂涂层的成本也增加了。因而要求热喷涂涂层的厚度尽可能的小。因此，需要一种可以形成不包含穿透孔的薄热喷涂涂层的技术。当然，已经提出一种通过密封来封闭穿透孔的方法以防止穿透孔。但这样同样由于制造过程的增加而增加了成本。
作为一种满足上述对于热喷涂涂层要求的技术，可以由细的热喷涂粉末形成热喷涂涂层。当喷涂细的热喷涂粉末时，可以获得具有较小表面粗糙程度并且不包含穿透孔的致密的热喷涂涂层。然而，在这种情况下，热喷涂粉末从进粉器向喷枪的供给会有较大的变得不稳定的危险。这是因为当热喷涂粉末变细时，热喷涂粉末的流动性会下降。例如，当热喷涂粉末进料时出现震动，热喷涂涂层的质量会显著下降。并且，如果热喷涂粉末形成了桥连(粉末桥连powder bridge)，热喷涂粉末就无法平稳地向喷枪供给，甚至有时热喷涂粉末的供给会停止。
例如，日本专利申请第2003-129212号中公开了一种由具有90％的颗粒粒径D90为20μm或更小的热喷涂粉末形成热喷涂涂层的技术。然而，由于上述专利申请的热喷涂粉末中具有的颗粒粒径为1μm或更小的颗粒的比例并无规定，所以该热喷涂粉末中可以含有大量颗粒粒径为1μm或更小的颗粒。如果热喷涂粉末中含有很多颗粒粒径为1μm或更小的颗粒，除了热喷涂粉末的流动性的下降外，就很可能出现热喷涂粉末的絮凝。如果已经出现絮凝的热喷涂粉末混入热喷涂涂层中，热喷涂涂层的均一性和密度可能会下降，并且在热喷涂涂层中形成穿透孔，或使热喷涂涂层的表面粗糙程度增加。
发明内容
因此，本发明目的在于提供一种热喷涂粉末，能够很好地形成表面粗糙程度较低的致密的热喷涂涂层。本发明的另一个目的在于提供一种使用该热喷涂粉末的热喷涂方法，以及使用该热喷涂粉末形成热喷涂涂层的方法。
为达到上述及其他目的，提供了一种热喷涂粉末，其中热喷涂粉末的90％颗粒粒径D90为15μm或更小，并且具有颗粒粒径为1μm或更小的颗粒的总量与热喷涂粉末中所有颗粒的总量之比为2％或更少。
本发明还提供了一种包含喷涂上述热喷涂粉末的热喷涂方法。
此外，本发明提供了一种包含喷涂上述热喷涂粉末形成热喷涂涂层的方法。
本发明的其他方面和优点将在以下通过实施例的方式例举本发明的原理进行描述。
具体实施例方式
现在将对本发明的一个实施方式进行描述。
本优选实施方式中的热喷涂粉末是经粒化并经烧结的金属陶瓷粉末。热喷涂粉末的颗粒由碳化钨和钴、铬和镍中的至少一种组成。
当热喷涂粉末中的金属陶瓷组分碳化钨的含量大于92质量％时，也就是说当热喷涂粉末中的金属组分钴、铬和镍的总量小于8质量％时，由该热喷涂粉末形成的热喷涂涂层的脆性增加，并且热喷涂涂层会有缺乏较高耐磨性的危险。因此，热喷涂粉末中的金属陶瓷组分的含量优选为92质量％或更少，并且热喷涂粉末中的金属组分的含量优选为8质量％或更多。
当热喷涂粉末的90％颗粒粒径D90大于15μm时(即，当具有颗粒粒径为15μm或更小的颗粒的总量与热喷涂粉末中所有颗粒的总量之比小于90％时)，由于热喷涂粉末中大量包含具有颗粒粒径大于15μm的颗粒，因此，难以由热喷涂粉末形成致密并且表面粗糙程度较低的热喷涂涂层。因此，热喷涂粉末的90％颗粒粒径D90必须为15μm或更小(即，具有颗粒粒径为15μm或更小的颗粒总量的比例必须为90％或更大)。然而，即使热喷涂粉末的90％颗粒粒径D90为15μm或更小，如果大于13μm(即，如果具有颗粒粒径为13μm或更小的颗粒的总量与热喷涂粉末中所有颗粒的总量之比小于90％)，由该热喷涂粉末形成的热喷涂涂层的表面粗糙程度和密度没有显著提高。因此，热喷涂粉末的90％颗粒粒径D90优选为13μm或更小(具有颗粒粒径为13μm或更小的颗粒总量的比例优选为90％或更大)。
当热喷涂粉末的90％颗粒粒径D90小于5μm时(即，当具有颗粒粒径为5μm或更小的颗粒的总量与热喷涂粉末中所有颗粒的总量之比大于90％时)，并且更具体地小于7μm时(即，当具有颗粒粒径为7μm或更小的颗粒的总量与热喷涂粉末中所有颗粒的总量之比大于90％时)，由于热喷涂粉末中大量包含具有颗粒粒径为5μm(或7μm)或更少的颗粒，热喷涂粉末的流动性轻微下降。因此，热喷涂粉末的90％颗粒粒径D90优选为5μm或更大(具有颗粒粒径为5μm或更小的颗粒总量的比例优选为90％或更小)，并且热喷涂粉末的90％颗粒粒径D90进一步优选为7μm或更大(具有颗粒粒径为7μm或更小的颗粒总量的比例进一步优选为90％或更小)。
当具有颗粒粒径为1μm或更小的颗粒的总量与热喷涂粉末中所有颗粒的总量之比大于2％时(即，当热喷涂粉末的2％颗粒粒径D2小于1μm时)，由于热喷涂粉末中大量包含具有颗粒粒径为1μm或更小的颗粒，热喷涂粉末的流动性显著下降。结果是喷涂过程中热喷涂粉末从进粉器向喷枪的供给不稳定。而且，热喷涂粉末可能发生絮凝，从而降低热喷涂涂层的均一性和密度，在热喷涂涂层中产生穿透孔，或增大热喷涂涂层的表面粗糙程度。因此，具有颗粒粒径为1μm或更小的颗粒总量的比例必须为2％或更小(即，热喷涂粉末的2％颗粒粒径D2必须为1μm或更大)。然而，即使具有颗粒粒径为1μm或更小的颗粒累积总量的比例为2％或更小，如果大于1.5％(即，如果热喷涂粉末的1.5％颗粒粒径D15小于1μm)，喷涂时供给热喷涂粉末的稳定性没有显著提高。因此，具有颗粒粒径为1μm或更小的颗粒总量的比例优选为1.5％或更小(即，热喷涂粉末的1.5％颗粒粒径D15为1μm或更小)。
当热喷涂粉末的颗粒粒径分布系数大于0.7，并且更具体地大于0.67时，由于热喷涂粉末中具有小颗粒粒径的颗粒比例增加，热喷涂粉末的流动性轻微下降。同时，由于热喷涂粉末中具有大颗粒粒径的颗粒比例增加，由该热喷涂粉末形成的热喷涂涂层的密度会有轻微下降或表面粗糙程度轻微增大的危险。因此，热喷涂粉末的颗粒粒径分布系数优选为0.7或更小，并且进一步优选为0.67或更小。
当由热喷涂粉末的体积密度除以形成热喷涂粉末的原材料的理论密度得到的值小于0.15，并且更具体地小于0.17时，会有喷涂时供给热喷涂粉末的稳定性轻微下降，并且由该热喷涂粉末形成的热喷涂涂层的密度轻微下降的危险。因此，由热喷涂粉末的体积密度除以形成热喷涂粉末的原材料的理论密度得到的值优选为0.15或更大，并且进一步优选为0.17或更大。
接下来，将要描述的是本优选实施方式的热喷涂粉末的制造方法，即，由碳化钨和钴、铬和镍中的至少一种组成的经粒化并经烧结的金属陶瓷粉末的制造方法。首先，将由钴、铬和镍中的至少一种组成的金属粉末和碳化钨粉末在分散介质中混合以制备浆料。可以向浆料中加入适当的粘合剂。接下来，使用辊轧造粒机、喷射造粒机或压缩造粒机使浆料形成经粒化的粉末。将这样制得的经粒化的粉末烧结，然后粉碎并分类以制得由碳化钨和钴、铬和镍中的至少一种组成的经粒化并经烧结的金属陶瓷粉末。经粒化的粉末的烧结可以在真空或惰性气体保护下进行，并且可以使用电炉或煤气炉。
本优选实施方式的热喷涂粉末是用于通过例如高速火焰喷射形成热喷涂涂层。通过高速火焰由本优选实施方式的热喷涂粉末形成的热喷涂涂层具有充分的耐磨性。能够以合适的方式喷射本优选实施方式的热喷涂粉末的高速火焰喷射器包括高输出型高速火焰喷射器例如Parxair/TAFA制造的“JP-5000”和Sulzer Metco制造的“Diamond jet(混合型)”、以及WHITCO日本公司制造的“θ-Gun”。
本优选实施方式具有以下优点。
由于热喷涂粉末的90％颗粒粒径D90被设定为15μm或更小，使用本实施方式的热喷涂粉末形成的热喷涂涂层致密并且具有较低表面粗糙程度。
此外，由于具有颗粒粒径为1μm或更小的颗粒的总量与热喷涂粉末中所有颗粒的总量之比被设为2％或更小，使用本实施方式的热喷涂粉末能较好地形成热喷涂涂层。
由于由热喷涂粉末的体积密度除以形成热喷涂粉末的原材料的理论密度得到的值被设定为0.15或更大，本实施方式的热喷涂粉末能进一步较好地防止喷涂时供给热喷涂粉末的稳定性下降，以及由该热喷涂粉末形成的热喷涂涂层的密度下降。
由于热喷涂粉末的颗粒粒径分布系数被设定为0.7或更小，本实施方式的热喷涂粉末能抑制由热喷涂粉末中的不规则尺寸颗粒造成的问题。
与熔合并粉碎的粉末和烧结并粉碎的粉末相比，经粒化并经烧结的粉末通常具有充分的流动性以及在制造过程中受杂质污染的危险较小。因此，由经粒化并经烧结的粉末组成的本实施方式的热喷涂粉末具有相同的优点。
本实施方式的热喷涂粉末中的颗粒由金属陶瓷组成。因此，使用本实施方式的热喷涂粉末形成的热喷涂涂层具有充分的耐磨性。
本优选实施方式可作如下改进。
热喷涂粉末的颗粒可以进一步包含除了碳化钨以外的陶瓷例如碳化铬，以代替碳化钨或与碳化钨同时加入。
热喷涂粉末的颗粒可以进一步包含除了钴、铬和镍以外的金属，以代替钴、铬和镍或与钴、铬和镍同时加入。
热喷涂粉末可以包含除了由碳化钨和钴、铬和镍中的至少一种组成的经粒化并经烧结的金属陶瓷粉末以外的组分。然而，热喷涂粉末中经粒化并经烧结的粉末含量优选为50质量％或更大，进一步优选为80质量％或更大。
热喷涂粉末可以用熔合并粉碎的金属陶瓷粉末或烧结并粉碎的金属陶瓷粉末代替经粒化并经烧结的金属陶瓷粉末。在这些情况下，热喷涂粉末中的颗粒可以由或可以不由碳化钨和钴、铬和镍中的至少一种组成。熔合并粉碎的粉末是通过熔化原料粉末，并且在冷却和固化之后粉碎并分类原料粉末制造的。烧结并粉碎的粉末是通过烧结原料粉末，并且粉碎和分类原料粉末制造的。
可以通过除了高速火焰喷射以外的热喷涂方法使用本优选实施方式的热喷涂粉末形成热喷涂涂层。
接下来，将对本发明的实施例与对照例进行描述。
在实施例1～7和对照例1～4中，制备以碳化钨作为主要组分、含有12wt％钴的经粒化并经烧结的金属陶瓷粉末作为热喷涂粉末。在实施例8中，制备由碳化钨和钴组成的熔合并粉碎的金属陶瓷粉末作为热喷涂粉末。在实施例9和对照例5中，制备以碳化钨作为主要组分、含有10wt％钴和4wt％铬的经粒化并经烧结的金属陶瓷粉末作为热喷涂粉末。实施例1～9和对照例1～5中的热喷涂粉末的详细说明如表1所示。
在表1中标题为“具有颗粒粒径为1μm或更小的颗粒的比例”的一栏指的是具有颗粒粒径为1μm或更小的颗粒的总量与热喷涂粉末中所有颗粒的总量之比。该比例的测定使用了由HORIBA有限公司制造的激光衍射/散射型颗粒粒径分布测定器“LA-300”。
在表1中标题为“10％颗粒粒径D10”、“50％颗粒粒径D50”和“90％颗粒粒径D90”的三栏分别指的是热喷涂粉末的10％颗粒粒径D10、50％颗粒粒径D50和90％颗粒粒径D90，使用了由HORIBA有限公司制造的激光衍射/散射型颗粒粒径分布测定器“LA-300”进行测定。热喷涂粉末的10％颗粒粒径D10，是热喷涂粉末中的颗粒体积从最小粒度颗粒以升序累积直到累积的体积达到热喷涂粉末中所有颗粒体积总和的10％时，最终合计的颗粒粒径。热喷涂粉末的50％颗粒粒径D50，是热喷涂粉末中的颗粒体积从最小粒度颗粒以升序累积直到累积的体积达到热喷涂粉末中所有颗粒体积总和的50％时，最终合计的颗粒粒径。热喷涂粉末的90％颗粒粒径D90，是热喷涂粉末中的颗粒体积从最小粒度颗粒以升序累积直到累积的体积达到热喷涂粉末中所有颗粒体积总和的90％时，最终合计的颗粒粒径。
在表1中标题为“分布系数”的一栏指的是热喷涂粉末的颗粒粒径分布系数D，系根据等式D＝(D90-Dw)/(D90+D10)计算得出。在等式中，D90指的是热喷涂粉末的90％颗粒粒径，D10指的是热喷涂粉末的10％颗粒粒径。
在表1中标题为“体积密度/理论密度”的一栏指的是由使用体积比重测试仪(参考JISZ2504)测得的各个热喷涂粉末的体积密度除以形成热喷涂粉末的原材料的理论密度得到的值。
在表2中所示的第一种喷涂条件下，根据实施例1～4、6～9和对照例1～5通过热喷涂粉末的高速火焰喷射，以及在表2中所示的第二种喷涂条件下，根据实施例5通过热喷涂粉末的高速火焰喷射，形成具有厚度为200μm的热喷涂涂层。然后，基于是否形成了热喷涂涂层，将热喷涂粉末根据两个级别进行评估好(1)和差(2)。即，当形成了热喷涂涂层时，将热喷涂粉末定为好；而当热喷涂粉末从进粉器向喷枪的供给停止并且没有形成热喷涂涂层时，将热喷涂粉末定为差。评估结果显示在表1中标题为“形成涂层”的一栏中。
在表3中所示的条件下，测定根据实施例1～9和对照例1～5通过热喷涂粉末的高速火焰喷射所形成的各个热喷涂涂层上的任意15个点的表面粗糙程度Ra。基于测定的15个点的表面粗糙程度Ra的平均值，将热喷涂粉末根据三个级别进行评估出色(1)、好(2)和差(3)。即，当表面粗糙程度Ra的平均值小于1.3μm时，将热喷涂粉末定为出色；当其为1.3μm或更大并且小于1.6μm时，将热喷涂粉末定为好；并且当其为1.6μm或更大时，将热喷涂粉末定为差。评估结果显示在表1中标题为“打磨前热喷涂涂层的表面粗糙程度”的一栏中。基于测定的15个点的表面粗糙程度Ra的标准偏差，将热喷涂粉末根据三个级别进行评估出色(1)、好(2)和差(3)。即，当表面粗糙程度Ra的标准偏差小于0.3时，将热喷涂粉末定为出色；当其为0.3或更大并且小于0.45时，将热喷涂粉末定为好；并且当其为0.45或更大时，将热喷涂粉末定为差。评估结果显示在表1中标题为“表面粗糙程度变分”的一栏中。
在将热喷涂涂层进行镜面打磨之后，在表3中所示的条件下，再次测定根据实施例1～9和对照例1～5通过热喷涂粉末的高速火焰喷射所形成的各个热喷涂涂层上的任意15个点的表面粗糙程度Ra。基于测定的15个点的表面粗糙程度Ra的平均值，将热喷涂粉末根据三个级别进行评估出色(1)、好(2)和差(3)。即，当表面粗糙程度Ra的平均值小于0.006μm时，将热喷涂粉末定为出色；当其为0.006μm或更大并且小于0.010μm时，将热喷涂粉末定为好；并且当其为0.010μm或更大时，将热喷涂粉末定为差。评估结果显示在表1中标题为“打磨后热喷涂涂层的表面粗糙程度”的一栏中。
对根据实施例1～9和对照例1～5通过热喷涂粉末的高速火焰喷射后在基板上所形成的具有厚度为50μm的热喷涂涂层进行盐喷射测试(参考JIS Z2371)。然后，对基板进行视觉测试检测是否产生红色锈迹。基于盐喷射测试后产生的红色锈迹，将热喷涂粉末根据三个级别进行评估出色(1)、好(2)和差(3)。即，当盐喷射24小时后发现红色锈迹时，将热喷涂粉末定为差；当盐喷射24小时后没有发现红色锈迹但盐喷射48小时后发现红色锈迹时，将热喷涂粉末定为好；并且当盐喷射48小时后没有发现红色锈迹时，将热喷涂粉末定为出色。评估结果显示在表1中标题为“密度”的一栏中。
表1
表2
表3
如表1所示，在实施例1～9中，打磨前热喷涂涂层的各个表面粗糙程度和密度的评估都是出色或好。结果表明由根据实施例1～9的热喷涂粉末形成的热喷涂涂层致密并且具有较低的表面粗糙程度。
权利要求
1.一种热喷涂粉末，其特征在于，所述热喷涂粉末的90％颗粒粒径D90为15μm或更小，并且具有颗粒粒径为1μm或更小的颗粒的总量与所述热喷涂粉末中所有颗粒的总量之比为2％或更小。
2.如权利要求1所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述热喷涂粉末的90％颗粒粒径D90为13μm或更小。
3.如权利要求1所述的热喷涂粉末，其特征在于，具有颗粒粒径为1μm或更小的颗粒的总量与所述热喷涂粉末中所有颗粒的总量之比为1.5％或更小。
4.如权利要求1所述的热喷涂粉末，其特征在于，由所述热喷涂粉末的体积密度除以形成所述热喷涂粉末的原材料的理论密度得到的值为0.15或更大。
5.如权利要求1所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述热喷涂粉末的颗粒粒径分布系数为0.7或更小。
6.如权利要求1～5中任何一项所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述热喷涂粉末为经粒化并经烧结的粉末。
7.如权利要求1～5中任何一项所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述热喷涂粉末中的颗粒由金属陶瓷组成。
8.如权利要求7所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述热喷涂粉末中的金属陶瓷组分含量为92质量％或更小。
9.如权利要求7所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述热喷涂粉末中的金属组分含量为8质量％或更大。
10.如权利要求7所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述金属陶瓷包含碳化钨。
11.如权利要求7所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述金属陶瓷包含钴、铬和镍中的至少一种。
12.如权利要求1～5中任何一项所述的热喷涂粉末，其特征在于，所述热喷涂粉末是用于通过高速火焰喷射形成热喷涂涂层。
13.一种热喷涂方法，其特征在于，喷涂如权利要求1～5中任何一项所述的热喷涂粉末。
14.一种形成热喷涂涂层的方法，其特征在于，喷涂如权利要求1～5中任何一项所述的热喷涂粉末。
全文摘要
一种热喷涂粉末，其特征在于，热喷涂粉末的90％颗粒粒径D90为15μm或更小。并且该热喷涂粉末，其特征还在于，具有颗粒粒径为1μm或更小的颗粒的总量与热喷涂粉末中所有颗粒的总量之比为2％或更小。由该热喷涂粉末的体积密度除以形成热喷涂粉末的原材料的理论密度得到的值优选为0.15或更大。热喷涂粉末的颗粒粒径分布系数优选为0.7或更小。使用该热喷涂粉末可以较好地形成一种致密并且具有较小表面粗糙程度的热喷涂涂层。
文档编号C23C24/08GK1792469SQ200510133959
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月20日 优先权日2004年12月21日
发明者加藤伸映, 大泽悟, 五日市刚 申请人:福吉米株式会社