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CN104550678A - 一种铝活塞金属型重力铸造模具表面长效涂层及制备方法 - Google Patents

一种铝活塞金属型重力铸造模具表面长效涂层及制备方法 Download PDF

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CN104550678A
CN104550678A CN201410816142.5A CN201410816142A CN104550678A CN 104550678 A CN104550678 A CN 104550678A CN 201410816142 A CN201410816142 A CN 201410816142A CN 104550678 A CN104550678 A CN 104550678A
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China
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coating
long
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spraying
composite ceramics
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CN201410816142.5A
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Inventor
牟俊东
朱宝新
刘国庆
梁涛
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Binzhou Bohai piston Co., Ltd.
Original Assignee
Shandong Binzhou Bohai Piston Co Ltd
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C3/00—Selection of compositions for coating the surfaces of moulds, cores, or patterns
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
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    • C23C4/08—Metallic material containing only metal elements

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Abstract

本发明涉及一种铝活塞金属型重力铸造模具表面长效涂层及制备方法。其特征在于涂层耐高温、抗氧化、有较高的绝热性，可改变铝液流动性提高充型能力并可长时间反复使用。达到改善铝活塞铸件表面质量、提高铸件尺寸一致性、延长模具寿命、提高生产效率、改善现场工作环境的目的。

Description

一种铝活塞金属型重力铸造模具表面长效涂层及制备方法
技术领域
本发明涉及模具表面长效涂层,尤其涉及一种铝活塞金属型重力铸造模具表面长效涂层及制备方法。
背景技术
目前，铝活塞铸造广泛采用金属型重力铸造模具生产毛坯，金属型模具具有不宜渗透性，铝活塞铸造在使用金属型模具时，它会对合金铝液流动和凝固过程产生完全不同的影响，因而有必要使用适宜的涂料对上述过程加以控制。选择涂料需要考虑的关键性能是绝热性、喷涂后的表面粗糙度、润滑性，以保证铸件易于出模和获得较好的外观质量。目前金属型铝活塞模具涂料主要以氧化铝、滑石粉、云母、硅藻土等按一定比例配制，然后由操作工手工喷涂在模具表面。整个过程配料繁琐，使用寿命短一般不超过一班次，获得的铝活塞铸件外观质量一致性差。并且其存在的主要问题是：涂料附着性差，使用时间短，金属型模具在使用过程中需反复的刮、喷涂料，十分费力费时，并且清理涂料时残存的浮尘对工作环境污染严重，影响工人身体健康。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种能替代传统涂料，涂层和模具基体有足够的结合强度及耐高温铝液腐蚀能力、足够的抗热疲劳性能、一定的保温隔热性能的长效涂层及制备方法。达到改善铝活塞铸件表面质量、提高铸件尺寸一致性、延长模具寿命、提高生产效率、改善现场工作环境的目的。
为实现上述目的，本发明采用下述工艺路线和技术方案：
一种铝活塞金属型重力铸造模具表面长效涂层，由金属粘结底层和复合陶瓷表层组成，所述粘结底层涂覆在模具之上，所述复合陶瓷表层覆于所述粘结底层上，所述粘结底层为Co合金材料，所述Co合金材料由下列重量百分比的金属材料组成：Cr：28-30％；W：4-5％；C：1-1.5％；Ni：1.2-1.7％；Fe：1.2-1.7％；Si：0.8-1.2％，其余为Co；所述复合陶瓷表层为ZrO2复合陶瓷，所述ZrO2复合陶瓷含有重量百分比为8-10％Y2O3。(本申请的各百分比皆为重量百分比)
所述粘结底层的厚度控制在15－20μm。
所述复合陶瓷表层厚度控制在90-130μm。
所述长效涂层和模具表面的结合强度：>7000Psi，所述长效涂层的厚度：100μm～150μm；所述长效涂层的孔隙率：合金层<1％；陶瓷层<5％；所述长效涂层的粗糙度：Ra10。
所述的金属型铝活塞模具表面未经氮化处理，模具硬度控制在HRC30-40。
所述的喷涂技术采用超音速火焰喷涂HVOF/HVAF+等离子喷涂系统。喷涂后的金属型铝活塞模具涂层可用电解法清除旧涂层，并多次反复喷涂。一种铝活塞金属型重力铸造模具表面长效涂层的制作方法，包括下列步骤：
a)将已完成清洗、喷砂操作的金属型铝活塞重力铸造模具基体放置在热喷涂设备的旋转工作台上进行预热，预热温度控制在100-120℃；
b)使用超音速火焰喷涂方法，在金属型铝活塞重力铸造模具基体上喷涂形成粘结底层，粘结底层选用的材料为Co加有Cr、Al、W、Ni、Fe、Si的耐熔融铝液腐蚀合金；
喷枪型号选用普莱克斯JP8000；喷涂设备工艺参数设置：氧气：870L/min；氮气：11L/min；燃料：0.38L/min；喷涂距离：340-360mm。
c)使用采用等离子喷涂方法，在粘结底层上喷涂形成一层复合陶瓷表层，复合陶瓷表层采用ZrO2加有Y2O3复合陶瓷材料。
喷枪型号选用METCO 9MB；喷涂设备工艺参数：电流：450A；主气(氩气)：30-40L/min；次气(氢气)：18-25L/min；喷涂距离：70-80mm。涂层厚度控制在90-130μm之间。喷涂过程中模具基体温度不得高于120℃，整个过程中的喷涂路径控制采用机器人预先编制的路径和金属型模具成型部位型面一致。
优选的，b)步骤中所述喷涂过程中高速火焰温度≤700℃。
优选的，c)步骤中所述复合陶瓷表层度控制在100μm-150μm。
优选的，c)步骤的喷涂路径控制采用机器人预先编制的路径和金属型模具成型部位型面一致。
模具基体的制备(清洗、喷砂)→预热→喷涂合金粘结底层→喷涂复合陶瓷表层→检验。
金属型铝活塞重力铸造模具基体的制备：按照活塞成品要求设计制作金属型铝活塞重力铸造模具，模具加工过程中严格控制各项尺寸要求、铸件各成型部位透气良好。加工成型的金属型铝活塞重力铸造模具不能进行氮化处理，模具基体表面硬度控制在HRC30-40之间。制作完成的金属型铝活塞重力铸造模具基体喷涂长效涂层前需对模具基体进行清洗，去除基体表面黏附的油脂、通过喷砂(16#白刚玉)的方法粗糙金属型铝活塞重力铸造模具表面，这样通过增加模具表面自由能激活了表面，同时增大了长效涂层微粒粘附的表面面积,以提高涂层与模具基体的结合强度。
金属型铝活塞重力铸造模具长效涂层的基础设备及制备方法：热喷涂基础设备主要有喷涂房、喷枪、热源、涂层材料供给装置以及控制系统和冷却系统组成。将已完成清洗、喷砂操作的金属型铝活塞重力铸造模具基体保护好非喷涂区域、放置在热喷涂设备的旋转工作台上进行预热，预热温度控制在预热至100-120℃。首先采用超音速火焰喷涂采用Co加有Cr的耐熔融铝液腐蚀合金材料组成的粘结底层，粘结底层的厚度控制在15－20μm喷涂过程中高速火焰温度不得高于700℃。然后采用等离子喷涂Y2O3复合陶瓷材料，涂层厚度控制在90-130μm之间，整个过程中的喷涂路径控制采用机器人预先编制的路径和金属型模具成型部位型面一致。
检验热喷涂完成的金属型铝活塞模具表面长效涂层应达到以下要求：其特征在于长效涂层和模具表面的结合强度：大于7000Psi(ASTM C633)，长效涂层的厚度：100μm-150μm；长效涂层的孔隙率：合金层<1％；陶瓷层<5％(ASTM E2109)；长效涂层的粗糙度：Ra10。保证铸件易于出模和获得较好的外观质量，并保证涂层有较高的绝热性，改变铝液流动提高充型能力。
金属型铝活塞模具表面长效涂层的清除：使用一段时间、完成一定数量的金属型铝活塞模具，因部分涂层脱落，无法满足质量要求时，将模具基体放置在专用电解槽内，采用针对本涂层专门配置的电解液，电解液PH值控制在彻底腐蚀涂层的同时又对金属型铝活塞模具表面粗糙度无影响，腐蚀过程中调整电解电流采用低电流缓蚀方式进行。
本发明的有益效果
1.提供一种能替代传统涂料，涂层和模具基体有足够的结合强度及耐高温铝液腐蚀能力、足够的抗热疲劳性能、一定的保温隔热性能的长效涂层及制备方法。达到改善铝活塞铸件表面质量、提高铸件尺寸一致性、延长模具寿命、提高生产效率、改善现场工作环境的目的。
2.通过以上制备方法处理的金属型铝活塞模具每喷涂一次长效涂层可连续生产8000只铝活塞铸件；一套金属型铝活塞模具可多次喷涂,模具寿命比表面氮化处理的模具提高了1倍；每班次可节约0.5-1小时的模具清理和涂料喷涂时间、提高了20％的生产效率；改善了铝活塞铸件表面质量、提高了铝活塞铸件的尺寸一致性；改善了现场的工作环境。
具体实施方式
以下通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规的方法和条件进行选择。
实施例1：
将已完成清洗、喷砂操作的WD615E2-3A产品金属型铝活塞重力铸造模具基体保护好非喷涂区域、放置在热喷涂设备的旋转工作台上进行预热，预热温度控制在预热至100℃。首先采用超音速火焰喷涂采用Co:58.9％；Cr：30％；W：5％；C：1.5％；Ni：1.7％；Fe：1.7％；Si：1.2％的耐熔融铝液腐蚀合金材料组成的粘结底层，粘结底层的厚度控制在15μm，喷涂过程中高速火焰温度不得高于700℃。然后等离子喷涂,采用加有10％Y2O3的ZrO2复合陶瓷，涂层厚度控制在90-100μm，整个过程中的喷涂路径控制采用机器人预先编制的路径和金属型模具成型部位型面一致。
检验热喷涂完成的金属型铝活塞模具表面长效涂层应达到以下要求：其特征在于长效涂层和模具表面的结合强度：7030Psi(ASTM C633)，长效涂层的厚度：110μm；长效涂层的孔隙率：合金层为0.89％；陶瓷层为4.6％(ASTM E2109)；长效涂层的粗糙度：Ra10。
实施例2：
将已完成清洗、喷砂操作的WD615E2-3A产品金属型铝活塞重力铸造模具基体保护好非喷涂区域、放置在热喷涂设备的旋转工作台上进行预热，预热温度控制在预热至120℃。首先采用超音速火焰喷涂采用Co:63.8％；Cr：28％；W：4％；C：1％；Ni：1.2％；Fe：1.2％；Si：0.8％的耐熔融铝液腐蚀合金材料组成的粘结底层，粘结底层的厚度控制在20μm，喷涂过程中高速火焰温度不得高于700℃。然后等离子喷涂,采用加有8％Y2O3的ZrO2复合陶瓷，涂层厚度控制在120-130μm,整个过程中的喷涂路径控制采用机器人预先编制的路径和金属型模具成型部位型面一致。
检验热喷涂完成的金属型铝活塞模具表面长效涂层应达到以下要求：其特征在于长效涂层和模具表面的结合强度：7051Psi(ASTM C633)，长效涂层的厚度：145μm；长效涂层的孔隙率：合金层为0.75％；陶瓷层为3.5％(ASTM E2109)；长效涂层的粗糙度：Ra10。
实施例3：
将已完成清洗、喷砂操作的WD615E2-3A产品金属型铝活塞重力铸造模具基体保护好非喷涂区域、放置在热喷涂设备的旋转工作台上进行预热，预热温度控制在预热至110℃。首先采用超音速火焰喷涂采用Co:61.25％；Cr：29％；W：4.5％；C：1.25％；Ni：1.5％；Fe：1.5％；Si：1.0％的耐熔融铝液腐蚀合金材料组成的粘结底层，粘结底层的厚度控制在18μm喷涂过程中高速火焰温度不得高于700℃。然后等离子喷涂，采用加有9％Y2O3的ZrO2复合陶瓷，涂层厚度控制在110-120μm，整个过程中的喷涂路径控制采用机器人预先编制的路径和金属型模具成型部位型面一致。
检验热喷涂完成的金属型铝活塞模具表面长效涂层应达到以下要求：其特征在于长效涂层和模具表面的结合强度：为7046i(ASTM C633)，长效涂层的厚度：135μm；长效涂层的孔隙率：合金层为0.85％；陶瓷层0.48％(ASTM E2109)；长效涂层的粗糙度：Ra10。
以上3个实例制备的模具用于实际生产，获得的毛坯均符合Q/BG质139-2012《活塞非加工面毛坯外观标准》的要求
实施例4
以生产WD615E2-3A产品的模具为例分别统计采用传统涂料和喷涂长效涂层的两套模具使用过程数据比较：
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种铝活塞金属型重力铸造模具表面长效涂层，由金属粘结底层和复合陶瓷表层组成，其特征在于，所述粘结底层涂覆在模具之上，所述复合陶瓷表层覆于所述粘结底层上，所述粘结底层为Co合金材料，所述Co合金材料由下列重量百分比的金属材料组成：Cr：28-30％；W：4-5％；C：1-1.5％；Ni：1.2-1.7％；Fe：1.2-1.7％；Si：0.8-1.2％，其余为Co；所述复合陶瓷表层为ZrO2复合陶瓷，所述ZrO2复合陶瓷含有重量百分比为8-10％的Y2O3。
2.权利要求1所述的长效涂层，其特征在于，所述粘结底层的厚度控制在15－20μm。
3.权利要求2所述的长效涂层，其特征在于，所述复合陶瓷表层厚度控制在90-130μm。
4.权利要求1-3任一所述的长效涂层，其特征在于，所述长效涂层和模具表面的结合强度：>7000Psi，所述长效涂层的厚度：100μm～150μm；所述长效涂层的孔隙率：合金层<1％；陶瓷层<5％；所述长效涂层的粗糙度：Ra10。
5.权利要求1-3任一所述的长效涂层，其特征在于，金属型铝活塞模具表面未经氮化处理，模具硬度控制在HRC30-40。
6.权利要求1-3任一所述的长效涂层，其特征在于，采用超音速火焰喷涂HVOF/HVAF+等离子喷涂系统。
7.权利要求1-3任一所述的长效涂层，其特征在于，喷涂后的金属型铝活塞模具涂层可用电解法清除旧涂层，并多次反复喷涂。
8.一种铝活塞金属型重力铸造模具表面长效涂层的制作方法，其特征在于，包括下列步骤：
a)将已完成清洗、喷砂操作的金属型铝活塞重力铸造模具基体放置在热喷涂设备的旋转工作台上进行预热，预热温度控制在100-120℃；
b)使用超音速火焰喷涂方法，在金属型铝活塞重力铸造模具基体上喷涂形成粘结底层，粘结底层选用的材料为Co加有Cr、Al、W、Ni、Fe、Si的耐熔融铝液腐蚀合金；
c)使用采用等离子喷涂方法，在粘结底层上喷涂形成一层复合陶瓷表层，复合陶瓷表层采用ZrO2加有Y2O3复合陶瓷材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，b)步骤中所述喷涂过程中高速火焰温度≤700℃。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，c)步骤中所述复合陶瓷表层度控制在100μm-150μm。
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