CN110125368A - 一种在金属铸件表面制备低成本耐磨涂层的工艺方法 - Google Patents

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郭志猛
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隋延力
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陆天行
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Abstract

一种在金属铸件表面制备低成本耐磨涂层的工艺方法，属于金属基复合材料制备技术领域。本发明采用真空消失模铸造结合自蔓延高温合成技术，以低成本的H3BO3、TiO2、Al为原料粉末，并添加适量的助燃粉末，通过真空浇铸金属液实现消失模铸造并利用浇铸液的温度引燃H3BO3‑TiO2‑Al体系的自蔓延反应，在基体表面原位生成Al2O3+TiB2耐磨涂层。同时，采用3D打印结合冷等静压技术，进一步调控基体的杂质残留，并保证耐磨涂层中高含量的硬质相，大幅度提高了基体和涂层的性能。具有操作简单、生产成本低、生产效率高、产品精度高、形状可复杂化、无污染与夹杂、基体与涂层性能优异等优点。

Description

一种在金属铸件表面制备低成本耐磨涂层的工艺方法
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。
真空消失模自蔓延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，将自蔓延(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。常用的耐磨涂层包括TiC、TiB2、Al2O3、WC等。一般采用Ti粉为原料，制备TiC和TiB2的自蔓延涂层，但Ti粉价格高，为此本发明提出采用廉价的TiO2粉替代传统的Ti粉以制备SHS耐磨涂层。当以TiO2为原料时，目前常用的SHS体系并不适用于TiO2，存在不易点燃其SHS反应的问题，选择合适的化合物与TiO2构成SHS体系是实现低成本制备Ti基SHS耐磨涂层的难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在金属铸件表面制备低成本耐磨涂层的工艺方法。采用3D打印的空心模具作为真空消失模的铸造模具，并以冷等静压压坯代替传统的手工涂覆膏状坯体。涂层采用低成本的H3BO3-TiO2-Al粉末体系，反应合成后能够生成性能优异的耐磨涂层。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、且强化相原位生成，避免了污染与夹杂，保证金属基体与强化涂层的力学与物理性能。
一种在金属铸件表面制备低成本耐磨涂层的工艺方法，其具体步骤为：
(1)3D打印空心模具：按照图纸尺寸要求，利用3D打印机打印出符合形状要求的聚乳酸(PLA)的空心模具；
(2)冷等静压模具制备：采用3D打印机打印出各种复杂形状的塑料模具，再在塑料模具表面包覆一层硅胶，硅胶厚度为6～15mm，待其固化后得到可用于冷等静压成形的包套；
(3)涂层合金粉制备：按SHS反应6H3BO3+3TiO2+16Al＝8Al2O3+3TiB2+9H2(g)进行配料，遵循反应式计量数配比，并加入总质量百分数0-15％的助燃粉末，然后将复合粉末采用V型混料机进行混料，混合12-24h，得到混合粉末；
(4)冷等静压坯块：将步骤(3)中混合粉末装入步骤(2)中的包套中，压实后进行冷等静压，压力200-500MPa，保压时间60-180s，卸压取出并脱模，得到涂层坯块；
(5)粘结与干燥：将步骤(4)中的涂层坯块粘在步骤(1)中的空心模具表面，在烘箱中40-80℃干燥3-6h；
(6)挂涂料与埋砂：在步骤(5)中干燥后的涂层坯块与空心模具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，真空泵抽真空，直至真空度达到10-2MPa；
(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，高温的浇铸金属液将砂箱内空心模具烧尽，实现真空消失模铸造，并利用浇注金属液的高温引发涂层粉末的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，得到表面原位生成耐磨涂层的金属铸件材料。。
进一步地，步骤(1)和步骤(2)中所述的模具均采用3D打印技术打印，不受形状限制，根据实际生产需求，可以是任意复杂形状。
进一步地，步骤(3)所述的助燃粉末为Al和CuO的混合粉末，质量配比为9:40。
进一步地，步骤(4)中所述的涂层坯块的相对密度为75％～90％。
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)中所述耐磨涂层的硬质相为Al2O3+TiB2。
进一步地，步骤(8)中所述耐磨涂层的厚度为1-10mm。
本发明提出采用H3BO3、TiO2、Al为原料，通过浇注金属液实现真空消失模铸造并引燃H3BO3-TiO2-Al体系的SHS反应，在基体表面制备Al2O3+TiB2耐磨涂层，其中，H3BO3、TiO2、Al均为低成本原料，且Al2O3、TiB2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。在此基础上，并提出采用冷等静压结合3D打印技术实现Al2O3+TiB2原位涂层的制备，首先通过冷等静压预制高致密度的涂层坯体，一方面减少浇铸过程中基体进入到涂层中的含量，避免因基体太多造成涂层强度、耐磨性下降的问题；同时，避免浇铸液冲散涂层坯体，造成涂层硬质相分布不均匀的问题。同时，采用3D打印技术制备空心模具替代传统的泡沫塑料实心模具，大幅度减少了浇铸过程中的热量损耗，并避免泡沫塑料分解造成的基体残碳问题。因此，本发明专利突破了原有技术桎梏，制备了金属表面性能优异的耐磨涂层。
本发明的优点：
(1)利用3D打印和冷等静压技术，模具和涂层坯体的形状尺寸不受限制，热热损小、残碳少、涂层强化相比例多，能够得到性能更加优异的耐磨涂层；
(2)采用低成本且易获得的原料粉末为涂层粉末，大幅度降低工艺生产成本、且涂层的强化相具有优异的耐磨性和强度；
(3)通过调控助燃粉末的质量分数，在低熔点的金属基体表面也能原位制备耐磨涂层；
(4)操作简单、生产效率高、产品精度高、形状可复杂化、避免了污染与夹杂，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，利用3D打印技术，打印出符合形状要求的聚乳酸的空心模具；
(2)采用3D打印机打印出所需形状的塑料模具，再在模具表面包覆一层7mm厚的硅胶，待其固化后得到可用于冷等静压的模具；
(3)按照SHS反应6H3BO3+3TiO2+16Al＝8Al2O3+3TiB2+9H2(g)进行配料，遵循反应式计量数配比，再加入15wt.％的自配助燃粉末，在V型混料机中混料12h；
(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250MPa，保压时间90s，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)中的空心模具表面，在烘箱中60℃干燥4h；
(6)在步骤(5)中干燥后的涂层坯块与空心模具的整体表面涂挂耐火防粘砂涂料，在50℃烘干15h后埋入砂箱，真空泵抽至真空度10-2MPa；
(7)在中频感应电炉中按牌号熔炼ZL203铝合金，除渣除气后进行浇铸，熔融的铝液将砂箱内的空心模具烧尽，实现真空消失模铸造，并利用浇注金属液的高温引发涂层合金粉的SHS反应，在基体表面获得硬质相为Al2O3-TiB2的耐磨涂层；
(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Al2O3+TiB2耐磨涂层的ZL203铸件材料，基体表面光洁规整，涂层与基体冶金结合，涂层厚度3.3mm。
实施案例2：
(1)按照图纸尺寸要求，利用3D打印技术，打印出符合形状要求的聚乳酸的空心模具；
(2)采用3D打印机打印出所需形状的塑料模具，再在模具表面包覆一层12mm厚的硅胶，待其固化后得到可用于冷等静压的模具；
(3)按照SHS反应6H3BO3+3TiO2+16Al＝8Al2O3+3TiB2+9H2(g)进行配料，遵循反应式计量数配比，在V型混料机中混料20h；
(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400MPa，保压时间70s，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)中的空心模具表面，在烘箱中65℃干燥5h；
(6)在步骤(5)中干燥后的涂层坯块与空心模具的整体表面涂挂耐火防粘砂涂料，在60℃烘干18h后埋入砂箱，真空泵抽至真空度10-2MPa；
(7)在中频感应电炉中按牌号熔炼ZG230-450钢，除渣除气后进行浇铸，熔融的钢液将砂箱内空心模具烧尽，实现真空消失模铸造，并利用浇注金属液的高温引发涂层合金粉的SHS反应，在基体表面获得硬质相为Al2O3-TiB2的耐磨涂层；
(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Al2O3+TiB2耐磨涂层的ZG230-450钢铸件，基体表面光洁规整，涂层与基体冶金结合，涂层厚度5.2mm。

Claims (7)

1.一种在金属铸件表面制备低成本耐磨涂层的工艺方法，其特征在于：利用3D打印与冷等静压的工艺，将真空消失模铸造、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)3D打印空心模具：按照图纸尺寸要求，利用3D打印机打印出符合形状要求的聚乳酸(PLA)的空心模具；
(2)冷等静压模具制备：采用3D打印机打印出各种复杂形状的塑料模具，再在塑料模具表面包覆一层硅胶，硅胶厚度为6～15mm，待其固化后得到可用于冷等静压成形的包套；
(3)涂层合金粉制备：按SHS反应6H3BO3+3TiO2+16Al＝8Al2O3+3TiB2+9H2(g)进行配料，遵循反应式计量数配比，并加入总质量百分数0-15％的助燃粉末，然后将复合粉末采用V型混料机进行混料，混合12-24h，得到混合粉末；
(4)冷等静压坯块：将步骤(3)中混合粉末装入步骤(2)中的包套中，压实后进行冷等静压，压力200-500MPa，保压时间60-180s，卸压取出并脱模，得到涂层坯块；
(5)粘结与干燥：将步骤(4)中的涂层坯块粘在步骤(1)中的空心模具表面，在烘箱中40-80℃干燥3-6h；
(6)挂涂料与埋砂：在步骤(5)中干燥后的涂层坯块与空心模具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，真空泵抽真空，直至真空度达到10-2MPa；
(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，高温的浇铸金属液将砂箱内空心模具烧尽，实现真空消失模铸造，并利用浇注金属液的高温引发涂层粉末的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，得到表面原位生成耐磨涂层的金属铸件材料。
2.按照权利要求1所述一种在金属铸件表面制备低成本耐磨涂层的工艺方法，其特征在于：步骤(1)和步骤(2)中所述的模具均采用3D打印技术打印，不受形状限制，根据实际生产需求，可以是任意复杂形状。
3.按照权利要求1所述一种在金属铸件表面制备低成本耐磨涂层的工艺方法，其特征在于：步骤(3)所述的助燃粉末为Al和CuO的混合粉末，质量配比为9:40。
4.按照权利要求1所述一种在金属铸件表面制备低成本耐磨涂层的工艺方法，其特征在于：步骤(4)中所述的涂层坯块的相对密度为75％～90％。
5.按照权利要求1所述一种在金属铸件表面制备低成本耐磨涂层的工艺方法，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。
6.按照权利要求1所述一种在金属铸件表面制备低成本耐磨涂层的工艺方法，其特征在于：步骤(8)中所述耐磨涂层的硬质相为Al2O3+TiB2。
7.按照权利要求1所述一种在金属铸件表面制备低成本耐磨涂层的工艺方法，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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