靜態自蔓延法製備黑色金屬半固態加工用陶瓷塗層模具的製作方法

2023-05-28 06:10:06 1

專利名稱：靜態自蔓延法製備黑色金屬半固態加工用陶瓷塗層模具的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種半固態金屬加工模具，具體涉及一種採用靜態自蔓延法製備黑色金屬半固態加工用陶瓷塗層凹模模具。屬材料加工技術領域。
背景技術：
近年來，半固態金屬加工技術發展很快，並已在汽車工業等領域得到一定程度的應用。但真正投入大批量工業應用的仍然是低熔點的有色合金。原因是黑色金屬熔點高，操作難度大，由於沒有專門為黑色金屬半固態加工研製的模具材料，一般採用普通熱作模具鋼製造。在1300℃以上的高溫和高壓下工作，二次加熱後，半固態合金具有固相存在，此時合金含有低的結晶潛熱，漿料的凝固速度較大。受力與熱的交互作用，模具工作條件惡劣，易損壞失效，壽命很低，常出現使用數次後模具工作零件變形的情況。使製品成本升高，質量下降。由此可見，現有的模具材料不能適合黑色金屬半固態加工的惡劣服役條件，導致模具變形、氧化、熱疲勞，熔蝕與粘焊等失效形式均為模具材料難以承受高溫所致。因此，降低成本、延長壽命已成為黑色金屬半固態加工技術亟待解決的問題之一。事實上，由於黑色金屬固態變形抗力大，進行半固態成形的必要性更加明顯。
研製新型黑色金屬半固態加工模具材料的關鍵是提高其耐高溫性能。如研製新型耐熱合金，固然能滿足要求，但同時也使模具成本大幅度提高。陶瓷材料的晶體結構決定了它高強度、高模量的性質，並具有優良的耐高溫性能和化學穩定性、較好的抗高溫氧化和抗高溫蠕變性，為從事黑色金屬半固態金屬加工和半固態觸變成形研究的專家學者所注目。在過去的幾十年裡，許多人進行了大量的研究，取得了一系列有價值的成果，但其熱震性、脆性和抗拉強度問題沒有得到根本解決。
自蔓延高溫合成(Self-propagating High-temperature Synthesis)，縮寫為SHS，是利用化合物生成時放出的反應熱，使合成反應自維持下去直至反應結束，從而在很短時間裡合成出所需材料的一種方法。反應產物為陶瓷、金屬陶瓷、金屬間化合物等。

發明內容
本發明的目的在於提供一種成本低廉、工藝簡單、模具使用壽命長的靜態自蔓延法製備黑色金屬半固態加工用陶瓷塗層模具。
本發明的目的是這樣實現的一種靜態自蔓延法製備黑色金屬半固態加工用陶瓷塗層模具，它是利用靜態自蔓延高溫合成法在黑色金屬半固態加工用凹模內表面形成陶瓷塗層，具體工藝步驟如下步驟一、將反應原材料Al粉和Fe2O3粉按配比混合。
步驟二、將混合均勻的粉末填滿凹模，上置引管，下置導管，將凹模、引管和導管固定在一起，並將引、導管的口蓋堵好，放入加熱爐內預熱，預熱溫度為750℃±50℃，達到溫度後保溫25分鐘±5分鐘，取出模具，垂直放置，將引管口的蓋移走。
步驟三、將凹模內反應原材料Al+Fe2O3粉末點燃，Al和Fe2O3發生鋁熱反應，產物Fe和Al2O3均處於液態，Al2O3液相附於凹模內壁並結晶凝固，最終在凹模的內壁形成連續的陶瓷塗層，Fe液最後凝固，形成集中鐵塊在導管中去除。
步驟四、冷卻。
步驟五、去掉引、導管，得到凹模的粗坯。
步驟六、對凹模粗坯內壁陶瓷塗層進行磨削加工得黑色金屬半固態加工用陶瓷塗層凹模。
本發明形成的陶瓷塗層由兩層組成，外層為近乎純Al2O3陶瓷層，組織形態為柱狀；過渡層為Al2O3+α-Fe，兩相呈柱狀交替分布，塗層與基體之間相的過渡形式是Al2O3→Al2O3+α-Fe→Fe，與基體接觸是純鐵。這種塗層結構使得塗層與基體之間結合強度高，熱震性和抗拉、抗壓性能良好。
與鋅、鎂、鋁合金及銅合金等相比，黑色金屬半固態金屬加工時模具工作溫度最高，Al2O3在高溫下使用時，仍有很高的強度。因而，表層為Al2O3，中間層為鐵基Al2O3顆粒增強複合材料的高溫性能可滿足半固態金屬加工需要。
本發明選用用Al+Fe2O3粉末作為自蔓延反應原材料，成本低廉，塗敷工藝簡單。
鋁熱技術原理是通過Al和Fe2O3的還原反應，將Fe2O3中的Fe還原。反應物一經點燃，反應會自行進行下去，蔓延至整個反應體系，反應產物為鐵水和三氧化二鋁陶瓷。其化學反應方程式為
(1)SHS靜態法(重力分離法)製備陶瓷內襯模具的原理如圖1a-d所示。圖中，鋁熱劑1、內襯陶瓷層2、液態陶瓷3和還原鐵液4。在製備過程中，始終保持燃燒波面處於相對靜止的水平狀態，物料(Fe2O3+Al)引燃後藉助鋁熱自蔓延過程和反應產物熔體Al2O3-Fe重力分離特性，在燃燒合成的同時依次實現Fe和Al2O3的內表面塗覆。
塗層合成主要經歷燃燒反應、液相分離、凝固塗覆三個基本過程。雖然靜態蔓延高溫合成法形成的陶瓷塗層因中間過渡層的存在受急熱作用不易剝落，但陶瓷層的緻密度既影響其內聚強度，又影響其耐蝕性。提高陶瓷層緻密度的方法有三種一是提高反應劑粉末的密度。如藥粉填充後輕微震動，將藥品蹾實；二是提高反應溫度，並減緩冷卻速度，預熱是提高反應溫度減緩冷卻速度的有效方法，當工件預熱溫度由300℃升高到600℃，陶瓷層緻密度可提高約10％，同時也有利於提高過渡層與基體的結合強度；三是在反應劑中加入5％~10％的Si粉，可顯著降低孔隙率，因為高溫下Si氧化形成SiO2，造成體積膨脹可部分抵消體積收縮，同時Si能改善液態Fe和固態Al2O3的潤溼性，使Fe液能充滿Al2O3的枝晶間隙處，從而提高陶瓷層和過渡層的緻密度。
本發明利用靜態自蔓延高溫合成法可在黑色金屬半固態凹模的內表面製備與基體呈冶金結合的陶瓷顆粒增強梯度複合材料塗層。Al2O3/Fe梯度陶瓷塗層減少了對外的熱量損失，採用具有隔熱作用的模具，易於在速度較慢的液壓機上進行黑色金屬半固態加工，梯度陶瓷塗層對熱應力具有明顯的緩得行為。塗敷成本低廉、工藝簡單。


圖1為本發明SHS靜態法製備陶瓷內襯模具的原理圖。
圖2為本發明熔塗工藝過程圖。
具體實施例方式模具陶瓷塗層熔塗試驗凹模的外徑、內徑、和高度尺寸分別為￠100、￠33、50mm。材質為45#鋼。凹模內表面採用靜態白蔓延法製備表層為Al2O3，過渡層為鐵基Al2O3顆粒增強複合材料梯度陶瓷塗層。Al粉和Fe2O3粉按化學計量配比混合，Al粉純度為97％，粒度70目，Fe2O3粉粒度200目，工業純。熔塗工藝過程如圖2所示。圖中，藥粉1、引管2、凹模3、導管4、石棉墊5和塞子6。凹模的內表面粗加工，將混合均勻的粉末，按填充密度為1.4～1.5/cm3填滿凹模。上置引管，下置導管。將凹模、引管和導管固定在一起，並將引、導管的口用耐火磚蓋堵好，放入電阻式加熱爐內。預熱溫度為750□。達到溫度後保溫25分鐘，取出模具，垂直放置，將引管口的耐火磚蓋移走，用特製的打火機迅速點火。
點燃後，鋁和氧化鐵按式(1)發生鋁熱反應。由於放熱，反應可自行維持，絕熱溫度達到3428□，且由於凹模預熱溫度高，蔓延速度快，整個反應幾乎在整個凹模內同時發生，造成劇烈的體積膨脹，凹模即刻處於紅熱狀態。在脹爆力的作用下，反應產物以一定的速度衝向凹模的內表面，此時產物Fe和Al2O3均處於液態。因Fe密度大於Al2O3密度，而使液相分離，Fe液在下層，Al2O3在上層，中間層為Al2O3和α-Fe的混合層，該層厚度比例較大。隨著自蔓延反應的不斷進行，液體界面不斷下移，Al2O3液相附於凹模內壁並結晶凝固，最終在凹模的內壁形成連續的陶瓷塗層。Fe液最後凝固，形成集中鐵塊在導管中去除。反應過程大約持續40s。反應完畢後，置於自然條件下自動冷卻，由於陶瓷與金屬的膨脹係數不同，冷卻後凹模對陶瓷塗層產生壓應力，從而進一步增強了結合強度。最後去掉引、導管，得到凹模的粗坯。
採用靜態自蔓延法製備的凹模內襯複合塗層的尺寸精度和表面粗糙度一般達不到直接使用的要求。通常應對陶瓷塗層進行磨削加工。Al2O3陶瓷塗層具有高硬度、高耐磨性、高脆性的特點。陶瓷的去除機理是脆性破壞，靠脆性龜裂破壞產生微細粉末狀磨粒去除。在磨削時必須嚴格控制磨削力的大小。徑向磨削力大，作用於磨輪軸上的力就大，軸的彈性變形也隨之加大，容易產生振動而影響加工表面質量，降低磨削效率。所以，在磨削時，要控制好進刀量、磨削深度和轉速。磨輪材質為金剛石。因為金剛石硬度高，耐磨性是Al2O3的10倍，切削時熱磨損也很小。在磨削過程中，添加乳化液，以避免因切削溫度高而使金剛石變軟和金剛石微粒的磨削性能因熱化學作用而降低。
應用試驗結果表明靜態自蔓延法製備的塗層具有優異的工藝適應性。其原因在於(1)材料為Al2O3的表層熔點高達2050℃，可以在高溫下承受負荷；(2)表層熱膨脹係數與過渡層比較接近，有利於緩和熱應力；(3)塗層具有較高的硬度、強度和耐磨性；(4)化學性質穩定，不易被氧化腐蝕和浸蝕；(5)塗層具有一定的隔熱效果，可以降低模套溫度，提高模套抗變形能力。
靜態自蔓延法不僅可處理各種直徑的凹模，而且在處理一些非迴轉體內表面也顯示出巨大的優越性，如各種耐磨、耐蝕彎管狀的凹模、異形管狀凹模及具有複雜的內表面形狀而又要耐蝕的模具。
權利要求
1.一種靜態自蔓延法製備黑色金屬半固態加工用陶瓷塗層模具，其特徵在於它是利用靜態自蔓延高溫合成法在黑色金屬半固態加工凹模內表面形成陶瓷塗層，具體工藝步驟如下步驟一、將反應原材料Al粉和Fe2O3粉按配比混合，步驟二、將混合均勻的粉末填滿凹模，上置引管，下置導管，將凹模、引管和導管固定在一起，並將引、導管的口蓋堵好，放入加熱爐內預熱，預熱溫度為750℃±50℃，達到溫度後保溫25分鐘±5分鐘，取出模具，垂直放置，將引管口的蓋移走，步驟三、將凹模內反應原材料Al+Fe2O3粉末點燃，Al和Fe2O3發生鋁熱反應，產物Fe和Al2O3均處於液態，Al2O3液相附於凹模內壁並結晶凝固，最終在凹模的內壁形成連續的陶瓷塗層，Fe液最後凝固，形成集中鐵塊在導管中去除，步驟四、冷卻，步驟五、去掉引、導管，得到凹模的粗坯，步驟六、對凹模粗坯內壁陶瓷塗層進行磨削加工得黑色金屬半固態加工用陶瓷塗層凹模。
2.根據權利要求1所述的一種靜態自蔓延法製備黑色金屬半固態加工用陶瓷塗層模具，其特徵在於在步驟一反應原材料Al粉和Fe2O3粉中加入5％~10％的Si粉。
全文摘要
本發明涉及一種靜態自蔓延法製備黑色金屬半固態加工用陶瓷塗層模具，它是利用靜態自蔓延高溫合成法在黑色金屬半固態加工凹模內表面形成陶瓷塗層，具體工藝如下將反應原料Al和Fe
文檔編號C04B35/65GK1762618SQ200510040328
公開日2006年4月26日 申請日期2005年5月31日 優先權日2005年5月31日
發明者陳威, 劉禮華, 譚佃龍, 馬向平, 孫長青, 孫文, 張偉紅 申請人:江蘇法爾勝技術開發中心