專(zhuān)利名稱(chēng)：將熱噴涂層粘合到非粗糙鋁表面的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將金屬粘合到鋁被處理物的技術(shù)，特別是涉及將穩(wěn)定的熔劑置于這種被處理物以熔解表面的氧化物并促進(jìn)與噴射金屬的牢固的冶金/化學(xué)的粘合的工藝。
迄今為止，表面粗糙度是將熱噴涂層粘合到鑄鋁表面的主要方法。這種粗糙度是借助于諸如噴丸、高壓水的機(jī)械方法；電解加工或化學(xué)蝕劑等方法完成的。這種技術(shù)表明有一系列的缺點(diǎn)，這既因?yàn)槭浅杀?，也因?yàn)楸惶幚砦锏姆至鸦蛘呤且驗(yàn)閷?duì)環(huán)境的影響。如果能找到一種方法，它能免除對(duì)鑄鋁被處理物粗糙度的要求，還能使金屬涂層在被處理物上粘合，那是我們所需希望的。
鋁和鋁合金一般反應(yīng)強(qiáng)烈并容易與鎳、鈦、銅和鐵在中等溫度下形成互化金屬合金。為了抵銷(xiāo)這種反應(yīng)性，鋁或鋁合金在常溫下曝露于空氣中時(shí)會(huì)形成鈍化的表面氧化膜(厚度5～100毫微米)。這種氧化膜會(huì)抑制金屬與非粗糙鋁表面的粘合。于是，為了使鋁或鋁合金與其它金屬產(chǎn)生冶金術(shù)的、化學(xué)的或金屬互化的粘合，經(jīng)常必須去除、溶解或分離這種氧化膜。當(dāng)如此剝離氧化物時(shí)，鋁或鋁合金將容易在500℃那樣低的溫度下與噴涂層進(jìn)行合金化的粘合。
容易采用熔劑去除這種氧化膜。作為范例，采用現(xiàn)有工業(yè)上將兩片鋁合金進(jìn)行釬焊的實(shí)踐(通常用低溫釬焊金屬同時(shí)滾壓)，它們是這樣結(jié)合的，首先將兩片金屬以連接關(guān)系裝配在一起，然后用室溫下應(yīng)用的熔劑浸透結(jié)合區(qū)。當(dāng)積極地加熱時(shí)，熔劑便熔化并剝離表面氧化膜，從而使熔劑層與鋁形成兩面間的合金化結(jié)合(見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利US4911351)。熔劑的成分往往具有氟化基或氯化基(見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利3667111)；氟化或氯化堿金屬鋁鹽具有的熔點(diǎn)(熔化溫度)基本上是或稍低于鋁的熔點(diǎn)(熔化溫度)。實(shí)踐表明，當(dāng)采用滾壓鋁片時(shí)，這很有效，但采用鑄鋁合金則有問(wèn)題，這是因?yàn)殍T鋁有氣孔、不均勻，它沒(méi)有任何硬殼層，并會(huì)在與這種熔劑熔化溫度重疊的較低溫度下熔化。在以下兩種情況下，存在嚴(yán)重的缺點(diǎn)，(i)待與鑄造金屬粘合的金屬是熱噴涂金屬，該金屬與鑄造金屬不相同；以及(ii)金屬作為熱微滴來(lái)應(yīng)用而不存在低熔解溫度的釬焊金屬。
因而，本發(fā)明的主要目的是獲得一種經(jīng)濟(jì)、可靠、即時(shí)的粘合方法，將熱噴涂金屬微滴或微粒粘合到非粗糙鑄造輕金屬基的被處理物上而不存在傳統(tǒng)的釬焊材料。該方法會(huì)提供在這種輕金屬與熱噴涂金屬層之間冶金學(xué)和(或)化學(xué)的粘合，優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)獲得的機(jī)械互鎖連接。
滿(mǎn)足上述目的本發(fā)明是一種將熱噴涂層與非粗糙的鑄造輕金屬(即鋁基)表面粘合，具有所要求質(zhì)量的方法。本方法包括(a)將熔劑材料沉積在凈化后實(shí)質(zhì)無(wú)黃油和機(jī)油的鑄造輕金屬基的表面上，這種沉積提供一種干燥的熔劑涂覆表面，熔劑能夠去除輕金屬表面的氧化物，并具有低于輕金屬基表面熔解溫度的熔解溫度；(b)熱激活熔劑涂覆表面中的熔劑，從而熔化遺留在輕金屬基表面的任何氧化物；以及(c)與步(b)同時(shí)或隨后，熱噴涂金屬微滴或微粒到熔劑涂覆過(guò)的表面，以形成與鋁基表面至少是冶金術(shù)粘合的金屬涂層。
對(duì)鋁基被處理物有利的是，熔劑為含有至多50％(體積比)其它氟化鹽的氟化鉀鋁低共熔物，熔劑最好作為用水或酒精作溶劑的溶液來(lái)應(yīng)用；氟化鹽微粒的大小最好控制在10μm以?xún)?nèi)，這種鹽中至少70％的微粒大小為2～4μm，從而按容積計(jì)，20～30％的微粒在整個(gè)時(shí)間內(nèi)呈懸浮態(tài)而不需攪拌。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
附

圖1為作為AlF3體積百分比函數(shù)的氟化鉀鋁鹽的溫度-金相圖；附圖2為用來(lái)將熔劑材料涂覆到發(fā)動(dòng)機(jī)鋁氣缸體氣缸孔內(nèi)的熔劑噴射裝置示意立體圖；附圖3為用來(lái)將金屬微滴或微粒施加到鑄鋁發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體氣缸孔內(nèi)表面的熱噴射裝置示意立體圖；附圖4為噴槍和緊鄰的涂覆表面部分橫截面放大圖；附圖5為根據(jù)本發(fā)明處理過(guò)的涂覆鑄鋁表面顯微照相圖(放大100倍)；附圖6為采用粗糙技術(shù)(水噴射)然后在這種粗糙表面上、熱噴射金屬微粒而涂覆準(zhǔn)備的鑄鋁表面顯微照相圖(放大倍數(shù)85)；以及附圖7為表示附圖5涂層中金屬微滴或微粒粒子大小分布的曲線(xiàn)圖最佳模式詳細(xì)描述如下憑采用氟化鋁熔劑的經(jīng)驗(yàn)，通常用于熔解溫度的范圍為640～660℃的壓制鋁片合金材料。而本發(fā)明最好涉及含有Si、Cu、Mn或Fe混合物量范圍為0.5～5％(按重量)的鑄鋁合金(例如319、356、380和390)成功的熔化，于是當(dāng)它與例如含有0.5～1.5％Mn、Mg和Fe混合物的3000系列壓制鋁片含合金比較時(shí)，具有稍低的熔解溫度(大約580～600℃)。這種鑄造合金表面粗糙度通常大約為1～3μmRa，它自己不足以提供與其上面熱噴涂層機(jī)械互鎖連接的能力。
一種輕金(Al、Mg)鑄件形成以后，例如鑄鋁發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體10，它具有眾多的氣缸孔11，具有粗糙度大約為0.5～2μm的內(nèi)表面12，這種表面清除掉任何黃油或機(jī)油以后，基本上采用三個(gè)步驟。首先，將熔解溫度顯著低于鑄鋁合金熔解溫度的熔劑材料(大約低60～80℃)沉積于內(nèi)表面并干燥。其次，熱激活熔劑，引起氣缸孔表面任何氧化鋁膜的分解。最后，金屬微滴或微粒熱噴到被激活的熔劑表面，以形成金屬涂層，它至少冶金術(shù)地與無(wú)氧化鋁的表面粘合。
如附圖1所示，最好選擇熔劑為低共熔物13，它包含具有金相結(jié)構(gòu)式γ·K3AlF6+KAlF4的雙氟化鹽。這種低共熔物含有大約45％(體積比)雙氟化鹽的AlF3，KF大約為55％(體積比)。低共熔物具有大約560℃的熔解溫度(沿著線(xiàn)14)，它大約低于被處理物鑄造合金熔解溫度40℃左右。如果雙氟化鹽具有實(shí)質(zhì)上不同的AlF3體積百分比(不是低共熔物)，那末熔解溫度將沿著附圖1的線(xiàn)15快速上升。其它雙氟化鹽，以及其它的氟化或氯化堿金屬鹽，只要它們具有能被加熱激活而不干擾鑄鋁合金的熔解溫度也可被使用。氯化鹽是有用的，但不希望用，因?yàn)樗鼈儾痪邆鋵?duì)鋁制品的抗腐蝕性，并可能有害于鋁合金晶粒的界限。
為了沉積熔劑，金屬鹽需分解或懸浮在諸如水或酒精可噴射介質(zhì)中，其濃度大約為0.5～5.0％(容積比)或者沉積表面每平方米最少5克熔劑。溶液可含諸如5896化工品的弱堿洗滌劑，通過(guò)降低表面張力使熔劑更均勻地散布。溶液也可含其它諸如LiF或CsF附加的混合物，至多50％(重量比)，它便利于其它諸如含氧化鎂膜的鎂被處理物的處理。
雙氟化鹽加入到噴射介質(zhì)要嚴(yán)格控制微粒的大小，使對(duì)于攪拌的要求減至最小，至少保持25％(容積比)的鹽在整個(gè)時(shí)間內(nèi)處于浮懸狀態(tài)。為此，鹽微粒的大小等于或小于10μm，大約70％為2～4μm。鹽噴射沉積的密度大約每平方米3～7克(最好大約每平方米5克)。太多的鹽將抑制熔劑的熔解；而太少將不能達(dá)到熔解的作用。
沉積最好利用噴槍17來(lái)完成(見(jiàn)附圖2)，它旋轉(zhuǎn)的同時(shí)順著氣缸孔軸向向上和向下移動(dòng)，應(yīng)用熔劑溶液完成所希望的覆蓋和涂覆的一致性。沉積以后，最好將熔劑涂覆的被處理物置于去濕的環(huán)境中進(jìn)行干燥并去除溶劑；讓精細(xì)的滑石狀粉末留在被處理物上。
熔劑的熱激活(對(duì)于它的低共熔物熔解溫度為500～580℃)最好借助于熱噴射金屬微滴或微粒(它們處于1000℃以上的溫度)對(duì)熔劑涂覆表面的所產(chǎn)生熱的即時(shí)傳送來(lái)完成，或也可借助于諸如火焰、電阻或感應(yīng)裝置等獨(dú)立的方法進(jìn)行熱激活。
金屬微滴或微粒的熱噴射可采用如附圖3和4的裝置來(lái)完成。金屬線(xiàn)材18饋送到熱槍20的等離子或火焰中，于是，金屬線(xiàn)材18的頂尖21熔化并借助高速氣體噴射流23和24噴霧成微滴22。氣體噴射流將各噴霧25投射到氣缸體氣缸孔的壁12上，從而將涂層26沉積在壁上。熱槍20可由一內(nèi)噴嘴27組成，它將火焰或等離子流19聚焦。等離子流19是這樣產(chǎn)生的，當(dāng)主要?dú)怏w23通過(guò)陽(yáng)極28與陰極29之間時(shí)，剝離掉來(lái)自氣體中的電子，結(jié)果產(chǎn)生極熱的離子流19。熱源熔解線(xiàn)材頂尖21，產(chǎn)生的微滴22由主要?dú)怏w23引導(dǎo)以極高的速度射向目標(biāo)。受壓的次要主體24可用來(lái)進(jìn)一步控制噴射模式25。這種次要?dú)怏w被引導(dǎo)通過(guò)陰極29與殼體31之間形成的通道30。次要?dú)怏w24相對(duì)于離子流的軸的徑向向內(nèi)被導(dǎo)向。作為陽(yáng)極的線(xiàn)材18當(dāng)它撞擊弧時(shí)與陰極連接，使線(xiàn)材18的熔解成為可能。產(chǎn)生的涂層26由微滴層或微粒33組成。在詳細(xì)描述線(xiàn)材的使用時(shí)，其中，由熱噴射裝置饋送的粉末可用來(lái)產(chǎn)生相同的粘合作用。
噴涂微粒當(dāng)它們與被涂覆的鋁被處理物接觸時(shí)，其熱容量很大，大約1200～2000℃。這種熱容量即時(shí)激活熔劑，從而分解被處理物上的任何氧化物并促進(jìn)與其上的熱噴射微粒的冶金術(shù)的粘合。為了進(jìn)一步便于在無(wú)化物鋁被處理物與熱噴射微粒之間進(jìn)行冶金術(shù)的粘合，在其上最初熱噴一粘合層，它由鎳-鋁或青銅-鋁組成；粘合層的微粒大小最好為2.5～8μm，它使涂覆的表面具有大約6μmRa的表面光潔度。提供最終的頂層為低碳合金鋼或最好是鋼和FeO的合成物。如果希望一種合成的頂層，線(xiàn)材由低碳低合金鋼組成，并控制次要?dú)怏w，使氧氣與微滴22接觸，以便氧化并形成具選擇性的氧化鐵FexO(具有自潤(rùn)滑特性的抗磨硬質(zhì)氧化相)。于是合成的涂層能夠非常像鑄鐵那樣起作用，它包括具有內(nèi)在自潤(rùn)滑性能的石墨。含有的氣體組成可在100％的空氣(或氧氣)與100％惰性氣體(如氬氣或氮?dú)?之間變化它對(duì)應(yīng)于Fe的氧化程度。次要?dú)怏w的流速應(yīng)在30-120標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/每分鐘范圍之內(nèi)，以確保元素包封所有的微滴，并控制鋼的微滴曝露在這種氣體中。
附圖5表示根據(jù)本發(fā)明對(duì)涂覆過(guò)的被處理物40電子顯微的掃描。界面41是直的，在涂層42與被處理物40之間沒(méi)有明顯的互鎖連接區(qū)。我們希望不受任何理論原因的束縛，本發(fā)明獲得的粘合歸因于金屬間的合金形成，并(或)歸因于位于熱微滴表面的原子與位于無(wú)氧化物鋁表面的原子的配對(duì)。
附圖6表明并比較了采用包括粗糙技術(shù)在內(nèi)的各種工藝所產(chǎn)生的界面形態(tài)。請(qǐng)注意在這種粗糙被處理物44上涂覆表面的明顯粗糙度和不規(guī)則波形，因而需要較大的厚度45待最終珩磨成光滑一致的表面46。在熱噴射階段利用較小直徑的線(xiàn)材能夠產(chǎn)生較低的平均表面粗糙度(Ra)，最后頂層粗糙度小于5μm。對(duì)于粘合涂覆或頂層涂覆，微滴或微粒尺寸的分布表示在附圖7中。
可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明方法的實(shí)踐降低三個(gè)基本步驟總的循環(huán)時(shí)間至一分鐘或更少。當(dāng)應(yīng)用本發(fā)明時(shí)，可發(fā)現(xiàn)，涂層粘合到鋁被處理物(例如319)上其有平均界面粘合強(qiáng)度達(dá)3200～6000psi。應(yīng)該指出，一旦熔劑熔解并分解表面氧化層，它根據(jù)為防止鋁表面的再氧化而進(jìn)行的冷卻會(huì)經(jīng)歷相變。
在說(shuō)明和描述本發(fā)明具體的實(shí)施例過(guò)程中，對(duì)于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員來(lái)說(shuō)，不違背本發(fā)明可作出各種變化和修改，這是很明顯的，因而在所附的權(quán)利要求中我們欲覆蓋落入本發(fā)明真正精神和范圍內(nèi)的所有這種修改和等同方案。
權(quán)利要求
1.一種將熱噴涂層與非粗糙的鑄造輕金屬基表面粘合的方法，包括(a)對(duì)于這種實(shí)質(zhì)上無(wú)黃油和機(jī)油的表面，將熔劑材料沉積在所說(shuō)的表面上，以提供一種干燥的熔劑涂覆表面，所說(shuō)的熔劑能夠去除輕金屬氧化物，并具有低于輕金屬被處理物熔解溫度的熔解溫度；(b)熱激活熔劑涂覆表面的所說(shuō)的熔劑，以熔化和分解遺留在輕金屬表面上的任何輕金屬氧化物；以及(c)與步驟(b)同時(shí)或隨其后，噴射金屬微滴或微粒到所說(shuō)的熔劑涂覆過(guò)的表面，以形成與輕金屬表面至少是冶金術(shù)粘合的金屬涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的方法，其內(nèi)，所說(shuō)的熔劑基本上由氟化鉀鋁組成，其它的混合物成分至多50％(體積比)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的方法，其內(nèi)，所說(shuō)的熔劑作為溶液噴射施加到金屬類(lèi)的表面，所說(shuō)的溶液具有水或酒精溶劑基。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所說(shuō)的方法，其內(nèi)，所說(shuō)的熔劑基本上包括氟化鉀鋁鹽，其微粒大小小于10μm，大約20％的這種微粒大小為2～4μm，使得所說(shuō)微粒的20-30％(容積比)在整個(gè)時(shí)間內(nèi)在溶液中保持懸浮狀態(tài)而不需攪拌。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所說(shuō)的方法，其內(nèi)，處理以后，所說(shuō)的噴射溶液進(jìn)行干燥，以去除所說(shuō)溶液中的溶劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所說(shuō)的方法，其內(nèi)，所說(shuō)已沉積的熔劑在溫度500～580℃進(jìn)行熱激活。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的方法，其內(nèi)，在熱噴射微滴或微粒沉積到輕金屬表面的同時(shí)，將熱噴射微滴或微粒的熱傳送至干燥的熔劑涂覆層，以便同時(shí)熱激活熔劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的方法，其內(nèi)，至少是所說(shuō)的金屬微滴或微粒的外曝露涂覆層由鋼基微粒組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所說(shuō)的方法，其內(nèi)，所說(shuō)的最后涂層由鋼和FeO組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所說(shuō)的方法，其內(nèi)，所說(shuō)的被處理物包含鋁基，以及其內(nèi)，在沉積最后(或即外曝露)熱噴射涂層以前，先施加所說(shuō)的金屬微滴或微粒粘合涂層，所說(shuō)的粘合涂層包含對(duì)鋁具有強(qiáng)親合力的金屬或諸如鎳或青銅的金屬合金。
全文摘要
一種熱噴涂層與非粗糙輕金屬(即鑄造鋁基)表面粘合的方法。本方法包括三個(gè)步驟:(a)熔劑材料沉積在無(wú)黃油和機(jī)油的這種鑄造表面上;(b)熱激活熔劑涂覆表面上的溶劑,以熔解和分解遺留在鑄造表面上的任何氧化物;(c)與步驟(b)同時(shí)或隨后,向熔劑涂覆表面熱噴射金屬微滴或微粒,以形成與鑄造表面冶金化粘合的金屬涂覆層。
文檔編號(hào)C23C4/02GK1172864SQ97111819
公開(kāi)日1998年2月11日 申請(qǐng)日期1997年6月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月21日
發(fā)明者奧盧德勒·O·波普拉, 馬修·J·扎盧澤克, 阿曼多·M·華金, 詹姆斯·R·鮑曼, 戴維·J·庫(kù)克 申請(qǐng)人:福特汽車(chē)公司