專利名稱：鑄造機(jī)部件用金屬材料、與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鑄造機(jī)部件用金屬材料、與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件及其制備方法，且更具體地講，本發(fā)明涉及鑄造機(jī)部件用金屬材料和與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件及其制備方法，所述金屬材料和與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件對(duì)熔融鋁合金具有優(yōu)異的耐熔損性。
背景技術(shù)：
熔融鋁合金具有與金屬(如鐵)反應(yīng)生成金屬互化物的特性。鑄造機(jī)與熔融鋁合金直接接觸的那些鋼部件可能由于與鋁反應(yīng)而損壞。這種現(xiàn)象稱為熔損。在鋁合金鑄造過程中，必須采取方法來防止與熔融鋁金屬接觸的主要部件(如導(dǎo)管、鑄模、套筒和插件)熔損。
鋼材料，如經(jīng)過滲氮處理的工具鋼，一般用于鋁鑄造過程中使用的鑄模等。滲氮處理(包括使得氮從鋼表面擴(kuò)散來形成堅(jiān)固的氮化層)在提高材料的耐磨性方面非常優(yōu)異。然而，有人指出這種處理對(duì)于防止熔損而言并不總是足夠的。
就需要高耐熔損性的部件而言，普遍通過氣相沉積方法，如PVD(物理氣相沉積)或CVD(化學(xué)氣相沉積)來在部件表面形成陶瓷涂層。這種陶瓷涂層已知對(duì)于熔融鋁合金化學(xué)穩(wěn)定且具有非常高的耐熔損性(參見New Mechanical Engineering Handbook，B2，Processing/Processing Devices，157頁)。
采用PVD或CVD形成的陶瓷涂層的最大問題是在熱應(yīng)力下發(fā)生剝離。具體地講，由于鋼基材與陶瓷涂層之間熱膨脹系數(shù)差異大，在連續(xù)鑄造循環(huán)中，由于反復(fù)加熱和冷卻會(huì)在陶瓷涂層和鋼基材之間的邊界處會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。該較大的熱應(yīng)力經(jīng)常導(dǎo)致陶瓷涂層從基材上剝離開來，從而所述基材最終與熔融鋁合金直接接觸。因此所述鋼基材開始迅速熔融，導(dǎo)致所述基材熔損。
為了防止陶瓷涂層的這種剝離，對(duì)形成陶瓷涂層的方法進(jìn)行了各種改進(jìn)以減小涂層厚度，以使得所述涂層與基材邊界處產(chǎn)生的熱應(yīng)力最小化，或提高涂層與基材之間的粘結(jié)強(qiáng)度。
盡管已有各種改進(jìn)，但是陶瓷涂層和鋼基材在熱膨脹上的基本差異已成為不可逾越的障礙，并且至今也還沒有實(shí)現(xiàn)完全防止陶瓷涂層的剝離。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是不采用常規(guī)方法，如PVD或CVD提供陶瓷涂層的方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題并提供明顯提高了耐熔損性的鑄造機(jī)部件用金屬材料和與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件的制備方法，所述方法使得TiC粒子可能與部件的Ni合金層牢固粘結(jié)，從而明顯提高了所述部件的耐熔損性。
發(fā)明詳述為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明提供了用于從熔融鋁合金鑄造制品的鑄造機(jī)的機(jī)械部件用金屬材料，所述金屬材料包括鋼基材、在所述基材表面形成的Ni合金層、以微粒狀粘結(jié)到所述Ni合金層表面的碳化鈦(TiC)。
本發(fā)明還提供了用于從熔融鋁合金鑄造制品的鑄造機(jī)的機(jī)械部件，所述機(jī)械部件包括由鋼基材和在所述基材與熔融鋁合金直接接觸的那一側(cè)的表面上形成的鎳合金層構(gòu)成的本體，以及以微粒狀粘結(jié)到所述Ni合金層表面的碳化鈦(TiC)。
本發(fā)明還提供用于從熔融鋁合金鑄造制品的鑄造機(jī)用的與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件的制備方法，所述方法包括如下步驟在鋼基材表面形成Ni合金層，由此形成本體；將所述本體掩埋于TiC粉體中；以及，將所述本體與所述TiC粉體一起放在真空烘箱中，在真空下將它們加熱至Ni合金產(chǎn)生液相的溫度，由此將所述TiC粒子粘結(jié)到Ni合金層表面上。
本發(fā)明可在無需采用常規(guī)方法如通過PVD或CVD提供陶瓷涂層的情況下提供明顯提高了耐熔損性的與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件。因此，通過將本發(fā)明應(yīng)用于鑄造機(jī)與熔融鋁合金直接接觸的那些部件，可明顯延長(zhǎng)所述部件的壽命。
附圖簡(jiǎn)述

圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中鑄造機(jī)部件用金屬材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案中鑄造機(jī)部件用金屬材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件的制備方法示意圖；圖4為顯示各實(shí)施例中制備的與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件熔損測(cè)試結(jié)果的圖；圖5為顯示各實(shí)施例中制備的與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件結(jié)構(gòu)的照片。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方法現(xiàn)在將參考附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行說明。
圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中鑄造機(jī)部件用金屬材料的結(jié)構(gòu)示意圖。該實(shí)施方案中的金屬材料包含鋼基材、在所述基材上形成的Ni合金層和以微粒狀粘結(jié)到所述Ni合金層表面的碳化鈦(TiC)。
TiC粒子具有排斥熔融鋁合金的特性。通過利用該特性，可防止熔融鋁合金與所述鋼基材直接接觸并可獲得高耐熔損性。
與通過用涂層覆蓋整個(gè)表面來隔絕熔融鋁合金與基材金屬表面接觸從而提高金屬材料的耐熔損性的機(jī)理(如通過PVD或CVD常規(guī)陶瓷涂層中)不同，可簡(jiǎn)單地通過將TiC粒子密集地在所述基材金屬表面上分散而明顯提高本發(fā)明金屬材料的耐熔損性。
在該結(jié)構(gòu)中，所述TiC以微粒狀粘結(jié)到Ni合金層上，即使所述基材熱膨脹或收縮時(shí)也不會(huì)有較大的熱應(yīng)力作用在所述TiC粒子上。因此，所述TiC粒子幾乎不會(huì)剝離，因此可保持較長(zhǎng)時(shí)間的耐熱損性。
所述TiC粒子可能部分暴露于所述Ni合金層表面上。這能提高與熔融鋁合金的接觸角，從而提高排斥熔融鋁合金的特性。
優(yōu)選如圖2中所示，TiC粒子的縫隙中充滿細(xì)陶瓷粒子，所述陶瓷粒子包含氮化硼(BN)、氧化鋁(Al2O3)和氧化鋯(ZrO2)中至少一種。所述細(xì)陶瓷粒子改善了TiC粒子附著的底層Ni合金層的耐熔損性。
所述Ni合金優(yōu)選具有如下成分2.6-3.2％的B、18-28％的Mo、3.6-5.2％的Si和0.05-0.22％的C，其余為Ni和不可避免的雜質(zhì)。
所述TiC粒子通過所述Ni合金產(chǎn)生的液相來高強(qiáng)度地粘結(jié)到具有上述組成的Ni合金上。此外，由于所述液相與TiC粒子之間的良好潤(rùn)濕，大量的TiC粒子可密集地粘結(jié)到Ni合金層上。
用于鑄造機(jī)的導(dǎo)管、鑄模、熔融金屬套筒、插件等一般可作為與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件或鑄造機(jī)機(jī)械部件的例子，所述部件使用上述金屬材料。
圖3說明了本發(fā)明實(shí)施方案中與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件的制備方法。
制備的構(gòu)件包含鋼基材。首先，通過熱噴涂在所述基材上形成Ni合金層。
接著，如圖3(a)所示，準(zhǔn)備含有TiC粉體的容器，將由所述基材和Ni合金層組成的構(gòu)件完全掩埋于TiC粉體中。
將所述容器(其中含有TiC粉體和掩埋于其中的構(gòu)件)放入真空烘箱中并在真空下加熱至所述Ni合金產(chǎn)生液相的溫度，由此將所述TiC粒子粘結(jié)到所述Ni合金層表面上。
通過加熱，所述TiC粒子粘結(jié)到所述Ni合金層上，并從所述Ni合金層表面突出，如圖3(b)所示。在此粘結(jié)中，不希望加熱過程中所述TiC粒子完全被熔融Ni合金覆蓋。為了TiC粒子不完全被Ni合金覆蓋，而是在將TiC粒子牢固地粘結(jié)到Ni合金層上的同時(shí)，使其部分暴露于Ni合金層表面，所述TiC粒子的平均粒徑優(yōu)選為10-500μm。
當(dāng)所述TiC粒子的粒徑小于10μm時(shí)，難以控制真空加熱過程中的溫度使得所述TiC粒子不會(huì)完全被Ni合金的液相覆蓋。如果所述TiC粒子完全被Ni合金的液相覆蓋則不能獲得所需的耐熔損性。
另一方面，當(dāng)所述TiC粒子的粒徑大于500μm時(shí)，Ni合金的液相將僅覆蓋所述粒子的較低部分，接觸面積小且粘結(jié)強(qiáng)度低。因而粒子容易脫落。
在TiC粒子粘結(jié)到構(gòu)件上后，可任選將所述構(gòu)件進(jìn)行如下的處理將粘結(jié)劑與陶瓷細(xì)粉混合物的漿液涂到所述TiC粒子上，并將所述陶瓷粉燒進(jìn)所述構(gòu)件的表面，其中所述陶瓷細(xì)粉包含氮化硼(BN)、氧化鋁(Al2O3)和氧化鋯(ZrO2)中的至少一種。經(jīng)過此處理后所述構(gòu)件的耐熔損性提高。
所述Ni合金層(粘結(jié)有TiC粒子)本身對(duì)熔融鋁合金的耐熔損性較差?？赏ㄟ^將所述陶瓷細(xì)粉附著在所述Ni合金層上來改善耐熔損性。此外，附著的細(xì)粉的量使得其充滿所述TiC粒子的縫隙。從而，與熔融鋁合金接觸時(shí)所述陶瓷細(xì)粉幾乎不會(huì)脫落下來。
實(shí)施例現(xiàn)在將參考實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)行進(jìn)一步描述。
實(shí)施例中，采用鋼材料(JIS S45C)作為基材制備熔損測(cè)試用樣品。將具有上述組成的Ni合金熱噴涂到所述鋼基材上，以在所述基材上襯墊一層所述Ni合金。然后在真空烘箱中將所述襯墊有所述Ni合金的基材掩埋在TiC粉中，并在真空下加熱直到TiC粒子粘結(jié)到由Ni合金產(chǎn)生的液相上。
實(shí)施例1和實(shí)施例2制備了兩類測(cè)試樣品。實(shí)施例1的樣品為上述粘結(jié)了TiC粒子但沒有附著陶瓷粉的樣品，而實(shí)施例2的樣品通過將氮化硼(BN)細(xì)粉燒進(jìn)上述粘結(jié)了TiC粒子的樣品的表面制備。
為了對(duì)比實(shí)施例1和2樣品的耐熱損性，通過CVD法，采用氮化鈦(TiN)涂覆與實(shí)施例1和2相同的基材制備對(duì)比樣品。
按照如下方式進(jìn)行熔損測(cè)試每個(gè)測(cè)試樣品浸入保持在720℃的熔融鋁合金(JIS AC4C)中，并在保持浸入所述熔融金屬的同時(shí)，以0.8m/s的圓周速度旋轉(zhuǎn)24小時(shí)。之后，從所述熔融金屬中取出測(cè)試樣品并測(cè)量樣品的重量變化。圖4為熔損測(cè)試結(jié)果。圖4中，橫坐標(biāo)表示實(shí)施例1和實(shí)施例2樣品及對(duì)比樣品每單位面積的熔損量(mg/cm2)。
從實(shí)施例1樣品數(shù)據(jù)和對(duì)比樣品數(shù)據(jù)對(duì)比明顯可以看出實(shí)施例1樣品(TiC粒子粘結(jié)到Ni合金層上)的熔損量可減小到接近通過CVD形成TiN涂層的對(duì)比樣品熔損量的幾乎一半。圖4中的數(shù)據(jù)還表明實(shí)施例2樣品(細(xì)BN粉充滿TiC粒子的縫隙)沒有熔損，從而表明實(shí)施例2樣品優(yōu)于實(shí)施例1的樣品。
現(xiàn)在將對(duì)實(shí)施例3進(jìn)行說明，其中制備的熔融鋁合金接觸的構(gòu)件是一種導(dǎo)管(熔融鋁合金用的流道)。
實(shí)施例3中采用如實(shí)施例2中相同的材料，所不同的是平均粒徑為約1μm的氧化鋁細(xì)粉代替氮化硼(BN)細(xì)粉。圖5顯示了實(shí)施例3材料的橫截面照片。從照片中可以看出大量粒徑為約100μm的TiC粘結(jié)到Ni合金層表面上。
為了與實(shí)施例3的導(dǎo)管的耐熔損性進(jìn)行比較，采用由相同鋼基材和通過CVD形成的TiN涂層組成的材料制備對(duì)比導(dǎo)管。使得在約700℃的熔融鋁合金在實(shí)施例3的導(dǎo)管和對(duì)比導(dǎo)管中流動(dòng)且一段時(shí)間后測(cè)定熔損。
約19小時(shí)后發(fā)現(xiàn)對(duì)比導(dǎo)管中有熔損，而即使100小時(shí)后在實(shí)施例3的導(dǎo)管中也沒有發(fā)現(xiàn)熔損。
權(quán)利要求
1.一種用于從熔融鋁合金鑄造制品的鑄造機(jī)部件用的金屬材料，所述金屬材料包含鋼基材、在所述基材表面上形成的Ni合金層和以微粒狀粘結(jié)到所述Ni合金層表面上的碳化鈦(TiC)。
2.權(quán)利要求1的鑄造機(jī)部件用金屬材料，其中所述TiC粒子部分暴露于所述Ni合金層的表面。
3.權(quán)利要求2的鑄造機(jī)部件用金屬材料，其中所述TiC粒子間的縫隙充滿陶瓷細(xì)粒，所述陶瓷細(xì)粒包含氮化硼(BN)、氧化鋁(Al2O3)和氧化鋯(ZrO2)中的至少一種。
4.權(quán)利要求1的鑄造機(jī)部件用金屬材料，其中所述Ni合金的組成為2.6-3.2％的B、18-28％的Mo、3.6-5.2％的Si和0.05-0.22％的C，其余為Ni和不可避免的雜質(zhì)。
5.一種用于從熔融鋁合金鑄造制品的鑄造機(jī)用的與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件，所述構(gòu)件包括由鋼基材和在所述基材與熔融鋁合金直接接觸的那一側(cè)的表面上形成的鎳合金層構(gòu)成的本體及以微粒狀粘結(jié)到所述Ni合金層表面上的碳化鈦(TiC)。
6.權(quán)利要求5的與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件，其中所述TiC粒子部分暴露于所述Ni合金層表面。
7.權(quán)利要求6的與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件，其中TiC粒子間的縫隙充滿陶瓷細(xì)粒，所述陶瓷細(xì)粒包含氮化硼(BN)、氧化鋁(Al2O3)和氧化鋯(ZrO2)中的至少一種。
8.權(quán)利要求5的與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件，其中所述Ni合金的組成為2.6-3.2％的B、18-28％的Mo、3.6-5.2％的Si和0.05-0.22％的C，其余為Ni和不可避免的雜質(zhì)。
9.權(quán)利要求5至8中任一項(xiàng)的與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件，其中所述構(gòu)件為具有與熔融鋁合金直接接觸的表面的機(jī)械部件，如導(dǎo)管、鑄模、套筒或插件。
10.一種用于從熔融鋁合金鑄造制品的鑄造機(jī)用的與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件的制備方法，所述方法包括以下步驟在鋼基材表面上形成Ni合金層，由此形成本體；將所述本體掩埋于TiC粉中；并將所述本體和所述TiC粉一起放入真空烘箱中，在真空下加熱至所述Ni合金產(chǎn)生液相的溫度，從而將所述TiC粒子粘結(jié)到所述Ni合金層表面上。
11.權(quán)利要求10的與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件的制備方法，其中所述TiC粒子粘結(jié)到所述Ni合金層后，對(duì)所述構(gòu)件進(jìn)行如下處理將粘結(jié)劑和陶瓷細(xì)粉混合物的漿液涂到所述TiC粒子上，并將所述陶瓷粉燒進(jìn)所述構(gòu)件表面中，其中所述陶瓷細(xì)粉包含氮化硼(BN)、氧化鋁(Al2O3)和氧化鋯(ZrO2)中的至少一種。
12.權(quán)利要求10的與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件的制備方法，其中所述TiC粉的平均粒徑為10-500nm。
13.權(quán)利要求10的與熔融鋁合金接觸的構(gòu)件的制備方法，其中所述Ni合金層通過熱噴涂Ni合金形成，所述Ni合金的組成為2.6-3.2％的B、18-28％的Mo、3.6-5.2％的Si和0.05-0.22％的C，其余為Ni和不可避免的雜質(zhì)。
全文摘要
在鋼基材表面上形成Ni合金層來直接與熔融鋁接觸，并將碳化鈦(TiC)以微粒狀粘結(jié)到在Ni合金層表面上。這使得不依靠常規(guī)方法(如PVD或CVD工藝進(jìn)行陶瓷涂布)而會(huì)提供具有非常優(yōu)異的耐腐蝕性。
文檔編號(hào)C23C24/10GK1954097SQ200580015479
公開日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2005年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月22日
發(fā)明者增田淳, 本間周平, 藤本亮輔 申請(qǐng)人:東芝機(jī)械株式會(huì)社