CN104070153A - 双金属铸造中用于改善结合的表面处理 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种形成双金属铸件的方法。在一种方法中，提供限定了基底表面的具有期望的基体形状的金属预成型体。从基底表面去除自然氧化层，产生清洁的金属预成型体。该方法包括在清洁的金属预成型体的至少一部分基底表面上形成薄金属膜，和和将该具有金属膜的金属预成型体的该部分与覆盖金属冶金结合以形成双金属铸件。金属膜促进了金属预成型体与覆盖金属之间的冶金结合。在一方面，金属预成型体可包含铝(Al)且金属膜可包含锌(Zn)。

Description

双金属铸造中用于改善结合的表面处理

技术领域

本公开涉及形成双金属铸件和改善两种金属部件之间的冶金结合的方法。

背景技术

本部分提供涉及本公开的背景技术信息，其不一定为现有技术。

双金属铸造技术可被用于提供具有提高的硬度、强度、耐磨性和其它功能的部件。双金属铸造允许将两种不同的金属结合在一个部件中，同时保持组成金属/合金提供的显著的优点。在不同的双金属铸造技术中，基体材料或第一金属或合金的预成型体的至少一部分覆盖有第二金属或合金。金属预成型体在它们的基体外表面上具有氧化层或氧化膜。氧化层初始为无定形(非晶)层，如铝上的Al₂O₃、镁或Mg-Al合金上的MgO及铜上的Cu₂O。在某些方面，它们的组织源自于非晶熔体，其中在所述非晶熔体上它们形核和/或长大并转变为复杂且不同的相和组织。在结合条件下氧化层可能妨碍和/或负面地影响金属预成型体与另一金属冶金结合的能力。而且，即使氧化层曾经被消除，仍存在在合适的氧化条件和参数下另一氧化层再形成的可能性。因而，仍需要使用双金属铸造技术在接合的两种金属之间形成更牢固的冶金结合的改进方法。

发明内容

此部分提供本公开的大体概述，不是其全部范围和其所有特征的全面公开。

在不同的方面，本技术提供一种形成双金属铸件的方法。在一种方法中，提供限定了基底表面的具有期望的基体形状的预成型体。从基底表面去除自然氧化层，产生清洁的金属预成型体。该方法包括在清洁的金属预成型体的至少一部分基底表面上形成薄金属膜，和将具有金属膜的金属预成型体的该部分与覆盖金属冶金结合以形成双金属铸件。金属膜促进了金属预成型体与覆盖金属的冶金结合。

在其它的方面，本技术提供一种形成具有改善的金属部件间结合的双金属铸件的方法。该方法包括提供限定了基底表面的具有期望的基体形状的金属预成型体。从基底表面去除自然氧化层并蚀刻基底表面。该方法包括在该基底表面上形成薄金属膜。该金属膜的熔点低于金属预成型体的熔点。可以预热该预成型体，和在金属预成型体的至少一部分与覆盖金属之间形成冶金结合，其中该覆盖金属具有与金属预成型体和金属膜都不相同的组成。金属膜促进了金属预成型体与覆盖金属之间的冶金结合。

本技术还提供一种使用铝预成型体形成双金属铸件的方法。该方法包括从铝预成型体表面去除自然氧化层并将铝预成型体浸入到电镀槽（galvanizingbath）中。在铝预成型体的表面形成薄金属膜，其厚度小于250μm。预热该铝预成型体，并且该方法包括使该铝预成型体的至少一部分与熔融金属接触以形成双金属铸件。金属膜作为促进铝预成型体与熔融金属之间的冶金结合的界面基本上留在该表面上。

具体地，本技术提供以下方法：

1、一种形成双金属铸件的方法，该方法包括：

提供限定了基底表面的具有期望的基体形状的预成型体；

从基底表面去除自然氧化层，产生清洁的金属预成型体；

在清洁的金属预成型体的基底表面的至少一部分上形成薄金属膜；及

冶金结合所述具有金属膜的金属预成型体的所述部分与覆盖金属以形成双金属铸件，其中金属膜促进了金属预成型体与覆盖金属的冶金结合。

2、方面1的方法，进一步包括在冶金结合金属预成型体与覆盖金属之前预热金属预成型体。

3、方面1的方法，包括提供具有足以防止再生成自然氧化层的厚度的金属膜。

4、方面3的方法，其中形成的金属膜具有小于250μm的厚度。

5、方面1的方法，其中金属膜的熔点低于金属预成型体的熔点。

6、方面1的方法，其中从基底表面去除自然氧化层包括：

对基底表面进行脱脂；

使用碱性蚀刻溶液处理基底表面；

对基底表面进行酸洗。

7、方面1的方法，其中在清洁的金属预成型体的基底表面的至少一部分上形成薄金属膜包括纳入锌酸盐浸渍处理和镀锌（zinc galvanizing）处理中的至少一种或两种。

8、方面1的方法，其中冶金结合所述具有金属膜的金属预成型体的所述部分与覆盖金属包括使用熔融金属的金属铸造过程。

9、方面1的方法，其中金属预成型体包含选自铝(Al)、镁(Mg)、铁(Fe)、铜(Cu)及其合金和混合物的金属。

10、方面1的方法，其中金属膜包含选自锌(Zn)、锡(Sn)、铟(In)、铋(（Bi)、锑(Sb)、铅(Pb)、稀土(RE)金属、金属磷化物及其混合物的金属。

11、方面1的方法，其中覆盖金属包含铝合金和镁合金中的一种或两种。

12、方面1的方法，其中金属膜形成在整个基底表面是，并且覆盖金属冶金结合至整个金属预成型体。

13、一种形成具有改善的金属部件间结合的双金属铸件的方法，该方法包括：

提供限定了基底表面的具有期望的基体形状的预成型体；

从基底表面去除自然氧化层；

蚀刻基底表面；

在金属预成型体的基底表面上形成薄金属膜，该金属膜的熔点低于金属预成型体的熔点；

预热金属预成型体；及

在金属预成型体的至少一部分与覆盖金属之间形成冶金结合，其中覆盖金属具有与金属预成型体和金属膜都不相同的组成，其中金属膜促进了金属预成型体与覆盖金属的冶金结合。

14、方面13的方法，其中金属预成型体包含铝(Al)和且金属膜包含锌(Zn)。

15、方面13的方法，其中形成的金属膜具有小于250μm的厚度。

16、方面13的方法，其中从基底表面去除自然氧化层包括在蚀刻基底表面之前对基底表面进行脱脂。

17、方面16的方法，其中蚀刻基底表面包括用碱性蚀刻溶液处理基底表面，接着对基底表面进行酸洗。

18、方面13的方法，其中在基底表面上形成金属膜包括纳入锌酸盐浸渍处理或镀锌处理中的至少一种或两种。

19、方面13的方法，其中金属预成型体是铸件、锻件、挤压件和冲压件中的一种，在金属预成型体的至少一部分与覆盖金属之间形成冶金结合包括压铸或砂型铸造技术。

20、一种使用铝预成型体形成双金属铸件的方法，该方法包括：

从铝预成型体表面去除自然氧化层；

将铝预成型体浸入到电镀槽中，在铝预成型体的表面形成厚度小于250μm的薄金属膜；

预热铝预成型体；

使铝预成型体的至少一部分与熔融金属接触形成双金属铸件，其中金属膜作为促进铝预成型体与熔融金属之间的冶金结合的界面基本上留在铝预成型体的表面上。

由此处提供的说明，另外的应用领域将变得显而易见。在此概述中的说明和具体实例的目的仅在于描述，而不对本公开的范围构成限定。

附图说明

从详细的说明和附图，将可更加充分地理解本发明，其中：

图1是描绘用于形成根据本发明的不同方面的双金属铸件的一种方法的流程图。

应当注意的是，此处列出的附图目的在于说明本发明的材料、方法和装置等的一般特征，目的在于说明某些方面。附图可能不能精确地反映任何给定方面的所有特征，且不一定用于限定或限制具体实施方案在本技术的范围内。

具体实施方式

正面将参照附图更充分地描述示例性实施方案。

提供了示例实施方案从而此公开内容将更彻底地、更充分地将范围传递给本领域的技术人员。列出了许多细节如具体部件、装置和方法的实例，以提供对本公开的实施方案的深入理解。本领域技术人员明白的是，并不必采用该具体细节，该示例实施方案可以以许多不同的形式实施，其也不应当被理解为对本公开的范围的限制。在一些例示性实施例中，公知的方法、公知的装置结构和公知的技术未加以详细描述。

此处使用的术语仅是为了描述特定的示例实施方案而不用于构成限制。如此处使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”可能也包括复数形式，除非文中明确地另外指出。术语“包括”、“包含”、“含有”及“具有”是开放性的，因而规定了所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在或加入。此处描述的方法步骤、过程和操作不一定解释为要求以讨论或描述的特定顺序实施，除非具体地确定为实施的顺序。还应理解，可以采用额外的或替代的步骤。

当一元件或层被描述为“在......上”、“接合到”、“连接至”或者“耦合至”另一元件或层时，可以是直接的在其上、接合、连接或耦合至该另一元件或层，或者可以存在介于中间的元件或层。相反，当元件被描述为“直接地在......上”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦合至”另一元件或层时，不存在介于中间的元件或层。用于描述元件之间的关系的其它用语应当以类似的方式解释(例如，“之间”和“直接在......之间”，“临近”和“直接地临近”等)。如此处使用的，术语“和/或”包括一个或多个相应列出项目中的任何和所有的组合。

尽管此处使用了术语第一、第二、第三等来描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分，这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅被用于将一个元件、部件、区域层或部分区分于另一区域、层或部分。除非上下文明确指出，否则像“第一”、“第二”和其它的数值术语在用于本文时不表示次序或顺序。因而，下面论述的第一元件、部件、区域、层或部分也可被称为第二元件、部件、区域、层或部分而不脱离示例实施方案的进行教导。

在本文中使用了空间相对术语，如“内部”、“外部”、“在......之下”、“在......下面”、“下”、“在......上面”、“上”或者类似术语，以便于说明以如附图所示描述一个元件或特征与另一元件或特征的关系。空间相对术语可包含除附图中所示的取向之外，装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果图中的装置被倒置，则被描述为在其他的元件或特征“下面”或“之下”的元件将定向为在其他的元件或特征的“上面”。因而，示例性术语“在......下面”可既包括上面又包括下面两个取向。装置可以是其他取向的(旋转90度或在其他的取向)并且此处使用的空间相对描述语相应地解释。

本技术通过从金属预成型体去除氧化层，并在两金属部件(，如金属预成型体和覆盖金属)之间形成冶金结合之前提供薄金属膜来改进形成双金属铸件的方法。

参照附图1，其大致描绘了本技术使用的方法的各种实施方案的步骤，在步骤102中提供金属预成型体，其可具有用于其预期用途的期望的基体形状、尺寸和结构。可以想象的是本技术可被用于制造多种不同类型双金属铸造部件，其非限制性实例包括如发动机机架、仪表盘梁、铸造或锻造的电动马达、齿轮、螺杆和机筒、外壳、夹具、凸耳和类似物。金属预成型体可限定基底表面。如此处使用的，术语“基底表面”一般性地表示最外或外层，或金属预成型体的暴露区域。某些元件可能具有比其它元件更加复杂的形状和特征。因此，金属预成型体的尺寸和形状将会变化，同样其基底表面也将会变化。尽管金属预成型体的材料不限于特定的金属，在各方面，金属预成型体可包含选自铝(Al)、镁(Mg)、铁(Fe)、铜(Cu)及其合金和混合物的一种或多种金属。应当理解的是预成型体可包含某些少量的本领域已知的杂质，或者除存在的主导金属或合金之外的其它金属。举例来说，金属预成型体本身可以为铸件、锻件、挤压件、冲压件或纺制部件。其可以是实心部件，也可以具有孔洞或缝隙，具有不同的厚度和截面积。金属预成型体在另外的处理之前可以根据需要进行机械加工或以其它方式成形。

参照步骤104，该方法包括清洁和/或预处理金属预成型体，特别是去除任何在基底表面上已经形成的自然氧化层，以产生具有基本上不含氧化物的基底表面的清洁的金属预成型体。如此处使用的，术语“基本上不含”用于表示在基底表面上不应包含氧化物，基底表面上或者没有氧化物(绝大多数氧化物已被去除)，和/或基底表面上仅残存可忽略不计的量的氧化物。

应当理解，本技术可以使用各种清洁和脱脂处理，它们的选择基于金属预成型体的条件、以及尺寸、形状和金属成分。在某些方面，清洁和氧化物去除步骤104可包括基底表面脱脂。如本领域公知的，可以使用各种脱脂技术。在一个非限制性的实例中，金属预成型体可在大约室温下在超声波槽中用含丙酸(C₃H₅O)的溶液处理大约5分钟，或者足以使金属预成型体充分脱脂的时间。

一旦脱脂，可对金属预成型体进行可选择的蚀刻处理。例如，可用包含大约20g/L的NaOH和5g/L的NaF的碱性蚀刻溶液处理基底表面。该处理在从大约60°到大约80℃的提高的温度下进行，基底表面暴露在溶液中的时间为大约短短的5-10秒，或者更多，如本领域已知，并基于期望的蚀刻量。还可对金属预成型体进行金属酸洗过程以进一步从基底表面去除杂质。在一个非限制性实例中，酸洗液可包含与大约750ml50％的HNO₃和大约250ml40％的HF的混合物相当的酸溶液。根据需要可使用更强或更稀的混合物。酸洗过程可在大约室温下进行大约短短的5-10秒，或者更长，如本领域已知，并基于期望的处理量。

参照步骤106，该方法接着为在金属预成型体基底表面的至少一部分上形成薄金属膜，优选在金属预成型体的清洁的部分上。在许多情形下，薄金属膜可形成在基底的整个表面上。可以设想，金属膜给双金属铸造过程带来很多益处。一方面，在预成型体上提供的金属膜具有足够的厚度来防止在后续的铸造和结合过程之前在底层表面上形成或再形成自然氧化层。在各方面，提供的金属膜的熔点低于金属预成型体的熔点。典型地，可被用于金属膜的金属的非限制性实例包括锌(Zn)、锡(Sn)、铟(In)、铋((Bi)、锑(Sb)、铅(Pb)、稀土(RE)金属及其混合物。在某些方面，还可使用具有低熔点的金属磷化物，例如AlP、InP、Ca₃P₂、Cu₃P和Mg₃P₂。

尽管不希望受任何特定的理论限制，但人们认为具有更低的熔点(与金属预成型体比较)的薄金属膜能够改善润湿，从而促进金属预成型体冶金结合至覆盖金属以形成双金属铸件。但是，金属膜具有受控制的厚度，在双金属铸造中不提供足够的金属用于冶金结合。因而，在各方面，薄金属膜层可作为促进冶金结合的薄界面层基本上留在金属预成型体的基底表面上或基底表面处。

在某些方面，金属膜可使用已知的技术形成在或应用于所有或部分基底表面以形成厚度小于大约300μm的膜或层，优选地小于大约250μm、小于大约200μm、小于大约150μm、甚至小于大约100μm或者大约50μm。

举例来说，在使用Zn时，金属膜的形成可以包括纳入锌酸盐浸渍处理和镀锌处理中的一种或两种。关于锌酸盐浸渍处理，在一个示例中，准备具有与包含大约360g/L的NaOH、60g/L的ZnO、15g/L的KNaC₄H₄0₆·4H₂0和1.5g/L的FeCI₃·6H₂0的溶液相当的混合物的浴。可在大约18度-25度的室温下在浴中对金属预成型体进行大约60秒的第一次浸渍，和大约30秒的第二次浸渍。应当理解的是，也可以使用其它锌酸盐浸渍过程，并且可根据需要改变所述参数以形成具有对于双金属铸造的特定金属来说所需的合适的受控制的厚度。

另外地或可替换地，可以对金属预成型体进行镀锌处理。在一个非限制性的实例中，准备具有相当于含有大约200g/L的KCI、63g/L的ZnCI₃、26g/L的HB0₃的混合物的浴。可在大约18度-25度的室温下在浴中对金属预成型体进行大约15至25秒的浸渍，施加的电流密度为从大约0.5至大约5A/dm²。类似于锌酸盐浸渍，应当理解，还可以使用其它的镀锌方法，并且可根据需要改变参数以形成具有合适厚度的金属层。还应当理解，该工艺和方法将部分地基于选择的用于形成金属膜的特定金属。

当清洁金属预成型体并且形成金属膜后，图1的方法步骤108表示可选的金属预成型体的预热步骤。该可选的预热步骤用于减小金属预成型体和熔融的铸造覆盖金属之间的温度梯度，以减小收缩应力和/或铸件的收缩。这也可以将铸造界面上的任何限定的结合线的可能降低到最小。如已知，可改变预热步骤的温度和时间以适当地允许松弛时间。

参照方法步骤110，在具有金属膜的金属预成型体的至少一部分或整个具有金属膜的预成型金属体与覆盖金属之间形成冶金结合，以形成双金属铸造部件。如以上讨论，金属膜可用于促进两种金属之间的冶金结合并且，在一些方面，可作为金属之间的界面基本上留在金属预成型体的基底表面上。在一个非限制性的实例中，覆盖金属可包括适用于金属铸造技术的任何金属、合金或其组合，如铝合金和镁合金。在各方面，具体的覆盖金属或合金的选择可基于双金属铸造部件的最终形状和结构或最终应用。覆盖金属的成分可不同于金属预成型体和金属膜的一种或两种。当双金属铸造部件具有错综复杂的最终形状时，可使用具有高度流动性的金属或合金。当要求双金属铸造部件具有增加的强度时，将适当地选择不同的金属或合金。

冶金结合可通过使金属预成型体与熔融金属通过本领域已知的常规的熔融金属铸造工艺接触来进行，例如，使用压铸或砂型铸造技术。在这点上，在被放置到合适的模具中之前金属预成型体可被预热，或者如本领域已知的，模具可配备有热模镶板(heated die panels)。值得注意的是，熔融金属，如铝，与空气反应并且瞬时生成氧化物。因此，在使金属预成型体与熔融材料接触时应当注意。对于这种双金属铸造的另外的典型技术可在未决美国专利申请12/902,370(2012年4月12日公开，公开号2012/0086264并装让给GM Global TechnologyOperations，Inc.)中发现，其整个说明书通过引用并入本文。

实施例的前述说明用于描述和说明的目的。其不意在穷举或限制本公开。特定实施方案的单个元件或特征一般不限于该特定的实施方案，而是(即便没有特别地示出或描述)，在适用的情况下，是可互换的并可被用于选择的实施方案中。其也可以以多种方式变化。这些变体不被认为脱离了本公开，并且所有的这种修改都应当包含在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种形成双金属铸件的方法，该方法包括：

提供限定了基底表面的具有期望的基体形状的金属预成型体；

从基底表面去除自然氧化层，产生清洁的金属预成型体；

在清洁的金属预成型体的基底表面的至少一部分上形成薄金属膜；及

冶金结合所述具有金属膜的金属预成型体的所述部分与覆盖金属以形成双金属铸件，其中金属膜促进了金属预成型体与覆盖金属的冶金结合。

2.权利要求1的方法，进一步包括在冶金结合金属预成型体与覆盖金属之前预热金属预成型体。

3.权利要求1的方法，包括提供具有足以防止再生成自然氧化层的厚度的金属膜。

4.权利要求3的方法，其中形成的金属膜具有小于250μm的厚度。

5.权利要求1的方法，其中金属膜的熔点低于金属预成型体的熔点。

6.权利要求1的方法，其中从基底表面去除自然氧化层包括：

对基底表面进行脱脂；

使用碱性蚀刻溶液处理基底表面；

对基底表面进行酸洗。

7.权利要求1的方法，其中在清洁的金属预成型体的基底表面的至少一部分上形成薄金属膜包括纳入锌酸盐浸渍处理和镀锌处理中的至少一一种或两种。

8.权利要求1的方法，其中冶金结合所述具有金属膜的金属预成型体的所述部分与覆盖金属包括使用熔融金属的金属铸造过程。

9.权利要求1的方法，其中金属预成型体包含选自铝(Al)、镁(Mg)、铁(Fe)、铜(Cu)及其合金和混合物的金属。

10.权利要求1的方法，其中金属膜包含选自锌(Zn)、锡(Sn)、铟(In)、铋((Bi)、锑(Sb)、铅(Pb)、稀土(RE)金属、金属磷化物及其混合物的金属。