CN101134237B - 增强相金属梯度复合材料制造工艺及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强相金属梯度复合材料制造工艺及设备，首先将增强体合金膏块固定在塑料泡沫模型的所需位置上，进行真空负压振动造型，启动安装在铸模外部或砂箱内的电磁感应加热器对铸模内的合金膏块进行感应加热，待达到100-1200℃后浇入基体金属液，金属液向合金粉末的空隙中渗入，在基体金属的表面所需的部位上形成具有特殊性能的大厚度的合金层的梯度功能复合材料。使用该发明减少了型外二次加热工序，避免了增强体的氧化，提高了金属液的流动性和铸渗能力，从而可以制备大厚度的铸渗产品，实现了铸渗工艺参数的动态调整，提高了两相材料的结合强度和质量。
Description
技术领域
本分发明属于表面梯度复合材料技术领域，主要涉及一种增强相金属梯度复合材料制造工艺及设备。
背景技术
梯度复合材料是依据使用要求，选择2种不同性能的材料，采用各种复合技术，使中间部分的组成和结构连续地呈梯度变化，内部不存在明显的界面，从而使材料性能和功能沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料。其显著特点是克服了两种材料结合的性能不匹配问题，使材料的两侧具有不同的功能。该材料现广泛应用于航空工业、航天工业、核能源技术领域、电子、光学、化学、生物医学和冶金、矿山、电力、石油化工、切削刃具材料、耐磨材料等工程领域。尤其是高硬度硬质合金或陶瓷颗粒复合在钢铁表面形成的梯度复合材料，作为抵抗低应力冲击磨埙的耐磨材料更是引起了人们的极大兴趣，并开发出了各种制造工艺，如热喷涂法、堆焊法、激光熔敖法、化学或物理气相沉积法、自蔓延高温合成法、铸渗法等。利用铸渗法制造颗粒增强梯度复合材料由于其制造工艺简单，制造成本低廉，所制造的产品具有优异的力学性能和耐磨性能，较好的性价比而成为目前研究的热点。
文献《铸造技术》杂志(2005年第12期第1093-1095页)中报导了《WCp增强球铁基复合材料模具的制备及其磨埙性能》，报导中公开了一种铸渗复合材料制造工艺，所述的铸渗工艺是：将WC增强颗粒与粘接剂、熔剂混合后制成膏块后固定在砂型表面上，然后浇注金属液，增强体中的粘接剂和溶剂在液态金属的高温下使其熔融和气化后形成孔隙，液态金属渗入并与铸渗材料发生界面反应，从而形成与铸件基体表面熔合为一体。由于界面处扩散渗透，在铸件表面上形成一定厚度且与基体组织、成分、性能截然不同的合金耐磨覆盖层，该工艺的主要缺点为：(1)合金粉末层膏块制作工艺复杂；(2)膏块安放位置局限性大，且固定困难；(3)合金化层厚度小(一般小于5mm)；(4)涂料中的无机物和有机物在浇注成型后形成的夹渣和气体也极易残留在合金层表面，使其表面易产生气孔，夹渣、粘砂等铸造缺陷。
文献《铸造技术》杂志(2005年第6期第544-547页)中报导了《消失模铸渗技术的研究进展》，报导中公开了另一种铸渗工艺，即采用消失模工艺进行铸渗，该工艺是将消失模真空实型铸造用到表面合金化，其工艺过程为：将配制好的合金涂料或膏块粘附在用可发性聚苯乙烯制成的铸件模型上，在其表面涂刷上一层高透气性耐火材料，烘干后用干砂振动造型，当金属液充型时，泡末模样和合金化涂料层中的粘接剂在高温下分解气化，所产生的气体在负压抽力、付压吸力、铁液静压头等的作用下，向合金粉末中的空隙渗入，合金粉末颗粒熔融、分解和扩散，最终与母液金属结合形成表面具有特殊性能的铸件。该工艺简单，操作方便，型腔处于负压状态和还原性气氛，有利于铸渗过程的进行，有利于去除合金颗粒表面的氧化模，避免了普通砂型铸渗工艺所存在的缺陷，铸渗的产品质量好，可以铸渗合金层厚度达10mm厚的产品。该工艺与砂型铸渗工艺相比虽然具有很多优点，但是，消失模铸渗法也存在着一些缺点，由于造型时是将合金膏块和泡沫塑料模型放在一起，增强体无法在浇注前进行预热，使其无法制造合金层厚度更厚的复合产品，至使其对于整体冲击磨埙严重且磨埙在几十mm甚至上百mm厚度才行报废的零件，因复合厚度的限制而就无法胜任了，从而限制了其应用领域；由于消失模铸渗时其基体材料的冷却速度慢，使其结晶组织粗大，材料的致密差。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前已有技术的不足，提供一种工艺简单，产品质量好，成本低，可以制备大厚度合金层产品的增强相金属梯度复合材料制造工艺及设备。
解决其技术问题的设备方案是：该设备有一工作台，在工作台的上面安装有砂箱或铸造砂型，在砂箱的上面安装有砂箱盖，在砂箱的任一侧面安装有真空管道，真空管道与控制阀门和真空泵相连结，在砂箱内模型的外部或在铸造砂型的外部安装有电磁感应加热器，在工作台上安装有电动振动器，在砂箱或铸造砂型的上部或侧面安装有浇注漏斗，在浇注漏斗的下面连接有浇注流道，在砂箱或铸造砂型的上部安装有压力机。
解决其技术问题采用的工艺技术方案是：首先将增强颗粒或增强短纤维或固体自润滑材料或含硼自熔合金等具有特殊性能的材料与粘结剂、溶剂混合后或将各种强碳化物、氮化物形成元素合金粉与碳粉、含氮合金或含氮材料和反应促进剂Al粉、FeO粉、CuO粉等与一定量的溶剂和粘结剂和填充剂一起按一定的比例或按化学反应所需的摩尔配比混合后，将其压制成所需形状和尺寸的膏块，然后将膏块烘干后固定在聚苯乙烯塑料泡沫模型的所需位置上，在其上面涂刷一层具有高透气性的耐火材料涂料，烘干后，放入砂箱内，填上铸造干砂，然后启动电动振动器和真空泵进行真空负压振动造型，或将所压制好的膏块固定在铸造砂型内的所需位置上，将熔炼好的所需成分的基体金属液倒入浇注钢包内，启动电动振动器和真空泵对砂箱进行抽真空和振动，启动电磁感应加热器对铸造砂型或砂箱内的膏块进行感应加热，待达到100-1200℃后浇入基体金属液，泡沫塑料模样和合金膏块中的粘结剂和溶剂遇到高温金属液产生分解和气化，分解和气化所产生的气体在负压抽力的作用下从耐火材涂层的空隙中溢出，被真空泵抽出，高温金属液在毛细管力、负压吸力、金属液静压头等的作用下，向合金粉末的空隙中渗入，合金颗粒产生熔融、分解和扩散或合金粉末在高温下发生化学反应合成所需成分的碳化物或氮化物颗粒，在浇注过程中真空泵和电动振动器不停止对砂箱进行抽真空和振动，电磁感应加热器继续对合金膏块和基体金属液进行加热保温3-20分钟，在达到所预定的时间和温度后停止加热和抽真空和振动，增强体最终与基体金属结合，在基体金属的外表面或内表面或在其表面所需的部位上形成具有抗磨、耐腐蚀、导电或含有自润滑性能等特殊性能的大厚度的合金层的梯度功能复合材料或铸件产品；为提高复合材料的致密度，启动压力机对铸型内的金属液进行液态挤压，从而进一步提高复合材料和铸件产品的质量。
增强颗粒为WC、TiC、VC、SiC、NbC、BC、Cr2C和TiN、BN、VN、SiN等高熔点难熔金属化合物和高碳铬铁合金、钛铁合金等铁合金所制备的颗粒和各种基体的含硼自熔合金粉或在其自熔合金粉中加入一定含量的WC、TiC、VC、SiC、NbC、BC、Cr2C和TiN、BN、VN、SiN颗粒的混合粉末和MoS2、WS2等自润滑材料颗粒，碳化物或氮化物的合成元素合金为Ti、V、Nb、B、W、Si、Cr等合金粉末，增强短纤维为各种氧化物、碳化物、硼化物等。
溶剂为硼砂、硼酸、氟硼酸钠、氯化氨等，反应促进剂为Al粉、C粉、CuO粉、FeO粉等，粘结剂为各种成分的有机粘结剂或无机粘结剂或各种有机和无机粘结剂的混合体。
所制备的材料和产品为各种局部要求具有抗磨、耐腐蚀、自润滑、导电等各种特殊性能的材料，如破碎机锤头、板锤、鄂板、球磨机衬板、轧钢导卫板、导卫辊、各种轧辊和轧辊辊环、各种缸体、各种泵体、各种刀具、切削刃具、各种轴瓦、闸瓦、闸板和各种轴类、板类和异型件等复合材料和产品。
有益效果
采用电磁感应加热工艺可以提高增强体材料和铸型的温度，减少增强体材料对金属液的激冷，避免了增强体材料二次加热过程中的氧化，提高铸渗层厚度，减少了型外二次加热工序，提高了生产效率，可以做到增强体的精确定位，由于在铸渗过程中对浇注金属液加热，提高了金属液的流动性，提高了铸渗能力，促进了金属液向增强体孔隙中的渗透，增加了两相材料的液固时间，促进液态金属对增强体的侵润时间，从而获得了大厚度的铸渗产品，采用电磁感应加热工艺可以增加粘结剂等夹杂物和气体的上浮时间，有利于夹杂物的充分上浮，避免了复合材料内部夹杂和气孔等缺陷的产生，促进了金属液对模型外部的增强相材料的融熔，提高了两相材料的结合强度，实现了铸渗工艺参数的动态调整，提高了产品质量。
附图说明
图1为本发明第一实施例的结构图。
图2为本发明第二实施例的结构图。
图3为本发明第三实施例的结构图。
图4为本发明第四实施例的结构图。
图5为本发明第五实施例的结构图。
具体实施方式
实施例1：在图1中，该设备有一工作台15，在工作台15的上面安装有砂箱6，在砂箱6的上面安装有砂箱盖4，在砂箱6的任一侧面安装有真空管道10，真空管道10与控制阀门11和真空泵12相连结，在砂箱6内模型5的外部安装有电磁感应加热器16，在工作台15上安装有电动振动器14，在砂箱6或砂型6的上部或侧面安装有浇注漏斗2，在浇注漏斗2的下面连接有浇注流道3。
工作开始时，首先将增强颗粒或增强短纤维或固体自润滑材料或含硼自熔合金等具有特殊性能的材料与粘结剂、溶剂混合后或将各种强碳化物、氮化物形成元素合金粉与碳粉、含氮合金和反应促进剂Al粉、FeO粉、CuO粉等与一定量的溶剂和粘结剂和填充剂一起按一定的比例或按化学反应所需的摩尔配比混合后，将其压制成所需形状和尺寸的膏块9，然后将膏块9烘干后固定在聚苯乙烯塑料泡沫模型5的所需位置上，在其上面涂刷一层具有高透气性的耐火材料涂料7，烘干后，放入砂箱内6，填上铸造干砂13，然后启动真空泵12和电动振动器14进行真空负压振动造型，将熔炼好的所需成分的基体金属液1倒入浇注漏斗2内，启动电磁感应加热器16对安装在砂箱6内的模型5和固定在模型5上的膏块9进行感应加热，待达到100-1200℃后浇入基体金属液1，泡沫塑料模样5和合金膏块9中的粘结剂和溶剂遇到高温金属液1产生分解和气化，分解和气化所产生的气体在负压抽力的作用下从耐火材料涂层7的空隙中溢出，被真空泵12抽出，高温金属液在毛细管力、负压吸力、金属液静压头等的作用下，向合金膏块9中的合金粉末的空隙中渗入，合金颗粒产生熔融、分解和扩散或合金粉末在高温下发生化学反应合成所需成分的碳化物或氮化物颗粒，在浇注过程中电磁感应加热器16继续对合金膏块9和基体金属液1进行加热保温3-20分钟，以提高金属液的流动性，提高合金膏块9的温度，减少对金属液1的激冷作用，增加液固时间，提高金属液1的渗透能力和金属液1对增强体的润湿性，促进增强体与金属液之间的扩散反应，提高融合强度，减少铸造缺陷，提高产品质量，同时真空泵和电动振动器不停止抽真空和振动，以防止塌砂和金属液的氧化，促进金属液向合金膏块内的渗透，提高复合材料的致密度，改善复合材料的结晶组织，在达到所预定的时间和温度后停止加热和振动，增强体最终与基体金属结合，在基体金属的外表面或内表面或在其表面所需的部位上形成具有抗磨、耐腐蚀、导电或含有自润滑性能等特殊性能的大厚度的合金层的梯度功能复合材料8或铸件产品8。
实施例2：在图2中，与图1的不同点为合金膏块9固定在在聚苯乙烯塑料泡沫塑料模型5的中部，重复实施例1的复合工艺即可以制造成在复合材料的中部含有合金层材料的大厚度的合金层的梯度功能复合材料8或铸件产品8。其它过程及设备与实施例1同，略。
实施例3：在图3中，与图1的不同点为合金膏块9固定在在聚苯乙烯塑料泡沫模型5的整个外表面，重复实施例1的复合工艺即可以制造成在复合材料的整个外表面含有合金层材料的大厚度的合金层的梯度功能复合材料8或铸件产品8。其它过程及设备与实施例1同，略。
实施例4：在图4中，与图1的不同点为将所制作好的合金膏块9固定在在铸造砂型6内的所需位置上，将熔炼好的所需成分的基体金属液1倒入浇注漏斗2内，启动电磁感应加热器16对铸造砂型6和安装在铸造砂型6内的膏块9进行感应加热，待达到100-1200℃后浇入基体金属液1，高温金属液在毛细管力、金属液静压头等的作用下，向合金膏块9中的合金粉末的空隙中渗入，合金颗粒产生熔融、分解和扩散或合金粉末在高温下发生化学反应合成所需成分的碳化物或氮化物颗粒，在浇注过程中电磁感应加热器16继续对合金膏块9和基体金属液1进行加热保温3-20分钟，以提高金属液的流动性，提高合金膏块9的温度，提高金属液1的渗透能力，在达到所预定的时间和温度后停止加热，增强体最终与基体金属结合，在基体金属的外表面或内表面或在其表面所需的部位上形成具有抗磨、耐腐蚀、导电或含有自润滑性能等特殊性能的大厚度的合金层的梯度功能复合材料8或铸件产品8。其它过程及设备与实施例1同，略。
实施例5：在图5中，与图1和图4的不同点为将所制作好的合金膏块9固定在在铸型6内的所需位置上，启动电磁感应加热器16对安装在铸型6内的合金膏块9进行感应加热，待达到100-1200℃后浇入基体金属液，然后启动压力机17将安装在压力机17上的压铸模具18插入铸型6内进行液态挤压，高温金属液在压力机的压力和毛细管力等的作用下，向合金膏块9中的合金粉末的空隙中渗入，在浇注和压制过程中电磁感应加热器16继续对合金膏块9和基体金属液1进行加热保温至压制结束。重复实施例1和4的复合工艺即可以制造成在基体金属的所需部位上含有增强相材料的大厚度的合金层的梯度功能复合材料8或铸件产品8。其它过程及设备与实施例1和4同，略。
Claims (9)
1.一种增强相金属梯度复合材料制造工艺，其特征是：工艺步骤为1)膏块压制；2)负压振动造型；3)浇注前预热；4)浇注，同时抽真空、振动，加热保温；具体步骤如下：
所述的膏块压制：首先将增强颗粒与粘结剂、溶剂混合后或将各种强碳化物、氮化物形成元素合金粉与碳粉、含氮合金或含氮材料和反应促进剂Al粉、FeO粉、CuO粉与一定量的溶剂和粘结剂和填充剂一起按一定的比例或按化学反应所需的摩尔配比混合后，将其压制成所需形状和尺寸的膏块；
或将增强短纤维与粘结剂、溶剂和填充剂一起按一定的比例配比混合后，将其压制成所需形状和尺寸的膏块；
或将固体自润滑材料与粘结剂、溶剂按一定的比例配比混合后，将其压制成所需形状和尺寸的膏块；
或将含硼自熔合金材料与粘结剂、溶剂一起按一定的比例配比混合后，将其压制成所需形状和尺寸的膏块；
或将含硼自熔合金材料与各种强碳化物、氮化物形成元素合金粉与碳粉、含氮合金和反应促进剂Al粉、C粉、FeO粉或CuO粉与一定量的溶剂和粘结剂和填充剂一起按一定的比例或按化学反应所需的摩尔配比混合后，将其压制成所需形状和尺寸的膏块；
所述的负压振动造型：将膏块烘干后固定在塑料泡沫模型的所需位置上，在其上面涂刷一层具有高透气性的耐火材料涂料，烘干后，放入砂箱内，填上铸造干砂，然后启动电动振动器和真空泵进行真空负压振动造型；
或将所压制好的膏块固定在铸造砂型内的所需位置上，启动电动振动器和真空泵对砂箱进行抽真空或振动；
所述的浇注前预热：启动电磁感应加热器对铸造砂型或砂箱内的膏块进行感应加热，使其达到100-1200℃；
所述的浇注：将熔炼好的所需成分的基体金属液倒入浇注钢包内，向铸造砂型内浇入基体金属液，泡沫塑料模样和合金膏块中的粘结剂和溶剂遇到高温金属液产生分解和气化，所产生的气体被真空泵抽出，高温金属液向合金粉末的空隙中渗入，合金颗粒产生熔融、分解和扩散或合金粉末在高温下发生化学反应合成所需成分的碳化物或氮化物颗粒；同时抽真空、振动，加热保温：在浇注过程中真空泵和电动振动器不停止对砂箱进行抽真空和振动，电磁感应加热器继续对合金膏块和基体金属液进行加热保温3-20分钟，在达到所预定的时间和温度后停止加热和抽真空和振动，从而制造成在基体金属的外表面或内表面或在其表面所需的部位上或材料的通体表面上形成具有抗磨、耐腐蚀、导电或含有自润滑性能的大厚度的合金层的梯度功能复合材料或铸件产品。
2.根据权利要求1所述的一种增强相金属梯度复合材料制造工艺，其特征是：所述的复合材料和产品为破碎机锤头、板锤、鄂板、球磨机衬板、轧钢导卫板、导卫辊、各种轧辊和轧辊辊环、各种缸体、各种泵体、切削刃具、各种轴瓦、闸瓦、闸板和各种轴类和不规则的几何形状件。
3.根据权利要求1所述的一种增强相金属梯度复合材料制造工艺，其特征是：在基体金属液浇注完毕后，启动压力机对铸型内的金属液进行液态挤压。
4.根据权利要求1所述的一种增强相金属梯度复合材料制造工艺，其特征是：所述的增强为各种材质的颗粒或短纤维材料；
所述的增强颗粒为WC、TiC、VC、SiC、NbC、BC、Cr2C和TiN、BN、VN、SiN高熔点难熔金属化合物颗粒和高碳铬铁合金、钛铁合金和其他铁合金所制备的颗粒和各种基体的含硼自熔合金粉或在其自熔合金粉中加入一定含量的WC、TiC、VC、SiC、NbC、BC、Cr2C和TiN、BN、VN、SiN颗粒的混合粉末或MoS2、WS2自润滑材料颗粒；
所述的增强短纤维为各种氧化物、碳化物、硼化物材料的短纤维；
所述的基体金属液的材料为各种材质的黑色金属或有色金属。
5.根据权利要求1所述的一种增强相金属梯度复合材料制造工艺，其特征是：增强颗粒由强碳化物或氮化物的合成元素合金Ti、V、Nb、B、W、Si、Cr合金粉末与一定含量的反应促进剂Al粉、C粉、CuO粉、FeO粉、含氮合金或含氮材料和一定含量的粘结剂、溶剂按一定的比例或按化学反应摩尔配比，混合后在基体金属液的高温下反应合成的各种碳化物或氮化物颗粒。
6.根据权利要求1所述的一种增强相金属梯度复合材料制造工艺，其特征是：溶剂为硼砂、硼酸、氟硼酸钠、氯化氨，粘结剂为各种成分的有机粘结剂或无机粘结剂或各种有机和无机粘结剂的混合体。
7.实现一种增强相金属梯度复合材料制造工艺的设备，其特征是：该设备有一工作台，在工作台的上面安装有砂箱或铸造砂型，在砂箱的上面安装有砂箱盖，在砂箱的任一侧面安装有真空管道，真空管道与控制阀门和真空泵相连结，在砂箱内或砂型的外部安装有电磁感应加热器，在工作台上安装有电动振动器，在砂箱或砂型的上部或侧面安装有浇注漏斗，在浇注漏斗的下面连接有浇注流道，在砂箱或砂型的上部安装有压力机。
8.根据权利要求7所述的一种增强相金属梯度复合材料制造工艺的设备，其特征是：电磁感应加热器的感应电源为工频感应电源、中频感应电源或高频感应电源。
9.根据权利要求7所述的一种增强相金属梯度复合材料制造工艺的设备，其特征是：模具材料由耐高温的耐火材料或石墨制作，或采用水冷导磁体材料制作，其形状可以是方形、长方形、椭圆形、圆形，其结构是整体结构，或者是双开合组合式结构。
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