本发明提供一种流量计用铝基合金旋转叶轮快速成型及表面硬化耐腐工艺，包括如下步骤：采用硅溶胶复合铸造成型的铝基合金旋转叶轮；叶轮表面制绒：包括表面车铣加工、超声波清洗去油、微蚀制绒、生成过渡粘合层、活化过程；叶轮表面发黑：包括超声波清洗去油清洗、腐蚀出光、氧化着色、封闭过程。本发明结合硅溶胶复合铸造工艺技术、铝基合金表面制绒技术及表面发黑工艺技术，能单个或批量快速生产流量计用铝基合金旋转叶轮，且叶轮表面硬度高，耐磨、耐腐性能好，能大大延长铝基合金旋转叶轮在流量计中的使用寿命。
1.一种流量计用铝基合金旋转叶轮快速成型及表面硬化耐腐工艺，其特征在于，包括如下步骤：
①铝模制作：采用八瓣分体式模具，模具内腔采用车削方式将旋转叶轮外敷面雕刻出来，中空预留位置即为旋转叶轮蜡型的成型腔，注蜡孔设于模具顶端，在旋转叶轮八片叶轮尾端位置均设有1个微小的泄压导流孔，在八瓣模块外端中部设有抓拿位，并用配套的快速卡箍将模具的八瓣模块抱合预紧，铝模制作是旋转叶轮成型最为关键的步骤，在压制蜡件是否能够很好的脱模、蜡件变形等问题，主要体现在铝模的制作；
②蜡型制作：首先将模具打开，在其模腔内均匀喷上一层脱模剂，然后将模具合上并用卡箍将模具卡紧，放入注蜡机预注蜡，当注蜡机注蜡嘴对准注蜡孔，注蜡压力调制为2.0-
2.5MPa，注蜡嘴的腊温控制在56℃-65℃，保压时间控制在40s-90s，然后开始进行注蜡，当蜡从模具的泄压导流孔溢出时，注蜡完毕，将模具撤出放置压蜡台上自然冷却30s-60s，并进行拆模及蜡件表面整形、修理、清洗；
③浇冒口设计并与蜡型完成组装：直径小于或等于80mm的工件，浇冒口采用四组排列式组合设计，直径大于80mm的工件，浇冒口采用单件设计，浇冒口设计并制作后再与蜡型完成组装；
④制壳：在与浇冒口完成组装的蜡型组合件中，利用硅溶胶、水玻璃、耐火材料在蜡型表面制作由面层、过渡层和背层组成的模壳，并进行硬化；
⑤脱蜡：将硬化后的模壳，去掉浇冒口杯上层封盖，并把浇冒口周围清洗干净后，将模壳浇冒口冲下，均匀排列在拉车上，然后将拉车一并送入脱蜡釜，将脱蜡釜门关上，加压至
1.6MPa，蒸汽温度控制100℃-120℃，保压40min-60min，待模壳内蜡全部脱净，泄压，将模壳取出；
⑥焙烧浇铸：将模壳浇冒冲下均匀排列至焙烧炉中，焙烧温度控制在1100℃-1150℃，保温焙烧1h以上；当焙烧后的模壳呈白色或蔷薇色时温度开始降温至400℃-450℃，并保温，待中频炉铝合金溶液脱氧脱硫去杂完成后，配合浇铸作业，将温度为550℃-600℃的铝合金溶液快速浇入模壳中，浇铸完成后，放置自然冷却至室温；
⑦进行脱壳、切割、打磨修补、抛丸，即得成型的铝基合金旋转叶轮；
2)叶轮表面制绒：包括表面车铣加工、超声波清洗去油、微蚀制绒、生成过渡粘合层、活化过程；
3)叶轮表面发黑：包括超声波清洗去油清洗、腐蚀出光、氧化着色、封闭过程；
1)表面车铣加工：将铝基合金旋转叶轮置于加工中心或数控机床，沿着叶轮旋转延向部位加工，车削厚度不大于0.5mm，使叶轮表面具有金属光泽，形成微镜面即可；
2)超声波清洗去油：将车铣好的铝基合金旋转叶轮置于45℃-60℃热水中30s-60s，然后捞出，再浸入80℃-100℃清水中10s-20s，捞出沥干；
3)微蚀制绒：将沥干的铝基合金旋转叶轮放入制备好的微蚀溶液中20s-50s，然后捞出用清水冲洗干净；
4)生成过渡粘合层：将微蚀制绒处理后的铝基合金旋转叶轮浸入质量浓度为20％-
25％的水合肼与1％-5％的高锰酸钾混合溶液中25s-35s，然后捞出；
5)活化：将具有粘合层的铝基合金旋转叶轮浸质量浓度为65％-80％的乙醇中15s-20s后捞出，至于相对湿度不大于10％的环境中恒温烘干。
2.根据权利要求1所述的流量计用铝基合金旋转叶轮快速成型及表面硬化耐腐工艺，其特征在于，所述蜡型制作时，车间温度控制在13℃-17℃。
3.根据权利要求1所述的流量计用铝基合金旋转叶轮快速成型及表面硬化耐腐工艺，其特征在于，所述浇冒口设计及组束时，车间温度控制在13℃-17℃。
4.根据权利要求1所述的流量计用铝基合金旋转叶轮快速成型及表面硬化耐腐工艺，其特征在于，所述制壳时，车间温度控制21℃-27℃，面层室的相对湿度控制在小于或等于
65％，过渡层与背层室的相对湿度控制在小于或等于50％。
5.根据权利要求1所述的流量计用铝基合金旋转叶轮快速成型及表面硬化耐腐工艺，其特征在于，所述叶轮表面发黑的具体过程为：
1)超声波清洗去油清洗：将具有粘合层的铝基合金旋转叶轮浸入含有质量浓度为2％-
5％的碱性溶液中，在60℃-65℃温度下超声波清洗60s-100s，捞出后用60℃-65℃清水冲洗干净，然后沥干；
2)腐蚀出光：在质量浓度为40～50g/L的NaOH溶液中，60℃温度下碱蚀60s-120s；
3)氧化着色：在质量浓度为18g/L的Na2CrO4溶液中将腐蚀出光的铝基合金旋转叶轮进行化学氧化；对经氧化处理的铝基合金旋转叶轮着黑色，采用过渡金属化合物为着色剂，KMnO4为氧化剂，NiSO4为催化剂，并用HNO3调节pH值为5，并在80℃-90℃温度下导电处理8-
4)封闭：采用水解盐法，使铝基合金旋转叶轮表面已形成的发黑膜孔隙中产生氢氧化物沉淀，将微孔堵塞。
一种流量计用铝基合金旋转叶轮快速成型及表面硬化耐腐
工艺
技术领域
[0001] 本发明涉及通用机械及流体控制设备制造技术领域，具体涉及一种流量计用铝基合金旋转叶轮快速成型及表面硬化耐腐工艺。
背景技术
[0002] 铝基合金由于质软、体轻、易于加工，且成本较低等特点，广泛应用于各类工业技术领域。目前，在流量计生产行业中，也大量采用铝基合金，其中包括流量计壳体、计量装置外壳，也包括部分内置件，如涡轮或叶轮等。然而，在流量计生产过程中，最难加工的就是涡轮或叶轮，尤其是旋转型叶轮，主要表现在如下两个问题：一是由于其旋转叶轮具有旋转性、采用铝基压铸工艺加工，不容易脱模，成型难度大。所以一般采用铝基合金棒，直接利用数控加工或加工中心车铣成型。此类型工艺，虽然质量稳定，但单个产品成型耗时长，对原材料浪费较大。根据不同大小件一般会分为：锯料、车出原型、倒头修边、铣叶轮四个步骤，尤其是铣叶轮，根据尺寸大小不一，越大的工件数控吃刀量、行程越大，加工耗时越长，加工难度也就越大，同时直接车铣叶轮在材料浪费上是极大的。二是由于铝基合金材质软，密度低，硬度不够等原因，在介质压力冲击下容易变形或损坏，而且介质中含有的酸、碱、硫化物等腐蚀性较强物质对铝基合金叶轮表面会产生腐蚀，从而影响使用寿命。因此，要对其表面进行硬化或抗腐蚀处理，目前的处理技术基本上采用电镀、电泳工艺使其表面形成一层硬化保护膜，用来提高其硬度特性及抗腐蚀性能。但是，由于铝基合金材质软，膨胀系数较大，而在电镀电泳导电加热过程中极易从铝基合金中产生微量的氢、氯及水分等杂质，极易使电镀层形成针孔麻点，影响其抗腐蚀性能。如电镀时间加长，将针孔麻点覆盖，又极容易使气体等杂质覆盖在电镀层与基体之间形成杂质夹层，这样的夹层一般不容易发现，但在机器运行过程中，在受外力的作用下极易造成电镀层退皮，从而加大了铝基合金基体的腐蚀，对其表面硬度也有着潜在影响，从而影响其产品的使用寿命。因此，有必要开发出一种新型的铝合金结构件快速成型及表面硬化耐腐工艺。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种流量计用铝基合金旋转叶轮快速成型及表面硬化耐腐工艺，结合硅溶胶复合铸造工艺技术、铝基合金表面制绒技术及表面发黑工艺技术，能单个或批量快速生产流量计用铝基合金旋转叶轮，且叶轮表面硬度高，耐磨、耐腐性能好，能大大延长铝基合金旋转叶轮在流量计中的使用寿命。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0005] 一种流量计用铝基合金旋转叶轮快速成型及表面硬化耐腐工艺，包括如下步骤：
[0006] 1）采用硅溶胶复合铸造成型的铝基合金旋转叶轮：
[0007] ①铝模制作：采用八瓣分体式模具，模具内腔采用车削方式将旋转叶轮外敷面雕刻出来，中空预留位置即为旋转叶轮蜡型的成型腔，注蜡孔设于模具顶端（即为旋转叶轮轴芯顶端位置），在旋转叶轮八片叶轮尾端位置均设有1个微小的泄压导流孔，在八瓣模块外端中部设有抓拿位，并用配套的快速卡箍将模具的八瓣模块抱合预紧。铝模制作是旋转叶轮成型最为关键的步骤，在压制蜡件是否能够很好的脱模、蜡件变形等问题，主要体现在铝模的制作；
[0008] ②蜡型制作：首先将模具打开，在其模腔内均匀喷上一层脱模剂，然后将模具合上并用卡箍将模具卡紧，放入注蜡机预注蜡，当注蜡机注蜡嘴对准注蜡孔，注蜡压力调制为2.0-2.5MPa，注蜡嘴的腊温控制在56℃-65℃，保压时间控制在40s-90s（根据工件大小而定，较大的保压时间相对较长），然后开始进行注蜡，当蜡从模具的泄压导流孔溢出时，注蜡完毕，将模具撤出放置压蜡台上自然冷却30s-60s（根据工件大小而定，较大的冷却时间相对较长），并进行拆模及蜡件表面整形、修理、清洗；
[0009] ③浇冒口设计并与蜡型完成组装：直径小于或等于80mm的工件，浇冒口采用四组排列式组合设计，直径大于80mm的工件，浇冒口采用单件设计，浇冒口设计并制作后再与蜡型完成组装；在浇冒口设计中必须考虑到浇口与流道顺畅，同时要计算出冒口杯与预铸件的压差，其次便是考虑冒口和排气流道必须保持通畅，防止冒口和排气流道堵塞，浇铸时造成憋气显现，影响铸件质量；
[0010] ④制壳：在与浇冒口完成组装的蜡型组合件中，利用硅溶胶、水玻璃、耐火材料在蜡型表面制作由面层、过渡层和背层组成的模壳，并进行硬化；
[0011] ⑤脱蜡：将硬化后的模壳，去掉浇冒口杯上层封盖，并把浇冒口周围清洗干净后，将模壳浇冒口冲下，均匀排列在拉车上，然后将拉车一并送入脱蜡釜，将脱蜡釜门关上，加压至1.6MPa，蒸汽温度控制100℃-120℃，保压40min-60min（根据模壳大小和多少而定，也可以将保压时间相对延长），待模壳内蜡全部脱净，泄压，将模壳取出；
[0012] ⑥焙烧浇铸：将模壳浇冒冲下均匀排列至焙烧炉中，焙烧温度控制在1100℃-1150℃，保温焙烧1h以上；当焙烧后的模壳呈白色或蔷薇色时温度开始降温至400℃-450℃，并保温，待中频炉铝合金溶液脱氧脱硫去杂完成后，配合浇铸作业，将温度为550℃-600℃的铝合金溶液快速浇入模壳中（模壳出炉温度与铝合金溶液温度以此温度比例进行配合，会大大降低冷隔、气孔等问题发生，提高了铸件程序率），浇铸完成后，放置自然冷却至室温；
[0013] ⑦进行脱壳、切割、打磨修补、抛丸，即得成型的铝基合金旋转叶轮；
[0014] 2）叶轮表面制绒：包括表面车铣加工、超声波清洗去油、微蚀制绒、生成过渡粘合层、活化过程；
[0015] 3）叶轮表面发黑：包括超声波清洗去油清洗、腐蚀出光、氧化着色、封闭过程。
[0016] 根据以上方案，所述蜡型制作时，车间温度控制在13℃-17℃。
[0017] 根据以上方案，所述浇冒口设计及组束时，车间温度控制在13℃-17℃。
[0018] 根据以上方案，所述制壳时，车间温度控制21℃-27℃，面层室的相对湿度控制在小于或等于65%，过渡层与背层室的相对湿度控制在小于或等于50%。
[0019] 根据以上方案，所述叶轮表面制绒的具体过程为：
[0020] 1）表面车铣加工：将铝基合金旋转叶轮置于加工中心或数控机床，沿着叶轮旋转延向部位加工，车削厚度不大于0.5mm，使叶轮表面具有金属光泽，形成微镜面即可；
[0021] 2）超声波清洗去油：将车铣好的铝基合金旋转叶轮置于45℃-60℃热水中30s-60s，然后捞出，再浸入80℃-100℃清水中10s-20s，捞出沥干；
[0022] 3）微蚀制绒：将沥干的铝基合金旋转叶轮放入制备好的微蚀溶液中20s-50s，然后捞出用清水冲洗干净，通过微蚀使铝基合金旋转叶轮表面变得粗糙，形成高低不平和绒性絮状表面，这样的表面可以作为后续过渡粘合层的附着点，从而可以提高铝基合旋转叶轮的与过渡粘合层的结合强度；
[0023] 4）生成过渡粘合层：将微蚀制绒处理后的铝基合金旋转叶轮浸入质量浓度为20%-25%的水合肼与1%-5%的高锰酸钾混合溶液中25s-35s，然后捞出。此做法是通过20%-25%的水合肼与1%-5%的高锰酸钾混合溶液对微蚀制绒处理后的铝基合金旋转叶轮进行极化，通过极化反应使其表面形成一层导电的氧化膜，能有效地跟微蚀的绒性絮状表面附着在一起形成过渡粘合层，此工艺形成的过渡粘合层为后续发黑工艺提供了强大的粘合条件，提高了基体与保护层的粘合度；
[0024] 5）活化：将具有粘合层的铝基合金旋转叶轮浸质量浓度为65%-80%的乙醇中15s-20s后捞出，至于相对湿度不大于10%的环境中恒温烘干，此工艺为将隐藏在过渡粘合层的之间的杂质、气化物质全部去除，从而更有效为后续发黑工艺提供了强大的粘合条件，提高了硬化抗腐层与基体的粘合强度；
[0025] 根据以上方案，所述叶轮表面发黑的具体过程为：
[0026] 1）超声波清洗去油清洗：将具有粘合层的铝基合金旋转叶轮浸入含有质量浓度为2%-5%的碱性溶液中，在60℃-65℃温度下超声波清洗60s-100s，捞出后用60℃-65℃清水冲洗干净，然后沥干。超声波清洗时间控制十分关键，既要保正表面去油除污效果，也要保证工件表面碱腐蚀均匀，同时还要保证工件表面不起花斑；
[0027] 2）腐蚀出光：在质量浓度为40～50g/L的NaOH溶液中，60℃温度下碱蚀60s-120s，以除去工件表面残存的自然氧化膜及变质合金层，并调整基体表面，使之均匀一致。为了减少腐蚀过程中沉淀的氧化铝絮凝物，可采用柠檬酸铵(ρ=10g/L)作为螯合剂，接下来用H2SO4和HNO3体积浓度分别为15～20 mL/L、3～5 mL/L的酸蚀液中和残留碱，同时溶去挂灰附着物，使工件粘合层露出光洁的活性表面；
[0028] 3）氧化着色：在质量浓度为18 g/L的 Na2CrO4溶液中将腐蚀出光的铝基合金旋转叶轮进行化学氧化，以免再次污染或生成新的自然氧化膜，可得到耐蚀性基本达标的氧化膜；对经氧化处理的铝基合金旋转叶轮着黑色，采用过渡金属化合物为着色剂，KMnO4为氧化剂，NiSO4为催化剂，并用HNO3调节pH值为5，并在80℃-90℃温度下导电处理8-10min；
[0029] 4）封闭：采用水解盐法，使铝基合金旋转叶轮表面已形成的发黑膜孔隙中产生氢氧化物沉淀，将微孔堵塞。经封闭可进一步提高工件表面的强度和耐蚀性，同时增加光泽度。
[0030] 本发明的制壳工序具体制壳参数如下所示：
[0031]
[0032] 制壳过程中应注意事项：1、配制面层时，先加硅溶胶，再逐步加入JFC湿润剂质量为0.3%-0.5%（可通过涂料的涂挂性的优劣进行调整）和锆粉进行搅拌均匀，最后加入消泡剂0.15%-2%，按泡多少适当的调整；2、面层全部新料应搅拌24h以上，生产前测量面层粘度，用国产4＃杯测量，应在规定粘度范围内进行控制，硅溶胶面层干燥时间在8h以上，过渡层和背层干燥时间在12h以上；3、沾过渡层时要干燥好，根据螺旋叶轮本质特性采用采用莫来砂粉作为过渡层涂料；4、过渡层要预浸硅溶硅，可预浸3层以上；5、当沾三层时，调整粘度，干燥好后采用水玻璃涂料；6、将硬化液氯化铝密度调整为1.18-1.2，硬化时间为1h左右，如需要时可以延长硬化时间。
[0033] 本发明的有益效果是：
[0034] 1）本发明采用的硅溶胶复合铸造工艺，可以减少材料、人工及机加工的浪费，有效节约生产成本，同时，按照硅溶胶复合铸造工艺技术，能够保证产品出货速度和批量生产的效率；
[0035] 2）本发明采用的叶轮表面制绒技术，可以使铝合金基体上形成一层不平整的带有绒性物质的粘合层，在该粘合层上进行发黑，利用发黑层与粘合层之间的机械作用与化学作用的配合，可以大大提高了基体、过渡层、面层之间的结合强度；
[0036] 3）本发明通过叶轮表面发黑药水的制备、实施发黑过程工艺条件的控制，在铝基叶轮外层形成一层复合性保护层，此保护层通过发黑工艺后段的氧化密封后，可以得到具有一定光洁度且致密、硬度高、耐磨性能及抗腐蚀性能强，与叶轮基体结合度强的致密硬质耐腐层，能够大大延长铝基旋转叶轮的使用寿命。
具体实施方式
[0037] 下面结合实施例对本发明的技术方案进行说明。
[0038] 实施例1：
[0039] 本发明提供一种流量计用铝基合金旋转叶轮快速成型及表面硬化耐腐工艺，，包括如下步骤：
[0040] 1）采用硅溶胶复合铸造成型的铝基合金旋转叶轮：
[0041] ①铝模制作：采用八瓣分体式模具，模具内腔采用车削方式将旋转叶轮外敷面雕刻出来，中空预留位置即为旋转叶轮蜡型的成型腔，注蜡孔设于模具顶端，在旋转叶轮八片叶轮尾端位置均设有1个微小的泄压导流孔，在八瓣模块外端中部设有抓拿位，并用配套的快速卡箍将模具的八瓣模块抱合预紧。铝模制作是旋转叶轮成型最为关键的步骤，在压制蜡件是否能够很好的脱模、蜡件变形等问题，主要体现在铝模的制作；
[0042] ②蜡型制作：车间温度控制在14℃-16℃，首先将模具打开，在其模腔内均匀喷上一层脱模剂，然后将模具合上并用卡箍将模具卡紧，放入注蜡机预注蜡，当注蜡机注蜡嘴对准注蜡孔，注蜡压力调制为2.3MPa，注蜡嘴的腊温控制在60℃，保压时间控制在70s，然后开始进行注蜡，当蜡从模具的泄压导流孔溢出时，注蜡完毕，将模具撤出放置压蜡台上自然冷却50s，并进行拆模及蜡件表面整形、修理、清洗；
[0043] ③浇冒口设计并与蜡型完成组装：直径小于或等于80mm的工件，浇冒口采用四组排列式组合设计，直径大于80mm的工件，浇冒口采用单件设计，浇冒口设计并制作后再与蜡型完成组装；
[0044] ④制壳：在与浇冒口完成组装的蜡型组合件中，利用硅溶胶、水玻璃、耐火材料在蜡型表面制作由面层、过渡层和背层组成的模壳，并进行硬化，车间温度控制24℃-26℃，面层室的相对湿度控制在60%，过渡层与背层室的相对湿度控制在45%；
[0045] ⑤脱蜡：将硬化后的模壳，去掉浇冒口杯上层封盖，并把浇冒口周围清洗干净后，将模壳浇冒口冲下，均匀排列在拉车上，然后将拉车一并送入脱蜡釜，将脱蜡釜门关上，加压至1.6MPa，蒸汽温度控制110℃，保压50min，待模壳内蜡全部脱净，泄压，将模壳取出；
[0046] ⑥焙烧浇铸：将模壳浇冒冲下均匀排列至焙烧炉中，焙烧温度控制在1130℃，保温焙烧2h；当焙烧后的模壳呈白色或蔷薇色时温度开始降温至430℃，并保温，待中频炉铝合金溶液脱氧脱硫去杂完成后，配合浇铸作业，将温度为580℃的铝合金溶液快速浇入模壳中，浇铸完成后，放置自然冷却至室温；
[0047] ⑦进行脱壳、切割、打磨修补、抛丸，即得成型的铝基合金旋转叶轮；
[0048] 2）叶轮表面制绒：
[0049] ①表面车铣加工：将铝基合金旋转叶轮置于加工中心或数控机床，沿着叶轮旋转延向部位加工，车削厚度不大于0.5mm，使叶轮表面具有金属光泽，形成微镜面即可；
[0050] ②超声波清洗去油：将车铣好的铝基合金旋转叶轮置于50℃热水中50s，然后捞出，再浸入90℃清水中15s，捞出沥干；
[0051] ③微蚀制绒：将沥干的铝基合金旋转叶轮放入制备好的微蚀溶液中40s，然后捞出用清水冲洗干净；
[0052] ④生成过渡粘合层：将微蚀制绒处理后的铝基合金旋转叶轮浸入质量浓度为23%的水合肼与3%的高锰酸钾混合溶液中30s，然后捞出；
[0053] ⑤活化：将具有粘合层的铝基合金旋转叶轮浸质量浓度为70%的乙醇中18s后捞出，至于相对湿度为8%的环境中恒温烘干。
[0054] 3）叶轮表面发黑：
[0055] ①超声波清洗去油清洗：将具有粘合层的铝基合金旋转叶轮浸入含有质量浓度为3%的碱性溶液中，在62℃温度下超声波清洗80s，捞出后用62℃清水冲洗干净，然后沥干；
[0056] ②腐蚀出光：在质量浓度为45g/L的NaOH溶液中，60℃温度下碱蚀90s，并采用柠檬酸铵(ρ=10g/L)作为螯合剂，接下来用H2SO4和HNO3体积浓度分别为18 mL/L、4mL/L的酸蚀液中和残留碱，同时溶去挂灰附着物，使工件粘合层露出光洁的活性表面；
[0057] ③氧化着色：在质量浓度为18 g/L的 Na2CrO4溶液中将腐蚀出光的铝基合金旋转叶轮进行化学氧化；对经氧化处理的铝基合金旋转叶轮着黑色，采用过渡金属化合物为着色剂，KMnO4为氧化剂，NiSO4为催化剂，并用HNO3调节pH值为5，并在85℃温度下导电处理10min；
[0058] ④封闭：采用水解盐法，使铝基合金旋转叶轮表面已形成的发黑膜孔隙中产生氢氧化物沉淀，将微孔堵塞。
[0059] 以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
