專利名稱：一種鑄鐵件表面粒子增強復合材料層及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鑄鐵件表面粒子增強復合材料層及其制備方法。
背景技術：
鑄造表面復合材料的制造源于涂覆鑄造工藝，稱鑄滲或浸滲，該工藝將傳統(tǒng)的鑄造和材料表面復合強化技術相結合，一次成型，在鑄造過程中，充分利用了澆注及凝固時所產(chǎn)生的余熱，降低能耗，簡化工序，實現(xiàn)表面合金化，大大提高鑄件表面的硬度、耐磨、耐熱等性能。此法是1913年由美國人Davis等人創(chuàng)立，并在本世紀70年代發(fā)展起來，美國、德國、南非、日本等國家在這方面都有較深入的研究。近些年，中國也對鑄滲法表面粒子增強復合材料非常重視，特別是20世紀90年代鑄滲工藝的應用研究已獲得長足的發(fā)展。這主要緣于該工藝不需要專用的處理設備，具有操作簡單、生產(chǎn)周期短、成本低、節(jié)約材料、表面層厚、零件不變形、可以熱處理等優(yōu)點。清華大學、西安理工大學在這方面的工作起步較早，對影響合金層質(zhì)量的多種因素(如澆注溫度、合金粉粒度、粘結劑種類和熔劑等)進行了系統(tǒng)研究；西安交通大學、武漢理工大學和沈陽鑄造研究所對鑄件表面合金化工藝進行了完善，并使該工藝在生產(chǎn)中得到一定程度的應用；進入21世紀，甘肅工業(yè)大學、河南科技大學對鑄滲法表面改性技術進行了進一步深入綜合研究；昆明理工大學利用此法制備了金屬基表面耐磨復合材料；蘭州理工大學利用此法制備了銅基表面復合材料；遼寧工程技術大學利用此法增強低鉻鑄鐵表面性能。由于表面粒子增強復合材料具有優(yōu)異的耐磨性、耐熱性、耐蝕性，且鑄滲法可以根據(jù)使用要求，自由選擇母材化學成分，使之與復合層性能達到最佳的配合；表面復合層的厚度、成分、組織也可以根據(jù)工件的性能要求進行設計，因此從創(chuàng)立到現(xiàn)在一直受到人們高度重視，但總體來說，鑄滲法制取的復合材料中存在氣孔、夾渣(雜)等諸多缺陷、工藝不甚成熟，還處于試驗研究階段?？偨Y國內(nèi)外制造鑄件表面粒子增強復合材料的基本方法有一是通過離心力和真空力使合金粉顆粒分布于鑄型表面，不需要粘結劑，所獲得的復合層致密， 氣孔等缺陷較少，但硬化表面的形狀受到限制，且工藝復雜、設備昂貴。國外應用這種方法的較多。二是將合金粉顆粒制成涂料或膏塊涂刷或貼固于鑄型表面，方法簡單，實用性強， 較適合建筑、農(nóng)機等機械零件的生產(chǎn)，比較適合我國國情。無論國內(nèi)還是國外，都遇到了諸如復合材料表面不平整、內(nèi)有氣孔和夾渣、金屬液滲透能力差、粘砂、沖刷等許多問題，但在鑄鐵件上研究甚少，大多集中在有色金屬合金上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種鑄件表面粒子增強復合材料層及其制備方法，在灰鑄鐵、球墨鑄鐵獲得了均勻致密、表面平整、厚度為2 5mm的 WC-高鉻鑄鐵復合材料層，克服了直接鑄造WC顆粒易脫落的問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案一種鑄件表面粒子增強復合材料層，其包括以下質(zhì)量百分比的組成成分2. 96 3. 58% C, 15. 41 24. 77% Cr, 18. 41 24. 92% ff,0. 61 1. 02% Ca, 1. 23 2. 11% Si, 0. 12 0. 84% Β，0· 41 2. 52% Mg，余量的 Fe。一種鑄件表面粒子增強復合材料層的制備方法，包括以下步驟1)首先按照合金粉劑組成按重量份數(shù)配置合金粉劑；2)其次在預先配制好的合金粉劑中加入聚乙烯醇膠體，聚乙烯醇占合金粉質(zhì)量的 4 7 %，攪拌均勻，調(diào)成糊狀合金粉劑混合物；3)用刷子將調(diào)成糊狀的合金粉劑混合物涂覆或噴涂于用水玻璃面砂造型的鑄型底面或側(cè)面，用噴燈烘干5 lOmin，或制成具有硬化面外形的塊狀，烘干5 lOmin，合箱；4)然后將生鐵用沖天爐熔煉，層焦比為1 8-10;5)最后將經(jīng)沖天爐熔煉的鐵水選擇以頂注式或底注式澆注，澆注遵循慢快慢的原則，先慢澆以便讓鐵水中氣體從澆口杯跑出，鐵水到達澆道底部并開始進入鑄件時快澆，用鐵水封住澆口杯，保證澆口杯一直呈充滿狀態(tài)，澆注快完畢時慢澆，防止鐵水溢出，自然冷卻。所述步驟2)中的合金粉劑組成及按重量份數(shù)為碳化鎢18 23份，高碳鉻鐵 40 50份，灰鑄鐵或球墨鑄鐵粉20 30份，硅鈣合金2 3份，氟化鈉+ (碳酸鈉)1 3 份，稀土鎂合金(含鎂較多的球化劑)1 3份，硼砂(Na2B407) 2 4份。所述合金粉劑粒度為0. 1 0. 3_ ；各元素收得率54 62% C，48 74% Cr, 80 92% W0所述步驟幻中澆筑時，澆注溫度T和λ值(即鑄件厚度與烘干后合金粉厚度的比值)的選擇對于灰鑄鐵，T彡1360°C，12彡λ彡8，對于球墨鑄鐵，T彡1320°C， 18 ≥λ ≥ 14。本發(fā)明主要創(chuàng)新點在于合金粉劑中加入了適量的合金元素，溶劑為氟化鈉，其作用為在鑄滲的過程中，PVA膠體在高溫下發(fā)生分解，以氣體形式排出，不會產(chǎn)生黑色物質(zhì)， 而氟化鈉在鑄滲過程中能起到除去合金顆粒表面氧化膜及改善其與鐵液浸潤性的作用，它還是一種較輕的造渣劑，能溶解和吸收高熔點氧化物，同時又是一種表面活性劑，能減少鐵液的表面張力，而且造渣后上浮凈化表面，從而改善復合層質(zhì)量；硅鈣合金的加入，主要是硅易溶于基體，提高高溫抗氧化性和鑄鐵疲勞強度，硅還可以阻止工件表面發(fā)生龜裂和起皮脫落現(xiàn)象，鈣主要具有脫硫、脫氧的作用；硼砂在澆鑄初期會包裹合金顆粒使之不受氧化，受熱溶化后發(fā)生分解反應生成壓03，B2O3可溶解合金表面的氧化膜，使之成為熔渣，起到凈化表面的作用，提高其浸潤能力，同時B可以改善合金粉劑的自溶性，降低其熔點；鎂粉主要起到還原劑的作用，在鑄滲的過程中，鎂能在液滴表面揮發(fā)，破壞合金顆粒表面氧化膜的產(chǎn)生，改善潤濕性，同時鎂還能夠起到脫硫作用。WC在受熱過程中，其表面會產(chǎn)生氧化物(如WO3)，氧化物的存在會惡化金屬液與 WC的潤濕，使結合強度下降。合金粉劑中的還原劑和熔劑可去除氧化物等雜質(zhì)，使之成為熔渣，使材料均勻。合金元素的這些作用使復合材料層與基體之間形成無氣孔、夾渣的過渡區(qū)，大大提高了復合材料層與基體的結合強度。本發(fā)明的復合材料層主要由1(、((>斤6)7(溝、共晶奧氏體和馬氏體組成，復合材料層與基體間約有0. 2 0. 5mm因稀釋、擴散而產(chǎn)生的過渡區(qū)，無氣孔和夾渣，而且與基體交錯排列，提高了復合材料層與基體的結合強度。復合材料層與基體的結合強度為對于灰鑄鐵抗拉強度> 181MPa，抗壓強度為468 592MPa ；平均硬度為600 1200HV ；耐磨粒磨損性能大大提高，其耐磨性分別是QT600-3、淬火態(tài)45鋼和HT200的2. 9 6. 2、2. 6 5. 5和 3. 9 10. 5 倍。本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、硼元素的加入。硼砂在澆鑄初期會包裹合金顆粒使之不受氧化，受熱溶化后發(fā)生分解反應生成氏03，B2O3可溶解合金表面的氧化膜，使之成為熔渣，起到凈化表面的作用， 提高其浸潤能力，同時B可以改善合金粉劑的自溶性，降低其熔點2、鎂元素的加入。鎂能在液滴表面揮發(fā)，破壞合金顆粒表面氧化膜的產(chǎn)生，改善潤濕性，同時鎂還能夠起到脫硫作用，大大提高復合材料層與基體的結合強度。3、用聚乙烯醇做粘結劑。雖然在澆注過程中生成氣體，但隨之濃度的降低，發(fā)氣量減少，在鑄造后不留殘渣。4、復合材料層具有高的與基體結合強度，高的硬度，高的耐磨性。5、制備方法，操作簡單、生產(chǎn)周期短、成本低、節(jié)約材料、表面層厚、零件不變形、等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明復合材料層的X射線衍射圖譜；圖2為本發(fā)明復合材料層的鑄態(tài)組織圖；圖3為本發(fā)明復合材料層至基體的過渡區(qū)結構圖；圖4(a)為毛坯試樣；圖4(b)為本發(fā)明復合材料層拉伸方向結合強度檢測示意圖； 4(c)發(fā)明復合材料層壓縮方向結合強度檢測示意圖；圖5(a)、圖5(b)為本發(fā)明復合材料層的平均顯微硬度分布圖；圖6為本發(fā)明復合材料層的磨損曲線圖。其中，1.基體，2.復合材料層。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。實施例1 合金粉劑組成及含量為碳化鎢19. 2份，高碳鉻鐵47. 5份，灰鑄鐵粉 24. 7份，硅鈣合金3份，氟化鈉1份，稀土鎂合金(含鎂較多的球化劑)2份，硼砂2. 6份；合金粉劑粒度為0. 2mm ；澆注溫度為1370°C，λ值為14。制備時，用聚乙烯醇(PVA)膠體將合金粉劑攪拌均勻，調(diào)成糊狀，涂覆于用水玻璃面砂造型的鑄型底面，用噴燈烘干5 lOmin， 合箱，然后將經(jīng)沖天爐熔煉的鐵水以頂注式澆注，自然冷卻。這樣得到的復合材料層相組成主要為WC、(Cr，F(xiàn)e)7C3、共晶奧氏體和馬氏體，鑄態(tài)組織中WC為白色方塊狀，(CnFe)7C3碳化物呈放射狀或菊花狀排列，與基體間約有0. 2 0. 5mm的過渡區(qū)，如圖1_3所示。實施例2 合金粉劑組成及含量為碳化鎢20份，高碳鉻鐵50份，灰鑄鐵粉25份， 硅鈣合金1份，氟化鈉1份，稀土鎂合金(含鎂較多的球化劑)1份，硼砂2份；合金粉劑粒度為0. 3mm;澆注溫度為1370°C，λ值為14。制備時，用聚乙烯醇(PVA)膠體將合金粉劑攪拌均勻，調(diào)成糊狀，制成尺寸為30 X 30 X 3mm的膏狀合金，將其放在尺寸為30 X 30 X 170mm 的長方體鑄型中部，然后澆注鐵水成型，得到中部為鑄滲層兩端為鑄鐵基體的試樣。然后將
5其加工成GB228-76標準中的圓形短試樣，在TO-10型萬能拉伸試驗機上做拉伸試驗。由于合金元素的加入，提高鑄滲層與基體的結合強度，致使試樣斷裂發(fā)生在灰鑄鐵基體上，其抗拉強度大于181MPa，如圖4(b)所示，黑色為復合材料層2，其它為基體1。實施例3 合金粉劑組成及含量為碳化鎢20份，高碳鉻鐵47份，灰鑄鐵粉25份， 硅鈣合金2份，氟化鈉1份，稀土鎂合金(含鎂較多的球化劑)3份，硼砂2份；合金粉劑粒度為0. 2mm ；澆注溫度為1370°C，λ值為14。制備時，采用實施例2的制備方法，并在WE-10 型萬能拉伸試驗機上做壓縮試驗。合金元素的加入，能提高鑄滲層與基體的剪切強度，致使試樣斷裂發(fā)生在灰鑄鐵基體上，其抗壓強度為592MPa，如圖4(c)所示，黑色為復合材料層 2，其它為基體1。實施例4 合金粉劑組成及含量為碳化鎢22份，高碳鉻鐵50份，灰鑄鐵粉20份， 硅鈣合金1份，氟化鈉2份，稀土鎂合金(含鎂較多的球化劑)3份，硼砂2份；合金粉劑粒度為0. 3mm ；澆注溫度為1420°C，λ值為11。制備時，采用實施例1的制備方法，由鑄滲層表面及基體，每隔0. 4mm測量一次維氏硬度，可知復合材料層平均維氏硬度為886HV，且沿鑄滲層表面及基體的方向，硬度先升高后降低，過渡區(qū)的存在使鑄滲層至基體的硬度梯度變緩，如圖5(a)所示。實施例5 合金粉劑組成及含量為碳化鎢18份，高碳鉻鐵50份，球墨鑄鐵粉23 份，硅鈣合金2份，氟化鈉2份，稀土鎂合金(含鎂較多的球化劑)3份，硼砂2份；合金粉劑粒度為0. 3mm ；澆注溫度為1320°C，λ值為14。制備時，采用實施例1的制備方法，由鑄滲層表面及基體，每隔0. 4mm測量一次維氏硬度，可知復合材料層平均維氏硬度為853HV，明顯低于灰鑄鐵基體的，且沿鑄滲層表面及基體的方向，硬度先升高后降低，過渡區(qū)的存在使鑄滲層至基體的硬度梯度變緩，如圖5(b)所示。實施例6 合金粉劑組成及含量為碳化鎢20份，高碳鉻鐵50份，灰鑄鐵粉23份， 硅鈣合金1. 5份，氟化鈉1份，稀土鎂合金(含鎂較多的球化劑)3份，硼砂1. 5份；合金粉劑粒度為0. 2mm;澆注溫度為1370°C，λ值為14。制備時，用聚乙烯醇(PVA)膠體將合金粉劑攪拌均勻，調(diào)成糊狀，涂于尺寸為Φ40.5Χ65πιπι的型腔圓柱面上，得到表面強化的圓棒試樣。圓棒試樣鑄后磨削加工成直徑為40mm，厚度為IOmm的滾輪試樣。磨粒磨損試驗在MM-200型磨損試驗機上進行。采用環(huán)-瓦式接觸，尺寸為Φ 40 X IOmm的環(huán)是被測試樣， 在瓦與環(huán)的接觸處(占環(huán)外圓面積的1/6)，用ΡΥ-301有機膠把100 360目的氧化鋁砂紙粘固于瓦上。表層有復合材料的試樣外圓經(jīng)磨削加工，約留有2mm厚的復合材料層，與之比較的是QT600-3、淬火態(tài)45鋼和HT200試樣。試驗前被測試樣需經(jīng)磨合。試驗時ν = 0. 42m/s, F = 250 1000N，HQB-10#汽機油潤滑，10mL/min。獲得的復合材料層耐磨性分別是QT600-3、淬火態(tài)45鋼和HT200的2. 9 6. 2,2. 6 5. 5和3. 9 10. 5倍，具體如圖 6所示，圖中試樣1為HT200、試樣2為QT600-3、試樣3為WC含量10%、試樣4為WC含量 20%、試樣5為WC含量30%、試樣6為45鋼。
權利要求
1.一種鑄件表面粒子增強復合材料層，其特征是，包括以下質(zhì)量百分比的組成成分 2. 96 3. 58 % C, 15. 41 24. 77 % Cr, 18. 41 24. 92 % ff,0. 61 1. 02 % Ca, 1. 23 2. 11% Si，0. 12 0. 84% Β，0· 41 2. 52% Mg，余量的 Fe。
2.如權利要求1所述的一種鑄件表面粒子增強復合材料層的制備方法，其特征是，包括以下步驟1)首先按照合金粉劑組成按重量份數(shù)配置合金粉劑；2)其次在預先配制好的合金粉劑中加入聚乙烯醇膠體，聚乙烯醇占合金粉劑質(zhì)量的 4 7 %，攪拌均勻，調(diào)成糊狀合金粉劑混合物；3)用刷子將調(diào)成糊狀的合金粉劑混合物涂覆或噴涂于用水玻璃面砂造型的鑄型底面或側(cè)面，用噴燈烘干5 lOmin，或制成具有硬化面外形的塊狀，烘干5 lOmin，合箱；4)然后將生鐵用沖天爐熔煉，層焦比為1 8-10 ；5)最后將經(jīng)沖天爐熔煉的鐵水選擇以頂注式或底注式澆注，澆注遵循慢快慢的原則， 先慢澆以便讓鐵水中氣體從澆口杯跑出，鐵水到達澆道底部并開始進入鑄型時快澆，用鐵水封住澆口杯，保證澆口杯一直呈充滿狀態(tài)，澆注快完畢時慢澆，防止鐵水溢出，自然冷卻。
3.如權利要求2所述的一種鑄件表面粒子增強復合材料層的制備方法，其特征是，所述步驟幻中的合金粉劑組成及按重量份數(shù)為碳化鎢18 23份，高碳鉻鐵40 50份，灰鑄鐵或球墨鑄鐵粉20 30份，硅鈣合金2 3份，氟化鈉1 3份，稀土鎂合金1 3份， 硼砂2 4份。
4.如權利要求3所述的一種鑄件表面粒子增強復合材料層的制備方法，其特征是，所述合金粉劑粒度為0. 1 0. 3mm ；各元素收得率54 62% C，48 74% Cr, 80 92% W。
5.如權利要求2所述的一種鑄件表面粒子增強復合材料層的制備方法，其特征是，所述步驟幻中澆鑄時，澆注溫度T和λ值即鑄件厚度與烘干后合金粉厚度的比值的選擇對于灰鑄鐵，T彡1360°C，12彡λ彡8，對于球墨鑄鐵，T彡1320°C，18彡λ彡14。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鑄件表面粒子增強復合材料層，其包括以下質(zhì)量百分比的組成成分2.96～3.58％C，15.41～24.77％Cr，18.41～24.92％W，0.61～1.02％Ca，1.23～2.11％Si，0.12～0.84％B，0.41～2.52％Mg，余量的Fe。本發(fā)明同時還公開了該復合材料層的制備方法。采用本發(fā)明的技術方案可以在灰鑄鐵、球墨鑄鐵獲得均勻致密、表面平整、厚度為2～5mm的WC-高鉻鑄鐵復合材料層，克服了直接鑄造WC顆粒易脫落的問題。
文檔編號C22C38/34GK102321848SQ20111026960
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月3日 優(yōu)先權日2011年9月3日
發(fā)明者馮承明, 楊膠溪, 袁興棟, 許斌 申請人:許斌