CN105592966A - 用于使用金属材料涂覆由球墨铸铁制成的本体的方法；用所述方法制造的用于供铝压铸使用的模具的背板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于使用金属材料涂覆延性铁本体（1）的方法，包括以下步骤：制备具有至少旨在涂覆的表面（2）的延性铁本体（1），可在正交于所述旨在涂覆的表面（2）的方向上确认所述本体（1）的厚度，通过加热至少所述待涂覆的表面（2）来干燥，通过脉冲弧焊以不锈钢作为添加材料在所述待涂覆的表面（2）上加衬不锈钢的层，在所述待涂覆的表面（2）上直接进行所述焊接。本发明进一步涉及用于铝压铸机的背板或模具，其包括至少用不锈钢涂覆的延性铁本体（1），其中所述涂层由根据要求保护的方法制得。

Description

用于使用金属材料涂覆由球墨铸铁制成的本体的方法；用所述方法制造的用于供铝压铸使用的模具的背板

技术领域

本发明涉及通过由更耐磨损/耐腐蚀的材料制成的层的手段来涂覆延性铁(ductileiron)本体的领域。

现有技术

用更耐久(resistant)的材料层涂覆延性铁本体的做法是必要的，当在使用中时，磨损和/或腐蚀现象发生，其会导致延性铁本体在短时间内不可用。

这特别地发生在铝的压铸领域中：通常这些机器的主要组件由延性铁制成，但如果它们没有配备适合的涂层，则不能成功地使用它们；在这种情况下，延性铁会容易地遭受腐蚀/磨损现象，在相对短的时间内导致机器不再可以使用。

因此，在现有技术中已知的是，用更耐磨损/耐腐蚀的金属层涂覆延性铁本体（在这种情况下，为模具的背板）的工作表面，所述金属层由于其性质而更少地经受这样的腐蚀/磨损现象。

用于制备此类涂层的已知的技术基本上为在延性铁本体上喷镀镍合金的薄层。

在现有技术中，此类技术被称为“等离子涂覆”或者更通常称为“粉末喷镀”。

镍粉主要通过机械结合将其本身结合至延性铁，所述结合整体上太弱且不稳定从而无法长时间地保证对延性铁本体的有效保护。

镍层的厚度由于施加而非常薄，为零点几毫米的量级。

这（连同涂层和延性铁之间的“弱”机械结合）引起了此类薄涂层尤其经受了磨损和疲劳循环，特别是当延性铁的本体经受周期性的负载和腐蚀时，其有时导致部分镍涂层与下面的延性铁相分离。

仅可通过除去之前的涂层并通过重建新的完整的层来复原此种涂层。

顺带提出必须注意的是，用于铝压铸的模具经常用于“自动化”领域，并且对于复原涂层所必需的设施的停产在该领域中导致不可接受的成本。

因此，明确的是，在现有技术中在延性铁本体上敷设（layingdown）金属材料的耐久性层以克服这些缺点的技术的方式，目前尚不可行。

普遍已知的是，最耐受磨损/腐蚀的材料之一是不锈钢（inox钢），但使用不锈钢涂覆延性铁本体的做法在现有技术中被认为是不可取的。

延性铁含有高量的碳，并且当经受高的热应力时（例如用不锈钢作为添加材料(fillermaterial)焊接），它倾向于改变其结构，使受限定的并均一地分布在石墨“球结”中的碳分散。

在较热的区域中，碳的分散和这些分子的迁移导致了易碎并经受破裂的表面。

与提供富含铬的不锈钢有关的该迁移导致了碳化铬的形成。

该碳化物的过量导致了非常坚硬并且非常易碎的结构，除此之外，过度的碳迁移还引起所有的铬都朝着碳迁移，留下广泛的铬“耗尽”区域，其导致了之后的晶间腐蚀侵害。

由于已知的教导已经指向了完全相反的方向，本领域技术人员因此不会想到在延性铁本体上敷设不锈钢层以避免其腐蚀。

发明的目的和内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷。

特别地，本发明的目的在于提供用于使用不锈钢涂覆延性铁本体的方法，其可以产生厚而牢固的涂层，以便长时间使用。

本发明的基本想法是通过焊接在延性铁本体上施加多个不锈钢焊珠。

在克服现有技术的偏见的情况下，申请人已考虑到，令人感兴趣的是，在该方向上进行研究以提供基于通过焊接施加不锈钢涂层的使用不锈钢涂覆延性铁本体的方法。

在数次测试和研究后，申请人已研发出根据权利要求1的本发明的方法主题。

简而言之，所述方法包括以下步骤：

-至少通过加热所述待涂覆的表面干燥延性铁本体，并且

-通过脉冲弧焊使用不锈钢作为添加材料在待涂覆的表面上加衬不锈钢的涂覆层（或用其涂覆），所述焊接直接在延性铁上进行，即在待涂覆的表面上进行而不需要使任何其他材料介入。

进一步的有利的特征是从属权利要求的主题，其是本说明书的组成部分。

申请人已注意到，除去水分和来自浸渍延性铁本体的加工油的挥发性物质是为制备用于后续加衬实际的(real)不锈钢的焊接操作的材料所必要且相当有利的条件。

要提醒的是，延性铁是固有多孔的：对至少待涂覆的表面的加热和后续的干燥能够除去水分和加工油。

脉冲弧焊，优选为所谓的“喷射电弧”模式，在焊接操作不涉及相当大的延性铁本体厚度的情况下，其能够以容易达到（并且可能超过）3毫米的厚度使不锈钢层沉积在待涂覆的延性铁表面上。

申请人已在其研究中注意到，必要的是具有在上面最小但同时足以良好结合的焊透(penetration)：这是通过脉冲弧焊实现的。

通常而言，如从现在起可以容易地注意到的，本发明的方法保证了更高的涂层厚度和镍涂层对下面的延性铁的更耐久的结合，并且其防止在本体中生成易碎的马氏体结构。

特别的是，通过本发明的方法制得的用于铝压铸机的延性铁板有利地少得多地经受磨损和/或腐蚀，具有显著更长的使用时间。

此外，本发明的方法有利地能够通过简单的焊接修复不锈钢层，这通过当先前的不锈钢层已经磨损时再次加衬不锈钢层来进行，其所必需的时间不再如现有技术中那样长。

本发明的另一个目的是用于铝压铸机的背板，其包括至少一个用不锈钢涂覆的延性铁本体，其中所述涂覆通过本发明的方法来进行。

附图简要说明

下文将参照在所附的附图中以举例而非作为限制的方式提供的非限制性实例描述本发明。这些附图显示了本发明的不同方面和实施方案，并且在适当的情况下，以相似的附图标记来表示在不同的图中显示相似的结构、组件、材料和/或元件的附图标记。

图1是在本发明的方法的焊接步骤过程中的延性铁本体的截面图；

图2是图1的本体的俯视图；

图3是在本发明的方法的焊接步骤过程中的图1的本体的细节截面图；

图4-8是通过电子显微镜分析的通过本发明的方法制得的样品的微结构图像；

图9是从在图4-8中分析的样品得到的硬度曲线。

发明详述

尽管本发明容许各种修改和可替代的形式，在附图中显示了一些所公开的相关实施方案并将在下文详细地描述。但应当理解的是，不存在将本发明限制于所公开的具体实施方案的意图，但与此相反，本发明的意图是覆盖落入如在权利要求中限定的本发明范围中的所有修改、可替代形式和等同内容。

“例如”、“等”、“或”的使用表明不具有限制的开放式可替换项，除非另有限定。“包括”的使用意味着“包括但不限于”，除非另有限定。

申请人已经注意到，尽管存在现有技术的偏见，但在某些条件下，可以考虑在延性铁本体的表面上制造不锈钢或inox钢的涂覆层，这通过以焊接方法加衬所述不锈钢的层来进行。

特别的是，申请人已研发出本发明的方法主题，在其大体上（参照图1-3）包括以下步骤：

a.制备具有至少旨在涂覆的表面2的延性铁本体1，可在正交于所述旨在涂覆的表面2的方向上确认所述本体1的厚度X；

b.通过加热至少部分的待涂覆的表面2来进行干燥；

c.通过使用不锈钢作为添加材料的脉冲弧焊在所述待涂覆的表面2上加衬不锈钢层3a、3b、3c、3d，在所述待涂覆的表面2上直接进行所述焊接。

在实践中，不锈钢涂覆层由覆盖了整个待涂覆的表面2的多个互相平行并且两两相邻的焊珠3a、3b、3c、3d构成。

在图1-3中，延性铁本体1是板样形状的，即其具有相对其他两个维度为主要的维度，并且在其中确认了待涂覆的表面2（在该情况中对应于较大的面之一）。

在该实例中，本体1的厚度X是恒定的，但显而易见的是，针对本体2的不同形状，所述厚度可在待涂覆的表面2的不同部分处随区域而改变。

以下考量是关于恒定厚度X的，对应于其中本体1是用于供铝件压铸使用的模具的延性铁背板的最常见的情况；根据将在本文做出的考量和本发明的教导，随着厚度X在不同于出于简明原因而在本文中描述的板样形状的本体1的形状中改变，本领域技术人员将容易地调整所述方法。

在本体1上，在表面2处以及在表面2上，通过脉冲弧焊，优选“喷射电弧”型的脉冲弧焊（本身是已知的）敷设多个焊珠3A、3B，所述焊珠全部一起构成了不锈钢涂覆层。

必须要注意的是，通过本发明的方法，直接在延性铁上敷设焊珠而没有其他涂层，即不需要用其他材料（举例而言，例如镍）涂覆所述延性铁。

这有利地导致了在制备和实施本发明的方法中的时间和成本节约。

特别地，申请人已经注意到干燥步骤b.包括以下步骤：

b1.在于所述待涂覆的表面2处测量的150℃至180℃的温度下在待涂覆的表面2处加热至少部分的本体1；

b2.对于每30毫米的在待涂覆的表面2处测量的本体厚度X，保持所述温度差不多等于1小时的一段时间。

在该实例中，遍及全部的表面，厚度X是恒定的，因此对于保持加热温度的时间段的值对整个表面2并因此对本体1而言终将相同。

有利的是，为了实施这样的局部加热，使用一个或多个加热元件，特别是屏蔽型(shieldedtype)的加热元件，其以与待涂覆的表面的部分非直接接触而在加热元件和待涂覆的表面之间留下一定的距离以使得热空气可以流动的方式放置，从而实施此类加热。

如果表面2很宽或者如果其具有复杂的形状，可以使用多个通过支承构架彼此连接的加热元件，如必要，根据需要为每个单独的施加制造所述支承构架；用于产生加热的此类构架的制造和加热元件的布置是本领域技术人员根据目前为止在本文中给出的信息和其知识能够达到的。

根据上文公开的内容，申请人已注意到，此类加热和干燥能够除去水分和显著浸渍延性铁本体1的加工油的挥发性物质。

因此，得到了对表面2的最优制备，使得其可用于脉冲弧焊操作以在所述表面上加衬实际的不锈钢层。

现在着手实际的焊接步骤并参照图3，本方法提供了敷设彼此（两两）相邻并且基本平行的焊珠3A、3B。

特别的是，通过在已经预先敷设的焊珠3A上启动电弧来敷设每个新的焊珠3B。

该要素是非常有利的：在预先敷设的焊珠3A上而不是在延性铁表面2上启动电弧A（其产生了生成焊池所必需的热量）能够限制焊池的焊透并因此涉及到延性铁本体的更小的部分。

这进而能够生成在其中限制了本体的延性铁的稀释度（理想的是最大5%的稀释度）的焊池，并因此涉及对延性铁本体的较低热供应：因此能够同时具有良好的对腐蚀的耐受性而不会宏观地改变延性铁的结构。

两个焊珠3A、3B之间的叠加或叠置通常在技术术语中称为“重叠(overlapping)”。

顺带提出必须要注意的是，通常在现有技术中所述重叠为50%以具有带高机械特性的焊接，也就是说为了敷设新的焊珠，将电弧指向相邻焊珠的末端的点：因此在这些情况中，在已经敷设的焊珠和基材（或者本体）之间的界面处触发电弧：在通常涉及焊接的现有技术中这是可取的，从而导致焊池相当多地涉及到基材。

与此相反，在本发明的方法中，申请人已注意到，以沿着横向于焊珠3A的截面测量的已经敷设的焊珠3A的35%至45%，优选等于约40%的重叠实现了最好的结果。

在其实验中，申请人已注意到，低于35%的重叠导致糟糕的熔融以及不锈钢与延性铁的过差的结合（锚定），而大于45%的重叠导致基础材料过多的“浸渍”，伴随过多的稀释度和非最优的延性铁热变。

根据进一步的有利的变通方法，通过使用“跳焊”原理实施焊接，即在不同时间（意指非立刻连续的时间）彼此相邻地敷设焊珠3A、3B，从而防止本体1免于可使延性铁热变的过热。

因此举例而言，在例如图2那样的本体1中，首先将在右边敷设焊珠，然后在左边一个，然后再在右边一个焊珠并以此类推，直到完全覆盖表面2为止；显然，本体1的不同形状导致在不同的时间敷设焊珠，其可以由本领域技术人员选择。

在这个意义上，申请人已发现，在焊接操作过程中，这对保持接近待涂覆的表面2的本体1的温度为80℃至120℃的值是有利的。

该温度在术语中也称为层间温度，并且其是整个本体1的温度：触发电弧的温度以及焊池的温度显然更高，但输入能量是足够低的以不升高大部分本体超过120℃；还由于避免局部过热的“跳焊”的作用实现了这样的结果。

该方面，也即是保持温度在优选的范围，可以通过适当地设置将在表面2上敷设的焊珠的顺序并通过知晓方法的其他参数来得到，所有的数据可以由本领域技术人员所获得，他们因此可以根据教导设置这样的顺序而不用涉及任何创造性的步骤。

为了得到最好的结果，申请人还已注意到，焊接气体必须包含约98%的氩气和2%的CO₂并且焊接机的焊丝(wire)的不锈钢必须是具有7%的锰的307不锈钢。

从发明人已在一些样品上进行的并且在本文中在非限制的情况下但作为实施例示出的分析来看，可以通过本发明的方法实现的结果的优秀之处是明显的。

图4-8是用电子显微镜ZEISS-Observer.Z1m分析的样品（通过本发明的方法得到）的微结构图像。

通过观察图4-8，要注意的是发生了基材的转变，如所提供的，但是“热影响区”（或热变区）的厚度低并且具有最小量（低于1mm）。

紧随其后，结构恢复至具有容纳在石墨球结中的碳的珠光体、莱氏体（ledburite）和铁素体。

通过发射光谱仪(opticalemissionspectrometer)，例如BrukerQ4TASMAN（Fe130程序）对焊接的分析突显了如何通过遵照本发明的方法得到以下焊接的化学组成的值：

这导致了在不锈钢池中的碳的稀释度低于5%的事实，由此保证了最少的碳化铬的形成；低稀释度还是低焊透的并且因此是在延性铁基材中的减少的热量引入的表现。

通过生成样品的硬度曲线图表，发现了如在图9中的样式，其显示了在热变区中的马氏体(martenistic)层：要注意的是硬度是如何在转变区中迅速增加的，然而所述层仍被限制为零点几个毫米。

这也构成了现有技术的偏见的基础：标准焊接热量的供应可能导致结构上非常易碎和危险的区域的产生，然而根据本发明的教导，可以将此类结构上非常易碎和危险的区域限制为零点几个毫米。

因此实现了上文定义的目的。

Claims (10)

1.用于使用金属材料涂覆延性铁本体（1）的方法，

其特征在于，

所述方法包括以下步骤：

a.制备具有至少旨在涂覆的表面（2）的延性铁本体（1），可在正交于所述旨在涂覆的表面（2）的方向上确认所述本体（1）的厚度（X）；

b.通过加热至少所述待涂覆的表面（2）来干燥；

c.通过脉冲弧焊使用不锈钢作为添加材料在所述待涂覆的表面（2）上加衬不锈钢层，在所述待涂覆的表面（2）上直接进行所述焊接。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述干燥步骤b.包括以下步骤：

b1.在于所述待涂覆的表面（2）处测量的150℃至180℃的温度下在所述待涂覆的表面（2）处加热至少部分的所述本体（1）；

b2.对于每30毫米的在所述待涂覆的表面（2）处测量的本体厚度（X），保持所述步骤b1的温度差不多等于1小时的一段时间。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中通过加热元件，特别是屏蔽的加热元件得到所述加热，以接近至少部分的所述待涂覆的表面的方式放置所述加热元件，在它们两者之间没有直接接触。

4.如前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中所述步骤c.包括敷设彼此相邻的焊珠（3A、3B）的步骤，其中通过在已经预先敷设的焊珠（3A）上启动电弧敷设新的焊珠（3B）。

5.如前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中所述步骤c.包括形成包括基本低于5%的所述本体的延性铁的稀释度的焊池（10）的步骤。

6.如前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中所述步骤c.包括使接近所述待涂覆的表面（2）的所述本体（1）的温度保持在80℃至120℃的值的步骤。

7.如权利要求4至6中的一项或多项所述的方法，其中在不同的时间进行所述敷设彼此相邻的焊珠（3A、3B）的步骤，从而避免所述本体（1）的过热。

8.如权利要求4至7中的一项或多项所述的方法，其中所述敷设彼此相邻的焊珠（3A、3B）的步骤提供了形成以沿着横向于焊珠（3A、3B）的截面测量的预先敷设的焊珠（3A）的35%至45%，优选40%的在新焊珠（3B）和已预先敷设的焊珠（3A）之间的重叠。

9.如前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中所述脉冲弧焊，优选为所谓“喷射电弧”的模式，提供了包含约98%的氩气和2%的CO₂的焊接气体的使用，并在其中优选所述不锈钢为具有7%的锰的307不锈钢。

10.用于供铝压铸机使用的模具的背板，其包括至少用金属材料涂覆的延性铁本体（1），其特征在于，通过如权利要求1至9中的一项或多项所述的方法由不锈钢制得所述涂层。