專利名稱：噴砂顆粒的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種特別是用于金屬表面(如鋼表面)處理的噴砂方法和可用于所述 方法的顆粒。噴砂是對要處理的部件高速投射顆粒(通常為珠粒)。所述顆粒由硬度與要達到 的目的相適應的材料產生。通常使用鋼珠粒或陶瓷珠粒。可為清潔而進行噴砂，以例如除銹(除垢)，或者對部件表面進行壓縮預加應力 (噴丸硬化)。所述預加應力可通過表面硬化(加工硬化)改善經處理部件的性質。舉例 來說，其能夠改善疲勞強度或耐腐蝕性。噴丸硬化因此在傳統上用于例如改善高度受力部 件如汽車部件(特別是齒輪、傳動軸、彈簧、扭矩桿、連接桿、曲軸等)的使用特性。
背景技術：
由Saint-Gobain ZirPro出售的ZIRSHOT 珠粒為氧化鋯_氧化硅珠粒，相對 密度為3. 76，廣泛用于噴丸硬化。EP 578 453也描述了用于噴丸硬化的燒結鋯珠粒。
發明內容
投射陶瓷珠粒無法總能夠在足夠的厚度上產生預應力。為此，本發明的噴砂方法 可包括投射金屬珠粒的第一步和隨后投射陶瓷珠粒的第二步。通過噴砂處理的部件的表面 層的厚度因此得以增加。本發明的一個目的是提供一種可有效地在被處理部件的表面層中產生高表面殘 余應力的噴砂方法。本發明提出了一種噴砂方法，該方法包括將顆粒投射到部件的表面上的操作，所 述方法的不平常之處在于所述顆粒的表觀相對密度高于4. 0或甚至高于4. 3或甚至高于 4. 5但低于5. 0或甚至低于4. 9。令人驚訝的是，這從下面的詳細描述可知，此密度范圍意味著可獲得不尋常的性 能。所述方法還可包括如下任選特征中的一者或多者-所述顆粒為珠粒；-所述顆粒為陶瓷顆粒；-所述顆粒為通過熔合獲得的顆粒；-所述顆粒的硬度高于700HVa5、優選高于SOOHVa 5、或甚至高于900HVa 5，和/或低 于IlOOHVa5、或甚至低于975HVa5，所述硬度優選在900HVa5到IlOOHVa5范圍內；-以根據氧化物的重量百分數計，所述顆粒包含超過30%的氧化鋯(ZrO2)或甚至 超過40%、50%、60%或70%的氧化鋯和/或低于90%或甚至低于80%的氧化鋯(ZrO2)；-以根據氧化物的重量百分數計，所述顆粒包含超過5重量％的氧化硅(SiO2)或 甚至超過10 %或超過13 %的氧化硅和/或低于60 %或甚至低于50 %、30 %或20 %的氧化
4娃；-以根據氧化物的重量百分數計，所述顆粒包含超過或甚至超過1.5%、 2.0%、4%或4. 5%的氧化鋁(Al2O3)和/或低于10%或甚至低于7%或低于5%的氧化鋁；-氧化鋯、氧化硅和氧化鋁一起優選構成顆粒組合物的超過80%或甚至超過90% 或甚至超過95%或基本100% ；-以根據氧化物的重量百分數計，Fe2O3的最大量為0.5% ；其他可能的氧化物的實 例有MgO、CaO和Na2O ；優選所述顆粒不含鐵，特別是既不以氧化物形式也不以金屬形式存 在的鐵；-顆粒粒徑小于2毫米(mm)，優選小于Imm；-被處理表面為金屬表面，例如鋼；-被處理表面為汽車部件的表面。被處理的部件可選自鏈輪、傳動軸、彈簧、扭矩 桿、連接桿和曲軸；-顆粒以超過40米每秒(m/s)、優選超過48m/s或甚至超過50m/s或甚至超過55m/ s的速度被投射；-在一個實施方案中，僅投射如上所述并可能具有上述任選特征中的一者或多者 的顆粒；-在一個實施方案中，所述方法僅包括單一投射操作，即在投射所述顆粒后不進行 后續的投射操作。換句話說，所述方法不包括投射除上述顆粒外的介質的步驟；-在另一實施方案中，所述方法還包括投射除上述顆粒外的介質的步驟。特別地， 所述方法可包括至少兩個投射操作，所述兩個操作中的第一操作構成根據本發明的噴砂方 法，所述兩個操作中的第二操作先于或晚于所述第一操作進行，不構成根據本發明的噴砂 方法；-所述方法不包括投射金屬珠粒的步驟；本發明還提供了在根據本發明的投射方法中使用的上述顆粒。特別地，本發明提 供了噴砂顆粒，所述顆粒特別是呈珠粒形式，其表觀相對密度高于4. 0或甚至高于4. 3或高 于4. 5但低于5. 0或甚至低于4. 9。所述顆粒可特別是由陶瓷材料構成和/或通過熔合獲 得。其硬度可高于700HVa5或高于800^^.5或甚至在900HVa5到IlOOHVa5范圍內。此外， 其粒徑可小于2mm或甚至小于1mm。在一個實施方案中，以根據氧化物的重量百分數計，所述顆粒包含-超過30%或甚至超過70%和/或低于90%的氧化鋯(ZrO2)；和/或-超過5%但低于60%或甚至低于20%的氧化硅；和/或-超過或甚至超過4%但低于10%或甚至低于7%的氧化鋁(Al2O3)1
通過下面的詳細描述及對附圖的研究，本發明的其他特征和優點將變得更容易理 解。在附圖中，圖1為曲線圖，針對各種介質示出了殘余應力(“C”)隨距離以所述介質噴 砂后的部件表面的深度(“P”)的變化。^X術語“珠粒”指球形顆粒，即其最小直徑與其最大直徑之間的比率為0. 75或更高，
5而與獲得所述球形的方式無關。在本發明的一個實施方案中，珠粒的球形度為0.8或更高， 優選為0.9或更高。術語“熔合產物”或“通過熔合獲得的產物”指通過冷卻熔體、利用凝固獲得的產 物。“熔體”為必須包容在容器內以保持其形狀的物質。熔體可含固體部分，但固體部分的 量不足以使所述物質具有任何結構。術語一組粒子的“中值粒徑”(通常以D50表示)指將所述組的粒子分成為質量相 等的第一群體和第二群體，所述第一和第二群體僅包含粒徑分別大于或小于所述中值粒徑 的粒子。術語顆粒的“粒徑”為其最大尺寸dM與其最小尺寸dm的平均值(dM+dm) /2。術語“氧化鋯”指氧化鋯&02。氧化鋯源中總是以低于2%的量天然地存在具有類 似性質且不可與以化學方式分離的少量Η 2。術語“氧化硅”指二氧化硅SiO2。術語“氧化鋁”指氧化鋁A1203。除非有另外說明，否則用來表征組合物的百分數總是指根據氧化物的重量百分 數。
具體實施例方式噴砂是一種已周知的技術；可以以該技術的所有變型采用該技術來實施本發明的 方法，條件是被投射顆粒的相對密度在4. 0到5. 0范圍內。顆粒的性質也不構成限制。但在一個優選的實施方案中，被投射顆粒為通過熔合 獲得的陶瓷珠粒，其相對密度優選在4. 3-4. 9范圍內，更優選在4. 5-4. 9范圍內。為產生所述珠粒，可進行包括如下步驟的方法a)準備始料，所述始料包含待產生的珠粒的組分和/或所述組分的前體；b)熔化所述始料以形成熔體；c)投射所述熔體以形成熔體的射流并將所述射流分散成小滴；d)冷卻所述小滴以形成珠粒；e)任選地，特別是通過研磨減小粒度和/或選擇粒度。在步驟a)中，混合粉狀組分和/或前體以構成基本均勻的混合物。根據本發明，本領域技術人員會調節始料的組成以在步驟d)結束時獲得具有所 需組成的珠粒。在產生陶瓷珠粒的情況下，珠粒的化學分析通常與始料的基本相同。此外， 必要時，例如為考慮到揮發性氧化物的存在或考慮到在還原條件下進行熔化時SiO2的損 失，本領域技術人員清楚如何因此調節始料的組成。在步驟b)中，始料被熔化，熔化優選在電弧爐中進行。電熔合意味著可以高產率 產生大量產物。但可想到使用任何已知的爐，例如感應爐、太陽爐或等離子體爐，只要其可 熔化所述始料，優選完全熔化所述始料。條件可以是氧化的或還原的。步驟b)中，可例如使用法國專利No. 1 208 577及其增補專利No. 75893和 No. 82310中描述的電弧熔合法。在步驟C)中，熔體被投射以形成射流。在步驟d)中，所述射流被分散成小液滴，所述小液滴中的大多數在表面張力的作
6用下呈基本為球形。此分散可通過噴吹、特別是用空氣和/或蒸氣噴吹進行，或可使用本領 域技術人員熟知的任何其他霧化熔化的材料的方法進行。在步驟e)中，小滴被冷卻以凝固成固體珠粒的形式。冷卻可以由分散引起。可根 據所需的結晶度而調整冷卻速率。在任選步驟f)中，調節珠粒的粒徑以獲得特定的粉。為此，通過熔合獲得的顆粒 可經過研磨，然后通過過篩或通過在空氣中分離進行粒度分選。本發明還提供了用包括上述步驟a)到d)及任選步驟e)的方法產生的珠粒。實施例下面的非限制性實施例是示例性描述本發明的目的而提供的。在這些實施例中，測試了多種噴砂介質。這些各種介質的特性在表1中示出。介 質2對應于基準產品ZIRSHOT Ζ425 使用自動的Accupyc 1330氦比重計測定表觀相對密度。顯微硬度用Vickers Zwick 3212薄樣硬度計測定。獲得的值對應于VickersHVa5 硬度。化學分析用X射線熒光法進行。粒度分析用方眼篩按照ISO標準3310通過手動過篩進行。受試介質的所有顆粒均為通過熔合獲得且粒徑在425-600 μ m范圍內的陶瓷珠粒。為進行試驗，用文丘里效應槍將各介質投射到XC65鋼靶上，所述槍設有直徑為 80mm的投射噴嘴，距離該鋼靶150mm的位置，投射角為85°，并且速度盡可能高(表1中的 “最大速度”列)。持續投射到直至獲得125%的覆蓋度(由所投射介質沖擊的表面的百分 數)。然后使用Siemens D500裝置通過X射線衍射法測定殘余應力，該測定從分析晶面 的平均變形(其隨晶面的取向而變)開始。結果示于圖1中。表 1
介質編號1234表觀相對密度3. 173. 834. 665. 33顯微硬度HVa5 (kg/mm2)785803945984ZrO241. 567. 573. 463. 0SiO243. 030. 415. 07. 6Al2O38. 11. 34. 75. 0Y2O30. 16. 23. 8CeO219. 7D50(μ m)536509496548最大速度(m/s)60606046可觀察到，對于試驗介質1-3，表面殘余應力(即在零深度處)基本相等。但它們 低于介質4。還應觀察到，當表觀相對密度增至表觀相對密度為4. 66 (介質3)時，受噴砂作用 的表面層的厚度(即表面層延伸的深度)增加。但令人驚訝的是，表觀相對密度增到5之 上(對于介質4為5. 33)導致此厚度減小。這些試驗還表明，高硬度介質(介質4)并非系統地產生良好的結果。在殘余應力最大的點的深度以同樣的方式變化，在表觀相對密度處于4-5范圍內 時達到最大深度。還應觀察到，對于表觀相對密度高于5的陶瓷珠粒，可達到的最大速率較低。但令 人驚訝的是，該速率的降低并不引起表面殘余應力的增大。相比之下，相比表觀相對密度較 小(特別是在4-5范圍內)的珠粒，表面殘余應力更低。除在表面上和靠近表面生成殘余應力外，噴砂的主要作用之一是改變表面質量， 特別是改變粗糙度。太高的粗糙度可能導致受噴砂部件過早破裂；因此，控制粗糙度很重要。在下面的特定實施例中，對92V45鋼試樣噴砂兩趟第一趟用鋼珠粒或根據本發 明的相對密度為4. 6的陶瓷珠粒(第5號介質)，然后用常規的Z210陶瓷珠粒進行第二趟 噴砂，其中，噴砂參數使得可獲得基本相同的殘余應力水平。鋼珠粒的特性-相對密度7.7;-微觀硬度470HV。5；-化學分析-Fe:補足至 100%;-C 0. 85% -1. 2% ；-Mn 0. 6% -1. 2% ；-Si 0. 4-1. 5%-Ph ^ 0. 05%-S ^ 0. 05%-d50 = 1000 μ m ；_估計的速度為45m/s。陶瓷珠粒(第5號介質)的特性-與第3號介質的特性相同，不同的是-d50 = 900 μ m ；-估計的速度為48m/s。
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Z210珠粒(Zirshot Z210)的特性與第2號介質的特性相同，不同的是d50 = 255 μ m0表 權利要求
由陶瓷材料構成的噴砂顆粒，具有高于4.0但低于5.0的表觀相對密度，并包含以根據氧化物的重量百分數計超過5％的氧化硅。
2.根據前一權利要求所述的顆粒，所述顆粒的表觀相對密度高于4.3。
3.根據前一權利要求所述的顆粒，所述顆粒的表觀相對密度高于4.5。
4.根據任一前述權利要求所述的顆粒，所述顆粒的表觀相對密度低于4.9。
5.根據任一前述權利要求所述的顆粒，所述顆粒呈珠粒形式。
6.根據任一前述權利要求所述的顆粒，所述顆粒包含超過10%的氧化硅。
7.根據任一前述權利要求所述的顆粒，所述顆粒通過熔合獲得。
8.根據權利要求1-6中任一項所述的顆粒，所述顆粒通過燒結獲得。
9.根據任一前述權利要求所述的顆粒，所述顆粒的硬度高于700HVa5。
10.根據前一權利要求所述的顆粒，所述顆粒的硬度高于800HVa5。
11.根據任一前述權利要求所述的顆粒，所述顆粒的硬度在900HVa5到IlOOHVa5范圍內。
12.根據任一前述權利要求所述的顆粒，所述顆粒的粒徑小于2mm。
13.根據前一權利要求所述的顆粒，所述顆粒的粒徑小于1mm。
14.根據任一前述權利要求所述的顆粒，以根據氧化物的重量百分數計，包含超過 30%但低于90%的氧化鋯(ZrO2)。
15.根據任一前述權利要求所述的顆粒，以根據氧化物的重量百分數計，包含超過5% 但低于60%的氧化硅。
16.根據任一前述權利要求所述的顆粒，以根據氧化物的重量百分數計，包含低于 20%的氧化硅。
17.根據任一前述權利要求所述的顆粒，以根據氧化物的重量百分數計，包含超過 但低于10%的氧化鋁(Al2O3)。
18.噴砂顆粒，所述顆粒的表觀相對密度高于4.0但低于5. 0，并包含以根據氧化物的 重量百分數計低于10%的氧化鋁。
19.根據前一權利要求所述的顆粒，所述顆粒的表觀相對密度高于4.3。
20.根據前一權利要求所述的顆粒，所述顆粒的表觀相對密度高于4.5。
21.—種噴砂方法，包括向部件的表面上投射顆粒的操作，其中，所述顆粒為根據任一 前述權利要求所述的顆粒。
22.根據前一權利要求所述的方法，其中，所述顆粒以超過40m/s的速度被投射。
23.根據前一權利要求所述的方法，其中，所述顆粒以超過55m/s的速度被投射。
24.根據權利要求21-23中任一項所述的方法，包括投射非所述顆粒的介質的步驟。
25.根據權利要求21-24中任一項所述的方法，不包括投射金屬珠粒的步驟。
26.根據權利要求21-23中的任一項所述的方法，不包括投射非所述顆粒的介質的步馬聚ο
27.根據權利要求21-26中的任一項所述的方法，其中，被處理的表面為金屬表面。
28.根據權利要求21-27中的任一項所述的方法，其中，被處理的表面為汽車部件的表面。
29.—種噴砂方法，包括向部件表面上投射顆粒的操作，其中，所述顆粒的表觀相對密度高于4. O但低于4. 9，其中，所述顆粒以超過40m/s的速度被投射。
30.一種噴砂方法，包括向部件表面上投射顆粒的操作，其中，所述顆粒的表觀相對密 度高于4. 0但低于5. 0，所述方法包括投射非所述顆粒的介質的步驟。
31.根據前一權利要求所述的方法，不包括投射金屬珠粒的步驟。
全文摘要
本發明涉及一種由陶瓷材料構成的噴砂顆粒，所述顆粒的表觀相對密度高于4.0但低于5.0并包含以根據氧化物的重量百分數計超過5％的氧化硅。
文檔編號B24C1/10GK101970176SQ200880122000
公開日2011年2月9日 申請日期2008年12月16日 優先權日2007年12月20日
發明者A-L·博多內 申請人:法商圣高拜歐洲實驗及研究中心