CN1344188A

CN1344188A - 用于重力和低压模铸中的模面涂层

Info

Publication number: CN1344188A
Application number: CN00805405A
Authority: CN
Inventors: M·杰赫迪; M·詹诺斯
Original assignee: Cast Centre Pty Ltd
Current assignee: Cast Centre Pty Ltd
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2002-04-10
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: US7234507B2; MXPA01009554A; CN1165395C; EP1171253B1; WO2000056481A1; US20040244936A1; EP1171253A4; DE60042820D1; EP1171253A1; AUPP939099A0

Abstract

用在低压或重力模铸中与金属熔体接触的金属铸模或模具组件的表面上的模面涂层,所述模面涂层是一层多孔陶瓷材料层,它采用热喷涂方法,使所述陶瓷材料粉与合适的有机聚合物材料粉共沉积,在共沉积以后加热所述聚合物材料使它去除而制成。

Description

用于重力和低压模铸中的模面涂层

技术领域

本发明涉及一种模面涂层，为永久铸模或模具组件提供改进的模面涂层的方法，以及该方法中使用的模面涂层的材料。

技术背景

在低压和重力模铸中，每个金属模具或模具组件与金属熔体接触的表面都是有涂层的。在目前的工艺中，使用的陶瓷基涂层的厚度约为0.05-1.0mm。所述涂层的主要作用是提供一定的热绝缘性能，为了防止金属熔体过早固化，保证固化开始之前模具空腔能被熔体全部填满。但是，该涂层也用来保护钢制模具表面，避免由于金属熔体的冲击或与金属熔体的接触而产生的磨蚀或侵蚀。

目前的模涂技术是使用含水基粘合剂的陶瓷颗粒的水基悬浮液，最常使用硅酸钠。该类涂料混合物需要适当地贮存，而使用前准备时，所需的搅拌和测试常常工序复杂。涂层是采用加压空气喷枪施加到模具组件经喷砂或喷丸的表面上。涂布前组件要预先加热，一般加热至150℃-220℃，使水从模具表面蒸发，使粘合剂聚合从而将陶瓷颗粒粘合起来，并粘合到模具表面上。

用目前的陶瓷水悬浮液制成的模面涂层有很多孔。根据陶瓷颗粒的粒度和形状和所用粘合剂的量，孔隙率约为30-60％。高孔隙率固然使涂层的热绝缘性能很好，但是，涂层的强度受到所用粘合剂的强度(在硅酸钠情形下约为6.9MPa)和涂层孔隙率的限制。

绝热模面涂层的重要参数是孔隙率和表面粗糙度。耐磨性也很重要，因为涂层耐磨性不足，容易在使用过程中损坏以致缩短其模面涂层。用目前的陶瓷水悬浮液制成的硅酸钠粘合涂层的耐磨性低，导致生产中的模面涂层不超过约2-4个8小时工作日。但是，即使在这样短的模面涂层内，也需要时常停止生产，在“检修”阶段中修复涂层。

在授予Clingman的美国专利№4269903中，描述了在两个可相对旋转组件(例如轴流压缩机的旋转翼片)的至少一个组件上面形成的陶瓷密封涂层。在授予Stecura等人的美国专利№4055705中描述了致力于提供密封涂层的方法，该涂层具有提高的可磨损性。US4055705所述的涂层包括施加到基材上的NiCrAlY合金的粘合涂层和施加到该粘合涂层上面的热障涂层(是用另一种氧化物稳定的氧化锆)。US4269903提供的优点是在热障层上面提供可磨损多孔稳定氧化锆层。该多孔层通过热分解与稳定的氧化锆共沉积到热障层上的有机填料形成的。例如采用等离子体喷涂或热喷涂工艺进行的共沉积，优选使用分开的有机物流和氧化锆粉末流，该有机粉从合适的热塑性物料范围内选择。共沉积后，令有机材料热分解，留下可磨损的氧化锆层，孔隙率约为20-33％，由此形成合适的磨损度。可磨损层避免了两个可相对旋转的组件中的至少一个组件在摩擦接触中的磨损，从而避免了流体通过这两个组件之间的密封流失。

在US4269903所述的方法中，使用有机材料是因为在其与氧化锆共沉积后，有机材料能够藉热分解去除，形成多孔，由此形成可磨损的氧化锆层。在授予Longo的美国专利№5718970中，描述了有机粉与陶瓷和/或金属粉共沉积的另一个用途。

US5718970所述的方法是提供热喷涂的双料涂层，它是塑料与熔点较高的陶瓷材料和/或金属共沉积。该文认为，虽然金属和陶瓷粉必须用高温气流喷涂，例如等离子体或乙炔气喷涂，但是塑料粉通常可用低温气流喷涂，例如氢气或天然气，用以防止塑料粉的过热和氧化。获得双涂层的办法是使用包含塑料芯，而塑料芯上是陶瓷和/或金属基本连续包皮的颗粒。包皮可以在软化芯时的加热作用下，或使用合适的粘合剂粘合在芯上。热喷涂这样的粉末形成的双料涂层能够表现出陶瓷和/或金属以及聚合物材料的综合性能，该涂层表现为塑料颗粒分散于陶瓷和/或金属的连续基体中。

发明的内容

本发明提供改进的模面涂层，为永久铸模或模具组件提供该改进的模面涂层的方法，以及用于本发明方法中模面涂层的材料。

本发明改进的模面涂层用于低压或重力模铸中与金属熔体接触的铸模或模具组件表面上，它包括使用热喷涂工艺，使所述材料粉与合适的有机聚合物材料粉共沉积，共沉积后加热该聚合物材料使之去除，从而形成多孔的陶瓷材料层。

本发明也提供在金属铸模或模具组件这种表面上形成模面涂层的方法，其中有机聚合物材料和陶瓷材料的初始层用热喷涂工艺通过共沉积所述材料粉而形成于表面上，然后加热初始涂层，以去除聚合物材料，形成多孔的陶瓷材料涂层。

可以加热聚合物材料，通过燃烧和/或分解去除聚合物材料，通常优选通过分解。

用于本发明的热喷涂工艺可以是任何合适的类型。因此，共沉积可以用火焰喷涂、等离子体喷涂或电弧喷涂方法进行。

本发明的模面涂层及其制备方法具有的特征，似乎与美国专利№4269903所述有关可磨损多孔层的特征相似。但是，如上所述，4269903描述了一对以摩擦接触方式相对彼此运动的组件中的至少一个组件上的可磨损陶瓷密封涂层。其所述内容与金属铸模或模具组件与金属熔体接触的表面上的模面涂层的内容无关。此外，美国专利№4269903所述内容局限于可磨损的多孔稳定氧化锆层。与此不同，本发明的模面涂层除了不局限于使用氧化锆外，还具有提高的耐磨性，使其使用寿命比上述目前模涂技术所形成的使用寿命长很多。US4269903中的可磨损性与模面涂层的耐磨性之间没有什么相关联的基础。但是，为了能在低压和重力模铸的普遍高温的情形下承受金属熔体的冲击和流动，模面涂层尤其需要具有高的耐磨性，考虑到美国专利4269903所揭示的是可磨损涂层而不是耐磨涂层，本发明的模面涂层具有意外好的优点。

用来提供本发明模面涂层的陶瓷粉是常规用于生产陶瓷制品的加工过的粉末。因此，可以从至少一种金属化合物例如氧化物、氮化物、碳化物和硼化物中选择所述粉末。合适的例子包括氧化铝、氧化钛、氧化硅、稳定的氧化锆、氮化硅、氮化硼、碳化硅、碳化钨、硼化钛和硼化锆。但是，陶瓷粉也可以是合适的矿石原料例如粘土矿物、硬岩矿石和重矿物砂例如钛铁矿、金红石和/或锆石。一种特别合适的粉是从火山渣或浮石得到的，因为这些材料的粉粒内部是多孔的，而且具有角状的附加优点。

许多种塑料和类似材料都能够用来提供有机聚合物粉。选择的主要要求是可以以合适的粉末形态得到，并足以能承受它们在热分解期间要经受的温度。还要求能在处理的温度和反应时间内发生燃烧或分解。该材料大部分是热塑性塑料，例如聚苯乙烯、聚苯乙烯-丙烯腈、聚甲基丙烯酸酯、聚酯、聚酰胺、聚酰胺-亚酰胺和PTFE。

所用的陶瓷粉和聚合物粉优选具有较窄的粒度分布。总的来说，它们的粒度优选不大于约60微米；陶瓷粉粒度不小于约1微米，聚合物材料粉粒度不小于约5微米。

本发明的方法可以以多种方式应用。在一种方式中，在形成模具空腔的模具或模具组件的所有表面上提供基本均匀的模面涂层。该涂层可以例如约厚250-400微米，例如约300-400微米。在该方式中，涂层在模具空腔的所有表面上提供热绝缘作用，能使浇铸的金属熔体在开始固化之前就填满模具空腔。

本发明提供的模面涂层由于其多孔性，可用作热障涂层。与此不同，材料相同但无孔的涂层用作热障不太有效。这就形成了本发明另一种有用的方式，其中将本发明的模面涂层与无孔涂层结合使用。在一种变化的方式中，在形成模具空腔的一个表面或所有表面的部分表面上提供不太绝缘的无孔陶瓷模面涂层，而其他表面或部分表面上提供本发明的热障模面涂层。这种安排能够使热量自模具空腔内的金属熔体通过无孔涂层放出，从无孔涂层放出热量的速率比从多孔热障模面涂层放出的高。这就能够有利于定向固化，此时是使金属熔体在眚于无孔涂层方向上优先固化。

在另一种变化的方式中，形成模具空腔的所有表面，或所述表面的一个或一部分表面上，能够提供多孔和无孔交替的连续模面涂层。即，至少部分模面涂层的整个厚度可以由夹层或叠层的至少两层组成。结果，该模面涂层的导热率介于同样陶瓷材料且厚度相同的无孔涂层和多孔涂层之间。由此，就能够提高控制从浇铸的金属熔体放出的热量的范围。

在每种本发明的上述变化形式中，模面涂层的多孔和无孔区或层可以是相同的陶瓷材料或分别不同的陶瓷材料。

为了更容易明白本发明，下面描述一些实施例。

实施例1

将陶瓷粉和聚合物粉混合，然后进行火焰喷涂，在由低压金属铸模组件构成的模具空腔的表面上，形成共沉积涂层。陶瓷粉是用24％氧化镁稳定的Metco 210级氧化锆，其数据表上说明的粒度范围为(-53)至(+10)微米，熔点为2140℃，密度为4.2gcm^-3。聚合物粉是使用SPEX冷冻磨，在液氮温度下研磨成的45微米聚苯乙烯，由Huntsman Chemical Company AustraliaPty.Ltd.供应。MgO(24％)ZrO₂/聚苯乙烯的粉末混合物含有15(体积)％(4重量％)的聚苯乙烯。

使用Metco Type 6P-II Thermospray系统，用P7C-K喷嘴和3MPa粉末喂料器，在下述条件下，进行粉末混合物的共沉积：

压力：氧2.07×10^-1MPa；乙炔1.035×10^-1MPa；

流量：氧20l/min，乙炔24l/min m³S^-1；

载体气体：3.78×10^-1MPa和18l/min的氮气；

粉末喂料器：15rpm；

喷涂距离：76mm

所述系统还使用一种空气射流，其操作压力为3.45×10^-1MPa，在距离喷嘴63.5mm位置交叉。

混合粉末共沉积后，将沉积生成的涂层加热至450℃1小时，使聚苯乙烯分解。聚苯乙烯在氮气中320-350℃完全分解(DTA/TGA)。发现通过分解去除聚苯乙烯而形成的多孔稳定的氧化锆涂层是耐磨性良好的优良模面涂层，它能够耐低压和重力模铸过程中金属熔体的冲击。该模面涂层的传热系数也很低，使得模铸时金属熔体的固化能够延迟，直至模具空腔全部被金属熔体填满。

实施例2

重复实施例1的全部步骤，但使用火山渣粉末代替稳定的氧化锆。所述的火山渣粉末是这样制成的：在烘箱中100℃干燥火山渣岩，使用环式磨对干燥的火山渣岩进行粉碎，使用振筛机和尺寸逐步减小的几层筛子对粉碎的火山渣岩进行过筛分离出粉末。使用的火山渣粉的粒度为45-75微米，密度为2.9gcm^-3。将它与实施例1中制成并说明其性能的聚苯乙烯粉混合，得到会15(体积)％聚苯乙烯的混合物。

火焰喷涂条件和对共沉积的聚苯乙烯的进行分解的条件如实施例1所述。形成的多孔火山渣模面涂层具有与实施例1中制成的氧化锆涂层相似的性能，但是，由于其传热系数比氧化锆低，其作为热障涂层的作用更有效。

实施例3

用实施例1所述的方式，制成含15(体积)％聚苯乙烯的三种粉末混合物。其中每种与实施例1的不同在于，与MgO(24％)稳定的ZrO₂混合的聚苯乙烯粉的粒度分别是45-75微米，75-106微米和106-150微米。

与实施例1不同，三种粉末混合物都是使用标为SG100次声波的喷枪，采用等离子体喷涂共沉积的所述喷枪的功率为40kw，阳极设定在185v，阴极设定在129v，射气器为Miller 113。所用的操作参数是：

功率：开路160V，操作功率在33V和800A；

电弧气体/第一气体：氩气，关键喷嘴№56(流量47l/min)，调节的压力3.45×10^-1MPa；

辅助气体/第二气体：氦气，关键喷嘴№80(流量12l/min)，调节的压力3.45×10^-1MPa；

粉末气体/载体气体：氩气，关键喷嘴№77(流量6l/min)，调节的压力2.76×10^-1MPa，料斗2.8rpm；

喷涂距离：96mm。

三种粉末混合物都是在共沉积后，如实施例1所述对沉积的涂层进行加热。通过分解使聚苯乙烯去除而形成多孔的稳定氧化锆涂层，其特性与实施例1中制成的涂层相似。

实施例4

重复实施例3的全部步骤，使用如实施例2所述制成的火山渣粉与如实施例1所述制成的-45微米聚苯乙烯粉的混合物。火山渣/15(体积)％聚苯乙烯粉末混合物的等离子体喷涂的条件和共沉积聚苯乙烯的分解条件都与实施例3中相同。形成的多孔火山渣模面涂层的特性与实施例2中制成的相似。

采用目前技术的模涂方法，一般认为其对涂层质量和厚度的控制与操作人员很有关系。其由聚合的硅酸钠形成的陶瓷颗粒之间的粘合不很牢。因此，硅酸钠粘合的涂层脆弱而不耐磨。

而在本发明的新涂层体系中，并不是用粘合剂。陶瓷颗粒部分熔融而粘合起来，形成较为牢固的粘合体系。改变涂层的孔隙百分率就能够改变本发明模面涂层的传热系数。改变用于制备模面涂层的聚合物百分率，这就能够容易地实现这一点。这就提供了这样的优点，可以在模铸部件过程中控制定向的固化，使与收缩引起的缺陷减至最小。

本发明的应用很灵活。改变聚合物粒度就能够改变涂层的表面粗糙度。为了实现良好粘合，能够施加没有聚合物的第一层涂层。第二层能够含聚合物颗粒，以便形成孔隙，以提高涂层的热绝缘性能。如果要求很光滑的表面，最上面的层也能够没有聚合物。

为了进行模铸，低压和重力模铸方法要求金属熔体在复杂的模具空腔内容易流动。低压模铸特别涉及金属熔体在重力作用下的流动，以便全部填满模具空腔。金属熔体常常要经过窄的部位，发现由模面涂层提供的热绝缘性能在这些部位是很关键的。涂层表面的凸起与其所接触金属熔体的部位之间会形成微小的空气袋，所以涂层的表面粗糙度会影响金属熔体流入模具空腔的能力。金属熔体就不会完全湿润涂层的全部表面，这些空气袋是会影响熔体的流动性，因此影响熔体填满模具空腔制成良好铸件的重要因素。

加入可分解挥发的成分，具体即聚合物粉末就可形成高孔隙率，影响所形成涂层的表面形态。改变加入到等离子体喷涂涂层所用陶瓷粉混合物中的聚合物颗粒的粒度，就能够改变所述的表面粗糙度。改变表面粗糙度的灵活性，也可用来影响最终铸件的表面光洁度。

用聚合物粒度改变表面粗糙度能够参照实施例3进行说明。发现该实施例用MgO(24％)稳定的ZrO₂制成的没有加入聚合物的模面涂层，其表面粗糙度Ra为4.5微米。使用氧化锆和15(体积)％45-75微米聚苯乙烯制成的模面涂层，表面粗糙度Ra为10微米，而用15(体积)％75-106微米聚苯乙烯制成的涂层，表面粗糙度为25微米。

最后，要明白在不脱离本发明的精神和范围情形下，可以将各种改变、修改和/或增加引入上述内容的结构和安排中。

Claims

1.一种用于低压或重力模铸中与金属熔体接触的铸模或模具组件表面上的模面涂层，它包括多孔陶瓷材料层，所述多孔陶瓷材料层是使用热喷涂工艺，使所述陶瓷材料粉与合适的有机聚合物材料粉共沉积上去，然后加热所述聚合物材料使其去除而形成的。

2.如权利要求1所述的模面涂层，其中所述的陶瓷粉选自至少一种金属化合物，例如氧化物、氮化物、碳化物和硼化物，优选选自氧化铝、氧化钛、氧化硅、稳定的氧化锆、氮化硅、氮化硼、碳化硅、碳化钨、硼化钛和硼化锆。

3.如权利要求1所述的模面涂层，其中所述的陶瓷粉选自至少一种矿物化合物例如粘土矿物、硬岩矿石以及重矿物砂例如钛铁矿、金红石和/或锆石。

4.如权利要求3所述的模面涂层，其中所述的陶瓷粉是从火山渣或浮石得到的。

5.如上述权利要求中任一项所述的模面涂层，其中所述的有机聚合物粉由热塑性材料例如聚苯乙烯、聚苯乙烯-丙烯腈、聚甲基丙烯酸酯、聚酯、聚酰胺、聚酰胺-酰亚胺和PTFE形成。

6.如上述权利要求中任一项所述的模面涂层，其中所述的陶瓷粉和聚合物粉都具有较窄的粒度分布。

7.如权利要求6所述的模面涂层，其中所述的陶瓷粉和聚合物粉的粒度不大于约60微米；所述陶瓷粉的粒度不小于约1微米，所述聚合物粉的粒度不小于约5微米。

8.在铸模或模具组件表面上形成模面涂层的方法，其中有机聚合物材料和陶瓷材料的初始涂层是用热喷涂工艺将所述材料粉末共沉积形成于要涂布的表面上，加热该初始涂层去除聚合物材料，形成的多孔陶瓷材料涂层。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述的聚合物材料通过燃烧和/或分解而加热去除。

10.如权利要求8或9所述的方法，其中所述的热喷涂工艺是火焰喷涂、等离子体喷涂或电弧喷涂。

11.如权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述的基本均匀的模面涂层形成在构成模具空腔的模具或模具组件所有表面上。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述的涂层的厚度约为250-400微米。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述的涂层的厚度约为300-400微米。

14.具有在低压或重力模铸中与金属熔体接触的表面的铸模或模具组件，所述表面的一部分或多个部分或全部被权利要求1-7中任一项所述的模面涂层所覆盖。

15.具有在低压或重力模铸中与金属熔体接触的表面的铸模或模具组件，所述表面的一个或多个部分被无孔的陶瓷模面涂层覆盖，而另外一个或多个部分被权利要求1-7中任一项所述的模面涂层覆盖。

16.具有在低压或重力模铸中与金属熔体接触的表面的铸模或模具组件，所述表面的一部分或多个部分或全部被无孔的陶瓷模面涂层和权利要求1-7中任一项所述的模面涂层交替覆盖。

17.用于权利要求8-13中任一项所述方法中的模面涂层的材料，所述材料由陶瓷材料粉和有机聚合物材料粉形成。