专利名称：高速火焰喷涂枪和使用该喷涂枪的喷涂方法
技术领域：
本发明涉及一种用于陶瓷喷涂的热喷涂枪和使用该喷涂枪的一种热喷涂方法。
在高速火焰喷涂方法中，由燃料和氧气的燃烧或燃料和空气的燃烧而产生的火焰被用作为热喷涂的热源。在高速火焰喷涂方法中的火焰的温度是相对较低的。因此，就如同日本专利公布号为10-60617和11-222662中所描述的那样，就很难通过应用高速火焰喷涂方法来热喷涂具有较高熔点的陶瓷材料。
在等离子喷涂方法中，等离子火焰被用作热喷涂的热源。在等离子喷涂方法中的等离子火焰温度是相对较高的。如日本专利公布号为5-339699中所描述的那样，等离子喷涂方法通常被用作陶瓷喷涂的一种方法。
但是，由等离子喷涂方法是不能得到致密的喷涂涂层的。这是因为喷涂粒子的飞行速度在等离子喷涂方法中并不是那么高。这样，在等离子喷涂方法中由陶瓷喷涂而得到的喷涂涂层在很多特性例如抗磨损性能上都不如烧结的陶瓷产品。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能够形成一个高质量陶瓷喷涂涂层的热喷涂枪，和一种使用该喷涂枪的喷涂方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种热喷涂枪，该喷涂枪包括一个燃烧室，一个喷涂材料供给部分，一个通道，一个排放口，和一个辅助燃料供给部分。燃烧室用于产生火焰。所述与燃烧室相连通的喷涂材料供给部分把喷涂材料供给到火焰以便于由火焰软化或熔化喷涂材料。所述与燃烧室相连通的排放口用于把火焰放出到热喷涂枪的外面并且喷出由火焰软化或熔化的喷涂材料。所述通道从燃烧室形成到排放口。所述设置在该通道内的辅助燃料供给部分用于把辅助燃料供给到通过该通道的火焰以便于提高火焰的温度。
本发明同时也提供了一种使用该热喷涂枪的热喷涂方法。所述热喷涂方法包括在设置在热喷涂枪中的燃烧室中产生火焰的步骤，产生的火焰被输送到一个从燃烧室形成到与燃烧室相连通的排放口的通道中，其中，火焰然后从排放口放出到热喷涂枪的外边；所述方法并且包括一个把喷涂材料供给到通过通道的火焰的步骤以便于喷涂材料可以被火焰软化或熔化，并且可以被喷出；所述方法还包括一个把辅助燃料供给到通过通道的火焰以便于提高火焰的温度的步骤。
从下面结合附图的描述中可以更清楚地了解本发明的其它实施例和优点，，通过实例的方式说明本发明的原理。
本发明及其目的和优点，可以通过下述对优选实施例的详细描述和参考附图来更好地理解，其中，图1是根据本发明的一个实施例的高速火焰喷涂枪的截面图。
具体实施例方式
下面将参考图1对本发明的一个实施例作描述。
根据如图1所示的实施例的高速火焰喷涂枪燃烧燃料和氧气来产生高温高压的火焰，以便于通过火焰来软化或熔化喷涂材料，并且经过软化或熔化的材料从喷涂枪喷出。所述喷涂枪包括燃烧室11，燃料和氧气就在该燃烧室中燃烧。一个与所述燃烧室11相连通并且在喷涂枪的后端(图1的左端)向外边开口的第一通道12引导燃料和氧气进入燃烧室11。一个与燃烧室11相连通并且在喷涂枪的前端(图1的右端)向外边开口的第二通道13把在燃烧室中通过燃烧燃料和氧气而产生的火焰放出到外边。所述火焰通过第二通道13并且通过在第二通道13的前端(在图1中的右端)的排放口13a放出。
在第二通道13的中途，一个台阶表面14被设置成指向排放口13a。喷口16被设置在台阶表面14上用于喷出一个圆柱状的气流15到排放口13a。所述流经第二通道13到达排放口13a的火焰通过从喷口16喷出的圆柱状气流15的内部。。
一对喷涂材料供给部分17被设置在第二通道13的介于台阶表面14和排放口13a之间的部分上。每个喷涂材料供给部分17是一个从未图示的喷涂材料供给装置延伸的连接管18的下游端上的出口。所述喷涂材料供给部分17把喷涂材料供给到通过圆柱状气流15的内部的火焰中。这样，从喷涂材料供给部分17中提供的喷涂材料被在圆柱状气流15中的火焰软化或熔化，就可以喷出经过软化或熔化的材料。
一对辅助燃料供给部分19被设置在第二通道13的介于喷涂材料供给部分17和排放口13a之间的部分上。所述辅助燃料供给部分19是从未图示的辅助燃料供给装置延伸的连接管20的下游端上的出口。所述辅助燃料供给部分19把辅助燃料供给到通过圆柱状气流15的内部的火焰中。
对于辅助燃料来说并没有特别的限制，例如，乙炔，丙烷，丙烯等等，都可以被使用。优选的辅助燃料是乙炔，因为它能够产生大量的热量。介于热喷涂材料供给部分17和辅助燃料供给部分19之间的距离最好在25mm之间。辅助燃料的供给速度最好是至少10L/min。
使用如图1中所示的喷涂枪在下述条件中进行喷涂的情况下，火焰的温度至少是2500摄氏度，并且火焰通过排放口13a的速度是至少1000m/sec。
氧气的流量1900scfh(893mL/min)燃料(煤油)的流量5.1gph(0.32L/min)连接管20的内径2mm辅助燃料的流量30L/min作为对比，使用传统高速火焰喷涂枪在下述条件中进行喷涂的情况下，火焰的温度是在1600到1800摄氏度的范围内，比使用如图1中的喷涂枪的情况下的火焰的温度要低。
氧气流量1900scfh(893mL/min)煤油流量5.1gph(0.32L/min)使用PRAXAIR公司的等离子喷涂枪“SG-100”在下述条件中进行喷涂的情况下，等离子火焰的速度是在500到600m/sec的范围之间，比使用如图1中所示的喷涂枪的情况下的火焰的速度要低。
氩气压力65psi(45MPA)氦气压力100psi(69MPA)接着，讲述通过应用如图1所示的喷涂枪来喷涂陶瓷材料的方法。
从喷涂材料供给部分17供给到火焰的喷涂材料最好是陶瓷粉。有用的陶瓷粉的具体实例是氧化铝，氧化钛，氧化锆，氧化铬，氧化镁，氧化钴，氧化钇粉；以及模来石，堇青石，以及尖晶石粉，它们是其复合的化合物。喷涂材料可以是不同种的陶瓷粉的混合物。
如果喷涂材料是陶瓷粉，优选的陶瓷粉的第50百分数直径D50％(下面被定义)至少为0.1微米，更好是至少0.5微米，最好是至少1微米。优选的陶瓷粉的第50百分数直径D50％是不超过25微米，更好是不超过15微米，最好是不超过5微米。通过从陶瓷粉的第90百分数直径D90％(下面定义)减去陶瓷粉的第10百分数直径D10％(也在下面定义)，并且除以陶瓷粉的第50百分数直径获得的优选值不超过5.0，更好是不超过2.5，最好是不超过1.5。
陶瓷粉的第50百分数直径D50％是包含在陶瓷粉中的陶瓷微粒的直径，是对包含在陶瓷粉中的每一个陶瓷微粒的体积依上升次序求和，直到求和值到达包含在陶瓷粉中的所有陶瓷微粒的总体积的50％时最后得到的直径。换句话说，这是陶瓷微粒的直径，包含在陶瓷粉中的所有微粒的50％(体积)的直径都比该直径小。
陶瓷粉的第10百分数直径D10％是包含在陶瓷粉中的陶瓷微粒的直径，是对包含在陶瓷粉中的每一个陶瓷微粒的体积依上升次序求和，直到求和值到达包含在陶瓷粉中的所有陶瓷微粒的总体积的10％时最后得到的直径。换句话说，这是陶瓷微粒的直径，包含在陶瓷粉中的所有微粒的10％(体积)的直径都比该直径小。
陶瓷粉的第90百分数直径D90％是包含在陶瓷粉中的陶瓷微粒的直径，是对包含在陶瓷粉中的每一个陶瓷微粒的体积依上升次序求和，直到求和值到达包含在陶瓷粉中的所有陶瓷微粒的总体积的90％时最后得到的直径。换句话说，这是陶瓷微粒的直径，包含在陶瓷粉中的所有微粒的90％(体积)的直径都比该直径小。
第50百分数直径D50％，第10百分数直径D10％，第90百分数直径D90％从用激光衍射方法测量的陶瓷粉的微粒尺寸测量数据中获得。
本发明的实施例有如下优点。
根据如图1所示的喷涂枪，由于辅助燃料被提供到火焰，所以火焰的温度高于在传统的喷涂枪的情况下的火焰温度。因此，即使是高熔点的喷涂材料，如用传统喷涂枪很难被喷涂的陶瓷，如图1所示的喷涂枪也可以满意地喷涂。
与用传统的等离子喷涂枪由陶瓷喷涂形成的喷涂涂层相比，用如图1所示的喷涂枪由陶瓷喷涂形成的喷涂涂层具有接近于陶瓷烧结产品的特性，尤其具有良好的耐磨性。高速火焰喷涂枪以相对高的速度喷射出熔化的或软化的喷涂材料，并且通过高碰撞力在衬底上沉积喷涂材料。因此，通过利用高速火焰喷涂枪形成的喷涂涂层是致密的。由于这个致密构成，因此被期望有很高的耐磨性。
根据如图1所示的喷涂枪，喷涂材料被提供给穿过圆柱形气流15的内部流向排放口13a的火焰。因此，喷涂材料被圆柱形气流15中的火焰软化或熔化，然后被喷出。因此，在第二通道13的内表面上软化或熔化的喷涂材料的粘附和沉积被抑制。当沉积在第二通道13的内表面上的喷涂材料剥落而被混合在喷涂涂层中时，喷涂涂层的品质降低。在喷涂涂层中混合沉积的喷涂材料的现象被称为爆裂。由于当火焰的温度变高时爆裂通常更容易出现，通常认为，在如图1所示的喷涂枪中，其火焰温度与传统的高速火焰喷涂枪相比要更高，因此往往会发生爆裂。然而，在如图1所示的喷涂枪中，因为前述的构造，其中喷涂材料在圆柱形气流15中被软化或熔化并且然后被软化或熔化的材料才被喷出，因此爆裂的发生被抑制。
在如图1所示的喷涂枪中，辅助燃料供给部分19被设置在第二通道13的喷涂材料供给部分17和排放口13a之间的部分上。因此，用通过从辅助燃料供给部分19供给的辅助燃料达到高温的火焰，从喷涂材料供给部分17供给的喷涂材料确实地被软化或熔化。
如果喷涂材料供给部分17和辅助燃料供给部分19之间的距离在25毫米内，通过由辅助燃料达到高温的火焰，喷涂材料被有效地软化或熔化。相反，如果喷涂材料供给部分17和辅助燃料供给部分19之间的距离超过25毫米，喷涂材料可能不能被适当地供给到火焰。未被适当地供给到火焰的喷涂材料在没有被充分熔化或软化下喷出。因此，喷涂涂层的品质会降低。
如果第50百分数直径D50％至少是0.1微米的陶瓷粉通过应用如图1所示的喷涂枪喷涂，可以更确实地获得高耐磨性的致密的陶瓷喷涂涂层。如果陶瓷粉的第50百分数直径D50％至少是0.5微米，前述的效果可以被加强，如果是至少1微米，则被进一步加强。另一方面，当第50百分数直径D50％过分小的陶瓷粉被喷涂时，陶瓷粉没有被完全地供给到火焰，所以喷涂涂层的形成会变得困难。
如果第50百分数直径D50％不超过25微米的陶瓷粉通过应用如图1所示的喷涂枪喷涂，可以更确实地获得高耐磨性的致密的陶瓷喷涂涂层。如果陶瓷粉的第50百分数直径D50％不超过15微米，前述的效果可以被加强，如果不超过5微米，则被进一步加强。另一方面，当第50百分数直径D50％过分大的陶瓷粉被喷涂时，陶瓷粉不容易被熔化或软化，所以喷涂涂层的形成会变得困难。
如果从第90百分数直径D90％减去第10百分数直径D10％并且除以第50百分数直径D50％获得的值不大于5.0的陶瓷粉用如图1所示的喷涂枪喷涂，可以更确实地获得高耐磨性的致密的陶瓷喷涂涂层。如果，陶瓷粉的该值不大于2.5，前述的效果可以被加强，如果不超过1.5，则被进一步加强。另一方面，当所述值过分大的陶瓷粉被喷涂时，，就不能完全地被供给到火焰，不能容易地被熔化或软化，因此喷涂涂层的形成会变得困难。
对在本技术领域中的熟练人士而言，显然本发明可以用其他具体形式实施而不背离本发明的精神或范围。尤其，可以理解的是，本发明还可以用下述形式实施。
辅助燃料供给部分19可以被设置在第二通道13的燃烧室11和台阶表面14之间的部分上代替第二通道13的台阶表面14和排放口13a之间的部分。
辅助燃料供应部分19可以被设置在第二通道13的燃烧室11和喷涂材料供应部分17之间的部分上取代第二通道13的喷涂材料供应部分17和排放口13a之间的部分。或者说，除了在第二通道13的喷涂材料供应部分17和排放口13a之间的部分以外，辅助燃料供应部分19可以被设置在第二通道13的燃烧室11和喷涂材料供应部分17之间的部分上。
喷口16可以省略。
喷涂材料供应部分17的数量可以是一个、三个或更多。
辅助燃料供应部分19的数量可以是一个、三个或更多。
通过第一通道12供应到燃烧室的氧气可以由空气替代。也就是说，如图1所示的喷涂枪可以通过燃烧燃料与空气代替燃烧燃料与氧气产生的高温和高压的火焰软化或熔化喷涂材料，并且喷射出软化或熔化的材料。
如图1所示的喷涂枪也可以使用在喷涂不同于陶瓷粉的喷涂材料的时候。
下面，通过实例和比较例，将更具体地描述本发明。
在各个实例1至36及比较例1至6中，陶瓷粉被喷涂到由SS400钢板制成的衬底上，以便形成厚度为100μm的陶瓷喷涂涂层。在实例及比较例中使用的喷涂枪以及陶瓷粉的细节如表1和表2所示。
在各个实例中，测量每次形成的喷涂涂层的厚度。厚度至少10μm的被评价为◎，厚度至少7μm小于10μm的被评价为○，厚度至少5μm小于7μm的被评价为△，厚度至少3μm小于5μm的被评价为▲，而厚度小于3μm的被评价为×。其结果显示在表1和表2的“沉积效率”项目中。
为了评价各个实例中获得的喷涂涂层的耐磨性，喷涂涂层被按照JIS H8682-1进行耐磨试验。也就是说，通过使用SUGA耐磨试验装置，喷涂涂层的表面在2Kg的负载下被抛光纸(SiC#240)摩擦。磨损量小于在SS400钢板上进行相似试验的磨损量0.4倍的被评价为◎，磨损量至少0.4倍小于0.6倍的被评价为○，磨损量至少0.6倍小于0.8倍的被评价为△，磨损量至少0.8倍小于1.0倍的被评价为▲，而磨损量至少1.0倍的被评价为×。其结果显示在表1和表2的“耐磨性”列中。
为了评价各个实例中获得的喷涂涂层的密度，使用N-Support公司的“NSFJ1-A”图像分析处理装置测量喷涂涂层的截面孔隙率。测得的孔隙率小于3％的被评价为◎，孔隙率至少3％小于5％的被评价为○，孔隙率至少5％小于7％的被评价为△，孔隙率至少7％小于10％的被评价为▲，而孔隙率至少10％的被评价为×。其结果显示在表1和表2的“密度”列中。
通过使用Horiba有限公司的“LA-300”激光衍射/散射微粒直径测量装置，测量表1和表2的陶瓷粉的第50百分数直径D50％、第90百分数直径D90％及第10百分数直径D10％的值。在“辅助燃料供应部分的位置”列中，显示的数值指出喷涂材料供应部分与辅助燃料供应部分间的距离。在辅助燃料供应部分相比喷涂材料供应部分位于第二通道下游侧的情况下用正的数值表示。在辅助燃料供应部分相比喷涂材料供应部分位于第二通道上游侧的情况下用负的数值表示。在“喷涂枪类型”列中，“A”表示WHITCO日本公司的“θ-Gun”高速火焰喷涂枪，其中设置两个辅助燃料供应部分，“B”表示WHITCO日本公司的“θ-Gun”高速火焰喷涂枪，“C”表示PRAXAIR/TAFA公司的“JP-5000”高速火焰喷涂枪，而“D”表示PRAXAIR公司的“SG-100”等离子喷涂枪。这些喷涂枪在下述条件下使用。
配备有辅助燃料供应部分的“θ-Gun”氧气流量1900scfh(893mL/min)煤油流量5.1gph(0.32L/min)辅助燃料供应部分的连接管内径2mm喷涂距离150mm喷涂枪的移动速度750mm间隔宽度6.0mm陶瓷粉供应量30g/min“θ-Gun”氧气流量1900scfh(893mL/min)煤油流量5.1gph(0.32L/min)喷涂距离150mm喷涂枪的移动速度750mm间隔宽度6.0mm陶瓷粉供应量30g/min“JP-5000”氧气流量1900scfh(893mL/min)煤油流量5.1gph(0.32L/min)喷涂距离380mm喷嘴长度4英寸(约100mm)喷涂枪的移动速度750mm间隔宽度6.0mm陶瓷粉供应量30g/min“SG-100”氩气压力65psi(45MPa)
氦气压力100psi(69MPa)喷涂距离100mm喷涂枪的移动速度750mm间隔宽度6.0mm陶瓷粉供应量30g/min
表1
表2
如表1和表2所示，在使用配备辅助燃料供应部分的高速火焰喷涂枪的例1至36中，都形成了喷涂涂层，相反在使用没有配备辅助燃料供应部分的高速火焰喷涂枪的比较例1、2、4、5中，几乎没有形成喷涂涂层。例1至36中获得的喷涂涂层，与使用等离子喷涂枪的比较例3和6中获得的喷涂涂层比较，具有更高的密度和耐磨性。
权利要求
1.一种热喷涂枪，其特征在于，一个用来产生火焰的燃烧室；一个喷涂材料供应部分，该供应部分与燃烧室相连通以便将喷涂材料提供至火焰中，这样喷涂材料能被火焰软化或熔化；一个排放口，该排放口与燃烧室相连通以便将火焰排出到热喷涂枪外部和喷出被火焰软化或熔化的喷涂材料，其中自燃烧室到排放口形成一个通道；和一个辅助燃料供应部分，该供应部分设置在所述通道中用以将辅助燃料提供至通过通道的火焰中以升高火焰的温度。
2.如权利要求1所述的热喷涂枪，其特征在于，一个喷口设置在通道的燃烧室和喷涂材料供应部分之间的部分中，其中圆柱形气流从喷口喷出，至少一部分产生自燃烧室中的火焰通过圆柱形气流的内部从排放口排出，并且从喷涂材料供应部分提供的喷涂材料被圆柱形气流内部的火焰软化或熔化并被喷出。
3.如权利要求1所述的热喷涂枪，其特征在于，所述辅助燃料供应部分设置在通道的喷涂材料供应部分和排放口之间的部分上。
4.如权利要求1至3中任一项所述的热喷涂枪，其特征在于，所述喷涂材料为陶瓷粉末。
5.如权利要求4所述的热喷涂枪，其特征在于，所述陶瓷粉末的第50百分数直径D50％不超出25μm。
6.如权利要求4所述的热喷涂枪，其特征在于，通过从陶瓷粉末的第90百分数直径D90％中减去陶瓷粉末的第10百分数直径D10％，然后除以陶瓷粉末的第50百分数直径D50％所得到的值不超过5.0。
7.如权利要求1至3中任一项所述的热喷涂枪，其特征在于，所述辅助燃料供应部分以至少10L/min的速度提供辅助燃料。
8.一种使用热喷涂枪的热喷涂方法，其特征在于，一个在设置在该热喷涂枪中的燃烧室中产生火焰的步骤，该产生的火焰被送入到自燃烧室到一个与燃烧室相连通的排放口形成的通道中，其中，火焰随后从排放口被排出到热喷涂枪的外部；一个将喷涂材料提供到通过通道的火焰中以至于喷涂材料能被火焰软化或熔化并喷出的步骤；和一个将辅助燃料提供到通过通道的火焰中以升高火焰的温度的步骤。
9.如权利要求8所述的热喷涂方法，其特征在于，至少一部分产生于燃烧室中的火焰通过从热喷涂枪喷出的圆柱形气流内部通过排放口被排出，且提供到穿过通道的火焰中的喷涂材料被圆柱形气流内部的火焰软化或熔化并被喷出。
10.如权利要求8所述的热喷涂方法，其特征在于，所述辅助燃料被提供到通过通道且已提供了喷涂材料的火焰中。
11.如权利要求8至10中任一项所述的热喷涂方法，其特征在于，所述喷涂材料为陶瓷粉末。
12. 如权利要求11所述的热喷涂方法，其特征在于，所述陶瓷粉末的第50百分数微粒直径D50％不超出25μm。
13. 如权利要求11所述的热喷涂方法，其特征在于，通过从陶瓷粉末的第90百分数直径D90％中减去陶瓷粉末的第10百分数直径D10％，然后除以陶瓷粉末的第50百分数直径D50％所得到的值不超过5.0。
14.如权利要求8到10中的任一项所述的热喷涂方法，其特征在于，所述辅助燃料供应部分以至少10L/min的速度向火焰提供辅助燃料。
全文摘要
本发明的热喷涂枪能形成高质量的陶瓷喷涂涂层。根据该喷涂枪，自该喷涂枪的燃烧室产生的火焰被送入自燃烧室到与燃烧室相连通的排放口形成的通道，然后火焰从排放口被排到喷涂枪外部。喷涂材料被提供到穿过通道的火焰中，这样喷涂材料能被火焰软化或熔化，并能被喷出。辅助燃料被提供到穿过通道的火焰中，以升高火焰的温度。
文档编号C23C4/12GK1496763SQ20031010154
公开日2004年5月19日 申请日期2003年10月10日 优先权日2003年10月10日
发明者五日市剛, 大澤悟, 森下徹, 五日市 申请人:不二见株式会社