CN1762618A - 静态自蔓延法制备黑色金属半固态加工用陶瓷涂层模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静态自蔓延法制备黑色金属半固态加工用陶瓷涂层模具，它是利用静态自蔓延高温合成法在黑色金属半固态加工凹模内表面形成陶瓷涂层，具体工艺如下：将反应原料Al和Fe₂O₃粉混合；将混合粉末填满凹模，上置引管，下置导管，将凹模、引管和导管固定在一起，并将引、导管的口盖堵好，放入加热炉内预热，取出模具，垂直放置，将引管口的盖移走；Al+Fe₂O₃粉末点燃，Al和Fe₂O₃发生铝热反应，产物Fe和Al₂O₃均处于液态，Al₂O₃液相附于凹模内壁并结晶凝固，最终在凹模的内壁形成连续的陶瓷涂层，Fe液最后凝固，形成集中铁块在导管中去除；冷却；去掉引、导管，得到凹模的粗坯；对凹模粗坯内壁陶瓷涂层进行磨削加工。本发明成本低廉、工艺简单、模具使用寿命长。

Description

静态自蔓延法制备黑色金属半固态加工用陶瓷涂层模具

技术领域：

本发明涉及一种半固态金属加工模具，具体涉及一种采用静态自蔓延法制备黑色金属半固态加工用陶瓷涂层凹模模具。属材料加工技术领域。

背景技术：

近年来，半固态金属加工技术发展很快，并已在汽车工业等领域得到一定程度的应用。但真正投入大批量工业应用的仍然是低熔点的有色合金。原因是黑色金属熔点高，操作难度大，由于没有专门为黑色金属半固态加工研制的模具材料，一般采用普通热作模具钢制造。在1300℃以上的高温和高压下工作，二次加热后，半固态合金具有固相存在，此时合金含有低的结晶潜热，浆料的凝固速度较大。受力与热的交互作用，模具工作条件恶劣，易损坏失效，寿命很低，常出现使用数次后模具工作零件变形的情况。使制品成本升高，质量下降。由此可见，现有的模具材料不能适合黑色金属半固态加工的恶劣服役条件，导致模具变形、氧化、热疲劳，熔蚀与粘焊等失效形式均为模具材料难以承受高温所致。因此，降低成本、延长寿命已成为黑色金属半固态加工技术亟待解决的问题之一。事实上，由于黑色金属固态变形抗力大，进行半固态成形的必要性更加明显。

研制新型黑色金属半固态加工模具材料的关键是提高其耐高温性能。如研制新型耐热合金，固然能满足要求，但同时也使模具成本大幅度提高。陶瓷材料的晶体结构决定了它高强度、高模量的性质，并具有优良的耐高温性能和化学稳定性、较好的抗高温氧化和抗高温蠕变性，为从事黑色金属半固态金属加工和半固态触变成形研究的专家学者所注目。在过去的几十年里，许多人进行了大量的研究，取得了一系列有价值的成果，但其热震性、脆性和抗拉强度问题没有得到根本解决。

自蔓延高温合成(Self-propagating High-temperature Synthesis)，缩写为SHS，是利用化合物生成时放出的反应热，使合成反应自维持下去直至反应结束，从而在很短时间里合成出所需材料的一种方法。反应产物为陶瓷、金属陶瓷、金属间化合物等。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种成本低廉、工艺简单、模具使用寿命长的静态自蔓延法制备黑色金属半固态加工用陶瓷涂层模具。

本发明的目的是这样实现的：一种静态自蔓延法制备黑色金属半固态加工用陶瓷涂层模具，它是利用静态自蔓延高温合成法在黑色金属半固态加工用凹模内表面形成陶瓷涂层，具体工艺步骤如下：

步骤一、将反应原材料Al粉和Fe₂O₃粉按配比混合。

步骤二、将混合均匀的粉末填满凹模，上置引管，下置导管，将凹模、引管和导管固定在一起，并将引、导管的口盖堵好，放入加热炉内预热，预热温度为750℃±50℃，达到温度后保温25分钟±5分钟，取出模具，垂直放置，将引管口的盖移走。

步骤三、将凹模内反应原材料Al+Fe₂O₃粉末点燃，Al和Fe₂O₃发生铝热反应，产物Fe和Al₂O₃均处于液态，Al₂O₃液相附于凹模内壁并结晶凝固，最终在凹模的内壁形成连续的陶瓷涂层，Fe液最后凝固，形成集中铁块在导管中去除。

步骤四、冷却。

步骤五、去掉引、导管，得到凹模的粗坯。

步骤六、对凹模粗坯内壁陶瓷涂层进行磨削加工得黑色金属半固态加工用陶瓷涂层凹模。

本发明形成的陶瓷涂层由两层组成，外层为近乎纯Al₂O₃陶瓷层，组织形态为柱状；过渡层为Al₂O₃+α-Fe，两相呈柱状交替分布，涂层与基体之间相的过渡形式是Al₂O₃→Al₂O₃+α-Fe→Fe，与基体接触是纯铁。这种涂层结构使得涂层与基体之间结合强度高，热震性和抗拉、抗压性能良好。

与锌、镁、铝合金及铜合金等相比，黑色金属半固态金属加工时模具工作温度最高，Al₂O₃在高温下使用时，仍有很高的强度。因而，表层为Al₂O₃，中间层为铁基Al₂O₃颗粒增强复合材料的高温性能可满足半固态金属加工需要。

本发明选用用Al+Fe₂O₃粉末作为自蔓延反应原材料，成本低廉，涂敷工艺简单。

铝热技术原理是通过Al和Fe₂O₃的还原反应，将Fe₂O₃中的Fe还原。反应物一经点燃，反应会自行进行下去，蔓延至整个反应体系，反应产物为铁水和三氧化二铝陶瓷。其化学反应方程式为：

               (1)

SHS静态法(重力分离法)制备陶瓷内衬模具的原理如图1a-d所示。图中，铝热剂1、内衬陶瓷层2、液态陶瓷3和还原铁液4。在制备过程中，始终保持燃烧波面处于相对静止的水平状态，物料(Fe₂O₃+Al)引燃后借助铝热自蔓延过程和反应产物熔体Al₂O₃-Fe重力分离特性，在燃烧合成的同时依次实现Fe和Al₂O₃的内表面涂覆。

涂层合成主要经历燃烧反应、液相分离、凝固涂覆三个基本过程。虽然静态蔓延高温合成法形成的陶瓷涂层因中间过渡层的存在受急热作用不易剥落，但陶瓷层的致密度既影响其内聚强度，又影响其耐蚀性。提高陶瓷层致密度的方法有三种：一是提高反应剂粉末的密度。如药粉填充后轻微震动，将药品蹾实；二是提高反应温度，并减缓冷却速度，预热是提高反应温度减缓冷却速度的有效方法，当工件预热温度由300℃升高到600℃，陶瓷层致密度可提高约10％，同时也有利于提高过渡层与基体的结合强度；三是在反应剂中加入5％~10％的Si粉，可显著降低孔隙率，因为高温下Si氧化形成SiO₂，造成体积膨胀可部分抵消体积收缩，同时Si能改善液态Fe和固态Al₂O₃的润湿性，使Fe液能充满Al₂O₃的枝晶间隙处，从而提高陶瓷层和过渡层的致密度。

本发明利用静态自蔓延高温合成法可在黑色金属半固态凹模的内表面制备与基体呈冶金结合的陶瓷颗粒增强梯度复合材料涂层。Al₂O₃/Fe梯度陶瓷涂层减少了对外的热量损失，采用具有隔热作用的模具，易于在速度较慢的液压机上进行黑色金属半固态加工，梯度陶瓷涂层对热应力具有明显的缓得行为。涂敷成本低廉、工艺简单。

附图说明：

图1为本发明SHS静态法制备陶瓷内衬模具的原理图。

图2为本发明熔涂工艺过程图。

具体实施方式：

模具陶瓷涂层熔涂试验：凹模的外径、内径、和高度尺寸分别为：￠100、￠33、50mm。材质为45^#钢。凹模内表面采用静态白蔓延法制备表层为Al₂O₃，过渡层为铁基Al₂O₃颗粒增强复合材料梯度陶瓷涂层。Al粉和Fe₂O₃粉按化学计量配比混合，Al粉纯度为97％，粒度70目，Fe₂O₃粉粒度200目，工业纯。熔涂工艺过程如图2所示。图中，药粉1、引管2、凹模3、导管4、石棉垫5和塞子6。凹模的内表面粗加工，将混合均匀的粉末，按填充密度为1.4～1.5/cm³填满凹模。上置引管，下置导管。将凹模、引管和导管固定在一起，并将引、导管的口用耐火砖盖堵好，放入电阻式加热炉内。预热温度为750□。达到温度后保温25分钟，取出模具，垂直放置，将引管口的耐火砖盖移走，用特制的打火机迅速点火。

点燃后，铝和氧化铁按式(1)发生铝热反应。由于放热，反应可自行维持，绝热温度达到3428□，且由于凹模预热温度高，蔓延速度快，整个反应几乎在整个凹模内同时发生，造成剧烈的体积膨胀，凹模即刻处于红热状态。在胀爆力的作用下，反应产物以一定的速度冲向凹模的内表面，此时产物Fe和Al₂O₃均处于液态。因Fe密度大于Al₂O₃密度，而使液相分离，Fe液在下层，Al₂O₃在上层，中间层为Al₂O₃和α-Fe的混合层，该层厚度比例较大。随着自蔓延反应的不断进行，液体界面不断下移，Al₂O₃液相附于凹模内壁并结晶凝固，最终在凹模的内壁形成连续的陶瓷涂层。Fe液最后凝固，形成集中铁块在导管中去除。反应过程大约持续40s。反应完毕后，置于自然条件下自动冷却，由于陶瓷与金属的膨胀系数不同，冷却后凹模对陶瓷涂层产生压应力，从而进一步增强了结合强度。最后去掉引、导管，得到凹模的粗坯。

采用静态自蔓延法制备的凹模内衬复合涂层的尺寸精度和表面粗糙度一般达不到直接使用的要求。通常应对陶瓷涂层进行磨削加工。Al₂O₃陶瓷涂层具有高硬度、高耐磨性、高脆性的特点。陶瓷的去除机理是脆性破坏，靠脆性龟裂破坏产生微细粉末状磨粒去除。在磨削时必须严格控制磨削力的大小。径向磨削力大，作用于磨轮轴上的力就大，轴的弹性变形也随之加大，容易产生振动而影响加工表面质量，降低磨削效率。所以，在磨削时，要控制好进刀量、磨削深度和转速。磨轮材质为金刚石。因为金刚石硬度高，耐磨性是Al₂O₃的10倍，切削时热磨损也很小。在磨削过程中，添加乳化液，以避免因切削温度高而使金刚石变软和金刚石微粒的磨削性能因热化学作用而降低。

应用试验结果表明：静态自蔓延法制备的涂层具有优异的工艺适应性。其原因在于：(1)材料为Al₂O₃的表层熔点高达2050℃，可以在高温下承受负荷；(2)表层热膨胀系数与过渡层比较接近，有利于缓和热应力；(3)涂层具有较高的硬度、强度和耐磨性；(4)化学性质稳定，不易被氧化腐蚀和浸蚀；(5)涂层具有一定的隔热效果，可以降低模套温度，提高模套抗变形能力。

静态自蔓延法不仅可处理各种直径的凹模，而且在处理一些非回转体内表面也显示出巨大的优越性，如各种耐磨、耐蚀弯管状的凹模、异形管状凹模及具有复杂的内表面形状而又要耐蚀的模具。

Claims (2)

1、一种静态自蔓延法制备黑色金属半固态加工用陶瓷涂层模具，其特征在于它是利用静态自蔓延高温合成法在黑色金属半固态加工凹模内表面形成陶瓷涂层，具体工艺步骤如下：

步骤一、将反应原材料Al粉和Fe₂O₃粉按配比混合，

步骤二、将混合均匀的粉末填满凹模，上置引管，下置导管，将凹模、引管和导管固定在一起，并将引、导管的口盖堵好，放入加热炉内预热，预热温度为750℃±50℃，达到温度后保温25分钟±5分钟，取出模具，垂直放置，将引管口的盖移走，

步骤三、将凹模内反应原材料Al+Fe₂O₃粉末点燃，Al和Fe₂O₃发生铝热反应，产物Fe和Al₂O₃均处于液态，Al₂O₃液相附于凹模内壁并结晶凝固，最终在凹模的内壁形成连续的陶瓷涂层，Fe液最后凝固，形成集中铁块在导管中去除，

步骤四、冷却，

步骤五、去掉引、导管，得到凹模的粗坯，

步骤六、对凹模粗坯内壁陶瓷涂层进行磨削加工得黑色金属半固态加工用陶瓷涂层凹模。

2、根据权利要求1所述的一种静态自蔓延法制备黑色金属半固态加工用陶瓷涂层模具，其特征在于在步骤一反应原材料Al粉和Fe₂O₃粉中加入5％~10％的Si粉。

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