CN107208269A - 制造金属部件的方法、金属部件和涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造铝比例至少为50原子％的金属部件的方法。该方法包括以下步骤：i)使用碱性蚀刻剂E6蚀刻金属部件，和ii)将含镍层(19)化学沉积到蚀刻的金属表面上。

Description

制造金属部件的方法、金属部件和涡轮增压器

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的制造金属部件的方法。本发明进一步涉及一种金属部件和包括这种金属部件的涡轮增压器。

背景技术

在汽车工业中，化学沉积(即镍-磷涂层的无电沉积)通常用作防腐蚀的保护或防止金属部件(例如活塞、球接头、燃料管线等)的磨损的保护。镍磷保护涂层的化学沉积能够均匀地形成层；然而，它需要没有缺陷的表面。否则，会发生涂层对材料的粘附性的不足，形成不均匀的涂层厚度，并且损害涂层的外观。

发明内容

因此，本发明的目的是指定一种制造铝金属部件的方法，这可以在没有高技术成本的情况下实现，并能够形成具有良好粘附性和高轮廓保真度的均匀且均质的镍表面层。本发明的另一个目的是提供一种铝金属部件和一种包括这种金属部件的涡轮增压器，其特征在于具有良好粘附性的均匀形成的镍保护层。

这些问题的解决方案通过权利要求1、11和16的特征来实现。

根据本发明，要求一种用于制造铝比例大于50原子％的金属部件的方法，该金属部件免受腐蚀和环境以及操作条件影响。金属部件特别是用于涡轮增压器的压缩机叶轮。因此，本发明的实质是为工件提供的化学预处理，即使用碱性蚀刻剂E6蚀刻金属部件。蚀刻剂E6例如在DE 4231879C2中描述为氢氧化钠溶液(30-70，优选约60g/l)，其中具有任选的添加剂，例如分散剂和悬浮剂，但也可以使用硝酸和氢氟酸。使用碱性蚀刻剂E6进行的蚀刻导致具有高精加工质量的一致的表面，特别是通过使用该蚀刻剂在金属部件的表面上产生特定的蚀刻点蚀。应当理解，蚀刻点蚀形成，分布在金属部件的整个表面上，即作为稍后进行化学应用的含镍涂层的粘合剂基底的凹陷。通过从金属部件表面选择性溶解原铝，碱性蚀刻剂产生纳米蚀刻点蚀，即深度为0.1至1.5nm的凹陷，以及微蚀刻点蚀，即深度为4至12μm的凹陷。通过这种方式，产生增加的粘合表面而不会影响金属部件的视觉外观或功能。特别地，在将含镍涂层化学沉积在蚀刻的金属部件表面上时，因为纳米蚀刻点蚀的产生，所以除了相应材料的原子连接外，在金属部件表面与含镍涂层之间发生机械互锁或机械形连接。蚀刻点蚀和涂层彼此接合，其中涂层用作一种稳定金属组分含镍保护层的化合物并因此产生永久保护效果的束缚层。含镍层的蚀刻和沉积可以使用标准工艺进行，而不需要高技术费用以及低时间要求，使得具有高耐化学性、高机械强度和非常好的防腐蚀性的金属部件可以通过根据本发明的方法制造。

这些从属权利要求将优选的改进和本发明的实施例作为其主题。

根据本发明方法的优选实施例，蚀刻在蚀刻浴中进行。因此，金属部件可以在所有表面区域均匀地预处理，并在短的反应时间内提供蚀刻点蚀。

因此蚀刻的反应时间可以通过调节蚀刻浴而被特别地减少。蚀刻浴的温度优选地在50与80℃之间，特别是在55与65℃之间。

实现高比例的纳米蚀刻点蚀，这特别有利于后期施加的涂层对金属部件表面的良好粘附性，特别是将金属不见保持在蚀刻浴中的浸渍时间在20与40秒之间，特别是约30秒。基本上较长的浸渍时间增加微蚀刻点蚀的比例，因此是不太优选的。因此，浸渍时间是用于浸渍的时间，以及因此将金属部件引入蚀刻浴中。

对于上述原因，金属部件在蚀刻浴中的停留时间为60至110秒，特别是，85至95秒是优选的。因此，在本发明的上下文中的停留时间被理解为金属部件保留在蚀刻浴中的时间。

停留时间之后是浸出时间，其有利地特别是在20与40秒之间，特别是约30秒。浸出时间包括从金属部件开始从蚀刻浴浸出到金属部件从蚀刻浴完全浸出的时间帧。

微蚀刻点蚀与纳米蚀刻点蚀的形成比例可能特别受到停留时间和浸出时间的适当变化的影响。特别是停留时间在这里起了很大的作用。

实现金属部件表面的特别均匀的蚀刻，其中金属部件在蚀刻浴中沿径向延伸的环形路径移动。因此，如果移动方向是可逆的，则是额外有利的。这些方法步骤尤其在制造用于涡轮增压器的压缩机叶轮中证明它们自己。通过在两个方向上的旋转运动，特别均匀地形成蚀刻以及因此随后的涂层，使得压缩机叶轮不再需要重新平衡。因此，通过进行重新平衡，在不需要对压缩机叶轮进行额外的后处理下，因此提高了涡轮增压器的声学特性。

金属部件在蚀刻浴中的旋转速度有利地为10-15rpm。因此，在部件处促进蚀刻组合物的特别均匀的流动，并且另外从金属部件去除的表面件的良好溶解和去除。此外，通过金属部件在蚀刻浴中的动态运动，可以特别好地防止形成锌酸盐障壁或氧障壁。

通过使用包含镍离子、大于10.3重量％以及特别是大于10.5重量％的磷和大于0.3重量％的锑的涂层组合物，其中百分比值在每种情况下是相对于涂层组合物的总重量，达到高度稳定的涂层。通过这种方式，一方面实现了1.1至2％的高微伸长率，特别是通过高磷比例，其实现了涂层对金属部件表面的极好粘附性，即使在高离心力的作用下，例如在压缩机叶轮的操作期间发生。微伸长率因此由Erichsen杯突测定。另一方面，表面上的锌酸盐分布被涂层组合物溶解。所设置的电荷交换因此导致用镍晶种接种经处理的金属部件表面，随后引入自动催化，从而保持涂层反应的进展。

优选地，涂层组合物中锑相对于涂层组合物的总重量的最大比例为0.5重量％。

特别地，在压轮的制造中，通过使用先前提及的涂层组合物与通过使用碱性蚀刻剂E6产生纳米蚀刻点蚀的组合产生了另外的优点：压缩机叶轮的固有频率增加了2％。通过这种方式，在高转速范围内可以接近出人意料高的功率储备。

可以进一步改善金属部件的表面质量，其中在含镍涂层的化学沉积前，用含有硝石酸的溶液预处理金属部件。

金属部件有利地由铝合金，特别是耐热铝合金形成。除铝外，其它合金组分可以特别选自：硅(Si)、铁(Fe)、铜(Cu)、锰(Mn)、镁(Mg)、镍(Ni)、锌(Zn)和钛(Ti)，以及其混合物。先前列出的合金组分相对于总合金的含量在每种情况下有利地小于3重量％。金属部件优选地由材料AlCuMgNi或AlCu₂MgNi形成。因此，先前公开的方法特别适用于制造AlCuMgNi部件和AlCu₂MgNi部件。特别地，这要追溯到碱性蚀刻剂E6非常有选择地蚀刻的事实。在AlCuMgNi或AlCu₂MgNi的情况下，这意味着只有原铝、Fe-Cu-Ni沉淀相和MgSi₂沉淀相溶解。这导致了特别高比例的纳米蚀刻点蚀，从而导致随后沉积的含镍涂层在蚀刻金属部件的蚀刻点蚀中的特别好的机械互锁。因此，甚至复杂的部件也可以被高度精确地涂覆。因此，包含在工件中的铜额外地支持纳米蚀刻点蚀的形成，因为其在蚀刻期间保留在金属部件的表面处，并且通过占据表面位置来降低蚀刻强度。可以在涂覆前除去铜，例如通过用盐酸溶液处理。

根据本发明的用于金属部件的特别优选的材料具有以下组成：0.1-0.3重量％的Si、0.7-1.7重量％的Fe、1.6-2.9重量％的Cu、0-0.25重量％的Mn、1.1-1.9重量％的Mg、0.7-1.5重量％的Ni、0-0.15重量％的Zn、0-0.25重量％的Ti和Al，其中Al用于平衡。由上述材料制成的金属部件的特征在于非常好的机械特性。

同样根据本发明，还描述了铝比例为至少50原子％的金属部件，其特别地被设计成用于涡轮增压器的压缩机叶轮。金属部件具有良好的粘附性的含镍涂层，其含有大于10.3重量％的镍，特别是大于10.5重量％的磷和超过0.3重量％的锑。在每种情况下，数量的指示是指涂层的总重量。金属部件可以特别地根据先前公开的方法制造，并且其特征在于具有高表面质量，以及含镍涂层在金属部件表面中具有优异的机械固定，即使在金属部件的操作条件或应用条件下也能承受高机械和强化学载荷。

根据本发明的方法的先前列出的优点，有益效果和改进也适用于根据本发明的金属部件。

鉴于高表面质量，涂层有利地在约20μm厚度的层厚度上具有最大±1.5μm的层厚度公差。这特别有助于压缩机叶轮的降噪。

实现了涂层对金属部件表面的特别良好的粘附性，因为金属涂层的表面具有深度为0.1至1.5μm的第一凹陷。这些凹陷可以通过用碱性蚀刻剂E6蚀刻产生，并且也被称为纳米蚀刻点蚀。

第一凹陷有助于表面增加，其用作涂层的粘合剂基底，使得可以获得含镍层在金属部件表面上的特别好的机械固定。

进一步有利地，金属部件的表面可以具有深度为4至12μm的第二凹陷(微蚀刻点蚀)。

对于金属部件的永久性和机械应力高的涂层，即使在高离心力的影响下，相对于第一凹陷和第二凹陷的总体积，第一凹陷与第二凹陷的体积比为15:1至20:1。

此外，涡轮增压器被描述为独立处理的主题，其包括如前所述的金属部件，特别是设计成压缩机叶轮的金属部件。

根据本发明的方法列出的优点、有益效果和改进也可用于根据本发明的金属部件和根据本发明的涡轮增压器。

附图说明

本发明的其它细节、优点和特征来自随后通过附图对实施例的描述。

图1显示了根据本发明的实施例的涡轮增压器的局部剖视图，

图2显示了根据本发明的实施例的金属部件的截面的微观剖视图，以及

图3显示了说明来自图2的根据本发明的金属部件的机械强度的图。

具体实施方式

图1显示了根据本发明的实施例的排气涡轮增压器的部分切割横截面的透视图。在图1中显示了涡轮增压器1，其具有涡轮壳体2和经由轴承壳体28连接到其上的压缩机壳体3。壳体2、3和28沿旋转轴线R布置。涡轮机壳体被显示为部分切割的横截面，以便阐明叶片轴承环6和由其径向向外形成的导向挡板18的布置，并且叶片轴承环6具有分布在圆周上的多个导叶7，并且导叶具有枢轴8。通过这种方式，形成喷嘴横截面，其根据导叶7的位置而变大或更小并撞击安装在旋转轴线R的中心的涡轮机轮4，更多或更少的发动机废气通过供应通道9供应并通过中心喷嘴10排出，以便将位于涡轮机叶轮4上方的压缩机叶轮17在同一轴上驱动。

为了控制导叶7的移动或位置，设置有致动单元11。这可以以任何方式设计，例如以控制壳体12的形式，控制壳体12控制固定到其上的挺杆零件14的控制运动，以便将挺杆零件在安装在叶片轴承环6后面的调节环或保持环5上的运动转换成调节环或保持环的轻微旋转运动。在叶片轴承环6与涡轮机壳体2的环形零件15之间形成导叶7的间隙13。为了能够确保该间隙13，叶片轴承环6具有间隔件16。

压缩机叶轮17是本发明上下文中的金属部件，由含有至少50原子％的铝的金属材料形成。压缩机叶轮17具有含镍涂层19。含镍涂层19在每种情况下都含有相对于涂层19的总重量的镍、大于10.3重量％的磷和大于0.3重量％的锑。在压缩机叶轮17的表面形成凹陷，所谓的蚀刻点蚀，其通过在施加含镍涂层19前对压缩机叶轮17进行相应的化学预处理而获得，以优化含镍涂层19的粘附。

图2详细显示了根据本发明的实施例的金属部件的截面的微观截面图，更确切地说是压缩机叶轮17的截面。为此，将一片压缩机叶轮17嵌入到嵌入装置21中，并通过扫描电子显微镜(SEM)以500X放大率进行检查(显微切片检查)。因此，附图标记20表示金属材料，因此表示包含至少50原子％的铝的材料。该材料特别是耐热AlCuMgNi或AlCu₂MgNi材料。

为了制造压缩机叶轮17，使用碱性蚀刻剂E6蚀刻由AlCu₂MgNi材料制造的压缩机叶轮，并且随后将含镍层19化学沉积在压缩机叶轮17的表面上。在蚀刻过程期间，压缩机叶轮17在径向延伸的圆形路径中移动并沿其移动方向周期性地反转。

由于用选择性有效的蚀刻剂E6进行蚀刻，在AlCu₂MgNi材料的表面上形成蚀刻点蚀。这些是通过溶解原铝和Fe-Cu-Ni沉淀相和MgSi₂沉淀相形成的凹陷。凹陷中的那些是深度为0.1至1.5微米的那些凹陷、所谓的纳米蚀刻点蚀22、以及深度为4至12微米的那些凹陷，即所谓的微蚀刻点蚀。因此，纳米蚀刻点蚀22的比例对于涂层19对金属部件20的表面的良好粘附性是起决定性的。

图2显示了纳米蚀刻点蚀22在整个金属材料表面上形成。含镍涂层19已经凹陷到这些凹陷中。由于纳米蚀刻点蚀22具有非常小的最大深度，即最大1.5μm，所以压缩机叶轮17与压缩轮17周围接触的表面23不会被涂层19沉入而变形。因此，压缩机叶轮17的表面质量很高。

含镍涂层19在每种情况下都包含相对于涂层19的总重量的镍、大于10.3重量％的磷和大于0.3重量％的锑(最大0.5重量％的Sb)。涂层19产生一种束缚效果并且非常好地粘附到金属部件20上。层厚度为23至28μm，层厚度公差为±1.5μm。

检查压缩机叶轮17的机械强度。

因此，显示了，与传统的压缩机叶轮相比，压缩机叶轮17的固有频率增加了2％。这追溯到含镍涂层19的束缚效应，以及镍纳米涂层19在纳米蚀刻点蚀22中的非常好的互锁。因为较高的固有频率，所以在上转速范围内可以接近意外高的功率储备。

因为进行碱性蚀刻剂E6进行蚀刻，其在蚀刻浴中在55至65℃的温度下进行，浸渍时间约30秒，停留时间约85至95秒，浸出时间约30秒，获得均匀的蚀刻点蚀分布，这引起在整个表面上的宏观上的仅仅边际变化，使得在涂覆后，可以省略压缩机叶轮17的再平衡。通过这种方式，不仅可以降低成本，而且可以防止在再平衡期间由铣削产生的涂层的缺陷。通过这种方式，获得了永久稳定的含镍涂层19，即使在更长时间使用压缩机叶轮17后也具有非常好的耐腐蚀性。

根据本发明制造的压缩机叶轮17的有利特征在所谓的旋转试验中表现得特别令人印象深刻。旋转试验的结果以图3的形式呈现。

在旋转试验中，其微观结构在图2中示出的压缩机叶轮通过驱动和压缩机叶轮接收器在试验框架中从20,000rpm(每分钟转数)加速至250,000rpm。这对应于一个周期。检查了10个相应制造的压缩机叶轮，并将生命周期结果总结在图3中作为结果A。根据本发明的压缩机叶轮17的生命周期在27,000和30,000个周期之间，因此平均约28,500个周期。对于没有根据本发明施加的涂层的常规压缩机叶轮，例如使用电镀镍层，生命周期在11,000与18,000个周期之间，因此平均约14,250个周期(参见图3中的结果B)。因此，使用根据本发明的涂层，压缩机叶轮17的寿命周期明显增加将近100％。

以下验证测试同样有好的结果：

户外风化试验

气候变化试验

在平均旋转速度下用尘粒进行轰击试验

划痕测试

弯曲强度试验，用于确定粘附性并确认涂层粘附的稳定性

压缩机叶轮17的硬度在550HV与650HV之间。

除了本发明的书面描述外，文中明确引用文献以说明图1至图3中的本发明的描述作为其补充公开内容。

附图标记列表

1 涡轮增压器

2 涡轮机外壳

3 压缩机外壳

4 涡轮机叶轮

5 调节环或保持环

6 叶片轴承环

7 导叶

8 枢转轴

9 供应通道

10 轴向喷嘴

11 致动单元

12 控制外壳

13 导叶7的间隙

14 挺杆零件

15 涡轮机外壳2的环形零件

16 间距/间隔凸轮

17 压缩机叶轮

18 导向挡板

19 含镍涂层

20 金属部件

21 嵌入装置

22 纳米蚀刻点蚀

23 含镍涂层的表面

28 轴承外壳

R 旋转轴线

Claims (16)

1.一种制造铝比例为至少50原子％的金属部件，特别是用于涡轮增压器(1)的压缩机叶轮(17)的方法，其包括以下步骤：

使用碱性蚀刻剂E6蚀刻所述金属部件，以及

将含镍层(19)化学沉积到所述蚀刻的金属表面上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蚀刻在蚀刻浴中进行。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述蚀刻浴的温度在50与80℃之间，特别是在55与65℃之间。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述金属部件进入所述蚀刻浴中的浸渍时间为20至40秒，特别是约30秒。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属部件在所述蚀刻浴中的停留时间为60至110秒，特别是85至95秒。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属部件在所述蚀刻浴中以径向延伸的圆形路径移动。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述金属部件在所述蚀刻浴中的转速为10-15rpm。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将涂层组合物用于所述化学沉积，其包含在每种情况下相对于所述涂层组合物的总重量的镍离子，大于10.3重量％、特别是大于10.5重量％的磷和大于0.3重量％的锑。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属部件在所述含镍层的所述化学沉积前用硝石酸溶液处理。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属部件由AlCuMgNi或AlCu₂MgNi形成。

11.一种包含至少50原子％的铝比例的金属部件，特别是用于涡轮增压器(1)的压缩机叶轮(17)，具有含镍涂层(19)，其中所述涂层含有在每种情况下相对于所述涂层组合物的总重量的镍，大于10.3重量％、特别是大于10.5重量％的磷，以及大于0.3重量％的锑。

12.根据权利要求11所述的金属部件，其特征在于，所述涂层(19)在所述涂层(19)的层厚度为约20μm的情况下具有最大±1.5μm的层厚度公差。

13.根据权利要求11或12所述的金属部件，其中所述涂层(19)连接到所述金属部件的表面，并且所述金属部件的表面具有深度为0.1至1.5μm的第一凹陷。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的金属部件，其中所述金属部件的表面具有深度为4至12μm的第二凹陷。

15.根据权利要求14所述的金属部件，其特征在于，相对于第一凹陷和第二凹陷的总体积，所述第一凹陷与所述第二凹陷的体积比为15:1至20:1。

16.一种涡轮增压器，其包括根据权利要求11至15中任一项所述的金属部件，特别是压缩机叶轮。