CN100384609C - 一种制造金属基耐磨复合合金材料的方法和机械结构部件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包括金属基体和耐磨增强相的金属基耐磨复合材料的制造方法，该耐磨增强相弥散分布于形成连续基质的金属基体中，所述方法包括以下步骤：混合熔剂、耐磨增强相颗粒与工艺助剂，形成一种糊或膏状的混合物；将该糊或膏涂到铸造型上部工件腔内所需部位；预热能产生还原气氛或处于非活性气氛的铸型内的包含耐磨增强相的所述混合物和砂型；将金属液浇注到预热后的包含耐磨增强相的所述混合物的铸型腔内；铸型冷却后，取出铸件。

Description

一种制造金属基耐磨复合合金材料的方法和机械结构部件
技术领域
本发明涉及金属基耐磨复合材料的制造方法，更具体而言，本发明涉及用于工件表面的金属-WC(碳化钨)复合合金材料的热力铸渗制造方法以及由此得到的机械部件。
背景技术
通过强化金属工件表面以提高其耐磨性一直是耐磨领域研究的重点。硬质合金WC(碳化钨)颗粒及其再利用的废硬质合金颗粒具有硬度高、耐磨性强的特点。将其作为耐磨相复合到工件表面上，会大大提高工件的抗磨性能。换言之，在工件表面形成包含硬质耐磨相的金属基复合材料，将显著提高工件的耐磨性，改善其使用寿命。此外，使用废硬质合金颗粒还具有显著的经济、环境效益。
就该复合材料的制作方法而言，目前所采用的方法有浸润方法、堆焊方法、喷涂和铸渗方法等等。但是，这些方法尚存在一些缺点有待解决。例如采用Cu-Mn-Ni(铜-锰-镍)合金将WC颗粒浸润到普通铸钢表面上的浸润方法，可在工件表面形成一层复合材料层。这种方法制造的复合材料具有一定的耐磨性，但其方法复杂、成本高(例如，参见中国专利，专利号：ZL 94103404.6，一种中速磨机的辊套及制造方法)。堆焊方法简单成本低，但所获得的产品耐磨性远不如前者。热喷涂方法适用范围有一定的局限性，由于喷涂厚度一般只有1～2mm，且与基体金属结合强度差，所以它的耐磨性也较前者差。铸渗方法有着耐磨性高、方法简单、成本低等优点，但复合材料铸渗厚度不理想。为了提高铸渗厚度一般采用施加外力的方法，如离心浇铸、负压浇铸(Zhang Jun等人，采用离心浇铸法对铸造表面进行合金化，第61届世界铸造会议，1995年9月(Cast SurfaceAlloying by Centrifugal Casting Method，[C]，Proceedings of61th World Foundry Congress，Sep 1995))。还有对作为耐磨增强相的WC颗粒进行预处理，在WC颗粒内混入低熔点金属颗粒预制成块，利用高温浇铸的金属液熔化WC颗粒层中的低温金属，从而达到铸渗目的的方法<参见：灰铸铁表面碳化钨颗粒_高铬铸铁铸渗层研究；<热加工方法>，1998，(6)；P10～11>。但这些方法存在着铸渗合金层厚度不高，耐磨增强相颗粒密度小(体积份额小于50％)，耐磨性不高(只是淬火45号钢的4.9～7.6倍)，而且只能制造一些小型工件。目前还不能广泛用于实际生产中。
中国专利申请02106782.1提供了一种金属基复合材料的制造方法。但是该方法难以实现连续生产，特别是对于质量较小的工件，很难达到铸渗效果。并且还期望进一步提高所得到的产品的生产质量的稳定性，提高生产效率。
发明内容
针对上述问题，本发明的一个目的在于提供一种金属基耐磨复合材料的制造方法，其中该金属基耐磨复合材料包括金属基体和耐磨增强相，该耐磨增强相弥散分布于形成连续基质的金属基体中，采用光学显微镜观察，并且所述金属基耐磨复合材料的显微结构中至少65％的耐磨增强相颗粒周围为基体金属所包围，并且所述金属基耐磨复合材中的耐磨增强相占该复合材料的体积分数不小于60％，所述方法包括以下步骤：
混合熔剂、耐磨增强相颗粒与工艺助剂，形成一种糊或膏状混合物；将该糊或膏涂到铸造型上部工件腔内所需部位；对能产生还原气氛或处于非活性气氛的铸型内的包含耐磨增强相的所述混合物和砂型加热(预热)至以摄氏度表示的待浇铸的金属液温度的至少1/3，优选至少1/2，更优选接近待浇铸的金属的熔点温度；将金属液浇注到预热后的包含耐磨增强相的所述混合物的铸型腔内；铸型冷却后，取出铸件。
根据本发明方法的一个实施方案，在浇铸前的预热步骤是采用利用电、火焰及其它热源直接加热进行的。
根据本发明方法的一个优选实施方案，在浇铸前的预热步骤中，利用加热炉或电加热的方法将包含耐磨增强相的混合物加热至以摄氏度表示的待浇铸的金属液温度的至少1/3，优选至少1/2，更优选接近待浇铸的金属的熔点温度。
本发明的另一个目的在于提供一种制造金属基WC复合合金材料的简单易行的、更成本有效的方法，其中该金属基耐磨复合合金材料包括金属基体和颗粒状的耐磨增强相，该颗粒状的耐磨增强相弥散分布于形成连续基质的金属基体中，采用光学显微镜观察，所述金属基耐磨复合材料的显微结构中至少65％的耐磨增强相颗粒周围为基体金属所包围，并且所述金属基耐磨复合材中的耐磨增强相占该复合材料的体积分数不小于60％，所述方法包括以下步骤：
将包括耐磨增强相颗粒的糊或膏涂到铸型的工件腔内所需部位，其中，所述铸型包括至少一个工件腔和至少一个其它腔体；
在任选地能产生还原气氛或处于非活性气氛的条件下，先浇铸所述其它腔体以便利用其余热加热工件腔(也可以用电加热的办法替代)，然后紧接着浇铸隔板上部的金属基复合合金铸件，铸型冷却后，取出铸件。
附图说明
图1是由本发明的方法得到的一种金属基耐磨复合材料的结构示意图，该金属基耐磨复合材料复合于工件的表面，而耐磨增强相颗粒均匀分布在金属基体中。其中，①为基体金属；②为铸渗复合材料层。
图2是一个说明实现本方法的结构铸型结构示意图。①为常规工件铸造型腔；②为隔板；③为铸造WC复合合金工件的型腔；④为WC颗粒合金；⑤为常规砂型。
具体实施方式
在本发明中，所述铸型优选采用传热性能好的材料制成，例如石墨或含石墨的材料。
在本发明一个实施方案中，所述铸型包括至少一个工件腔和至少一个其它腔体。优选将所述工件腔与所述其它腔体可采用传热性好的隔板例如石墨隔板或耐热金属分隔也可用铸型分隔结构本身分隔；在本发明一个优选实施方案中，所述工件腔布置在所述其它腔体上方，其间采用隔板分隔；在本发明又一个优选实施方案中，所述其它腔体布置在所述工件腔周围。
在本发明再又一个实施方案中，上述至少包括两个腔体铸型包括两个或更多个工件腔或者可包括两个和/或更多个其它腔体。
在本发明的一个优选实施方案中，所述另一腔体用于浇注一种常规工件。此外，浇注所述另一腔体的金属熔体可以是不同于浇注工件腔体的金属熔体，只要浇注所述另一腔体的金属熔体能够充分预热所述工件腔。更具体而言，“充分预热所述工件腔”是指可以将所述工件腔预热至以摄氏度表示的待浇铸的金属液温度的至少1/3，优选至少1/2，更优选接近待浇铸的金属的熔点温度。
在本发明中，所述的铸型分隔结构可以是金属铸型、石墨铸型和砂型分隔结构等。
在本发明的方法的具体实施方案中，所述复合材料材料中作为浸润相的基体金属采用例如普通钢金属液或合金钢金属液(如锰钢等)，铁金属液或合金铁金属液(如球墨铸铁，高铬白口铸铁，灰铁，镍硬铸铁铁水等)，普通铜金属液或合金铜金属液等等；耐磨增强相例如可为颗粒状的硬质合金WC或颗粒状的WC废合金(是一种利用过的WC合金块，经过破碎而得到的)。在一个优选实施方案中，本发明的方法包括如下步骤：首先将加入熔剂的WC颗粒与适量工艺助剂例如水玻璃混合，并调成糊状或膏状。将WC膏状混合物涂在如图2的能产生还原气氛的隔板上部铸造型工件腔内需要耐磨的部位。其后，浇铸隔板下部常规铸造件，然后浇铸隔板上部的金属基复合合金铸件。打箱清理铸件。本领域技术人员可以理解，采用该方法，可得到耐磨表面层与基体结合为整体的结构部件。当然，本发明并不限于这类结合为整体形式的结构。可采用其它方式将所述耐磨复合材料结合到基体上。
根据本发明方法的一个优选实施方案，所述混合步骤中耐磨增强相颗粒度配比，以使金属基耐磨复合材中的耐磨增强相占该复合材料的体积分数不小于60％，优选不小于70％。
根据本发明方法的另一个优选实施方案，所述耐磨增强相选自WC基的硬质合金或其废合金颗粒，所述金属液选自铸铁、合金铁、钢、合金钢、铝、铝合金、铜或铜合金的熔融体。
根据本发明方法的仍另一个优选实施方案，所述金属基耐磨复合材中的耐磨增强相的粒度在2～100目，尤其是2～60目。
根据本发明方法的另又一个优选实施方案，控制所述涂覆步骤中所述糊或膏施用量和浇铸步骤金属液的量，以使形成的金属基耐磨复合材料的厚度不小于2毫米，优选不小于6毫米。
根据本发明方法的另又一个优选实施方案，所述工艺助剂例如为水玻璃，熔剂例如为硼砂(Na2B4O7.10H2O)和氟化钠(NaF)或其与其它成分合成的焊粉如CJ 301铜焊粉，所述工艺助剂和熔剂的用量可为能够得到本发明金属基耐磨复合材料或能够实施本发明方法的任意用量。作为一个优选的范围，所述的加入量在0.5％～25％(重量)之间(占WC的重量百分数，下同)。
为了更清楚地了解本发明的加热方法，以下以非限制方式给出一种具体的加热(预热)方法：
将铸型制作成如附图2所示，①为常规铸造件，②为隔板，③为本方法制作的金属基WC复合合金工件。首先浇铸下部工件①，利用该工件的热量加热隔板③及隔板上面的WC④，然后紧接着浇铸金属基复合合金工件③。
其中隔板是由可以产生还原气氛的材料或表面涂有产生还原性气氛的金属和非金属材料制作。如石墨制品或表面涂有产生还原气氛材料的耐热铸钢、耐热铸铁等制作。隔板的厚度5mm～90mm，优选10～30mm。
可采用本发明的方法制造的复合材料包括：
一种包括金属基体和耐磨增强相的金属基耐磨复合材料，其中，所述金属基耐磨复合材料中的耐磨增强相占该复合材料的体积分数不小于60％，优选不小于70％。
一种包括金属基体和耐磨增强相的金属基耐磨复合材料，其中，所述金属基耐磨复合材中的耐磨增强相选自WC基的硬质合金或其废合金颗粒，基体金属选自铸铁、合金铁、钢、合金钢、铝、合金铝、铜或合金铜。
一种包括金属基体和耐磨增强相的金属基耐磨复合材料，其中，所述金属基耐磨复合材料中的耐磨增强相的粒度在2～100目，尤其是在2～60目。
一种包括金属基体和耐磨增强相的金属基耐磨复合材料，其中，所述金属基耐磨复合材料与待提高耐磨性的工件的表面结合为一体，用作表面层材料，其厚度不小于2毫米，优选不小于6毫米。
机械结构部件，包括起结构作用的芯部和由本发明的方法得到的金属基耐磨复合材料制成的表面层，所述机械结构部件尤其是中速磨机的盘瓦，中速磨机的辊套或风扇磨机的打击板。
顺便指出，本领域普通技术人员将会理解，由于本发明的铸渗工艺的性质，在耐磨增强相颗粒(如WC)中未加入任何其它金属，利用耐磨增强相颗粒不同颗粒度的配比，可以改变耐磨增强相的堆积密度，并可使耐磨增强相的堆积密度最大化，从而获得含不同耐磨增强相比例的所述复合材料。此外，本领域普通技术人员还将理解，改变含耐磨增强相的混合物涂覆层的厚度，可以改变所得到的复合材料层的厚度。
本发明的优点是能够连续生产，生产效率高，产品质量稳定性好。利用本发明的热力铸渗方法可以实现批量生产，形成生产规模；加热迅速时间短，可以确保铸渗工件的质量；铸造厂在不增加任何设备的前提下，就可以实现本方法；还具有操作简单等优点。
实施例
所述的熔剂为硼砂(Na2B4O7.10H2O)或氟化钠(NaF)或其与其它成分复合的焊粉如CJ301铜焊粉，加入量在0.5％～25％之间(占WC的重量百分数)。
所述的硬质合金是2目～100目的WC颗粒。加入0.5％～25％的水玻璃调成糊状或膏状。
所述铸型内涂覆的硬质合金与熔剂及水玻璃的糊状或膏状混合物厚度可以在1mm～40mm之间。
所述的隔板是用石墨或带有表面能产生还原性气氛涂层材料制作的耐热金属隔板。厚度为5～90mm，优选10～30mm。
所述的常规铸造件，是指一般的有色金属铸件、铸钢或铸铁及其相应的合金铸造件。
所述的金属液是指普通钢水或合金钢水(如锰钢等)、普通铁水或合金铁水(如灰铁，球墨铸铁，高铬白口铸铁，镍硬铸铁铁水等)、铜合金水、铝合金水。
用上述方法制造出来的复合材料，其表面硬度在HRc50～HRa94之间，而铸件整体则具有足够的韧性和强度。它可以广泛用于电力、煤炭、建材等工业，并可以为国家节约大量贵重金属，并带来可观的经济效益。
实施例1(耐磨块)
对于试件1#，2#，3#，将混合好的包括WC颗粒与熔剂及水玻璃的混合物涂到铸型隔板的底部和侧部，各试样分别为10，30，40mm厚。先用浇铸球墨铁水到隔板下部的常规铸造件，然后再浇注球墨铁水到隔板上部的工件腔内。冷却后打箱取出铸件。
对于试件4#，5#，6#，7#，8#、9#，将混合好的WC与熔剂及水玻璃的混合物涂到铸型隔板的底部和侧部，先分3组分别浇铸普通碳钢钢水、高铬铸铁和高锰钢铁水到隔板下部的常规铸造件，然后再分3组分别浇铸普通碳钢钢水、高铬铸铁和高锰钢铁水到隔板上部工件腔内。最后打箱取出铸件。
对于试件10#，11#，12#，13#，将混合好的WC与熔剂及水玻璃的混合物涂到带有隔板铸型的隔板上部和侧部，先浇铸铜合金或铝合金水到隔板下部工件腔内，紧接着再分别浇铸铜合金或铝合金水到隔板上部工件腔内。最后打箱取出铸件。
实施例2
使用本发明热力铸渗方法制作MPS、HP、RP型中速磨机盘瓦：在铸型内盘瓦工作表面涂上WC与水玻璃的糊状物，最大厚度为25mm，浇铸45号钢水，制做成45铸钢带有25毫米厚复合材料的盘瓦。
实施例3
MPS型中速磨机的辊套制作：将辊套外圆周分成若干个磨损块，并和内圆环分别制造。使用本发明热力铸渗方法，制造带有25毫米厚复合合金材料层的耐磨块。铸造球墨铸铁内圆环，再用机械的方法将耐磨块和内圆环连接，最后制成复合材料辊套。
实施例4
高速风扇磨机的打击板制作：风扇磨打击板实际上是一个平板。它的易磨损面为单面，且形状为平面。将WC硬质合金废料颗粒放置在铸型隔板的上部，厚度为25毫米。先浇铸隔板下部的普通球墨铸铁飞轮铸造件，然后再浇铸球墨铸铁液到隔板上部的打击板。最后形成复合材料层厚度为25毫米的打击板。
经对上述试件及工件测试，其复合材料硬度值为HRc 50～HRa94。在磨损试验台上做颗粒冲刷磨损试验，其耐磨性是高铬铸铁15倍以上。由于基体金属可以使用机械性能优良的碳钢或球墨铸铁，因此可以用于任何设备的易磨损部件的制造。所采用的方法与铸造相似，可以制作形状复杂的工件，所以本发明应用领域广泛。如电力，建材、农机等领域中的易磨损件。本发明制造方法简单，并采用了廉价的碳钢或球墨铸铁。其生产成本低方法简单，因此极易推广。我国每年因磨损所失去的金属，及由此而进行的设备检修造成的损失巨大。如果广泛使用本产品，可以为国家节约大量贵重金属，还可以为企业带来可观的经济效益。

Claims (14)

1.一种制造金属基耐磨复合合金材料的方法，其中该金属基耐磨复合合金材料包括金属基体和颗粒状的耐磨增强相，该颗粒状的耐磨增强相弥散分布于形成连续基质的金属基体中，采用光学显微镜观察，所述金属基耐磨复合材料的显微结构中至少65％的耐磨增强相颗粒周围为基体金属所包围，并且所述金属基耐磨复合材中的耐磨增强相占该复合材料的体积分数不小于60％，所述方法包括以下步骤：
将包括耐磨增强相颗粒的糊或膏涂到铸型的工件腔内所需部位，其中，所述铸型包括至少一个工件腔和至少一个其它腔体；
在任选地能产生还原气氛或处于非活性气氛的条件下，先浇铸所述其它腔体以便利用其余热加热工件腔，然后紧接着浇铸工件腔，得到所述金属基复合合金铸件，铸型冷却后，取出铸件。
2.如权利要求1所述的金属基耐磨复合合金材料的制造方法，其特征在于，控制所述混合步骤中耐磨增强相颗粒度配比，以使金属基耐磨复合材中的耐磨增强相占该复合材料的体积分数不小于60％。
3.如权利要求2所述的金属基耐磨复合合金材料的制造方法，其特征在于，金属基耐磨复合材中的耐磨增强相占该复合材料的体积分数不小于70％。
4.如权利要求1所述的金属基耐磨复合合金材料的制造方法，其特征在于，所述耐磨增强相选自WC基的硬质合金或其废合金颗粒，所述金属液选自铸铁、钢、铝、铝合金、铜或铜合金的熔融体，所述金属基耐磨复合材料中的耐磨增强相的粒度在2～100目。
5.如权利要求4所述的金属基耐磨复合合金材料的制造方法，其特征在于，所述金属基耐磨复合材料中的耐磨增强相的粒度在2～60目。
6.如权利要求1所述的金属基耐磨复合合金材料的制造方法，其特征在于，所述金属基耐磨复合材料与工件表面结合为一体，并且控制所述涂覆步骤中所述糊或膏施用量和浇铸步骤金属液的量，以使形成的金属基耐磨复合材料的厚度不小于2毫米。
7.如权利要求6所述的金属基耐磨复合合金材料的制造方法，其特征在于，形成的金属基耐磨复合材料的厚度不小于6毫米。
8.如权利要求1所述的金属基耐磨复合合金材料的制造方法，所述工艺助剂为水玻璃，熔剂为硼砂Na2B4O7.10H2O和氟化钠NaF，或它们与其它成分合成的焊粉，熔剂加入量在0.5％～25％重量之间。
9.如权利要求1所述的金属基耐磨复合合金材料的制造方法，其特征在于，所述工件腔与所述其它腔体采用传热性好的隔板或耐热金属分隔或者用铸型分隔结构本身分隔。
10.如权利要求9所述的金属基耐磨复合合金材料的制造方法，其特征在于，所述传热性好的隔板为石墨隔板。
11.如权利要求1所述的金属基耐磨复合合金材料的制造方法，其特征在于，所述工件腔布置在所述其它腔体上方或者所述其它腔体布置在所述工件腔周围。
12.如权利要求1所述的金属基耐磨复合合金材料的制造方法，其特征在于，所述另一腔体用于浇注一种常规工件。
13.机械结构部件，包括由上述任一项权利要求的方法制造的金属基耐磨复合合金材料制成的表面层。
14.如权利要求13所述的机械结构部件，其中所述机械结构部件是中速磨机的盘瓦，中速磨机的辊套或风扇磨机的打击板。
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