金属组件及其制造方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201680026517.5 | 申请日 | 2016-05-06 | 公开(公告)号 | CN107635938A | 公开(公告)日 | 2018-01-26 |
| 申请人 | 尼玛克股份有限公司; | 发明人 | 沃尔夫冈·屈恩; 安妮特·布雷特施奈德; 罗尔夫·戈施; 伯恩哈德·施陶德尔; 尤里·贡塔列夫; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种金属组件，其具有一面，该面在使用期间与其环境比较具更高的热或机械负荷，并且至少部分地以釉或珐琅层 覆盖 ，以及其制造方法。根据本发明的金属组件能够实现在 热处理 作业期间不致有特别的限制，并依然确保对在使用期间具有高负荷的该等表面的最佳防护。这通过使该釉或珐琅层包含相对于用于制造该珐琅涂层的该珐琅熔 块 重量比由2至35％的微粒的混合物达成，这些颗粒由“玻璃、有机塑料材料、合成地制造的 氧 化物或 熔化 物”的群组中的至少一种材料组成，其具有最大为50x10-7K-1的 热膨胀 系数以及至少500℃的融熔 温度 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种金属组件，其具有一面，该面于使用期间与其之环境比较具更高的热或机械负荷，并且至少部分地以釉或珐琅层覆盖，其特征在于,该釉或珐琅层相对于用以制造珐琅涂层的珐琅熔块系包含由2至35％重量比的颗粒混合物，该等颗粒由“玻璃、有机塑料材料、合成地制造的氧化物及该等氧化物的混合物，其中该等氧化物的制造可任择地通过融熔的方式进行”的群组中的至少一种材料组成，其具有最大为50x10-7K-1的热膨胀系数以及至少 |
||||||
| 说明书全文 | 金属组件及其制造方法技术领域[0001] 本发明涉及一种金属组件，其具有一面，该面在使用期间在热能或是机械方面较其环境有更高的负荷，其中此面至少部分地以釉或是珐琅层覆盖，从而防护以抗热负荷或是机械负荷。特别地，该金属组件为由金属铸造材料所铸成的铸造组件。 [0002] 本发明还涉及一种用于制造金属组件的方法，特别是铸造组件，其具有一面，该面的至少一个在使用期间承受高热量交替负荷的位置处以珐琅或是釉层覆盖。 背景技术[0003] 如于由Dr.-Ing.Wolfgang Kühn，于 /表面多重表面No.2/09，第6-9页所发表的文章“ und Grenzen der Emaillierung von Leichtmetallen”(轻金属之珐琅涂层的可能性与限制)中详细的解释，由轻质材料，诸如铝、镁及钛材料制成的组件的珐琅涂层逐渐变得重要。于此例子中，由一技术的观点，迄今为止，保护组件表面不受腐蚀性侵袭为头等重要的。 [0004] 如于该提及的文章中进一步的叙述，珐琅涂层为玻璃层，尤其就融熔温度及热膨胀系数而言适合于供其所用的承载材料。其将玻璃表面的性质与金属的材料及加工性质相结合。与其他涂层不同，当相应的珐琅涂层经炙烧时结合形成玻璃/金属合成物，其中，中间层，所谓的介金属相，于该玻璃材料与该金属基板之间构成。此确保该涂层特别密集地黏合至该金属。为此目的，现代的珐琅时下为多材料混合物，使用其在低炙烧温度下共熔的特性，从而获得极佳的机械硬度以及化学抗性。于此例子中，珐琅涂覆的工作件能够，例如，通过弯曲、锯切或是钻孔进行加工，并能够附加地提供功能性的、奈米级溶液-溶胶层，从而例如完善硬质抗刮珐琅层使其具有耐温抗黏着效果。 [0005] 由DE 10 2010 025 286 A1进一步熟知的是，用于内燃机的轻质金属铸造组件的排放气体信道的内面，例如汽缸头，能够通过至少部分地以由玻璃材料构成的涂层覆盖而有效地受保护抵挡热过负荷。实务上使用此提案产生一特别的挑战在于，一方面该涂层必需可靠地抵挡于作业期间发生的机械及热负荷，而另一方面，必需容许相应组件与涂覆的表面部分相邻的部分的机械加工无使涂层剥落的风险。 [0006] 进一步地就其机械及热抗性优化的珐琅涂层能够使用在DE 10 2013 108 428 A1及WO 2015/018795 A1中提出珐琅粉末制造。其组成部分以该方式结合，使由之制造的珐琅涂层与由现有技术技术所熟知的其他此类涂层相比原则上具有较高的压力抗性及拉伸抗性。此熟知的珐琅粉末因此特别地适于在由轻质金属或是轻质金属合金制成的金属铸造组件上制造珐琅涂层。 发明内容[0008] 在此背景下，本发明的目的在于，提出一种上文所述类型的金属组件，其对热处理无特别的限制，以及其中仍能确保在使用期间承受高负荷的该等面的最佳的防护。 [0009] 同时陈述一种适用于制造该等金属组件的方法。 [0011] 根据本发明，通过权利要求14中所述的方法实现运行可靠地制造根据本发明的类型的金属组件。 [0013] 根据本发明的用于内燃机的一种金属组件因此具有一面，其于使用期间与其环境比较具更高的热或机械负荷，并且至少部分地以釉或珐琅层覆盖。根据本发明，该釉或珐琅层包含相对于用以制造该珐琅涂层的该珐琅熔块重量比由2至35％的微粒混合物，这些颗粒由“玻璃、有机塑料材料、合成地制造的氧化物及该等氧化物的混合物，其中该等氧化物的制造通过融熔的方式进行”之的群组中的至少一种材料组成，此材料分别具有最大为50x10-7K-1的热膨胀系数以及至少500℃的融熔温度。 [0014] 根据本发明，该用语“釉或珐琅层”理解为由无机化合物所构成的层，该等化合物包含已融熔在一起的碱族及碱土族的氧化物。该等氧化物包括SiO2、Al2O3、B2O3、Li2O、Na2O、CaO、MgO及K2O。于此例子中，该等层可附加地包含纤维形式的无机或有机化合物，例如，SiC或C纤维，以及本领域技术人员熟知的其他珐琅典型添加物。于该釉或珐琅涂层的制造期间，使用作为熔块的该等预先融熔化合物以水磨碎。接着，可选添加该等纤维。 [0015] 根据本发明，现在，优选在浆液制造之后，附加地添加颗粒至该浆液，该颗粒在最大的融熔温度下具有最小的热膨胀系数。该等颗粒包含属于“玻璃、有机塑料材料、合成地制成的氧化物及该等氧化物的混合物，其中该等氧化物的制造可选通过融熔而进行”的群组的材料。该等相关的材料的特征在于，其具有最大为50x 10-7K-1的极低的最大热膨胀系数以及至少500℃的高融熔温度。于此例子中，就本发明的颗粒混合物而言，此类材料特别地适合，其具有最大为25x 10-7K-1、特别是最大为10x 10-7K-1的膨胀系数。适于混合物粉末的在此讨论类型的材料中，实务上该膨胀系数典型地至少为0.5x 10-7K-1，其中经常出现的是至少为2x 10-7K-1或至少为4x 10-7K-1的最小膨胀系数。 [0016] 能够用于根据本发明的目的的粉末亦必需具有高的融熔温度。已发现于此例子中至少900℃的融熔温度特别地适合，其中该融熔温度最佳地在1000至1400℃的范围中。 [0017] 根据本发明添加的混合物的量根据用于构成珐琅层的珐琅熔块的重量确定。也就是说，假若该珐琅或是釉涂层意欲包含100公克的珐琅熔块，根据本发明，则添加2-35公克的粉末混合物材料至该浆液，该等材料为根据本发明所确定。 [0018] 以此方式获得的浆液施加至相应表面的意欲防护的部分，在该处干燥并炙烧以构成相应的釉或是珐琅涂层。能够以传统方式通过将金属组件整体地带至需要的温度下而进行干燥及炙烧作业。假若于加工金属组件的期间达成此作业，则由于本方法在相应金属组件中存在的用于干燥的热量能够用于该干燥及炙烧作业。这例如对铸造组件实现以根据本发明的方式涂布由于铸造作业而仍热的铸造组件。当该金属组件为热成形、特别是热缎造的组件时，能够有相似的可能性。为了调整其机械及其他的性质,于该金属组件接受热处理作业期间亦能够进行该干燥及炙烧作业。 [0019] 已经令人惊讶地发现，设置在根据本发明的金属组件中的珐琅或玻璃层由于根据本发明附加地添加的颗粒混合物而在高速进行的温度变化时也对温度变化不敏感，该颗粒由将特别低的热膨胀系数与高融熔温度相结合的材料构成。该等极度的温度变化发生在，例如，在热处理作业之后金属组件的淬火期间，当该等金属组件使用淬火介质，例如，水、喷雾或液态氮进行淬火时。于此例子中，达到高于2K/s，典型地至少为5K/s的冷却率，其中，利用水淬火或是水喷雾所达到的冷却率的典型的上限为30K/s。已发现的是，即使具有与该快速淬火相关联的温度震击，仍能确保在相应的金属基板上的涂层牢固的黏着性。 [0020] 由于急促且极度的温度变化，根据本发明的涂层中也可能无法避免地产生裂痕，该裂痕在重新加热作业后愈合，因此，甚至在重复的温度变化下，相对于初始状态亦未造成对涂层的防护及黏着性质的损伤。于此例子中，实际测试已显示，根据本发明涂覆的组件除了淬火之外能够经冷却至周围温度，例如，使用液态氮，至上达-196℃的温度而未出现任何后续影响涂层的防护作用的损害。 [0021] 因此本发明的珐琅或是釉涂层的配方使该等涂层能够以可靠的方式在不同的金属材料上产生并永久地附着。因此，本发明同样地适于涂覆金属组件，特别是铁材料的铸造组件，以及适于涂覆由轻质金属铸造材料制成的组件，特别是铝铸造材料。于此例子中，通过基底材料与珐琅之间的反应性确保涂层黏着至相应的材料基板。根据本发明附加地添加的混合物因而确保所需的热震抗性。 [0022] 根据本发明提供的混合物当其之内含物相对于添加至该浆液的珐琅熔块之重量至少为8％的重量比时具有特别有利的效果，特别地至少10％的重量比。当该粉末颗粒之内含物相对于该珐琅熔块的重量为最大30％的重量比，特别地最大20％的重量比时，根据本发明添加的颗粒粉末的性质有最佳的使用效果。 [0023] 于此例子中，已发现当施加至在根据本发明的方法的范围内文中待防护的该表面部分的该珐琅或是釉层或浆液包含预先研磨的作为一混合物的陶瓷颗粒时，产生意欲施加至待防护的表面部分的该浆液中混合物的该等颗粒的最佳分配以及在该金属组件上制造的该珐琅或釉涂层中一相应的最佳分配与作用。特别地，于此,该等颗粒具有相对于该珐琅或釉涂层之热震抗性的一积极效用，即存在于所施加的该涂层或是浆液中研磨细度为5-150微米的颗粒。 [0024] 珐琅或釉涂层当其为50-1000微米厚时以一特别有效的方式产生其防护性效果，其中以由300-500微米的一层厚度产生该层的优化抗性，同时有最佳的作用。 [0025] 于每一例子根据本发明施加热传导性小于10x 10-7K-1的珐琅或釉涂层能够确实地避免待防护的该表面部分之过度加热，其中具有小于4x 10-7K-1的热传导性的涂层已发现在此方面系特别地有利。在本发明之涂层的层厚度位于上述范围中时尤其如此。 [0026] 根据本发明所添加作为混合物的该等颗粒可，但非必需包含均质材料。替代地，该等材料的混合物能够在该等材料就其热膨胀系数及融熔温度而言符合本发明规定的需求时使用作为添加物。 [0028] 该系统MgO-Al2O3-SiO2(硅酸镁铝)可考虑的材料特别地包括堇青石(M2A2S5)，铝硅酸盐特别地可考虑多铝红柱石(A3S2)。亦能够使用包含该等系统的成分的颗粒，特别是具非晶形或结晶结构的SiO2或是以金刚砂改性的Al2O3的颗粒。 [0029] 就硅酸锆铝(ZrO2-Al2O3-SiO2)而言，特别地，锆多铝红柱石(ZSA3)或锆石(ZS)为特别适于根据本发明的目的所用的材料。 [0030] 锂陶瓷或技术级玻璃，诸如石英玻璃，在高融熔温度下亦具有最小的膨胀系数，并能够根据本发明的目的以充分地成为粉末的形式添加至珐琅。 [0031] 当然，上述该等材料的混合物亦能够在符合本发明就其膨胀系数与其之融熔温度而言提出的需求时，与适于本发明的目的所用的其他材料搭配使用。该等材料包括，例如，瓷材料，其具有最大为0.5x 10-7K-1的典型的热膨胀系数以及高于1600℃的特别高的融熔温度。 [0032] 所熟知的氧化物陶瓷在900℃的范围中的融熔温度下具有典型的膨胀系数8x 10-7 -1 K 。 [0033] 根据本发明提供的该等混合物能够以市售的形式添加。于此提及以及能够用以制造该混合物的该等材料为本领域技术人员所熟知的，如为适合用于相关材料的磨粉的方法(见，例如，Gerald Routschka，Hartmut Wuthnow[Ed.]“Praxishandbuch Feuerfeste Werkstoffe”(耐火材料实用手册)，5th edition，Vulkan Verlag，ISBN-13︰978-3802731617)。 [0034] 解释能够用于根据本发明的目的的该有机塑料材料，例如，在AVK中-Industrie Vereinigung Kunststoffe e.V.(强化塑料联盟(Federation of Reinforced Plastics))“handbuch Faserverbundkunststoffe︰Grundlagen，Verarbeitung，Anwendungen”，(纤维合成塑料材料手册︰原理、加工、应用(Handbook of Fibre Composite Plastics Materials︰Principles，Processing，Applications))，Vieweg+Teubner Verlag；Edition︰3.，completely revised edition 2010(27th October 2009)。 [0035] 根据本发明的该涂层特别地适于防护金属组件的该等面，即在使用期间通过于其中形成或是由之流动通过的气体而热负载的面。可于该金属组件的空间中或通道中提供该等面，其中于使用期间形成相应的热气或是在使用期间热气流动通过。例如，于该等金属组件中，特别是铸造组件中，产生该等关系，即用于内燃机的该等燃烧室及该等排气信道的区域中，以及用在内燃机之承受排气流之热量的涡轮增压器外壳、活塞及其他组件的区域中的金属组件。于此例子中，能够，例如，用钣金材料构成内燃机的该排气系统的排气歧管。于此例子中，已根据本发明制造的珐琅或是釉涂层亦发现对于防护而不致过度的局部加热是极为有利的。 [0036] 然而，精确地利用该等组件，可有益地不仅防护具有根据本发明的涂层以热气负荷的该等内面。因此，当特别的机械或热负荷出现在该位置处时，亦可有益地以根据本发明的方式涂覆相应金属组件的外部表面部分。根据本发明的该釉或是珐琅涂层亦可建构一腐蚀防护，其防护该使用以抗化学侵蚀性流体或是气体介质。 [0037] 根据本发明的一典型的应用为一汽缸头，其制造作为内燃机所用的铸造组件。本发明亦同样地适用于涡轮增压器的外壳，该涡轮增压机布置在内燃机的排放气流中,并且该排放气流所通过的该该涡轮增压机的通道以根据本发明的方法涂覆。 [0038] 由于根据本发明的涂层，内燃机的输出能够决定性地增加。为此目的，环绕该燃烧室的该等区域，诸如活塞、块件承受表面以及汽缸头燃烧室顶面，能够以根据本发明的方式涂覆。由于以此方式所致使的热损失减少，“绝热机”的目标又往前一步。再者，可有益的是根据本发明至少部分地涂覆该内燃机之该等入口通道，因此该进入的空气相对于当机器高度负荷时环绕该入口通道的该铸造材料的高温受到屏蔽，并因而达到较高的增压程度并因此增加机器效率程度。根据本发明的涂层由于低的热传导性亦能够有助于减少机器以及其他的热设备的辐射损失。 [0039] 最后，通过本发明，在燃烧过程期间产生的反应气体能够以较大的热效率经引导进入后续的处理。 [0040] 假若根据本发明的涂层意欲实施为珐琅涂层，如于DE 10 2013 108 429 A1中说明的珐琅,其内容于此并入本申请案的揭示内容，特别地适合作为此过程的基底。于相关的德国专利申请案中提出的珐琅粉末特别地适合用于涂覆在作业期间接受高热负荷及机械负荷的金属表面，并作为一混合物,其包含100份的玻璃粉末，可任择地10-22份的未加工玻璃晶粒，其大于该玻璃粉末的该等颗粒，0.1至7.5份的陶瓷纤维、玻璃纤维或是碳纤维以及可彼此替代地或是相互结合的10-21份的轻金属的粉末状氧化化合物或是1-5份的重金属的粉末。通过将根据本发明提供的混合物添加至由此混合物构成的浆液，就其防护作用与抗性而言获得一涂层,其可靠地符合甚至最高的需求。 [0041] 当于此例子中使用该用语“份”作为计量措施时，此理解为添加至该珐琅粉末的相应成分的量使用一测量单元量测，其对所有的成分为相同的，并且根据本发明分别用于单个成分的“份”描述相应的多个该测量单元。附图说明 [0042] 无 具体实施方式[0043] 根据以上的解释，根据本发明的用于制造金属组件的方法，该金属组件具有一面,其于使用期间所受的热负荷或机械负荷较其环境更高，以及其至少部分地以釉或珐琅层覆盖，该方法包含以下的作业步骤︰ [0044] -提供该金属组件； [0045] -提供珐琅或釉浆液，其包含相对于用以制造珐琅或釉涂层的珐琅熔块重量比为2.0至35％的颗粒混合物，其由“玻璃、有机塑料材料、合成氧化物混合物或熔化物”的群组中的至少一种材料组成，其具有最大为50x 10-7K-1的热膨胀系数以及至少500℃的融熔温度； [0046] -将该珐琅或釉浆液施加至该金属组件的相应的面的部分上； [0047] -干燥及炙烧该施加的该珐琅或釉浆液； [0048] -热处理该金属组件，其中该热处理作业可任择地包含在一冷却速度下的冷却作业，该冷却速度较于静态空气中的冷却作业，特别地在移动空气中的冷却作业达到的冷却速度更高高； [0049] -可任择地对由该珐琅或釉浆液所构成的珐琅或釉层进行机械加工。 [0050] 在此，根据本发明施加的该涂层的非敏感性使热处理以及其他用以制造具最佳性质的组件所需的方法的范围宽广。例如，该金属组件能够经局部加热施加该珐琅或釉浆液的区域以炙烧已在施加的该珐琅或釉浆液涂层，并能够在此区域外侧维持在一较低的温度下，从而减少因该炙烧加工而对该金属组件基板的影响。根据本发明的该涂层亦能够再机械加工，例如，通过研磨方式。 [0051] 在此,本发明适用于接受上述使用状况的任何金属组件。该等金属组件包括通过塑形作业基于片状件所制成的金属组件，以及使用原始塑形方法，例如，铸造或是锻造法制成的金属组件。 [0052] 利用本发明，因此提供一金属组件以及用于制造其的方法，能够精确制造以及特别地在此能够对内中空空间进行涂覆作业。根据本发明的该涂层的一特别优点在于其提供高度地有效的防护以抗热、腐蚀或是机械负荷，而不需为此目的提供附加的组件。以此方式避免了铸造成形组件的公差问题。 [0053] 通过本发明可行地制成的该最小化层厚度同时具有优化防护功能，使该金属组件的尺寸与构造能够在节省重量方面，甚至是在预期高负荷的区域中达到优化。 [0054] 在热加工作业期间，可以一特别经济的方式进行该涂层的炙烧作业，特别是固溶退火处理，如传统上在制造用于内燃机的铸造组件期间进行。 [0055] 由于通过本发明的该涂层确保的防护，所以对于该金属材料的热、腐蚀或机械抗性方面的高程度需求较少。如此能够更具成本效益且一般地可使用能承受较低负荷的材料。 [0056] 以下参考具体实施例更为详细地解释本发明。 [0057] 实例1 [0059] 接续地，在意欲配置一珐琅涂层的该等表面部分上消除该等氧化反应产物，特别是Al2O3以及在该退火作业期间已产生的其他杂质。为此目的，相应的表面系利用稀释的硝酸HNO3酸洗。接续地，该汽缸头经冲洗为了中和该先前酸洗的表面，首先以稀释的碱液并接着以水冲洗。干燥之后，施加根据以下的配方混合的一浆液︰ [0060] 100份的珐琅熔块 [0061] 3份的硼酸 [0062] 3份的苛性钾 [0063] 3份的水玻璃 [0064] 55份的水。 [0065] 为了测量所提及的该等“份”，于每一例子中使用相同的中空测量。也就是说，于每一例子中100个珐琅熔块的测量单元与三个硼酸、苛性钾与水玻璃的中空测量单元以及55个水的中空测量单元相混合。于此例子中，建立了该添加的珐琅熔块的整个重量。 [0066] 此混合物于一瓷磨机中研磨。 [0067] 在该研磨作业之后，对获得的混合物根据该混合物中含有的珐琅熔块的重量添加-7 -1重量比为20％的具有典型的10-30x 10 K 的热膨胀系数的粉末形式的堇青石。以此方式构成的该混合物接着再次研磨，直至获得具有均匀一致颗粒尺寸的混合物为止。 [0068] 该汽缸头的该等通道其表面意欲以该珐琅层涂覆，接着以浆液冲洗为了以该浆液弄湿该等相关的表面部分。 [0069] 接着以一炙烧作业进行干燥，其中该汽缸头在510℃的温度下维持持续一段50分钟的时间。 [0070] 以此方式获得的该珐琅层，即使具有极大的温度变化，仍具有良好的至该铝铸造基板的附着性以及相对于破裂形成的一高的非敏感性。 [0071] 实例2 [0072] 亦以铝铸造合金制成供内燃机所用的一涡轮增压器外壳在500℃的温度下退火维持持续一段30分钟的时间，并接着冷却至周围温度。其意欲以一珐琅层涂布的该涡轮增压器外壳的该等内表面接续地通过喷砂作业去除氧化黏着及其他的杂质。 [0073] 就该涂层而言，制备一浆液，其由以下混合︰ [0074] 100份的珐琅熔块 [0075] 4份的硼酸 [0076] 4份的苛性钾 [0077] 4份的水玻璃 [0078] 55份的水。 [0079] 为了测量所提及的该等“份”，该程序如相关于实例1所解释。添加至该浆液混合物的该珐琅熔块之整个重量亦系于此例子中建立。 [0080] 由所提及的该等成分构成的该浆液混合物亦于一瓷磨机中研磨至需要的颗粒精细度。 [0081] 在该研磨作业之后，对该混合物添加相对于包含在该混合物中该珐琅熔块的重量的重量比为17.5％的具有典型的5.4x 10-7K-1的热膨胀系数的石英玻璃粉末。以此方式构成的该混合物接着再次研磨，直至获得具有均匀一致颗粒尺寸的一混合物为止。 [0082] 所得该浆液接着灌注进入该涡轮增压器外壳并通过转动该外壳以均匀方式分布在所意欲涂布的该等表面上。 [0083] 在干燥作业后进行炙烤，其中该涡轮增压器外壳在525℃的温度下维持持续一段45分钟的时间。 [0084] 以此方式获得的该珐琅层，即使具有极大的温度变化，能够良好地附着至该铝铸造基板并具有相对于破裂形成的高的非敏感性。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈