本專(zhuān)利申請(qǐng)涉及應(yīng)用于輥上的保護(hù)性及可磨損涂層組合物，并且更具體地涉及用于高溫應(yīng)用的包括可磨損涂層的傳送機(jī)輥、生產(chǎn)此類(lèi)涂層的組合物、制造此類(lèi)輥的方法、及其用途。
背景技術(shù)：
：經(jīng)運(yùn)送的金屬片常以鋁或含鋁的鋅合金處理以抗腐蝕。眾所皆知由包含熔融石英、莫來(lái)石、硅線石、礬土、SiC基體、或金屬(如耐火鋼)的材料構(gòu)成的輥于高溫度下的極佳特性，如其高耐火性及低熱膨脹性，及其對(duì)于熔融金屬的相對(duì)惰性。其廣泛用于輥膛爐。盡管含二氧化硅的輥為優(yōu)選的，其存在缺點(diǎn)：雖于爐內(nèi)進(jìn)行，經(jīng)涂布的金屬片的鋁開(kāi)始熔化。部分熔化的鋁與源自陶瓷輥體的SiO2或硅酸鹽反應(yīng)，導(dǎo)致鋁氧化(Al＝>Al2O3)且硅酸鹽還原為金屬形式(主要為Si)，從而由于腐蝕而大幅減少輥的壽命。已知欲防止腐蝕，輥可以SiAlON或以經(jīng)燒結(jié)的氮化硅或碳化硅涂布。涂層可進(jìn)一步包含鈦酸鋁粒子。所有該些材料為確實(shí)已知對(duì)于熔融鋁具有非潤(rùn)濕特性。即使減少腐蝕，一些沉積現(xiàn)象仍持續(xù)。通過(guò)使用硬或持久性氮化硅涂層，Si3N4于表面緩慢氧化，致使形成二氧化硅。次要相(如源自氮化硅氧化的二氧化硅)與鋁反應(yīng)，產(chǎn)生Al2O3與Si，其聚積于經(jīng)涂布的輥表面。公開(kāi)于US-A1-2007/089642中的硬涂層包含氮化硅粒子及黏合劑，其含有在有機(jī)溶劑中的表面改質(zhì)的納米尺度固體粒子。該涂層描述為硬質(zhì)，因氮化物涂層對(duì)基材的強(qiáng)黏著性。有機(jī)溶劑用于避免氮化硅粒子的任何水解。此硬涂層通常應(yīng)用于太陽(yáng)能坩堝，也可應(yīng)用于鋁冶金的上升管，以防鋁腐蝕。US-A1-2009160108公開(kāi)無(wú)涂層的熔融石英輥，其中表面多孔性是利用有機(jī)溶劑填入氮化硅。此為某種程度上防止表面沉積。由于熔融石英仍為表面上的主要相，當(dāng)接觸鋁時(shí)，仍觀察到腐蝕。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供耐鋁腐蝕的輥，此外其解決沉積問(wèn)題。輥的表面經(jīng)涂布，但與US-A1-2007/0089642相反的是，涂層非硬質(zhì)。于本發(fā)明中，涂層是可磨損的，且通過(guò)磨耗而與沉積物一起部分移除，產(chǎn)生干凈表面，同時(shí)維持良好耐鋁腐蝕性。本發(fā)明涉及具有至少一層可磨損涂層的輥，其包含：a)83-98重量％的聚集體，其包含Si3N4、SiC、或SiAlON粒子或它們的混合物，b)2-17重量％的Al2O3或SiO2、ZrO2、CeO2、Y2O3亞微米粒子或它們的混合物。亞微米粒子的平均粒徑高于100nm但低于1000nm。聚集體可進(jìn)一步包含Al2TiO5粒子。此類(lèi)輥主要用于輥膛爐，其使用的溫度高于800℃。當(dāng)金屬或金屬氧化物(如部分氧化的鋁或礬土)的沉積物聚積于輥表面上時(shí)，輥涂層的Si3N4粒子傾向于通過(guò)在輥上的經(jīng)運(yùn)送的金屬片的摩擦而脫落。Si3N4粒子/Si3N4粒子間的鍵，以及Si3N4粒子/基材間的鍵確實(shí)是弱的。于高溫下特定時(shí)間后(于用戶(hù)的爐中可達(dá)數(shù)周)，氮化硅粒子與黏合劑粒子間的內(nèi)聚力增加，且涂層致密化但維持其可磨損性質(zhì)。盡管如此，沉積物仍剝落，因經(jīng)致密化涂層的部分最終于摩擦作用下剝落。此還是輥表面上的金屬片的摩擦及輥與致密化涂層間的界面的黏著性的結(jié)果，輥與致密化涂層間的界面的黏著性比沉積物與致密化涂層間的界面的黏著性弱。根據(jù)亞微米粒子的濃度或本質(zhì)，其與基材的黏著性及內(nèi)聚力進(jìn)一步經(jīng)改進(jìn)，且盡管有摩擦力，沉積物未剝落且仍位于輥上。然而，視需求，該些沉積物仍可通過(guò)外部作用而機(jī)械性剝落。于此情況，輥必須拆除，從而通過(guò)施加足夠的摩擦力以清潔沉積物。另一選項(xiàng)是完全移除涂層，且重新施加新涂層至輥。術(shù)語(yǔ)“可磨損”用于描述于經(jīng)運(yùn)送的金屬片的摩擦下或通過(guò)施加外部作用(如研磨步驟)而被磨耗的涂層。其結(jié)果為，涂層表面是自我再生，且輥的壽命增加。涂層任選地包含暫時(shí)性黏合劑，如有機(jī)黏合劑。有機(jī)黏合劑可為丙烯酸系或環(huán)氧聚合物、淀粉、聚乙烯醇等。有機(jī)黏合劑的優(yōu)勢(shì)為，在暫時(shí)性基礎(chǔ)上增加例如運(yùn)輸和/或安裝輥而不損壞所需的機(jī)械性質(zhì)。一旦輥用于爐中，有機(jī)黏合劑由于高溫而消失，留下輥與其可磨損涂層。氮化物粒子的比表面積小于或等于8m2/g，且優(yōu)選地介于0.5與5m2/g之間。如果比表面積高于8m2/g，因涂層干燥期間產(chǎn)生的壓力而觀察到裂縫。例如，實(shí)現(xiàn)包括具有比表面積10m2/g的粒子的涂層，且裂縫數(shù)目極高，其程度使得經(jīng)涂布的制品不可使用。使用數(shù)種顯示不同比表面積的粒子，允許在組合物施加至基材時(shí)通過(guò)優(yōu)化粉末堆積而適配涂層密度及性質(zhì)。本發(fā)明進(jìn)一步提供輥，其中可磨損涂層由多個(gè)組合物層構(gòu)成，其包含：a)83-98重量％的Si3N4、SiC、或SiAlON粒子或它們的混合物的聚集體，b)2-17重量％的Al2O3或SiO2、ZrO2、CeO2、Y2O3亞微米粒子或它們的混合物。聚集體可進(jìn)一步包含Al2TiO5粒子。由于涂層是在摩擦下移除，可根據(jù)制造涂層所用的條件訂制輥的使用壽命。為了使輥可運(yùn)輸，經(jīng)涂布的輥是優(yōu)選地于至少800℃下加熱至少3小時(shí)。涂層的平均厚度為至少150μm是有利的?？赡p涂層可通過(guò)使用下述的組合物構(gòu)成。本發(fā)明的目的還用于生產(chǎn)在輥上的可磨損涂層的組合物，其包含：a)50-75重量％的Si3N4、SiC、或SiAlON粒子或它們的混合物的聚集體，b)1.5-10重量％，優(yōu)選地1.5-5重量％的Al2O3或SiO2、ZrO2、CeO2、Y2O3亞微米粒子或它們的混合物，c)15-48.5重量％的H2O，其特征為該Si3N4、SiC、或SiAlON粒子具有的比表面積(BET)小于或等于8m2/g，且優(yōu)選地包括介于0.5與5m2/g之間。聚集體可進(jìn)一步包含Al2TiO5粒子，其具有的比表面積(BET)小于或等于8m2/g，且優(yōu)選地介于0.5與5m2/g之間?；诜勰┍缺砻娣e的顆粒分布優(yōu)化，允許訂制具有高涂層密度的組合物流動(dòng)性。輥從而易于涂布。由于氮化硅粒子懸浮或溶解于水中，觀察到表面粒子水解。此確實(shí)是為什么US-A1-2007/0089642主張必須不存在水以取得硬涂層的原因。然而，發(fā)明人意外發(fā)現(xiàn)，此水解使得顆粒表面對(duì)黏合劑產(chǎn)生優(yōu)化的化學(xué)親和力，其明顯減少黏合劑的需求，達(dá)到涂層與基材的最小黏著性。亞微米粒子如Al2O3或SiO2的平均粒徑高于100nm。其常于水性膠體溶液形式下使用。水性膠體溶液操作上容易且安全。本發(fā)明的另一目的是制造輥的方法，其包括的步驟為：a)提供輥，該輥包括熔融石英、莫來(lái)石、硅線石、礬土、SiC基體、或金屬諸如耐火鋼，該輥具有芯及表面；b)對(duì)該制品的至少表面的至少一部分施加上述的組合物；c)干燥該輥；d)任選地，于800℃下加熱該輥至少3小時(shí)。涂層通過(guò)噴涂、浸涂、溢流(flooding)、或等離子噴涂該組合物而施加至輥。上述的輥可優(yōu)勢(shì)地用于運(yùn)輸以鋁處理的鋼片。本發(fā)明現(xiàn)將通過(guò)本發(fā)明的實(shí)施例及比較例的方式說(shuō)明?？赡p性質(zhì)是通過(guò)耐磨耗性測(cè)試及抗刮性評(píng)估。為了操控輥而無(wú)損毀，需要最小抗刮性。此外，耐磨耗性不應(yīng)太低，以確保涂層的最小壽命，且不能太高，以使沉積物通過(guò)摩擦移除。發(fā)明人注意到，可磨損性質(zhì)是二抗性數(shù)值結(jié)合的結(jié)果。耐磨耗性根據(jù)下列步驟測(cè)定。圖1是描繪測(cè)試條件的側(cè)視圖。將50mm長(zhǎng)度且50mm直徑的熔融石英輥(1)秤重，然后提供以待評(píng)估的組合物的200μm涂層(4)。一旦涂層(4)經(jīng)干燥(60℃下2小時(shí))，再次將經(jīng)涂布的輥秤重，并測(cè)定涂層重量。輥(1)安裝于軸(5)上，且水平固定在二個(gè)位于垂直安裝于撐體(2)的軸(6)上的20(c)×60mm支架(8a,8b)之間的金屬板(3)(200×100×1mm的USIBOR1500鋼片，150g)是經(jīng)排列以正切接觸經(jīng)涂布的輥。二軸(5)與(6)平行。板(3)通過(guò)螺栓(7)固定于支架(8a,8b)之間，以免因輥旋轉(zhuǎn)而移位。在涂層磨耗時(shí)，板于軸(6)上逐漸傾斜。軸(6)與板(3)/經(jīng)涂布的輥的接觸點(diǎn)間的距離(a)設(shè)定為150mm。板(3)/經(jīng)涂布的輥的接觸點(diǎn)與板(3)最靠近撐體(2)的末端間的距離(b)設(shè)定為125mm。輥以220rpm旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)周期性中斷，且測(cè)定殘留的涂層重量。重復(fù)該操作，直到磨損30重量％的涂層為止。如果30重量％的涂層在小于250分鐘內(nèi)磨耗，則該涂層標(biāo)記為(--)。如果磨耗30重量％的涂層需要大于500分鐘，則涂層標(biāo)記為(++)。如果30重量％的涂層在包括于250與500分鐘間的時(shí)間內(nèi)磨耗，則涂層標(biāo)記為(+-)。耐磨耗性代表涂層組分間的鍵結(jié)強(qiáng)度?？构涡源砼c基材的黏著強(qiáng)度。其刮劃經(jīng)涂布表面所需的負(fù)載(以牛頓計(jì))。意外地發(fā)現(xiàn)，抗刮性可為相當(dāng)高，而耐磨耗性低。于數(shù)值1N以下時(shí)，黏著強(qiáng)度太弱。當(dāng)輥經(jīng)運(yùn)輸或操控時(shí)，涂層損毀。當(dāng)抗刮性高于7N時(shí)，涂層視為具有強(qiáng)黏著性。然而，涂層仍可磨損。作為實(shí)施例，通過(guò)混合氮化硅粉末與SiO2或Al2O3膠體溶液及水而制造三種組合物(用于產(chǎn)生實(shí)施例1至9的組合物1至3)。從而將輥浸漬于組合物溶液中，且隨后于60℃下干燥2小時(shí)。涂層組合物的實(shí)施例示出于表1組合物1組合物2組合物3Si3N4重量％626250亞微米SiO2重量％300亞微米Al2O3重量％024水重量％353646然后以三種不同條件評(píng)估此類(lèi)輥(實(shí)施例1至9)。首先(實(shí)施例1至3)，輥不受高于干燥溫度的進(jìn)一步熱處理。其次(實(shí)施例4至6)，以2重量％的濃度將有機(jī)黏合劑加入涂層組合物。輥浸漬于涂層溶液中，然后干燥及測(cè)試。此外(實(shí)施例7至9)，使用包括有機(jī)黏合劑的組合物涂布的輥于800℃下加熱3小時(shí)。作為比較例(實(shí)施例10)，輥以US-A1-2008-260608公開(kāi)的組合物涂布。由于Si3N4粒子的粒度分析(顆粒主要≤1微米)，涂層通過(guò)噴涂形成。于干燥步驟后，輥在1000℃下加熱3小時(shí)。組合物如下：比較例實(shí)施例10Si3N4重量％40亞微米SiO2重量％10水重量％45聚乙烯醇5實(shí)施方案給出下列結(jié)果(表2)。如可由表2觀察，未經(jīng)燃燒的實(shí)施例(1-3)具有低耐磨耗及抗刮性。該些經(jīng)涂布者耐鋁腐蝕，但輥無(wú)法運(yùn)輸。將有機(jī)黏合劑添加至組合物會(huì)增加所有組合物的抗刮性及耐磨耗性(實(shí)施例4至6)。當(dāng)輥于800℃下加熱至少3小時(shí)(實(shí)施例7至9)，有機(jī)黏合劑消失而不損毀氮化硅層。相較于未經(jīng)加熱的輥，耐磨耗性輕微改進(jìn)。由于弱磨耗性(--)，當(dāng)受到摩擦?xí)r，沉積物將傾向連同氮化硅粒子脫落。增加耐磨耗性(+/-)及抗刮性，沉積物將傾向連同隔離的氮化硅粒子脫落，但還與其形成一部分涂層。較高的抗刮性值可導(dǎo)致更黏的沉積物，從而需要進(jìn)一步的量值以將其移除。高抗刮性允許替換輥時(shí)無(wú)需降低爐溫度，其在保養(yǎng)或替換輥時(shí)可能需要。盡管加熱，比較樣本的耐磨耗性與抗刮性數(shù)值皆低(實(shí)施例10)。此涂層的特性完全不同。其原因?yàn)?，氮化物粒子的粒徑低?μm。盡管涂層于1000℃下加熱，具有此涂層的輥無(wú)法用于此工業(yè)應(yīng)用，因低耐磨耗性導(dǎo)致高度可磨損的涂層。于短時(shí)間后，輥表面上不留涂層，誘導(dǎo)沉積物出現(xiàn)及輥體腐蝕。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3