CN113463090B

CN113463090B - 铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆材料及激光熔覆方法

Info

Publication number: CN113463090B
Application number: CN202110739136.4A
Authority: CN
Inventors: 张昆; 熊嘉政; 黄灿; 王秋森; 许松; 杨渝昆; 南阳
Original assignee: Chongqing Engineering Port Zhihui Additive Manufacturing Technology Research Institute Co ltd
Current assignee: Chongqing Engineering Port Zhihui Additive Manufacturing Technology Research Institute Co ltd
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2022-08-12
Anticipated expiration: 2041-06-30
Also published as: CN113463090A

Abstract

本发明提供了一种铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆材料及激光熔覆方法。激光熔覆材料按质量份数计，由以下组分组成：80~90份的钨粉、3~8份的钼粉、3~7份的钴粉、2~6份的氧化铈粉以及0.4~2份的纳米碳化铪粉。熔覆方法包括：将所述激光熔覆材料进行低能球磨，干燥；在惰性气体保护下，利用干燥后的激光熔覆材料进行激光熔覆，其中，激光熔覆参数包括：光斑直径2.5mm~3.5mm，激光功率3kW~5kW，熔覆速度6mm/s~10mm/s。通过本发明的熔覆材料和熔覆方法能够使熔覆层与基材浇口杯的冶金结合性能好，能够减少铝液的腐蚀，防止粘铝，熔覆层表面没有裂纹产生，组织结构致密，涂层致密度接近100%。

Description

铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆材料及激光熔覆方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术领域，更具体地讲，涉及一种铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆材料及激光熔覆方法。

背景技术

随着汽车工业的快速发展，具有较小密度，良好散热性、耐腐蚀性和容易加工等优点的铝合金得到广泛使用。

铝合金的铸造技术主要包括重力铸造技术与低压铸造技术，其中，低压铸造技术是一种反重力铸造技术，通过浇道与补缩通道在较低的压力作用下结合在一起。低压铸造技术有利于提高充型的平稳性，同时还解决了铸件补缩不合理的问题，能够使铸件质量大大提高。此外，低压铸造技术还具有补缩压力高、温度梯度大等优点，可以提高铸件的成形质量，因此，对于铝合金轮毂和缸盖等铝合金铸件主要使用低压铸造技术进行铸造。

对于低压铸造技术，铝合金低压铸造模具浇口杯常用H13或SKD61高性能热作模具钢作为制作材料，但因浇口杯长时间与铝液直接接触，这两种材质的浇口杯在铝合金低压铸造时极易出现腐蚀，腐蚀后的浇口杯焊补修理耗时较长，且焊补修正后的浇口杯再次使用时，焊补部位腐蚀速度会加快，会进一步降低浇口杯的使用寿命。并且，上述材质制备的浇口杯内壁粘铝会较多，影响铝液充型，易造成产品内部组织疏松，导致产品泄漏报废。为了改善浇口杯存在的上述缺点，人们尝试对浇口杯进行氮化处理。氮化处理可以提高浇口杯表面的强度，减轻粘模，提升抗腐蚀能力，但其寿命的提升并不明显。例如长安汽车的发动机缸盖低压铸造生产线，浇口杯改进氮化工艺后，寿命也仅提高到约3000模次。

由于对浇口杯氮化处理并不能有效提升其寿命，人们又尝试了整体用高比重合金制备浇口杯或在浇口杯的表面制备涂层等方法以提高浇口杯寿命。整体用高比重合金制备浇口杯可大幅提升寿命，减少粘模现象，降低维护成本。但高比重合金价格昂贵，而且加工困难，直接用于制造成本很高。在浇口杯的表面制备涂层常使用电镀、化学镀、热喷涂、物理气相沉积和化学气相沉积等技术。虽然在浇口杯表面制备涂层可以有效提升浇口杯的使用寿命，但是普遍存在涂覆层薄、与基体结合弱、涂层致密性差以及涂层有裂纹产生等缺点，因此，需要发展新的技术以提升浇口杯使用寿命并克服上述存在的缺点。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种成本低、无裂纹产生的铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆方法。

本发明的一方面提供了一种铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆材料，按质量份数计，可以由以下组分组成：80～90份的钨粉、3～8份的钼粉、3～7份的钴粉、2～6份的氧化铈粉以及0.4～2份的纳米碳化铪粉。

本发明的另一方面提供了一种铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆方法，可以包括以下步骤：将上述激光熔覆材料进行低能球磨，干燥；在惰性气体保护下，利用干燥后的激光熔覆材料进行激光熔覆，其中，激光熔覆参数包括：光斑直径2.5mm～3.5mm，激光功率3kW～5kW，熔覆速度6mm/s～10mm/s，多道搭接率40％～55％，送粉速率7g/min～8g/min。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包含以下中的至少一项：

(1)通过本发明的熔覆材料和熔覆方法能够使熔覆层与基材浇口杯的冶金结合性能好，能够减少铝液的腐蚀，防止粘铝，熔覆层表面没有裂纹产生，组织结构致密，熔覆层致密度接近100％；

(2)本发明的熔覆材料通过设定的熔覆方法进行熔覆，熔覆层厚度可控，能够显著提高浇口杯的使用寿命，相比于传统的氮化处理浇口杯，其使用寿命可以提高2.8倍以上。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例详细地描述根据本发明的铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆材料及激光熔覆方法。

本发明的一方面提供了一种铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆材料。在本发明的铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆材料的一个示例性实施例中，按质量份数计，可以由以下组分组成：80～90份的钨粉、3～8份的钼粉、3～7份的钴粉、2～6份的氧化铈粉以及0.4～2份的纳米碳化铪粉。

以上，一方面，用含钨的熔覆材料熔覆铁基基材过程中，熔池中主要包含模具钢浇口杯的Fe(铁)元素以及熔覆材料的W(钨)元素。由于熔覆过程的冷却速度快，凝固过程是非平衡凝固，降温时会先析出钨相，接着钨和铁会生成脆性的金属间化合物Fe₇W₆。如果钨相形成树枝晶，包着钨相生成的Fe₇W₆容易在晶界形成并连在一起，增加脆性。同时树枝晶可以阻止应变的发展，钨相的树枝状尖端也容易引发裂纹。因此，熔覆过程中控制钨相的形态，避免形成粗大的树枝晶，是抑制裂纹生成的关键。为了避免钨相形成粗大的树枝晶以抑制裂纹的生成，本发明通过在熔覆材料中添加0.4～2份的纳米碳化铪粉作为孕育剂，纳米碳化铪粉能够细化W相，抑制粗大树枝晶的形成，能够让熔覆层具有无裂纹、等轴、晶粒细小的特点。对于碳化铪的加入量而言，若碳化铪在熔覆材料中的份数大于2份，则会使熔覆层的致密度下降。其致密度下降可能的原因有二，其一，碳化铪的量太多会团聚掺杂于钨合金熔体中，使熔体粘度上升，不利于熔体的铺展和对孔隙的补充；其二，碳化铪小于熔覆材料的热导率，间隙处的大量碳化铪颗粒阻隔了热量的传递，致使熔池边缘处的熔体温度较低，流动性显著下降。基于上述两个方面的作用将致使孔洞缺陷变得不规则且尺寸增大，造成激光熔覆后得到的熔覆层致密度下降。另外，碳化铪为纳米级的碳化铪。微米级的碳化铪能够起到强化的作用，而纳米级的碳化铪不仅能够起到强化的作用，还能起到形核的作用，可以减少裂纹。另一方面，本发明的熔覆材料主要组成成分为钨元素。浇口杯使用一般在700℃左右，在浇口杯的使用温度下，钨不会发生氧化，能够耐铝水的腐蚀，并且钨与铝不会发生粘粘，能够避免粘模现象的发生。再一方面，在熔覆材料中含有3～8份的钼，该组分的钼能够与钨形成固溶体，能够降低熔覆材料的熔点，便于激光熔覆的进行。再一方面，熔覆材料中含有2～6份的钴，其作用是作为粘接相并能够提高熔覆层的耐腐蚀性。再一方面，组分氧化铈能够细化晶粒，减少缺陷。氧化铈的加入能够使钨合金的晶粒尺寸明显降低，随着氧化铈含量的增加，细化作用越显著，但加入的氧化铈太多，会使熔覆材料中的粘接相分布相对不均匀，钨颗粒的尺寸均一性变差，各个钨颗粒会相互聚集，会降低熔覆层的硬度，因此，氧化铈的含量为2～6份。

综上，本发明的熔覆材料通过添加0.4～2份的纳米碳化铪粉作为孕育剂，能够促进形核，调控钨相形态，避免裂纹的产生。80～90份的钨为主要成分，作为高熔点相、脆性相，能够耐铝水的腐蚀，提高浇口杯的使用寿命。3～8份Mo可以与W形成固溶体，降低熔点。3～7份的钴能够提高熔覆层的耐腐蚀性。2～6份的氧化铈粉能够细化晶粒，减少缺陷。通过本发明的上述各配比组分之间相互配合，能够使熔覆层与基材浇口杯的冶金结合性能好，表面没有裂纹产生，组织结构致密，熔覆层致密度接近100％。

进一步地，按质量份数计，激光熔覆材料可以由以下组分组成：83～88份的钨粉、4～7份的钼粉、4～6份的钴粉、3～5份的氧化铈粉以及0.8～2份的纳米碳化铪粉。例如，激光熔覆材料可以由以下组分组成：85份的钨粉、6份的钼粉、5份的钴粉、4份的氧化铈粉以及1.2份的纳米碳化铪粉。

进一步地，纳米碳化铪粉的粒径可以为30nm～100nm。碳化铪在该粒径范围下，能够最大限度的阻止钨相形成粗大的树枝晶，能够有效抑制裂纹的生成。

进一步地，钨粉、钼粉、钴粉和氧化铈粉的平均粒径可以为38μm～250μm。例如，平均粒径可以为58μm～200μm，再例如可以为102μm。

进一步地，钨粉可以为球形粉。钨粉、钼粉、钴粉、氧化铈粉的纯度均可以大于98％。

本发明的另一方面提供了一种铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆方法。在本发明的铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆方法的一个示例性实施例中，可以包括以下步骤：

S01，对上述的激光熔覆材料进行低能球磨，干燥。

S02，在惰性气体保护下，利用干燥后的激光熔覆材料进行激光熔覆，其中，激光熔覆参数可以包括：光斑直径2.5mm～3.5mm，激光功率3kW～5kW，熔覆速度6mm/s～10mm/s。

以上，将熔覆速度控制在6mm/s～10mm/s，若熔覆速度大于10mm/s，熔覆速度过快，造成熔覆材料不能完全融化，未起到优质熔覆的效果；若熔覆速度小于6mm/s，熔覆速度太慢，熔池存在时间过长，会造成熔覆材料过烧，合金元素损失，同时基体的热输入量大，会增加变形量。当然，熔覆的过程并不是某个参数单独影响，而是光斑直径、激光功率以及熔覆速度三者相互影响，综合作用。在激光功率3kW～5kW的条件下，熔覆层稀释率随光斑直径增大而减小，当熔覆速度和光斑直径一定时，熔覆层稀释率随激光束功率增大而增大。另外，随着熔覆速度的增加，基体的熔化深度下降，基体材料对熔覆层的稀释率下降。基于上述影响，本发明将光斑直径设置为2.5mm～3.5mm，激光功率设置为3kW～5kW，熔覆速度设置为6mm/s～10mm/s。

进一步地，激光熔覆的参数还包括：多道搭接率可以为40％～55％，送粉速率可以为7g/min～8g/min。本发明的熔覆可以是多道激光熔覆。在多道激光熔覆中，搭接率是影响熔覆层表面粗糙度的主要因素，搭接率提高，熔覆层表面粗糙度降低，但搭接部分的均匀性很难得到保证。为了保证有较好平整度熔覆层的同时使搭接部分有好的均匀性，因此将多道搭接率设置在40％～55％。

进一步地，激光熔覆的参数可以包括：激光功率3.8kW～4.8kW，熔覆速度7mm/s～8.5mm/s，多道搭接率45％～52％，送粉速率7.2g/min～7.8g/min。更进一步地，光斑直径可以为3mm，激光功率可以为3.5kW，熔覆速度可以为7mm/s，多道搭接率可以为45％，送粉速率可以为7g/min。

进一步地，低能球磨可以是转速在130r/min～170r/min的球磨。例如，转速可以是150r/min。低能球磨可以是在卧式球磨机加酒精球磨2h～4h。例如，球磨3h。在球磨过程中，纳米的碳化铪粉是镶嵌在钨粉、钼粉、钴粉以及氧化铈粉的表面，若球磨的速度大于170r/min，会造成碳化铪镶嵌在其它金属粉末表面的结构遭到破坏，碳化铪从其他金属粉末表面脱落，可能会造成碳化铪团聚，破坏金属粉末球形度，降低流动性，影响激光熔覆过程的稳定性。

进一步地，还包括在步骤S02之前，对浇口杯表面进行清洁处理，去除表面的氧化皮，然后用无水乙醇超声清洗后再进行激光熔覆。

进一步地，当激光熔覆材料由以下组分组成：86份的钨粉、5份的钼粉、5份的钴粉、4份的氧化铈粉以及1.2份的纳米碳化铪粉；熔覆参数在：光斑直径为3mm，激光功率为3.5kW，熔覆速度为7mm/s，多道搭接率为45％，送粉速率为7g/min时，其熔覆层的使用寿命达到10000模次以上，使用寿命长更长。

为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。

示例1

用天平称量粉末，激光熔覆材料按质量份数计为：钨粉81份、钼粉3份、钴粉7份、氧化铈粉3份、纳米碳化铪粉0.6份。上述金属粉末的纯度均大于98％。

熔覆方法包括：

步骤1，将上述熔覆材料在转速为140r/min卧式球磨机中加酒精球磨3h，并在180℃条件下烘干。

步骤2，将H13浇口杯表面清洁干净，去除表面的氧化皮，并用无水乙醇超声清洗。

步骤3，在高纯氩气保护下，以步骤1得到的熔覆材料对步骤2得到的H13浇口杯表面进行激光熔覆，熔覆的参数为：光斑直径3mm，激光功率3.5kw，熔覆速度7mm/s，多道搭接率45％，送粉速率7g/min。

观察熔覆层表面是否有裂纹以及孔洞产生。并利用排水法测试其熔覆层的致密度，致密度达到99.5％。通过在重庆某汽车厂进行实际的铝合金低压铸造测试，其使用寿命在8675模次。

示例2

用天平称量粉末，激光熔覆材料按质量份数计为：钨粉89份、钼粉7份、钴粉4份、氧化铈粉6份、纳米碳化铪粉1.8份。上述金属粉末的纯度均大于98％。

熔覆方法包括：

步骤1，将上述熔覆材料在转速为150r/min卧式球磨机中加酒精球磨3h，并在180℃条件下烘干。

步骤3，在高纯氩气保护下，以步骤1得到的熔覆材料对步骤2得到的H13浇口杯表面进行激光熔覆，熔覆的参数为：光斑直径3.5mm，激光功率4.8kw，熔覆速度8mm/s，多道搭接率55％，送粉速率8g/min。

观察熔覆层表面是否有裂纹以及孔洞产生。并利用排水法测试其熔覆层的致密度，致密度达到99.7％。通过在重庆某汽车厂进行实际的铝合金低压铸造测试，其使用寿命在9210模次以上。

对比例1

与示例1相比，区别是未加纳米碳化铪粉，其他条件均相同。观察熔覆层表面是否有裂纹以及孔洞产生。

对比例2

与示例1相比，区别是纳米碳化铪粉加入的是2.5份，其他条件均相同。观察熔覆层表面是否有裂纹以及孔洞产生。

对比例3

与示例1相比，区别是球磨的转速为200r/min，其他条件均相同。观察熔覆层表面是否有裂纹以及孔洞产生。

下表1示出了对示例1、示例2以及对比例1～3处理后的样品表面所产生的裂纹及孔洞统计。

表1各示例和对比例处理后样品表面裂纹及孔洞统计

序号	是否有表面裂纹	是否有孔洞
			示例1	无	无
示例2	无	无
			对比例1	有	无
对比例2	无	有
			对比例3	有	无

对比示例1和对比例1，对比例1中的熔覆材料未加碳化铪，通过激光熔覆后，其熔覆层产生了裂纹，影响了熔覆层的质量。对比示例1和对比例2，对比例2中加入了过量的碳化铪后，虽然碳化铪的加入避免了裂纹的产生，但是在熔覆材料的表面生成了孔洞。对比示例1和对比例3，对比例3中的球磨速度过高，碳化铪粉脱离了其它金属粉的表面，影响了熔覆过程的稳定性，熔覆层产生了裂纹。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims

1.一种铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆材料，其特征在于，按质量份数计，由以下组分组成：

80～90份的钨粉、3～8份的钼粉、3～7份的钴粉、2～6份的氧化铈粉以及0.4～2份的纳米碳化铪粉。

2.根据权利要求1所述的铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆材料，其特征在于，按质量份数计，由以下组分组成：

83～88份的钨粉、4～7份的钼粉、4～6份的钴粉、3～5份的氧化铈粉以及0.8～2份的纳米碳化铪粉。

3.根据权利要求1或2所述的铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆材料，其特征在于，纳米碳化铪粉的粒径为30nm～100nm。

4.根据权利要求1或2所述的铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆材料，其特征在于，钨粉、钼粉、钴粉和氧化铈粉的平均粒径为38μm～250μm。

5.一种铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：

对权利要求1至4中任意一项所述的激光熔覆材料进行低能球磨，干燥，其中，低能球磨的转速为130r/min～170r/min；

在惰性气体保护下，利用干燥后的激光熔覆材料进行激光熔覆，其中，激光熔覆参数包括：光斑直径2.5mm～3.5mm，激光功率3kW～5kW，熔覆速度6mm/s～10mm/s。

6.根据权利要求5所述的铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆方法，其特征在于，激光熔覆参数还包括：多道搭接率40％～55％，送粉速率7g/min～8g/min。

7.根据权利要求5或6所述的铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆方法，其特征在于，激光熔覆参数包括：激光功率3.8kW～4.8kW，熔覆速度7mm/s～8.5mm/s，多道搭接率45％～52％，送粉速率7.2g/min～7.8g/min。

8.根据权利要求5所述的铝合金铸造用浇口杯表面激光熔覆方法，其特征在于，低能球磨包括：卧式球磨机加酒精球磨2h～4h。