CN108380818B - 冷等静压结合真空消失模制备金属基shs耐磨涂层的方法 - Google Patents

冷等静压结合真空消失模制备金属基shs耐磨涂层的方法 Download PDF

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Abstract

一种冷等静压结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法，属于金属基复合材料制备技术领域。本发明采用冷等静压技术制备涂层坯块，将其代替传统手工涂覆涂层，并采用PR溶液替代传统的PVA水溶液，结合真空消失模铸造及自蔓延高温合成技术，实现耐磨涂层与金属铸件材料的同步制备。采用冷等静压技术制备的涂层坯块形状尺寸不受限制，密度均匀一致，同时大幅度提高了其致密度，从而能够减少浇铸时基体金属液的浸入，增加涂层强化相的比例，使涂层硬度、耐磨性大大提高；此外，PR溶液既可作为冷等压制过程中的粘结剂，也是自蔓延过程中的助燃剂。具有操作简单、生产效率高、产品精度高、形状可复杂化、涂层性能更加优异等优点。

Description

冷等静压结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料制备技术领域，涉及一种冷等静压结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法。
背景技术
很多金属及其合金，例如铝及铜合金等，由于其各自优异的特性广泛应用于航空、航天、汽车、机械装备等领域，但因其硬度低、耐磨损性能差等因素，又限制了其应用范围，对于耐高温、抗疲劳及耐高温气流冲刷的需求无法满足。
真空消失模SHS涂层制备是近年来发展起来的一种制备金属基复合材料的方法，将SHS技术和真空消失模铸造工艺相结合。一方面，利用浇铸过程金属液取代沙箱中的泡沫塑料位置实现特定形状铸件的特种铸造手段；另一方面，利用浇铸金属液的热量维持SHS反应的持续进行，在金属基体表面原位生成硬质颗粒强化涂层，具有生产成本低，生产效率高、基体与涂层结合强度高、等优势。其中，TiC具有优异物理化学性能，如高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等特殊性能，是优良的耐磨涂层增强体材料，也是自蔓延形成的典型材料。
目前，主要采用手工涂覆膏状涂层于泡沫塑料上，由于膏状涂层的致密度不高，在金属液浇铸过程中，会有大量的基体金属液浸入涂层，降低了涂层体系的强化相比例，使其硬度和耐磨性受到限制。此外，手工涂覆制成的涂层形貌粗糙且不规整，密度也无法均匀统一，严重影响涂层的整体性能。因此，如何提高涂层强化相的比例，使其密度均匀统一且具有规整形貌，是制备高性能的金属基SHS耐磨涂层的关键之一。
冷等静压技术是将装入密封、弹性模具中的物料，置于盛装液体或气体的容器中，用液体或气体对其施加以一定的压力，将物料压制成实体，得到原始形状的坯体。这是一种在室温环境下进行的等静压成型技术，是重要的粉末冶金成形方法。本发明提出一种冷等静压结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法，采用冷等静压技术制备涂层坯块，将其代替传统手工涂覆涂层；同时采用PR溶剂替代传统的PVA水溶液作为粘结剂，实现高性能的金属基SHS耐磨涂层的制备。采用冷等静压制备涂层坯块，一方面，提升涂层强化相比例从而使其硬度、耐磨性提高；另一方面，能够使涂层密度均匀统一且具有规整形貌，从而能够制备任意复杂形状且具有更高精度的高性能的耐磨铸件。采用PR溶液作用粘结剂，一方面，替代传统的PVA水溶液，有利于实现冷等压坯的成型；另一方面，能够作为助燃剂，汽化产生大量的热量能够维持SHS反应的完成进行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冷等静压结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法。采用冷等静压压坯代替传统的手工涂覆膏状SHS涂层粉末，减少了SHS涂层中基体相的比例，提高了强化相的比例，从而提高涂层的硬度及耐磨性。另外，采用PR溶液作为粘结剂的同时，还是助燃剂。本发明方法操作简单、生产效率高、产品精度高、形状可复杂化、大大提高了涂层的硬度和耐磨性。
一种冷等静压结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法，其具体步骤为：
(1)塑料泡沫制备：按照图纸尺寸要求，在发泡机中制备满足尺寸要求的聚苯乙烯泡沫塑料模具；
(2)冷等静压模具制备：利用硬纸板制成一定形状尺寸的外壳，将硅胶注入，待其固化后得到可用于冷等静压的模具；
(3)涂层体系制备：按照SHS反应Ti+C＝TiC进行配料，遵循反应式计量数配比，按质量分数配比，再加入3％-10％的PR溶液，并进行球磨混料，球料比2：1，混合1-6h，得到混合粉末；
(4)冷等静压：将步骤(3)中混合粉末装入步骤(2)中的模具，压实后进行冷等静压，压力100-180MPa，保压时间15-60s，卸压取出并脱模得到涂层坯块；
(5)涂覆与干燥：将步骤(4)中的涂层坯块粘在步骤(1)中的塑料泡沫表面，在烘箱中40-80℃干燥2-12h；
(6)挂涂料与埋砂：在步骤(5)中干燥后的涂层坯块与塑料泡沫的整体表面涂挂耐火防粘砂涂料，在40-80℃烘干5-24h后埋入砂箱，真空泵抽至真空度0.01-0.08MPa；
(7)合金熔炼与浇铸：在中频感应电炉中熔炼金属液，除渣除气后浇铸，并利用浇铸金属液的高温引发涂层合金粉的SHS反应；
(8)卸真空冷却：铸件冷却一定时间后关闭真空泵，冷却至室温后出箱进行表面清理，得到表面生成耐磨涂层的金属铸件材料。
进一步地，步骤(2)中所述的冷等静压模具利用硅胶制成，厚度为1mm-5mm。
进一步地，步骤(3)所述的PR溶液为聚四氟乙烯(PTFE)和橡胶汽油的混合溶液，质量配比为1:2-1:10。
进一步地，步骤(7)中所述的金属液，可为多种金属及合金，如铁及铁基合金、镍及镍合金、铜及铜合金或铝及铝合金等。
进一步地，步骤(8)中所述耐磨涂层的主要成分为TiC。
进一步地，步骤(8)中所述耐磨涂层的厚度为1-10mm。
本发明的优点：
(1)利用冷等静压技术制备的涂层坯块，形状尺寸不受限制，利于制备形状复杂的涂层，且涂层形貌更加规整；
(2)浇铸反应后的涂层由于其原始压坯密度高，会减少基体金属液浸入，从而增加强化相的比例，使硬度、耐磨性大大提高；
(3)在冷等静压中粉料各方向受力均等，压坯密度均匀一致，能够有效保证浇铸后涂层性能的均匀一致性；
(4)涂层加入PR溶液作为冷等静压过程中的粘结剂以及自蔓延过程中的助燃剂，能够同时保证两个步骤的顺利进行；
(5)操作简单、生产效率高、产品精度高、形状可复杂化、涂层的硬度和耐磨性大幅度提高，有利于实现工业化生产。
具体实施方式
实施案例1：
(1)按照图纸尺寸要求，在发泡机中制备满足尺寸要求的聚苯乙烯泡沫塑料模具；
(2)利用硬纸板制成一定形状尺寸的外壳，将硅胶注入，待其固化后得到可用于冷等静压的模具；
(3)按照SHS反应Ti+C＝TiC进行配料，遵循反应式计量数配比，再加入6wt.％的PR溶液(质量比PTFE：橡胶汽油＝1：3)，并进行球磨混料，球料比2：1，混合2h，得到混合粉末；
(4)将步骤(3)中混合粉末装入步骤(2)中的模具，压实后进行冷等静压，压力160MPa，保压时间60s，卸压取出并脱模得到涂层坯块；
(5)将步骤(4)中的涂层坯块粘在步骤(1)中的塑料泡沫表面，在烘箱中55℃干燥6h；
(6)在步骤(5)中干燥后的涂层坯块与塑料泡沫的整体表面涂挂耐火防粘砂涂料，在60℃烘干15h后埋入砂箱，真空泵抽至真空度0.05MPa；
(7)在中频感应电炉中按牌号熔炼ZL107，除渣除气后浇铸，并利用浇铸金属液的高温引发涂层合金粉的SHS反应：Ti+C＝TiC，形成陶瓷硬质相TiC；
(8)铸件冷却一定时间后关闭真空泵，冷却至室温后出箱进行表面清理，得到表面生成TiC耐磨涂层的ZL107铸件材料，涂层形貌规整，涂层与基体冶金结合强度高。
实施案例2：
(1)按照图纸尺寸要求，在发泡机中制备满足尺寸要求的聚苯乙烯泡沫塑料模具；
(2)利用硬纸板制成一定形状尺寸的外壳，将硅胶注入，待其固化后得到可用于冷等静压的模具；
(3)按照SHS反应Ti+C＝TiC进行配料，遵循反应式计量数配比，再加入10wt.％的PR溶液(质量比PTFE：橡胶汽油＝1：5)，并进行球磨混料，球料比2：1，混合2h，得到混合粉末；
(4)将步骤(3)中混合粉末装入步骤(2)中的模具，压实后进行冷等静压，压力120MPa，保压时间40s，卸压取出并脱模得到涂层坯块；
(5)将步骤(4)中的涂层坯块粘在步骤(1)中的塑料泡沫表面，在烘箱中45℃干燥10h；
(6)在步骤(5)中干燥后的涂层坯块与塑料泡沫的整体表面涂挂耐火防粘砂涂料，在45℃烘干20h后埋入砂箱，真空泵抽至真空度0.02MPa；
(7)在中频感应电炉中熔炼纯铜，除渣除气后浇铸，并利用浇铸金属液的高温引发涂层合金粉的SHS反应：Ti+C＝TiC，形成陶瓷硬质相TiC；
(8)铸件冷却一定时间后关闭真空泵，冷却至室温后出箱进行表面清理，得到表面生成TiC耐磨涂层的纯铜铸件材料，涂层形貌规整，涂层与基体冶金结合强度高。

Claims (3)

1.一种冷等静压结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法，其特征在于：将冷等静压与真空消失模铸造、自蔓延高温合成(SHS)技术相结合，实现耐磨涂层与金属铸件材料的同步制备，具体步骤如下：
(1)塑料泡沫制备：按照图纸尺寸要求，在发泡机中制备满足尺寸要求的聚苯乙烯泡沫塑料模具；
(2)冷等静压模具制备：利用硬纸板制成一定形状尺寸的外壳，将硅胶注入，待其固化后得到可用于冷等静压的模具；
(3)涂层体系制备：按照SHS反应Ti+C＝TiC进行配料，遵循反应式计量数配比，按质量分数配比，再加入3％-10％的PR溶液，并进行球磨混料，球料比2：1，混合1-6h，得到混合粉末；
(4)冷等静压：将步骤(3)中混合粉末装入步骤(2)中的模具，压实后进行冷等静压，压力100-180MPa，保压时间15-60s，卸压取出并脱模得到涂层坯块；
(5)涂覆与干燥：将步骤(4)中的涂层坯块粘在步骤(1)中的塑料泡沫表面，在烘箱中40-80℃干燥2-12h；
(6)挂涂料与埋砂：在步骤(5)中干燥后的涂层坯块与塑料泡沫的整体表面涂挂耐火防粘砂涂料，在40-80℃烘干5-24h后埋入砂箱，真空泵抽至真空度0.01-0.08MPa；
(7)合金熔炼与浇铸：在中频感应电炉中熔炼金属液，除渣除气后浇铸，并利用浇铸金属液的高温引发涂层合金粉的SHS反应；
(8)卸真空冷却：铸件冷却一定时间后关闭真空泵，冷却至室温后出箱进行表面清理，得到表面生成耐磨涂层的金属铸件材料；
步骤(2)中所述的冷等静压模具利用硅胶制成，厚度为1mm-5mm；
步骤(3)所述的PR溶液为聚四氟乙烯(PTFE)和橡胶汽油的混合溶液，质量配比为1:2-1:10；
步骤(8)中所述耐磨涂层的主要成分为TiC。
2.按照权利要求1所述一种冷等静压结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法，其特征在于：步骤(7)中所述的金属液，为多种金属及合金，包括铁及铁基合金、镍及镍合金、铜及铜合金或铝及铝合金。
3.按照权利要求1所述一种冷等静压结合真空消失模制备金属基SHS耐磨涂层的方法，其特征在于：步骤(8)中所述耐磨涂层的厚度为1-10mm。
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