[发明专利]适于热喷涂的金属粉末

说明书

发明领域

本发明涉及一种意欲用于金属零件的表面涂覆中的新型预合金金属基粉末。所述粉末使用例如激光熔覆或等离子传递电弧焊接(PTA)或热喷涂(例如HVOF)沉积。所述粉末可用于降低沉积涂层的摩擦和提高其减磨性能。该类涂层还可提高机械加工性。作为减摩或减磨组分，可使用处于预合金粉末中的硫化锰或硫化钨夹杂物。

背景

热表面处理，即热喷涂和堆焊粉末级配广泛用于涂覆抗磨和抗腐蚀部件表面。已知Fe、Ni和Co基级配根本性地提高暴露于磨损和/或腐蚀下的部件的寿命。然而，仍存在大量需要提高部件寿命的应用场合。此外，Ni和Co在世界市场上的高价格和有限可得性也需要更长的寿命提高。最后，新涂层沉积方法如激光熔覆、冷喷和高速喷涂的开发为合金化、更精确控制涂覆方法和更高自动化开启了新的可能性，由此需要其他类型的粉末。

一种改善摩擦和磨损性能的潜在方法可为将固体润滑剂掺入热表面处理级配中，从而使得沉积的涂层包含减摩和减磨物质，同时保持可接受水平的耐腐蚀性和硬度。

固体润滑剂为能降低两个彼此相对滑动表面之间的摩擦和磨损而无需液体介质的软质固相材料。被视为固体润滑剂的材料必须满足至少一个如下标准：粘合接触表面—粘性；低剪切强度—低固有摩擦；低硬度—低磨损率；和对预期环境的热化学稳定性。固体润滑剂的实例为：滑石、石墨、硫化锰(MnS)、二硫化钼(MoS₂)或二硫化钨(WS₂)。固体润滑剂的使用可提供在如下方面中的优点：在极低或极高温度下的稳定性，在极端环境，例如冷或热环境或者具有高辐射水平的环境下的稳定性，机械设计问题(更轻的设计、降低的临界速度)或者能承载极端载荷。

长期以来，在热表面处理中使用固体润滑剂已是一种困难的提议，原因在于大量固体润滑剂为金属硫化物，而焊缝中的即使痕量的硫也可导致开裂和/或腐蚀。

Skarvelis等，ASME J.Tribol.132(2010)031302-1-031302-8，Surf.&Coat.Techn.203(2009)1384-1394和Trib.Int.42(2009)1765-1770描述了使用混合有金属粉末的MnS粉末，并将所得的粉末混合物用于例如PTA(等离子传递电弧焊接)中。

然而，固体润滑剂可具有与油或脂相比为高的摩擦系数；当不可更换时，固体润滑剂膜的磨损寿命有限；与油或脂相比不具有或具有有限的冷却能力；或者倾向于发生由碎屑和残余颗粒所导致的堵塞。

发明简述

令人惊讶地，本发明人注意到固体润滑剂当以夹杂物存在于预合金金属粉末中时显示出比该固体润滑剂以粉末组分存在于粉末混合物中时更好的润滑效果。

本发明涉及一种与固体润滑剂(例如MnS或WS₂)预合金化的金属粉末，以及所述金属粉末在涂覆基材表面中的用途。使用本发明固体润滑剂的主要益处在于暴露于磨损和/或腐蚀下的部件具有更长的寿命。

附图

图1：通过使用预混有金属合金粉末的MnS粉末制得的涂层中的摩擦系数(COF)和磨损。

图2：通过使用具有MnS夹杂物的预合金金属粉末制得的涂层中的摩擦系数(COF)和磨损。

图3：1525-30SP570+5％MnS预合金粉末颗粒的SEM显微照片。深灰色区域为含MnS的夹杂物。

图4：板材上的滑块磨损。不锈钢板上摩擦接触的滑块，法向载荷10N，滑动速度0.36m/s，干(未润滑的)。Y轴显示了摩擦系数，而X轴显示了滑动距离。

详细描述

本发明人揭示，硫化锰MnS是合适的固体润滑剂。结果显示了预合金化至金属粉末中的Mn和S的减摩和减磨潜力。特别地，与Mn和S预合金化的粉末非常适于被覆焊接(weld cladding)方法，例如激光熔覆或PTA。此外，热喷涂，例如火焰喷涂、HVOF、HVAF、冷喷涂、等离子体喷涂等也可为合适的应用。与不具有固体润滑剂夹杂物的金属合金相比，由具有MnS夹杂物的预合金金属粉末制成的合金化级配经平面研磨测试评价的机械加工性不变。

本文中的所有百分比均为重量％。

在一个方面中，本发明提供了一种包含硫化锰(MnS)或硫化钨(WS₂)夹杂物的预合金金属粉末的组合物。本文所用的术语“预合金”是指其粉末颗粒具有例如MnS和/或WS₂夹杂物的金属粉末，即当制备所述预合金粉末时，所述金属中夹杂有Mn和/或W以及S。

根据本发明适于应用的金属粉末合金通常为镍、铁或钴基的。