TWI428471B - 熱噴塗粉末、熱噴塗塗層及輥輪 - Google Patents

Description

熱噴塗粉末、熱噴塗塗層及輥輪

本發明係關於一種熱噴塗粉末、一種由前述熱噴塗粉末所獲得之熱噴塗塗層及一種包含由該熱噴塗粉末所獲得之熱噴塗塗層之輥輪。

一種位於熱處理爐(諸如：鋼板連續式退火爐)內用於運送鋼板之滾筒，稱之為輥輪。於N₂ /H₂ 或其類似物之減壓下，一鋼板於爐內受到熱處理。於那時時，某些情形下會因為滾筒與鋼板反應，而在輥輪之表面上形成稱之為結垢(buildup)之沉積物。當結垢形成於輥輪之表面上時，於輥輪上所運送之鋼板表面會有壓痕或其類似物形成，因而導致鋼板的品質變差。因此，當於輥輪之表面上形成一結垢時，則必須立即停止火爐之運轉並清淨輥輪之表面，如此一來會大幅降低生產效率。因此，傳統上是利用在輥輪之表面上提供一熱噴塗塗層來預防結垢之形成。

同時於近幾年，對於高張力鋼之需求增加。高張力鋼含有諸如錳(Mn)及矽(Si)的元素作為固體溶液的強化元素，其在含量上會比這些元素在正常鋼中的含量要高。因為這些元素容易被氧化，所以富含這些元素氧化物之層會在高張力鋼板之表面上形成。由於富含錳之層特別容易因為與輥輪表面上之熱噴塗塗層反應而形成結垢，所以此錳結垢已經造成用於運送高張力鋼之輥輪的問題。當鋼板所需之品質變得越來越嚴格時，該結垢之問題就變得越來越明顯。因此，已經進行發展用於解 決這些問題之熱噴塗塗層之熱噴塗粉末(例如：參看日本特許專利公告號2005-206863及2003-27204)。

使用於爐內高溫範圍(例如：大於或等於900℃)中的輥輪，其表面上之熱噴塗塗層需要特別高的抗垢性(buildup resistance)。於同一時間，這樣的熱噴塗塗層亦需要高的抗熱震性，其不會因為藉由通過一鋼板所伴隨發生之熱震而造成分離。然而，還無法獲得在此情況下能滿足這些需求之熱噴塗塗層。

因此，本發明之一目的係提供一種熱噴塗粉末，其係能夠形成一適合輥輪之使用之熱噴塗塗層；一種由前述熱噴塗粉末所製得之熱噴塗塗層；及一種包含前述熱噴塗塗層之輥輪。

為達上述目的及根據本發明之第一方面，本發明係提供一種熱噴塗粉末。前述熱噴塗粉末包含30質量%至50質量%之碳化鉻，其餘部分為一包含鉻、鋁、釔、以及鈷和鎳中的至少一個之合金。該熱噴塗粉末之平均粒徑為20至60μm。

根據本發明之第二方面，本發明係提供一種熱噴塗塗層，其係利用高速火焰噴塗本發明之上述第一方面之熱噴塗粉末而製得的。

根據本發明之第三方面，本發明係提供一種輥輪，其表面上具有本發明之上述第二方面之熱噴塗塗層。

本發明之其他觀點和優點將藉由下列敘述而變得至為明顯，其係以實施例方式來說明本發明的原則。

現在將描述本發明之一種實施態樣。

根據本實施態樣之熱噴塗粉末係包含30質量%至50質量%之碳化鉻，其餘部分為合金。換句話說，前述係包含30質量%至50質量%之碳化鉻及50質量%至70質量%之合金。前述合金係包含鉻、鋁、釔、以及鈷和鎳中的至少一個。更具體言之，該合金係可使用CoCrAlY合金、NiCrAlY合金、CoNiCrAlY合金及NiCoCrAlY合金中的一種。從改善由該熱噴塗粉末所製得之熱噴塗塗層的抗垢性之觀點觀之，於該合金中的鉻含量、鋁含量及釔含量較佳係分別為15質量%至25質量%、6質量%至12質量%及0.3質量%至1質量%。

在該熱噴塗粉末中的碳化鉻含量本質上為大於或等於30質量%(換言之，於該熱噴塗粉末中的合金含量為小於或等於70質量%)。當碳化鉻之含量增加時，由該熱噴塗粉末所製得之熱噴塗塗層的抗垢性會被改善。這是因為考慮到在熱噴塗塗層中的碳化鉻比較不會形成一反應層，甚至當它與富含錳之層接觸時，亦是如此，所以會抑制結垢形成。再者，當碳化鉻之含量增加時，會改善由該熱噴塗粉末所製得之熱噴塗塗層的硬度，因此該熱噴塗塗層的耐磨性會被改善。從此觀點觀之，若在熱噴塗粉末中的碳化鉻含量係小於或等於30質量%，則能從該熱噴塗粉末製得一具有優越抗垢性及耐磨性之熱噴塗塗層，且其係適合輥輪之使用。為了更進一步改善由熱噴塗粉末所製得之熱噴塗塗層的抗垢性及耐磨性，在該熱噴塗粉末中的碳化鉻含量較佳係大於或等於33質量%，更佳係大於或等於35質量%。換 句話說，在該熱噴塗粉末中的合金含量較佳係小於或等於67質量%，更佳係小於或等於65質量%。

在該熱噴塗粉末中的碳化鉻含量本質上為小於或等於50質量%(換言之，於該熱噴塗粉末中的合金含量為大於或等於50質量%)。當碳化鉻之含量減少時，由該熱噴塗粉末所製得之熱噴塗塗層的韌性會被改善，而該熱噴塗塗層的抗熱震性(thermal shock resistance)會因此改善。由此觀點觀之，若在熱噴塗粉末中的碳化鉻含量係小於或等於50質量%，則能從該熱噴塗粉末製得一具有優越抗熱震性之熱噴塗塗層，且其係適合輥輪之用。為了更進一步改善由該熱噴塗粉末所製得之熱噴塗塗層的抗熱震性，在該熱噴塗粉末中的碳化鉻含量較佳地係小於或等於47質量%，更佳地係小於或等於45質量%。換句話說，在該熱噴塗粉末中的合金含量較佳地係大於或等於53質量%，更佳地係大於或等於55質量%。

該熱噴塗粉末之平均粒徑本質上為大於或等於20μm。當該熱噴塗粉末之平均粒徑增加時，在熱噴塗期間包含於該熱噴塗粉末中會引起過度熔融之微細顆粒的數量會跟著減少，而因此在對熱噴塗粉末進行熱噴塗的期間會減少稱為噴濺(spitting)的現象發生。該名詞〝噴濺〞係指過度熔融的熱噴塗粉末在熱噴塗裝置噴嘴的內壁上附著及沉積所形成之沉積物會從該內壁上掉落，而在對熱噴塗粉末進行熱噴塗期間混合入所得之熱噴塗塗層中的現象。因為於噴嘴內的沉積物曝露於火焰中一段時間會引起退化(deterioration)，諸如氧化，所以當噴濺發生時，由該熱噴塗粉末所製得之熱噴塗塗層之性能 會降低，其係包含抗垢性。由此觀點觀之，若該熱噴塗粉末之平均粒徑為大於或等於20μm，則會大幅抑制因為噴濺發生而使該熱噴塗粉末之抗垢性降低之情形發生。為了更加強抑制由於噴濺產生的熱噴塗塗層之抗垢性的下降，該熱噴塗粉末之平均粒徑較佳地為大於或等於23μm，更佳地為大於或等於25μm。

該熱噴塗粉末之平均粒徑本質上為小於或等於60μm。當該熱噴塗粉末之平均粒徑減少時，會改善由該熱噴塗粉末所製得之熱噴塗塗層的密度，且會因此改善該熱噴塗塗層之性能，包含抗垢性及耐磨性。當一熱噴塗塗層具有較差的密度時，結垢會形成於塗層表面上之開孔，並以此為起始點。由此觀點觀之，若該熱噴塗粉末之平均粒徑小於或等於60μm，則能從該熱噴塗粉末製得一具有優越抗垢性及耐磨性之熱噴塗塗層，且其係適合輥輪之用。為了更進一步改善由該熱噴塗粉末所製得之熱噴塗塗層的抗垢性及耐磨性，該噴塗粉末之平均粒徑較佳地為小於或等於57μm，更佳地為小於或等於55μm。

構成該熱噴塗粉末之顆粒較佳地為粒化並燒結之顆粒。該粒化並燒結之顆粒相較於熔融並粉碎、以及燒結並粉碎之顆粒，其係有利於在生產時具有較佳的流動性，以及會含有較少混在其中的不純物。因此，由該粒化並燒結之顆粒所組成的熱噴塗粉末來製得之熱噴塗塗層，其係具有均勻質地，且該熱噴塗塗層之性能會因此改善，其包含抗垢性。舉例來說，該粒化並燒結之顆粒係藉由下列步驟製得，先對包含碳化鉻粉末及合金粉末之原料粉末進行粒化並燒結，再將其粉碎成較小顆 粒，如有必要，可再將所得粉末分類。該熔融並粉碎的顆粒係藉由下列步驟製得，先對原料粉末進行熔融，再將該熔融之粉末冷卻使其固化，接著將其粉碎成較小顆粒，如有必要，可再將所得粉末分類。該燒結並粉碎之顆粒係藉由對原料粉末進行燒結並粉碎來製得，如有必要，可再將所得粉末分類。

當該熱噴塗粉末包含粒化並燒結之顆粒時，該粒化並燒結顆粒之原料粉末的平均粒徑較佳地為小於或等於15μm。當該原料粉末的平均粒徑減小時，在由該熱噴塗粉末所製得之熱噴塗塗層中的各碳化鉻顆粒的大小及各合金部分的大小會減小，而會因此改善該熱噴塗塗層的均勻性。由此觀點觀之，若該原料粉末之平均粒徑為小於或等於15μm，則會從該熱噴塗粉末製得一均勻性特高之熱噴塗塗層。

當該熱噴塗粉末包含粒化並燒結之顆粒時，該粒化並燒結顆粒的抗碎強度較佳地為大於或等於10MPa。當該粒化並燒結之顆粒的抗碎強度增加時，於該熱噴塗粉末中粒化並燒結之顆粒之崩陷(collapse)會被抑制。在該熱噴塗粉末從給粉機進粉至熱噴塗裝置時，或被進粉至熱噴塗裝置的熱噴塗粉末在被填充入熱噴塗火焰中時，會在連接給粉機與熱噴塗裝置的管子內發生此塌陷。當粒化並燒結之顆粒發生塌陷時，因為於熱噴塗期間引起過度熔融之微細顆粒會在熱噴塗粉末中形成，因而在熱噴塗粉末進行熱噴塗時有可能發生噴濺。由此觀點觀之，若粒化並燒結之顆粒之抗碎強度為大於或等於10MPa時，則會抑制該粒化並燒結之顆粒之塌陷，因而抑制噴濺之發生。

本實施態樣之熱噴塗粉末係用於利用高速火焰噴塗(諸如：HVOF)方法形成熱噴塗塗層之應用。於高速火焰噴塗之範例中，與其它熱噴塗方法相較下，所得之熱噴塗塗層具有優越的密度、質地均勻性及較少的熱損壞，且一具有優越抗垢性及抗熱震性之熱噴塗塗層係從該熱噴塗粉末所製得。因此，本實施態樣之熱噴塗粉末之熱噴塗較佳地係使用高速火焰噴塗來進行。

舉例來說，於一輥輪之表面上提供一由該熱噴塗粉末所製得之熱噴塗塗層。於輥輪表面上之熱噴塗塗層係藉由對該熱噴塗粉末進行高速火焰噴塗來形成。由獲得優越的抗垢性及優越的抗熱震性之觀點觀之，此熱噴塗塗層之厚度較佳地為40至300μm。

根據本實施態樣會獲得下列優點。

本實施態樣之熱噴塗粉末含有30質量%至50質量%之碳化鉻，其餘部分為一包含鉻、鋁、釔、以及鈷和鎳中的至少一個之合金，且該熱噴塗粉末之平均粒徑為20至60μm。因此，由該熱噴塗粉末製得之熱噴塗塗層具有優越的抗垢性及耐磨性，而因此適合輥輪目的之用。換句話說，該熱噴塗粉末係可形成一熱噴塗塗層，而當該熱噴塗塗層使用於熱處理爐內的高溫範圍中的時候，其皆能夠滿足所需之抗垢性及抗熱震性，且其適合輥輪之用。

上述之實施態樣係可如下作修改。

本實施態樣之熱噴塗粉末係可包含氧化釔來取代一部分的合金。因為氧化釔具有化學穩定性及高度的非反應性，所以藉由添加氧化釔會改善由該熱噴塗粉末製得之熱噴塗塗層的抗垢性。在熱噴塗粉末中的氧化釔含 量越少，越能改善由該熱噴塗粉末製得之熱噴塗塗層的密度及抗熱震性。因此，在該熱噴塗粉末中的氧化釔含量較佳地為小於或等於20質量%，更佳地為小於或等於17質量%，還更佳地為小於或等於15質量%。

接下來引用實施例及比較例來具體說明本發明。

於實施例1至15及比較例1至6中，製備每種包含粒化並燒結之顆粒的熱噴塗粉末，其中前述粒化並燒結之顆粒係包含Cr₃ C₂ 及一合金，如有必要，可進一步包含Y₂ O₃ 。於實施例16中，製備一包含Cr₃ C₂ 粉末、Y₂ O₃ 粉末及合金粉末之混合物之熱噴塗粉末。然後，對各熱噴塗粉末進行熱噴塗，以形成熱噴塗塗層。每種實施例及比較例之詳細說明如顯示於表1中所述。

於表1中的〝Cr₃ C₂ 含量〞欄位顯示在每種實施例及比較例之熱噴塗粉末中的Cr₃ C₂ 含量。

於表1中的〝Y₂ O₃ 含量〞欄位顯示在每種實施例及比較例之熱噴塗粉末中的Y₂ O₃ 含量。

於表1中的〝合金成分〞欄位顯示在每種實施例及比較例之熱噴塗粉末中的合金成分。

於表1中的〝熱噴塗粉末之平均粒徑〞及〝原料粉末之平均粒徑〞欄位分別顯示在每種實施例及比較例中，該熱噴塗粉末之平均粒徑的測量結果及該熱噴塗粉末之原料粉末之平均粒徑的測量結果。使用HORIBA Ltd.製造的雷射繞射/散射粒徑測量裝置"LA-300"來測量平均粒徑。於此的〝平均粒徑〞代表當從最小粒徑之顆粒往上累加各個顆粒的體積，直到所累加的顆粒體積為所累加的全部顆粒體積的50%時，最後所累加的顆粒粒徑。

於表1〝熱噴塗粉末之種類〞的欄位中，〝粒化並燒結〞顯示該熱噴塗粉末包含粒化並燒結之顆粒；以及〝混摻(Blend)〞顯示該熱噴塗粉末係包含Cr₃ C₂ 粉末、Y₂ O₃ 粉末及合金粉末之混合物。

於表1中的〝抗碎強度〞欄位顯示於實施例1至15及比較例1至6之每種熱噴塗粉末中，該粒化並燒結顆粒之抗碎強度的測量結果。具體言之，該抗碎強度表示根據公式：σ=2.8×L/π/d² 計算出於每種熱噴塗粉末中之粒化並燒結顆粒的抗碎強度σ[MPa]。於上述公式中，L及d分別代表臨界負荷(critical load)[N]及熱噴塗粉末的平均粒徑[mm]。該名詞〝臨界負荷〞表示當施用於粒化並燒結顆粒上之壓痕機(indenter)的位移在受到壓縮負荷時，原本以穩定速度增加，但是在受到一定負荷時突然變大，此時的負荷稱為臨界負荷。此臨界負荷的測量係使用Shimadzu公司製造的微小壓縮試驗機(microcompression tester)"MCTE-500"。

於表1中的〝熱噴塗方法〞欄位顯示對每種實施例及比較例之熱噴塗粉末進行熱噴塗以製得熱噴塗塗層時，所使用的熱噴塗方法。在同一欄中，"HVOF"代表在如表2所示之條件下之高速火焰噴塗，〝電漿〞代表在如表3所示之條件下之電漿熱噴塗。

於表1中的〝塗層厚度〞欄位顯示由每種實施例及比較例之熱噴塗粉末所製得之熱噴塗塗層，其厚度的測量結果。

於表1中的〝噴濺〞欄位顯示對每種實施例及比較例之熱噴塗粉末進行熱噴塗以製得熱噴塗塗層時，其噴濺情況發生之評估結果。具體言之，藉由使用熱噴塗裝 置來進行連續熱噴塗10分鐘及20分鐘後，觀察每種熱噴塗粉末向熱噴塗裝置的噴嘴內壁之附著情形。然後，在識別出無附著時，甚至在進行連續熱噴塗20分鐘後亦是如此，則將每種熱噴塗粉末評估為〝良〞，在進行連續熱噴塗10分鐘後識別出無附著，但在進行連續熱噴塗20分鐘後識別出有附著時，則評估為〝可〞，以及在進行連續熱噴塗10分鐘後識別出有附著時，則評估為〝劣〞。

於表1中的〝附著率〞欄位顯示對每種實施例及比較例之熱噴塗粉末進行熱噴塗以製得熱噴塗塗層時，其附著率的評估結果(熱噴塗產率)。具體言之，當藉由將製得的熱噴塗塗層之重量除以熱噴塗粉末之重量所決定出的附著率之值為大於或等於35%時，則將每個熱噴塗粉末評估為〝良〞，當該值為大於或等於30%且小於35%時，則評估為〝可〞，以及當該值為小於30%時，則評估為〝劣〞。

於表1中的〝硬度〞欄位顯示對每種實施例及比較例中所獲得之熱噴塗塗層進行硬度測量的評估結果。具體言之，當在2N之負荷下使用Shimadzu Corporation製造的微硬度試驗器測量該熱噴塗塗層之截面的維氏硬度值為大於或等於500時，則將每種熱噴塗塗層評估為〝良〞，當該值為大於或等於450並小於500時，則將其評估為〝可〞，以及當該值為小於450時，則將其評估為〝劣〞。

於表1中的〝孔隙度(Porosity)〞欄位顯示對每種實施例及比較例中所獲得之熱噴塗塗層進行孔隙度測量的評估結果。具體言之，在藉由影像分析測量鏡面拋光 後之熱噴塗塗層之截面來決定該孔隙度值為小於或等於2.0%時，則將每種熱噴塗塗層評估為〝良〞，當該值為大於2.0%並小於或等於3.0%時，則將其評估為〝可〞，以及當該值為大於3.0%時，則將其評估為〝劣〞。

於表1中的〝耐磨性〞欄位顯示每種實施例及比較例中所獲得之熱噴塗塗層的耐磨性評估結果。具體言之，根據日本工業規格(JIS)H8682-1對每種熱噴塗塗層進行乾式磨耗測試(dry abrasion test)，以及對使用作為標準樣品之碳板(SS400)所構成的平板進行同樣的乾式磨耗測試之後，在該熱噴塗塗層之磨耗重量與標準樣品之磨耗重量的比例為小於或等於0.4時，則將該熱噴塗塗層評估為〝良〞；在該比例為大於0.4且小於或等於0.5時，則將該熱噴塗塗層評估為〝可〞；以及在該比例為大於0.5時，則將該熱噴塗塗層評估為〝劣〞。於上述乾式磨耗測試中係使用於美國CAMI規格稱之為CP180的砂紙來摩擦每種熱噴塗塗層及標準樣品之表面，其係使用Suga磨耗測試機(abrasion testing machine)於30.9N之負荷下達預定次數來進行。

於表1中的〝抗熱震性〞欄位顯示每種實施例及比較例中所獲得之熱噴塗塗層的抗熱震性評估結果。具體言之，於一耐熱性之鑄鋼(SCH11)構成之基材的表面上提供每種熱噴塗粉末來製成一樣本，將該樣本於空氣中1000℃下加熱30分鐘，接著於水中冷卻，重複進行此加熱及冷卻循環。然後當該熱噴塗塗層並無發生分離之情形，甚至重複加熱及冷卻循環20次亦是如此時，將每種熱噴塗塗層評估為〝良〞，當重複該循環大於或等於15次並小於20次，該熱噴塗塗層發生分離時，將其 評估為〝可〞，以及當重複該循環少於15次，該熱噴塗塗層發生分離時，將其評估為〝劣〞。

於表1中的〝抗垢性〞欄位顯示每種實施例及比較例中所獲得之熱噴塗塗層的抗垢性評估結果。具體言之，藉由提供每種熱噴塗塗層於不銹鋼(SUS304)構成之基材表面上來製得一樣本。將提供作為結垢供給物之氧化錳夾在樣本中的二個熱噴塗塗層之間，接著於體積百分比為N₂ /3%H₂ 之大氣、1000℃下將所得樣本加熱100小時。將每種樣本之截面拋光後，使用HORIBA Ltd.製造之能量分散X射線分析儀〝EDX〞測量熱噴塗塗層中的錳擴散層厚度。然後當該擴散層之厚度為小於或等於20μm時，將每種熱噴塗塗層評估為〝良〞，當該厚度為大於20μm並小於或等於50μm時，將其評估為〝可〞，以及當該厚度為大於50μm時，將其評估為〝劣〞。

如表1所示，實施例1至16的每種熱噴塗塗層中，所有關於抗熱震性及抗垢性之評估皆為〝良〞或〝可〞，因此獲得特別令人滿意之結果。相對的，比較例1至6的每種熱噴塗塗層中，所有關於抗熱震性及抗垢性之評估皆為〝劣〞，因此無法獲得特別令人滿意之結果。

Claims (6)

1. 一種熱噴塗粉末，其特徵在於：包含33質量%至50質量%之碳化鉻，其餘部分為一包含鉻、鋁、釔、以及鈷和鎳中的至少一個之合金，且其中前述熱噴塗粉末之平均粒徑為20至60μm。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熱噴塗粉末，其包含小於或等於20質量%的氧化釔來代替一部分的合金。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之熱噴塗粉末，其中前述熱噴塗粉末包含由平均粒徑小於或等於15μm之原料粉末所構成的粒化並燒結之顆粒，且該粒化並燒結之顆粒的抗碎強度為大於或等於10MPa。
4. 一種熱噴塗塗層，其特徵在於：使用高速火焰噴塗如申請專利範圍第1項或第2項所述之熱噴塗粉末而製得。
5. 一種輥輪，其特徵在於：在其表面上具有如申請專利範圍第4項所述之熱噴塗塗層。
6. 如申請專利範圍第5項所述之輥輪，其中前述熱噴塗塗層之厚度為40至300μm。