[发明专利]适于在基质上提供硬和耐腐蚀涂层的铁基合金、具有硬和耐腐蚀涂层的制品及其制造方法

说明书

铁基合金，其能够在基质上提供涂层，该涂层同时具有高硬度、耐腐蚀性和与基质的结合强度。铁基合金由以下组成(以重量计)：16.00‑20.00％Cr；0.20‑2.00％B；0.20‑4.00％Ni；0.10‑0.35％C；0.10‑4.00％Mo；任选1.50％或更少的Si；1.00％或更少的Mn，3.90％或更少的Nb；3.90％或更少的V；3.90％或更少的W；和3.90％或更少的Ti；余量为铁和不可避免的杂质；条件是Mo、Nb、V、W和Ti的总量为合金的0.1‑4.0重量％。本发明还涉及一种包含基质和在其上形成的涂层的制品，该涂层由合金形成，并且涉及一种形成涂覆制品的方法。该方法优选采用HVOF、HVAF、冷喷涂、等离子喷涂、激光熔覆或等离子传递电弧熔覆。

发明领域

本发明总体上属于铁基合金领域，特别是具有硬度和耐腐蚀性的那些。此外，本发明属于具有由铁基合金制成的硬和耐腐蚀涂层的制品的领域，并涉及使用本发明铁基合金制造此类制品的方法。

发明背景

铁基合金如各种类型的钢用于多种应用中，但有时缺乏所需的性能。作为一个实例，钢材可能没有足够的硬度和耐腐蚀性以在使用过程中承受恶劣的条件，例如在钻井和采矿设备中观察到的。

为此，镀硬铬已被用于在暴露于恶劣条件和磨损如在采矿和钢铁应用或隧道钻机中的机械上提供保护涂层。这种铬涂层通常用于获得具有光亮外观、高耐磨性和耐腐蚀性的涂层。航空航天、石油和天然气以及重工业设备，例如采矿设备，是这些涂层的主要最终产业。

通常通过从含铬离子的水溶液中电沉积铬而在导电的、通常为金属的基质上而形成硬铬涂层。然而，由于关于六价铬，工艺中使用的或由此产生的废物中所含的Cr^VI的更严格的环境法规，硬铬涂层的应用有所减少。

由于其是通过电沉积形成的，因此只能在导电基质表面上提供硬铬镀层。此外，通过电沉积来制造涂层可能是能量密集的，并且在要形成复杂结构的情况下会进一步导致问题。此外，电沉积工艺通常仅能够在进入电解涂料中的基质的所有部分上提供均匀厚度的涂层，因此不能提供变化厚度的涂层和/或仅在基质的选定部分上提供涂层。

铬涂层(或镀层)的另一个缺点通常是涂层与载体材料之间的结合强度较低。不希望受理论的束缚，认为特别是在载体材料基于铁的情况下(即铁或铁基合金如钢)，晶体结构或铁基材料与铬之间的相容性不足，因此在铁基材料和铬涂层之间存在急剧的过渡。因此认为在铬层和铁基材料的表面之间没有冶金结合。在本文中，“冶金结合”表示存在中间冶金相，该中间冶金相形成基质(在一侧)和涂层(中另一侧)之间的过渡。这样的中间冶金相通常具有既不同于基质的组成又不同于涂层的组成的组成，并且还可以具有既不同于基质的晶体结构又不同于晶体结构的晶体结构。

鉴于这些问题和局限性，几乎30年前就开始寻找替代镀硬铬的方法。热喷涂方法如HVOF(高速含氧燃料喷涂)已经取代了几种镀硬铬应用，例如用于飞机起落架和液压缸。

对于替代镀硬铬的涂层的主要要求包括良好的耐腐蚀、耐磨性和改进的结合强度。后者应该是基质材料和涂层之间的冶金结合，最好以最小的热输入来实现，以避免基质和/或涂层的劣化。

激光熔覆是通常可以满足这些要求的一种成熟的工艺。因此，对于许多应用而言，激光熔覆可以是镀硬铬的替代方法，因为它可以在对基质材料造成最小影响的情况下施加薄的耐腐蚀和耐磨沉积物。由于基质上激光冲击区域的高温，激光熔覆与电沉积相比也更适于实现冶金结合。还发现提供冶金结合的能力使激光熔覆与镀硬铬和HVOF区别开来。

在激光熔覆工艺中，马氏体不锈钢，像SUS 431，经常被用作涂覆材料。然而，先前使用的材料不能同时达到高硬度和良好的耐腐蚀性。当前使用的合金要么表现出小于53HRC的硬度，同时表现出耐腐蚀性，要么表现出大于53HRC的硬度，但是表现出不足的耐腐蚀性。