CN1703935B - 复合材料制品及其制造方法 - Google Patents

Abstract

复合材料制品具有钢制的基体和电加热装置。所述基体是热通道系统的分配管或者材料管；所述电加热装置是一种加热涂层，该加热涂层涂覆在管状基体的圆形的或者拱形的表面上，并且所述基体由沉淀硬化的钢制成。所述加热涂层构成一个具有多个层和/或者层元件的复合层，它们作为厚膜膏或者薄膜依次涂覆、干燥和焙烧。这种情况下在加热涂层内产生的预压应力通过基体的沉淀硬化有目的地得到加强。

Description

复合材料制品及其制造方法 

技术领域

本发明涉及一种复合材料制品，带有钢制基体和电加热装置。 

背景技术

本发明还涉及一种用于制造该复合材料制品的方法。 

在厚膜技术领域为各种各样的用途开发出加热装置，它们作为涂层涂覆在金属衬底或者钢制体的表面。大多由电阻导轨结构组成的加热元件相对于金属衬底或钢制体通过介电材料或者玻璃陶瓷组成的绝缘层电绝缘。全部层在涂覆以后通过焙烧硬化成一个复合层，它与钢制体共同构成一个复合材料制品。此方面的例子在DE-A1-35 36 266或者DE-A1-35 45 445中有所介绍。 

例如像压铸工具的热通道系统中常见的那样，如果钢制体具有圆形或者拱形的表面并必须硬化的话，那么始终会出现问题。压铸工具通常具有分配通道和热通道喷嘴的分支网，带有钢制的材料管，根据使用情况它们必须能够承受极高的内部压力。为使分配系统内的热质量不致过早冷却，材料管在圆周面上具有加热装置。 

WO-A1-0023245为此提出，加热装置以所谓的薄膜印刷法(Fine-Film-Printing-Verfahren)涂覆，其中，单个层借助于分配器涂覆。这种方法相当麻烦，因为分配器的针头为涂覆绝缘层和覆盖层必须精确移动陶瓷套管或材料管的整个表面，以产生本身封闭的层。这些层因此不能始终具有统一的厚度或密度，从而几乎难以避免裂纹形成。 

另一缺点是在热通道系统的运行中，即材料管在工作温度下承受由于压铸过程工艺上造成的脉动式内部压力负荷。这种负荷和为达到工作温度所要求的将流动通道壁加热到300和450℃导致弹性膨胀过程直接传递到加热装置上。其层会非常迅速地到达拉应力的范围，这样会导致绝缘层上开裂、短路或者甚至会造成整个加热装置剥落。 

为解决这一问题，将加热涂层涂覆在一种未硬化的钢制(辅助)体上， 随后将其套在材料管上。然而这种单独的加热装置不与材料管直接固体接触，从而导致很高的热阻并因此降低了从加热元件到管状流动通道上的有效热传导。这一点也影响到总的温度调整和与此相关的调节开支。 

发明内容

DE-A1-1-199 41 038是将加热层系统直接涂覆在材料管上并这样构成，使其在相对于材料管壁焙烧(定型)后处于确定的预压应力下。该预压应力由此产生，即在取决于热通道管膨胀重要的特征值情况下，预先规定玻璃陶瓷绝缘层的线性膨胀系数与金属热通道管相应参数的单位失配。这种应力允许的连接完全是在极限下承受材料管内的弹性膨胀过程。但在高负荷情况下，绝缘层上仍会出现裂纹或者其他损坏。 

本发明的目的在于，克服现有技术的这些和其他缺点并提供一种带有能够长期承受极端负荷的加热涂层的钢制体。特别是力求达到一种与低成本同样易于实现的方法，用于将承受温度交变的单个层无裂痕涂覆在管状或者拱形的钢制体上。特别是在热通道喷嘴的材料管上，使加热涂层能够长期正常工作。 

本发明的上述目的就产品而言通过一种带有钢制基体和电加热装置的复合材料制品来实现。 

根据本发明，所述基体是热通道系统的分配管或者材料管；所述电加热装置是一种加热涂层，该加热涂层涂覆在管状基体的圆形的或者拱形的表面上，并且基体由沉淀硬化钢制成。 

沉淀硬化钢的特性是，冷却时形成金属间的沉淀，它除了纯温度造成的体积缩小外，还导致继续减小钢制体体积。沉淀硬化钢因此在时效作用过程中收缩，从而事先涂覆在基体表面上的加热涂层的预压应力在硬化后得到加强。即使在复合材料制品承受极高的温度或者压力负荷情况下，涂层也始终与钢制体表面长期固定连接。 

按照一种优选方案，使用高级合金钢，预压应力的大小和分布在绝缘层内部可以特别精确地调整，这一点主要在下列情况下是非常重要的，如前面所述的钢制体具有圆形或者拱形的表面用于接受绝缘层，或者钢制体具有管状造型并在外壁上涂覆加热涂层。 

如前所述，优选使基体为热通道系统的分配管或者材料管。恰恰在热通道技术领域内重要的是，所要输送到型巢的压铸材料一直到进入喷嘴区或铸口区要精确和均匀地恒温处理。加热涂层上的裂纹会立即导致喷嘴故障和中断生产过程，但这一点通过复合材料制品依据本发明的构成有效地得以避免。 

按一种优选方案，加热涂层优选为由多个层和/或者层部件构成的复合层，它最好具有涂覆在基体上的绝缘层。后者最好为陶瓷或玻璃陶瓷层，它根据涂覆方法和所要求的层厚可以由一个或者优选由两个或者多个单层组成。按另一种优选方案，在该绝缘层上涂覆电阻元件设置。后者构成加热装置，为保护电阻导轨它至少分段由绝缘的覆盖层覆盖。 

加工技术上有益的是，按一种优选方案，绝缘层、电阻元件和/或者覆盖层为例如厚膜膏这种焙烧的弥散物。这种厚膜膏可以均匀和精确地涂覆，这一点对加热装置以后的附着强度和正常工作来说是重要的。按另一种优选方案，所述加热涂层的单个层或部分层也可选择作为焙烧的薄膜构成。 

为了能够确定加热装置内部或基体内部的温度分布及其发展，另一种优选方案提出，在加热层的平面上设置至少一个温度传感器。该传感器同时设置在复合层内，因此不会明显增加体积。同时还可以非常及时和精确地掌握温度变化。 

按另一种优选方案所述，在加热涂层上集成用于电阻元件和/或者温度传感器的连接触点。整个加热装置由此可以直接与调节开关电路集成化。 

其他主要优点在于，在所述依据本发明的复合材料制品的应用方面，即该复合材料制品作为外部加热的材料管在热通道分配器和/或者热通道喷嘴内使用。将加热装置材料合理地涂覆在层上的作用是与基体的壁长期固定连接，并因此固定保持在热通道分配器或者热通道喷嘴上。此外，本发明特别有效地避免了加热装置的剥落或者脱落，方法是加热涂层上的预加应力通过基体的沉淀硬化有目的地得到提高。 

由于通过直接涂层取得较小的厚度尺寸，加热涂层整体上仅占用很小的空间，从而与传统的加热装置相比在几乎相同的功率特征情况下可以实现非常紧凑的结构形式。为此可以明显提高功率密度，因为热量直接在所要加热的热通道元件表面上产生和吸收。大多敏感加热元件的过热得到可靠避免。 

在一种要求独立保护的用于制造带有钢制基体和上面涂覆加热涂层的复合材料制品的方法中，按一种优选方案提出，事先在加热涂层内产生的预压应力通过基体的沉淀硬化得到加强。 

这种与低成本同样可以简单实现的方法形成基体和加热涂层之间一种持久牢固的连接，因为后者通过基体在硬化过程中冷却时产生的收缩以可确定的限度再次收缩，由此产生应力允许的特别有效的连接。加热装置的全部层或部分层具有非常良好的附着强度。特别是绝缘层本身持续承受外部的机械和热负荷，从而始终保证最佳的产量。 

按另一种优选方案，对基体上加热涂层的每层或每个层元件进行涂覆、干燥和焙烧或成型，其中，将复合材料制品在每个焙烧过程之后冷却到室温。按照这种方式，全部工艺参数可以单独地与各自的加热层相配合-根据功率要求-加热层可以始终最佳地进行涂覆。 

此外，本发明在另一种优选方案提出，将基体的合金钢在焙烧期间均匀退火或固溶退火，从而对方法的经济性具有特别有益的影响。权利要求20也有助于此，即焙烧温度等于基体均匀退火或固溶退火的温度。在加热涂层的单个层或层元件成型期间，通过固溶退火产生均匀的稳定混合晶体(α-晶体)。不再需要单独控制的生产步骤。 

特别具有优点的是，按照另一种优选方案，单个层可以借助于丝网印刷、借助于弥散物、通过浸渍或者通过喷涂涂覆。同时可以为每层选择各自最佳的方法。像层厚度、密度、形状和这类的全部层参数可以均匀和精确调整，从而产生一种始终正常工作的加热涂层。 

在另一种优选方案中，每层或每个层元件在大气气氛下焙烧或成型，其中，焙烧温度最好所述处于750℃和900℃之间。 

根据另一种优选方案，基体的表面在涂覆加热涂层之前例如借助于喷砂打毛。由此可以提高绝缘层的机械附着性。通过将按权利要求25所述的基体在涂覆涂层前净化和氧化可以使化学附着性最佳化。 

根据另一种优选方案，所述将基体的合金钢在涂覆加热涂层之后通过重新退火时效硬化或老化。由此形成金属间的精细沉淀，有目的地减少基体体积。同时在基体上涂覆的加热涂层的内部产生一种压缩应力，它能够持续补偿基体的机械负荷，例如热通道喷嘴材料管的内部压力负荷。 

在这种情况下重要的是，最好使所述的时效硬化温度小于加热涂层单个层的焙烧温度。由此对加热涂层的单个层或层元件或其成分均没有干扰。此外，此外，加热涂层上的预压应力得到最佳提高，而不会损害其功率参数或者作用能力。全部过程可以利用简单的装置精确控制，由此将方法成本保持在很低程度上。 

依据目的，最好使所述的时效硬化过程在大气或者氮气氛下进行。 

本发明的其他特征、细节和优点来自于本申请文件的其它内容以及对实施例的下列说明。 

具体实施方式

在本发明一优选的实施方式中，作为制造基体的原材料使用含有Ni、Co、Mo、Ti和/或者Al的高级合金沉淀硬化钢，例如X3Cr Ni Al Mo 12921。基体例如构成材料管，带有用于在压铸工具上使用的外部加热热通道喷嘴的圆柱体表面。 

基体上涂覆加热涂层。该涂层由直接处于基体上的玻璃陶瓷绝缘层、上面涂覆作为加热元件的电阻导轨设置和处于其上面的覆盖层组成，以防止加热装置受到外界的影响。加热涂层和基体不可分开地相互连接并同时构成一个复合材料制品。 

材料管的沉淀硬化通常分两个步骤进行，即合金的固溶退火和随后的时效硬化或老化。 

但事先将加热涂层的单个层或层元件以厚膜膏的方式涂覆和焙烧或成型，其中，在焙烧厚膜膏的同时对金属合金进行固溶退火。 

在方法开始时，将机械加工结束后尚未硬化的钢制体首先喷砂处理，以便提高加热涂层的机械附着特性，其中，遵守规定的表面粗糙度。随后用乙醇和热硝酸(HNO3)对材料管进行净化并在约850℃下氧化。由此在基体表面形成一种提高绝缘层附着性的薄氧化膜。 

在预处理结束后制造加热涂层。 

绝缘层的原材料优选一种弥散物，特别是电绝缘的厚膜膏，将其以均匀的厚度采用丝网印刷法印刷在基体表面上。优选依次涂覆四个单个层，其中，每层单独干燥。如果达到了所要求的层厚度，那么将带有绝缘层的材料管置于适当的焙烧炉中在约850℃的大气气氛下成型，从而形成本身均匀的玻璃陶瓷组织。 

在这种情况下，焙烧温度相当于基体扩散退火或固溶退火所要求的温度。两个过程-焙烧和固溶退火-同时进行。 

此外，通过绝缘层线性热膨胀系数与材料管线性热膨胀系数的单位失配，在绝缘层焙烧时其内部产生一种机械预压应力。复合材料制品中由此产生的应力允许的连接使绝缘层作为加热装置的载体层，已经能够在一定限度上承受材料管内由于压铸过程工艺上造成的脉动式内部压力负荷，而不会在加热装置上出现裂纹或者损坏。 

如果将带有焙烧绝缘层的基体冷却到室温，那么首先为导电电阻元件和需要时为温度传感器涂覆连接触点并干燥。从连接触点出发，为加热装置以及温度传感器涂覆大多为曲形或者螺旋形的电阻导轨，其中，为此-与为连接触点一样-使用具有导电能力的膏，将其或者采用丝网印刷法或者采用分配器涂覆在绝缘层上。干燥分别在涂覆单个层之后进行。随后将所有导电的层元件共同焙烧并冷却到室温。在这种情况下也是对基体重新固溶退火，但对其组织没有最终影响。 

覆盖层同样也是一种电绝缘的玻璃陶瓷，采用丝网印刷法将其印刷在电阻元件、连接触点和部分区域上尚未覆盖的绝缘层上，干燥和然后在约750-900℃下成型。 

在经过最后焙烧过程后，将基体连同已经涂覆的加热涂层在氮气氛下重新加热到约525℃，并以确定的时间保持在该温度下。在保持时间结束后，将复合材料制品最好以10K/min的冷却率进行冷却。 

沉淀硬化钢在525℃的硬化期间各面收缩约0.07％，并在冷却时再次收缩约11ppm/K，由此加热装置事先涂覆和成型的层进一步处于压缩应力下。沉淀硬化同时造成附加的预压应力，从而整个加热涂层本身可以在材料管内持续承受极限的温度和内部压力负荷。热通道喷嘴通过材料合理地涂覆加热装置每个工艺阶段上始终受到最佳的恒温处理。 

基体在硬化过程之后达到的硬度约为HRC 52。 

温度传感器优选处于与电阻导轨相同的平面上。它同时与连接触点一样与加热涂层集成化。后者构成一个由多个层或层元件组成的复合层，它在与基体不可分开的连接下构成一个可加热的复合材料制品。 

由于很高的TKR，加热电阻本身还可以作为温度传感器使用。为此将分 压抽头从曲形或者螺旋形分布的电阻导轨所要求的位置通向外部。在已知电流情况下，通过测定的分电压确定相关区域内的温度。 

本发明并不局限于上述实施方式，而是可以多种多样的方式变化。因此，加热涂层的单个或者所有层或层元件也可以通过喷涂或者浸渍涂覆。但也可以选择使用薄膜，将其与厚膜膏相同的方式进行焙烧。 

基体的合金钢也可以是镍-钴耐热工具钢。重要的是，在考虑到加热涂层焙烧或烧结的情况下，这种钢适用于850-900℃的最高温度。此外，它在使用条件下必须能够承受最高450℃的温度以及最高2000bar的内部压力负荷。 

可以看出，作为钢制体的原材料使用沉淀硬化钢。在这种钢中-不同于马氏体碳钢常见的硬化-进行通过合金选择可以精确控制的金属间的沉淀。硬化时出现的收缩加大了绝缘层或整个加热涂层上的压缩应力，从而大大提高了加热装置的耐用性和功能可靠性。 

普通硬化钢均不可能做到这一切，这是因为采用临界冷却速度冷却钢制体。但所要求的高温和高冷却率破坏了加热涂层，而本发明按照简单和低成本的方式得以避免。 

权利要求书和说明书中所介绍的全部特征和优点，包括结构细节、空间设置和方法步骤在内，无论是单独还是极其不同的组合，对本发明都是重要的。 

Claims (32)

1.复合材料制品，带有钢制基体和电加热装置，其特征在于，

所述基体是热通道系统的分配管或者材料管；

所述电加热装置是一种加热涂层，该加热涂层涂覆在管状基体的圆形的或者拱形的表面上，并且

所述基体由沉淀硬化钢制成。

2.按权利要求1所述的复合材料制品，其特征在于，钢为高级合金钢。

3.按权利要求1所述的复合材料制品，其特征在于，加热涂层为一个由多个层和/或者层元件构成的复合层。

4.按权利要求1所述的复合材料制品，其特征在于，加热涂层具有涂覆在基体上的绝缘层。

5.按权利要求4所述的复合材料制品，其特征在于，绝缘层为陶瓷或者玻璃陶瓷。

6.按权利要求4所述的复合材料制品，其特征在于，绝缘层由至少两个单个层组成。

7.按权利要求4所述的复合材料制品，其特征在于，绝缘层上涂覆电阻元件结构。

8.按权利要求7所述的复合材料制品，其特征在于，电阻元件至少分段地由绝缘的覆盖层覆盖。

9.按权利要求4所述的复合材料制品，其特征在于，绝缘层为焙烧的弥散物。

10.按权利要求7所述的复合材料制品，其特征在于，电阻元件为焙烧的弥散物。

11.按权利要求8所述的复合材料制品，其特征在于，覆盖层为焙烧的弥散物。

12.按权利要求9所述的复合材料制品，其特征在于，所述弥散物是厚膜膏。

13.按权利要求4所述的复合材料制品，其特征在于，绝缘层为焙烧的薄膜。

14.按权利要求7所述的复合材料制品，其特征在于，电阻元件为焙烧的薄膜。

15.按权利要求8所述的复合材料制品，其特征在于，覆盖层为焙烧的薄膜。

16.按权利要求1所述的复合材料制品，其特征在于，在加热涂层的平面上集成至少一个温度传感器。

17.按权利要求7所述的复合材料制品，其特征在于，在加热涂层上集成用于电阻元件的连接触点。

18.按权利要求16所述的复合材料制品，其特征在于，在加热涂层上集成用于温度传感器的连接触点。

19.按权利要求1所述的复合材料制品作为外部加热的材料管在热通道分配器或者热通道喷嘴内的应用。

20.用于制造按权利要求1所述复合材料制品的方法，该复合材料带有钢制基体和其上面涂覆的加热涂层，其中所述加热涂层为一个由多个层和/或者层元件构成的复合层，其特征在于，事先在加热涂层内产生的预压应力通过基体的沉淀硬化得到加强。

21.按权利要求20所述的方法，其特征在于，对基体上加热涂层的每层或者每个层元件进行涂覆、干燥和焙烧并且成型，将复合材料制品在每个焙烧过程之后冷却到室温。

22.按权利要求21所述的方法，其特征在于，钢为高级合金钢，将基体的合金钢在焙烧期间均匀退火或固溶退火。

23.按权利要求21所述的方法，其特征在于，焙烧温度等于基体均匀退火或固溶退火的温度。

24.按权利要求20所述的方法，其特征在于，加热涂层的单个层或层元件借助于丝网印刷、借助于分配器、通过浸渍或者通过喷涂来进行涂覆。

25.按权利要求21所述的方法，其特征在于，每层或每个层元件在大气气氛下焙烧并且成型。

26.按权利要求25所述的方法，其特征在于，焙烧温度处于750℃和900℃之间。

27.按权利要求20所述的方法，其特征在于，基体的表面在涂覆加热涂层之前打毛。

28.按权利要求27所述的方法，其特征在于，基体的表面借助于喷砂来进行打毛。

29.按权利要求20所述的方法，其特征在于，基体在涂覆加热涂层前进行净化和/或者氧化。

30.按权利要求20所述的方法，其特征在于，钢为高级合金钢，基体的合金钢在涂覆加热涂层之后通过退火进行时效硬化或老化。

31.按权利要求21所述的方法，其特征在于，钢为高级合金钢，基体的合金钢在涂覆加热涂层之后通过退火进行时效硬化或老化，其中时效硬化温度小于加热涂层单个层的焙烧温度。

32.按权利要求30所述的方法，其特征在于，时效硬化在大气或者氮气氛下进行。