專利名稱：制備鐵基表面復(fù)合材料的鑄造燒結(jié)法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域，是將粉末冶金與鑄造這兩個不同的學(xué)科交叉結(jié)合而衍生出的一種制備具有以陶瓷顆粒增強(qiáng)的表面復(fù)合材料層的鑄鋼件或鑄鐵件的鑄造燒結(jié)法。
現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展迫切需要能在高溫、高速和劇烈磨損工況下工作的結(jié)構(gòu)件，鐵基——陶瓷顆粒復(fù)合材料就是在這一需求下產(chǎn)生的。目前，制造鐵基——陶瓷顆粒復(fù)合材料的方法可分為固相成型和液相成型兩大類。其中以粉末冶金為代表的固相成型法是將粒度較小的陶瓷粉料和合金粉料加入成型劑混勻，在較高的壓力下壓制成型，并在高溫下長時間燒結(jié)制造而成(李榮久主編，陶瓷——金屬復(fù)合材料，1995年，冶金工業(yè)出版社，北京)。該方法雖具有顆粒均勻分散，增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)高，燒結(jié)的零件尺寸精度和表面質(zhì)量好等優(yōu)點，但存在著設(shè)備投資大、生產(chǎn)成本高、工件的形狀和大小受到一定限制等缺點，僅能用于制造刀具和鉆探工具等。而以鑄造為代表的液相成型法則是將陶瓷顆粒加入熔煉后的金屬液中混合后澆注(張靜、潘復(fù)生等，鐵基復(fù)合材料的現(xiàn)狀和發(fā)展，材料導(dǎo)報，1995，No.1，67)。該方法具有便于一次成型形狀復(fù)雜構(gòu)件，構(gòu)件可大可小且設(shè)備投資少等優(yōu)點，但顆粒的均勻分散一直是一個難以解決的問題。
近年來，Terry、Chrysanthou和Raghunath等人通過向爐內(nèi)鐵液或鋼液中加入Ti-Fe和碳，使之反應(yīng)生成TiC再澆注成型得到了Fe-TiC整體復(fù)合材料(Chrysan-thou A等，J.Mater Lett，1996，15，473)。這種原位生成Fe-TiC復(fù)合材料的方法成本低，生成的TiC顆粒小，表面無污染，但復(fù)合材料中TiC的體積分?jǐn)?shù)較低，且TiC與Fe的密度相差較大，造成TiC顆粒仍分布不均勻，使這種方法難以推廣應(yīng)用。而且研究還表明顆粒增強(qiáng)整體復(fù)合材料往往會損害工件的韌性，增加成本并給材料回用帶來困難。
為了克服陶瓷顆粒增強(qiáng)整體復(fù)合材料存在的缺陷，同時充分發(fā)揮金屬材料熱穩(wěn)定性好，強(qiáng)度和韌性高的特性，近幾年來國內(nèi)幾所大學(xué)開展了鐵基——陶瓷顆粒表面復(fù)合材料的研究，即在作為母體的金屬材料表面覆蓋一層鐵基——陶瓷顆粒復(fù)合材料，以滿足構(gòu)件在使用中所需要的外硬內(nèi)韌的性能要求。其中西安交大采用的是負(fù)壓鑄滲法制造鐵基表面復(fù)合材料(王恩澤等，鑄滲法制備顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料的研究，復(fù)合材料學(xué)報，1998，No.2，12)，而本專利發(fā)明人則是采用的是鑄滲原位反應(yīng)法制造表面復(fù)合材料(王一三等，原位生成Fe-VC0.88自潤滑表面復(fù)合材料的研究，熱加工工藝，1998，No.6，3)。鑄滲法制造鐵基表面復(fù)合材料基本上解決了陶瓷顆粒分布均勻性問題，增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)也較高，但由于其主要是靠高溫液相金屬對涂敷顆粒層的完全滲透、熔合實現(xiàn)致密化的，因而存在工藝因素不穩(wěn)定；表面質(zhì)量差，易出現(xiàn)孔洞且又不平整；表層厚度難以控制等問題，嚴(yán)重阻礙了鐵基表面復(fù)合材料的生產(chǎn)和應(yīng)用。
本發(fā)明的目的是解決已有技術(shù)存在的問題，擬提供一種新的復(fù)合技術(shù)，即將粉末冶金與鑄造有機(jī)結(jié)合的、制備鐵基表面復(fù)合材料的鑄造燒結(jié)法。
本發(fā)明的目的是由這樣一種技術(shù)解決方案達(dá)到即將陶瓷粉或/和可生成碳化物陶瓷的組分與易熔合金粉在球磨機(jī)中混合均勻，再按粉末冶金成型方法制成壓坯并固定在鑄型表面，然后利用鑄造澆注的高溫鋼水或鐵水的熱量，直接將壓坯燒結(jié)在鑄件母體上。
上述技術(shù)解決方案是通過下述工藝步驟來具體進(jìn)行的①將粒度≤50μm的陶瓷粉或/和可生成碳化物陶瓷的組分30～70％(重量)和粒度≤50μm的易熔合金粉30～70％(重量)以及為粉料總重量8～20％的無水乙醇加入球磨機(jī)中，濕混8～48小時，轉(zhuǎn)速為60～200轉(zhuǎn)/分；②將混勻的粉料烘干，加入粘結(jié)劑2～7％(重量)混勻后，在100～1000MPa的單位壓力下壓制成厚度為2～12毫米的壓坯；③將壓坯固定在鑄型表面，然后在120～180℃烘烤4～8小時；④在電弧爐或感應(yīng)電爐中熔煉中、低碳鋼、低合金鋼或灰鑄鐵或球墨鑄鐵，并將過熱的鋼水或鐵水澆入鑄型，澆注溫度為1500～1650℃，凝固冷卻后即成。
其中所用陶瓷粉為碳化鈦粉或碳化鎢粉，也可為鎳包二氧化鋯粉或鎳包三氧化二鋁粉。
可生成碳化物陶瓷的組分是粒度≤50μm的釩鐵粉或鈦鐵粉30～60％(重量)和粒度≤50μm的活性碳粉、碳化硅粉、生鐵粉中的至少一種，含量2～35％(重量)。
所用的易熔合金粉的成分是Cr 8～30％、Ni 10～60％、Si 1.4～4.5％、B 1.2～3.5％、Fe 13～70％、C 0.15～1.5％、Mo 0～10％，以上成分均為重量百分比。
所用的粘結(jié)劑為水玻璃或濃度為4～6％的聚乙烯醇水溶液，其用量為壓坯粉料總重的2～7％。
壓坯可選用粘結(jié)劑粘貼或選用鋼絲固定在鑄型表面。如選用粘結(jié)劑粘貼，可用濃度為1～8％的聚乙烯醇水溶液。
考慮到薄壁小件如壁厚＜35毫米的鑄件，如果因澆注的鋼水或鐵水的熱容量不夠，使鐵基表面復(fù)合材料層的燒結(jié)致密化過程未能全部完成，可采取補(bǔ)充燒結(jié)措施即在鑄件澆注凝固后，將鑄件置于內(nèi)有木炭或焦碳的密封箱體內(nèi)，再放入高溫加熱爐中或直接將鑄件放入真空燒結(jié)爐中，加熱到950～1100℃并在此溫度保溫8～24小時。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點1.由于本發(fā)明是利用鑄造過程澆注的鋼水和鐵水的熱量在鑄型表面的壓坯中實現(xiàn)大液相量快速燒結(jié)，而使其致密化，整個過程在鑄造時一次完成，因此就可克服粉末冶金法的不足，可生產(chǎn)大小不一、形狀各異的各種鑄件，工序少，生產(chǎn)周期短，成本低，而且不需要專門的設(shè)備，在具有電弧爐或感應(yīng)電爐的普通鑄造車間就可進(jìn)行，設(shè)備投資少。
2.由于本發(fā)明只在鑄件需要耐磨、耐熱的表面生成表面復(fù)合層，而鑄件本體和其它部位仍為價廉的普通中、低碳鋼、低合金鋼、球墨鑄鐵或灰鑄鐵，因而與整體復(fù)合材料相比，不僅可節(jié)省大量昂貴的陶瓷粉和合金，而且其鑄件的綜合性能好，可達(dá)到外硬內(nèi)韌，能滿足在高溫、高速和劇烈磨損工況下工作的要求。同時，廢舊零件的回用問題也能較好解決。
3.由于本發(fā)明是依靠壓坯的快速液相燒結(jié)實現(xiàn)表面復(fù)合層的致密化，因此可以克服鑄滲法的缺點，使表面復(fù)合層具有增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)高，表面平整，質(zhì)量好，厚度穩(wěn)定，易于控制等優(yōu)點。
4.由于本發(fā)明能夠在鑄造過程中，直接在鑄鋼或鑄鐵件表面燒結(jié)具有特殊組織和性能的鐵基陶瓷顆粒表面復(fù)合層，因而不僅為零件的表面強(qiáng)化開劈了一條新的途徑，而且與傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化方法相比，具有與母體結(jié)合強(qiáng)度高，厚度大，生產(chǎn)工序少，設(shè)備簡單，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，應(yīng)用前景廣泛。
下面給出本發(fā)明實施例，并作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明不局限于這些例子。
實施例1～12(1)制造鑄型 在水洗砂或擦洗砂中加入濃度為10％的聚乙烯醇水溶液4～6％制造鑄型，或用常規(guī)的水玻璃砂或粘土砂或樹脂砂制造鑄型，并于120～160℃烘烤3～8小時取出；涂刷防粘砂涂料，澆注鐵水涂刷石墨涂料，澆注鋼水涂刷剛玉粉涂料；再于120～160℃烘烤1～2小時取出待用。
(2)制造壓坯 按表1所列各實施例的組分配比，將粒度≤50μm的各種粉料一起置于球磨機(jī)中，并加入為粉料總重量8～20％的無水乙醇，濕混8～48小時，轉(zhuǎn)速為60～200轉(zhuǎn)/分。由于在濕混過程中還伴有進(jìn)一步磨細(xì)粉料的作用，故可根據(jù)實際加入粉料粒度的大小，在上述范圍內(nèi)選擇濕混時間和轉(zhuǎn)速。一般來說，加入的粉料細(xì)，混制時間和轉(zhuǎn)速可偏下限取，反之，則偏上限取。但是對于實施例3、4，由于其陶瓷粉料為鎳包三氧化二鋁或鎳包二氧化鋯，為了不破壞該粉料的包覆結(jié)構(gòu)，其混制時間可為8小時，轉(zhuǎn)速應(yīng)控制為60轉(zhuǎn)/分。
其中各實施例所加的易熔合金粉各成分的配比對應(yīng)見于表2。
將混勻后的粉料取出烘干，加入為粉料總重2～7％的粘結(jié)劑，混勻后，裝入金屬模具在液壓機(jī)上，以100～1000MPa的單位壓力壓制成厚度為2～12毫米的壓坯。壓坯厚度可根據(jù)鑄件壁厚選擇，鑄件壁薄偏下限選，壁厚偏上限選，鑄件最小壁厚不應(yīng)低于20毫米。粘結(jié)劑可為水玻璃或濃度為4～6％的聚乙烯醇水溶液。如選用水玻璃其加入量為3～6％。單位壓力是根據(jù)壓坯厚度大小來選擇，壓坯薄，偏下限選，反之，則偏上限選。
(3)壓坯的固定 可用粘結(jié)劑或鋼絲將壓坯固定在鑄型表面。如果用粘結(jié)劑固定，粘結(jié)劑為濃度1～8％的聚乙烯醇水溶液，固定時需同時在鑄型表面和壓坯底面涂刷后貼壓。為了除去其中所含水份，壓坯固定后在120～180℃烘烤4～8小時，取出合箱等待澆注。
(4)熔煉鐵水或鋼水 將相應(yīng)爐料在電弧爐或感應(yīng)電爐中按常規(guī)方法熔煉鋼水或鐵水，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。
(5)澆注和燒結(jié) 將過熱鐵水或鋼水澆入鑄型，澆注溫度為1500～1650℃。薄壁件偏上限取，厚大件偏下限取。開始澆注時速度要快要平穩(wěn)，不能斷流，后期澆注速度可適當(dāng)減慢至澆滿。壓坯中易熔合金粉料在鐵水或鋼水的高溫下，熔化成液相，并充填陶瓷粉之間的空隙，作用于陶瓷顆粒間的毛細(xì)管力和顆粒間液相的粘性流動，使壓坯中的陶瓷顆粒調(diào)整位置，重新分布以達(dá)到最緊密的排列，結(jié)果使顆粒間距離縮小，互相接觸，粘結(jié)并形成連續(xù)骨架而實現(xiàn)燒結(jié)致密化。
實施例13本實施例制作的壓坯成分和鑄件母體材料同實施例1，制造工序同前，略。但由于其澆注的鑄件母體壁厚只有30毫米，鐵水熱容量較小，致使鐵基表面復(fù)合材料層的燒結(jié)致密化過程未能全部完成，故鑄件凝固冷卻后，取出鑄件并將鑄件與0.5kg焦碳粉一起置入一密封的鑄鐵箱內(nèi)，再放入高溫電阻爐中加熱到1050℃，保溫10小時，然后隨爐冷卻到室溫，即可在鑄件表面得到燒結(jié)好的致密的含有TiC的復(fù)合層。
表1
表權(quán)利要求
1.一種制備鐵基表面復(fù)合材料的鑄造燒結(jié)法，其特征在于將陶瓷粉或/和可生成碳化物陶瓷的組分與易熔合金粉在球磨機(jī)中混合均勻，再按粉末冶金成型方法制成壓坯并固定在鑄型表面，然后利用鑄造澆注的高溫鋼水或鐵水的熱量，直接將壓坯燒結(jié)在鑄件母體上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造燒結(jié)法，其特征在于①將粒度≤50μm的陶瓷粉或/和可生成碳化物陶瓷的組分30～70％(重量)，和粒度≤50μm的易熔合金粉30～70％(重量)以及為粉料總重量8～20％的無水乙醇加入球磨機(jī)中，濕混8～48小時，轉(zhuǎn)速為60～200轉(zhuǎn)/分；②將混勻的粉料烘干，加入粘結(jié)劑2～7％(重量)混勻后，在100～1000MPa的單位壓力下壓制成厚度為2～12毫米的壓坯；③將壓坯固定在鑄型表面，然后在120～180℃烘烤4～8小時；④在電弧爐或感應(yīng)電爐中熔煉中、低碳鋼、低合金鋼或灰鑄鐵或球墨鑄鐵，將過熱鋼水或鐵水澆入鑄型，澆注溫度為1500～1650℃，凝固冷卻后即成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鑄造燒結(jié)法，其特征在于可生成碳化物陶瓷的組分是粒度≤50μm的釩鐵粉或鈦鐵粉30～60％(重量)和粒度≤50μm的活性碳粉、碳化硅粉、生鐵粉中的至少一種，含量2～35％(重量)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鑄造燒結(jié)法，其特征在于陶瓷粉為碳化鈦粉或碳化鎢粉，也可為鎳包二氧化鋯粉或鎳包三氧化二鋁粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鑄造燒結(jié)法，其特征在于易熔合金粉的成分是Cr 8～30％(重量)，Ni 10～60％(重量)，Si 1.4～4.5％(重量)，B 1.2～3.5％(重量)，F(xiàn)e 13～70％(重量)、C 0.15～1.5％(重量)，Mo 0～10％(重量)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或所述的鑄造燒結(jié)法，其特征在于對壁厚＜35毫米的鑄件，澆注凝固后，將具有鐵基表面復(fù)合材料層的鑄件置于內(nèi)有木炭或焦碳的密封箱體內(nèi)，再放入高溫加熱爐中或直接將鑄件放入真空燒結(jié)爐中，加熱到950～1100℃并在此溫度保溫8～24小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鑄造燒結(jié)法，其特征在于粘結(jié)劑為水玻璃或濃度為4～6％的聚乙烯醇水溶液，其用量為壓坯粉料總重的2～7％。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鑄造燒結(jié)法，其特征在于壓坯是用濃度為1～8％的聚乙烯醇水溶液粘貼或用鋼絲固定在鑄型表面。
全文摘要
本發(fā)明提供的制備鐵基表面復(fù)合材料的鑄造燒結(jié)法,是將陶瓷粉或/和可生成碳化物陶瓷的組分與易熔合金粉混勻,并按粉末冶金的成型方法制成壓坯并固定于鑄型表面,利用鑄造澆注的高溫鋼水或鐵水的熱量,直接將壓坯燒結(jié)在鑄件母體上。本方法所用設(shè)備簡單,生產(chǎn)工序少、成本低,能制備各種形狀的鑄件,燒結(jié)的表面復(fù)合層與母體的結(jié)合強(qiáng)度高,表面平整,厚度易于控制,是便于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的新型復(fù)合技術(shù),同時也為零件表面強(qiáng)化提供了一條新的途徑。
文檔編號B22D19/08GK1273152SQ9911485
公開日2000年11月15日 申請日期1999年5月7日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月7日
發(fā)明者王一三 申請人:四川大學(xué)