CN112355283A - 一种铝-钢双金属液固复合铸造用界面活性涂料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝‑钢双金属液固复合铸造用界面活性涂料，是由以下质量百分含量的组分制备得到：氯化钠5～7%，氟化钠3～5%，硼酸10～15%，铝粉5～8%，乙二醇65～77%。以所述界面活性涂料均匀喷涂在钢基体表面，加热至110～120℃烘干使乙二醇挥发，并重复喷涂和烘干过程，直至涂料厚度不小于1mm后，进行铝‑钢双金属的液固复合铸造，可以较好地防止钢基体表面氧化，提高钢基体的表面活性，改善钢基体表面的润湿性，以促进铝‑钢双金属扩散，产生金属间化合物形成冶金结合。

Description

一种铝-钢双金属液固复合铸造用界面活性涂料
技术领域
本发明属于铝-钢双金属液固复合铸造技术领域，涉及一种用于提高复合铸造用钢基体表面活性的涂料。
背景技术
铝-钢双金属复合材料同时兼容了铝合金密度低、导热性高、耐腐蚀性高，以及钢的高强度、高刚度和耐磨性等特点，综合性能优异，在汽车轻量化发展、机械、化工、电力等领域都有着广泛的应用与研究。
由于铝和钢这两种金属的熔点存在显著差距，因此现有技术基本是以固-固、液-固复合技术来制备铝-钢双金属复合材料。
固-固复合技术虽然能够实现双金属的复合，但在多数条件下工艺要求比较苛刻，需要两种金属的界面平整、光滑，难以实现两种结构较复杂金属材料的高强度结合。液-固复合技术属于铸造复合技术，能有效解决两种金属界面不够光滑平整的结合问题。液-固复合技术不仅对于连接平整光滑的接触面效果较好，界面结合强度高，而且用于结合复杂金属接触面时，也具有非常高的灵活性，能够保证两种金属材料发生冶金结合，得到较高结合强度的界面。
铝-钢双金属液固复合铸造技术的关键在于铝-钢之间形成冶金结合，产生一定的金属间化合物。
目前的铝-钢双金属液固复合铸造一般都是采用热浸的方法，将预热的钢基体热浸在铝熔液中实现的。例如，陈国诗(铝铁双金属复合发动机缸体界面的研究[J]. 特种铸造及有色合金, 2013, 33(06): 503-506.)、程飞(铝铁双金属铸件热浸镀扩散界面组织分析[J]. 铸造技术, 2014, 35(02): 293-294.)、王强(铝钢双金属铸造工艺及其界面微观结构研究[D]. 哈尔滨工程大学, 2019.)等针对铝-钢双金属铸件都是采用热浸后再浇铸的方法，并研究了铝-钢双金属液固复合铸造后的界面组织，以期提高铝-钢的冶金结合。这不仅需要在预热时防止钢基体表面氧化，保证钢基体表面的清洁，还需要提高钢基体表面的活性，从而促进热浸时铝熔液与钢发生扩散，产生金属间化合物。
而钢基体表面活性的改性通常多以单一的氟化物、氯化物或其他盐类化合物为主制备表面活性剂并形成水溶液，将钢基体在水溶液中浸没一段时间后取出吹干，使盐类化合物涂覆在钢基体表面形成保护膜。
但是，采用上述方法形成的保护膜并不致密，容易在钢基体上附着不均匀，产生缝隙与空气接触，从而在随后的钢基体预热时，导致钢基体表面生锈、氧化等问题，不利于铝-钢双金属的结合。
进而，预热的钢基体需要在铝熔液中热浸一定的时间来产生过渡层。上述方法不仅操作繁琐，而且针对复杂构件进行热浸时容易产生漏镀现象，最后导致过渡层不均匀，造成铝-钢双金属复合材料的界面结合强度降低。
使用一种活性涂料直接喷涂在需要结合的钢基体表面，将钢基体预热后直接浇铸铝熔液，能够避免热浸过程，简化操作过程。但目前还未明确有活性涂料运用于铝-钢双金属液固复合铸造技术中。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝-钢双金属液固复合铸造用界面活性涂料，以其涂覆钢基体表面后进行铝-钢双金属的液固复合铸造，可以较好地防止钢基体表面氧化，提高钢基体的表面活性，以促进双金属扩散，产生金属间化合物形成冶金结合。
本发明所述的铝-钢双金属液固复合铸造用界面活性涂料是由以下质量百分含量的组分为原料制备得到的：
氯化钠　　　　　　　　　5～7%
氟化钠　　　　　　　　　3～5%
硼酸　　　　　　　　　　10～15%
铝粉　　　　　　　　　　5～8%
乙二醇　　　　　　　　　65～77%。
其中，本发明所述界面活性涂料所使用的原料中，氯化钠、氟化钠和硼酸都是经过粉碎处理，并通过20目筛网后得到的原料粉末。
所述的铝粉优选使用颗粒度不大于50μm的铝粉。
将上述各种原料按照所述质量百分含量混合均匀，即可得到本发明所述的铝-钢双金属液固复合铸造用界面活性涂料。
优选地，本发明是先将铝粉与氯化钠、氟化钠、硼酸混合均匀后，再加入乙二醇溶液混合搅拌均匀，以使铝粉颗粒可以均匀地混合在所制备的涂料浆料中，得到本发明所述的界面活性涂料。
本发明所述的界面活性涂料可以应用于铝-钢双金属液固复合铸造中。
具体地，本发明所述界面活性涂料可以应用于铝-钢双金属液固复合铸造中的钢基体表面防护处理中。
本发明还提供了所述铝-钢双金属液固复合铸造用界面活性涂料的使用方法，是将所述界面活性涂料均匀喷涂在钢基体表面，加热至110～120℃烘干使乙二醇挥发，重复上述喷涂和烘干过程，直至涂料厚度不小于1mm，使涂料充分均匀附着在钢基体的表面。
进一步地，本发明是将均匀喷涂界面活性涂料的钢基体于烘干炉中，110～120℃下烘干10～20min。
使用本发明的铝-钢双金属液固复合铸造用界面活性涂料对钢基体进行表面处理，可以保证钢基体在预热温度660～700℃，预热时间10～20min时，表面不发生氧化。同时，界面活性涂料中含有的元素还可以改善钢基体表面的润湿性，既起到了保护作用，又起到了提高活性的作用。
Ⅶ族元素能够改善铝熔液与钢基体表面的润湿性，较常见的包括氟化物和氯化物。目前多以单一或混合的钠和钾的氟化盐和氯化盐以水溶解后涂覆在钢基体表面用作表面活性剂。本发明进行了多组对照实验，将本发明界面活性涂料中的氯化钠和氟化钠单一或全部替换成其他盐类，或者以水作为溶剂制备涂料，涂覆在钢基体的表面，结果显示其对钢基体表面的改性效果差，并未起到涂覆后保护钢基体表面的作用。
在钢基体的预热温度下，本发明铝-钢双金属液固复合铸造用界面活性涂料能够在钢基体表面形成保护层。其中，氟化物的作用是剥离钢基体表面的氧化皮，并将氧化皮包围起来排除到最外表面；氯化物主要用于形成致密的薄膜，隔绝空气防止氧化；硼离子则可以提高钢基体表面的活性；同时，醇剂涂料的使用也会产生大量的热，在一定程度上促进铝-钢的结合扩散。
进而，铝粉的导热性能良好，可以加快钢基体的预热速率，保证钢基体预热均匀，从而提高铝-钢双金属的结合质量。在预热条件下，铝粉可以均匀地附着在钢基体表面，防止钢基体表面进一步氧化，改善表面张力，提高铝熔液的流动性，从而改善钢基体表面的润湿性，促进双金属的扩散和冶金结合。
因此，将本发明的界面活性涂料涂覆在钢基体表面后，其中的铝粉可以渗入到钢基体中，同时氯化钠、氟化钠、硼酸附着在钢基体外表面，形成一层连续完整致密的盐薄膜保护膜，从而隔绝环境介质，在预热时保护钢基体表面不被氧化。而在浇铸时，氯化物、氟化物和硼离子等又可以改善铝对钢的润湿性，提高钢基体表面的活性，增加铝在钢基体表面的浸润效果，并减少针孔和漏涂，进一步促进铝-钢双金属的冶金结合。
本发明采用喷枪喷涂或浸涂界面活性涂料，附着效果好，高温预热下可以显著提高涂料的涂覆厚度，明显增加传热效果，有利于更进一步提高双金属复合材料的冶金结合。
附图说明
图1是实施例1制备铝-钢双金属复合材料的界面金相组织图。
图2是实施例1制备铝-钢双金属复合材料的界面组织SEM图。
图3是实施例1不涂覆界面活性涂料制备铝-钢双金属复合材料的界面金相组织图。
图4是实施例2制备铝-钢双金属复合材料的界面组织SEM图。
图5是比较例1制备铝-钢双金属复合材料的界面金相组织图。
图6是比较例2制备铝-钢双金属复合材料的界面金相组织图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，从而使本领域技术人员能很好地理解和利用本发明，而不是限制本发明的保护范围。本发明以下实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制本发明仅为以下所述实施例。本领域普通技术人员在不脱离本发明原理和宗旨的情况下，针对这些实施例进行的各种变化、修改、替换和变型，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中所引用的诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1。
称取5g氯化钠粉末、3g氟化钠粉末、12g硼酸粉末，与5g粒径100µm的铝粉充分混合后，全部转移至搅拌机中，再加入75g乙二醇，以100r/min的转速搅拌10min，静置脱泡，制备得到铝-钢双金属液固复合铸造用界面活性涂料。
常温下，将上述制备好的界面活性涂料均匀喷涂在钢基体的待复合表面上，送入烘干炉中，于120℃下烘干15min。
取出钢基体，再次喷涂界面活性涂料，烘干。
如此反复喷涂10次后，使最终钢基体表面的烘干涂料厚度达到1.5mm，充分附着在钢基体上。
将上述涂覆有界面活性涂料的钢基体在680℃预热15min后，置于浇铸模具中，直接浇铸上730℃熔融的ZL702铝合金熔液，冷却20min后，从模具中取出，制备得到铝-钢双金属复合材料。
从图1的铝-钢双金属复合材料界面金相组织图可以看出，上述得到的铝-钢双金属复合材料界面实现了冶金结合，形成了金属间化合物扩散层，界面处结合良好无缺陷。
图2进一步提供了铝-钢双金属复合材料的界面组织SEM图。图中左侧为钢基体，右侧区域为铝。从图中可以清晰看出中间区域的扩散层形貌，扩散层总厚度约为16µm，且界面结合处无缺陷，结合良好。
进而，按照GB 12948-91方法测试复合材料的界面剪切强度，可以达到50MPa。
取表面不进行界面活性涂料喷涂处理的相同钢基体，同样在680℃预热15min后，置于浇铸模具中，直接浇铸上730℃熔融的ZL702铝合金熔液，冷却20min后，从模具中取出，制备得到铝-钢双金属复合材料。
图3给出了不涂覆界面活性涂料制备的铝-钢双金属复合材料的界面金相组织图。可以看到，Al/Fe界面虽然有少量结合，生成了金属间化合物，但是在界面处存在有大量的黑色缝隙，结合效果差。
同样按照GB 12948-91方法测试复合材料的界面剪切强度，只有15MPa。
实施例2
称取7g氯化钠粉末、5g氟化钠粉末、15g硼酸粉末，与7g粒径100µm的铝粉充分混合后，全部转移至搅拌机中，再加入66g乙二醇，以100r/min的转速搅拌10min，静置脱泡，制备得到铝-钢双金属液固复合铸造用界面活性涂料。
常温下，将上述制备好的界面活性涂料均匀喷涂在钢基体的待复合表面上，送入烘干炉中，于110℃下烘干20min。
取出钢基体，再次喷涂界面活性涂料，烘干。
如此反复喷涂8次后，使最终钢基体表面的烘干涂料厚度达到1.5mm，充分附着在钢基体上。
将上述涂覆有界面活性涂料的钢基体在700℃预热15min后，置于浇铸模具中，直接浇铸上730℃熔融的ZL114铝合金熔液，冷却20min后，从模具中取出，制备得到铝-钢双金属复合材料。
图4的铝-钢双金属复合材料界面组织SEM图中，左侧为钢基体，右侧区域为铝，中间区域的扩散层总厚度约为18µm，界面结合处无缺陷，结合良好。测试复合材料的界面剪切强度，达到了55MPa。
比较例1。
称取5g氯化钾粉末、3g氟化钠粉末、12g硼酸粉末，与5g粒径100µm的铝粉充分混合后，全部转移至搅拌机中，再加入75g乙二醇，以100r/min的转速搅拌10min，静置脱泡，制备得到铝-钢双金属液固复合铸造用界面活性涂料。
使用上述界面活性涂料，按照实施例1中方法制备铝-钢双金属复合材料。
图5给出了上述制备铝-钢双金属复合材料的界面金相组织图。使用本例涂料得到的铝-钢双金属复合材料界面部分实现了冶金结合，但是界面处仍有黑色缝隙，结合不理想。
测试复合材料的界面剪切强度，只有25MPa。
比较例2。
称取7g氯化钾粉末、5g氟化钾粉末、15g硼酸粉末，与7g粒径100µm的铝粉充分混合后，全部转移至搅拌机中，再加入66g乙二醇，以100r/min的转速搅拌10min，静置脱泡，制备得到铝-钢双金属液固复合铸造用界面活性涂料。
使用上述界面活性涂料，按照实施例2中方法制备铝-钢双金属复合材料。
图6给出了上述制备铝-钢双金属复合材料的界面金相组织图。可以清楚地看到，在界面存在有大量连续完整的黑色缝隙，没有实现冶金结合，本例涂料没有表现出改善铝-钢界面质量的作用。
测试复合材料的界面剪切强度，也只有10MPa。

Claims (9)

1.一种铝-钢双金属液固复合铸造用界面活性涂料，由以下质量百分含量的组分为原料制备得到：
氯化钠　　　　　　　　　5～7%
氟化钠　　　　　　　　　3～5%
硼酸　　　　　　　　　　10～15%
铝粉　　　　　　　　　　5～8%
乙二醇　　　　　　　　　65～77%。
2.根据权利要求1所述的界面活性涂料，其特征是所述的氯化钠、氟化钠和硼酸是粉碎过20目筛网得到的原料粉末。
3.根据权利要求1所述的界面活性涂料，其特征是所述铝粉的颗粒度不大于50μm。
4.权利要求1所述界面活性涂料的制备方法，是将所述各种原料按照所述质量百分含量混合均匀，得到铝-钢双金属液固复合铸造用界面活性涂料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是先将铝粉与氯化钠、氟化钠、硼酸混合均匀后，再加入乙二醇溶液混合搅拌均匀。
6.权利要求1所述界面活性涂料在铝-钢双金属液固复合铸造上的应用。
7.权利要求1所述界面活性涂料在铝-钢双金属液固复合铸造的钢基体表面防护处理上的应用。
8.根据权利要求6或7所述的应用，其特征是将所述界面活性涂料均匀喷涂在钢基体表面，加热至110～120℃烘干使乙二醇挥发，重复上述喷涂和烘干过程，直至涂料厚度不小于1mm，使涂料充分均匀附着在钢基体的表面。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征是将均匀喷涂界面活性涂料的钢基体于烘干炉中，110～120℃下烘干10～20min。
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