CN101429618A - 型内熔化扩散形成梯度耐磨材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种型内熔化扩散形成梯度耐磨材料及其制造方法，其特征在于在铁的基体上分布粒径为5～10μm的铬钒复合碳化物颗粒，耐磨材料表面和浅表面的铬钒复合碳化物颗粒的数量为15～30％，由表及里铬钒复合碳化物颗粒的数量逐渐减少，在距离耐磨材料表面大于25mm的区域没有铬钒复合碳化物。本发明能选择硬化部位，表面硬度很高，内部硬度较低且韧性好，抗断裂，表面硬度提高了13～24％，内外硬度相对变化从38～42％提高到48～50％。

Description

型内熔化扩散形成梯度耐磨材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于耐磨领域的铁基梯度材料的制造方法，特别是涉及一种抗冲击磨损的铬钒复合碳化物强化铁基梯度耐磨材料的制造方法。
背景技术
大多数设备损坏是由于各种形式的磨损而引起的，每年所有机械零件因摩擦损耗造成的损失在1000亿元以上，仅磨料磨损每年就要消耗300多万吨金属耐磨材料。热作模具由于生产环境恶劣，其平均寿命仅能生产3000～5000个零件；矿石破碎用的锤头质量较差的仅能用几天就需要更换。由于产品的复杂性和生产环境的恶劣，单一金属材料制作的模具难以满足模具的综合性能要求，需要抗冲击的耐磨件如锤头类，在工作面需要较大的硬度，非工作面则需要足够的韧性。《特种铸造及有色合金》2003年第一期刊登的“双流浇注连续铸造铝合金梯度材料的工艺参数”，通过优化浇注温度、铸造速度、内浇包的导流管设计等参数来制造梯度材料，但难于用于形态复杂的铸件。《机械工程材料》2004年第八期刊登的“离心铸造铁基梯度功能复合材料”，利用离心力场中强化相质点与液态金属熔体之间的密度差异引起的质点偏析现象，制备出强化相成梯度分布的功能材料，复合材料表层和基体硬度分别达到63-65HRC和50-55HRC；用WC颗粒和Fe-C合金液同步浇注，可获得表层为18～25mm的复合材料，WC颗粒体积分数约70％；但是离心铸造法只能生产环状的铸件，不能对指定部位进行硬化。
发明内容
本发明的目的就是提供一种能选择硬化部位，表面硬度很高，内部硬度较低且韧性好，用于抗冲击磨损的型内熔化扩散形成梯度耐磨材料及其制造方法。
本发明可通过以下方式来实现：型内熔化扩散形成梯度耐磨材料，是在铁的基体上分布粒径为5～10μm的铬钒复合碳化物颗粒，耐磨材料表面和浅表面的铬钒复合碳化物颗粒的数量为15～30％，由表及里铬钒复合碳化物颗粒的数量逐渐减少，在距离耐磨材料表面大于25mm的区域没有铬钒复合碳化物。
型内熔化扩散形成梯度耐磨材料的制造方法，(1)铸型壁上每隔15～30mm钻直径3～5mm的孔，塞住孔，在铸型表面涂石英粉涂料，待石英粉涂料干燥后，再涂含有铬钒合金微粒的金属涂料，当金属涂料呈液态时，立即洒上0.3～0.5mm粒径的钒铁颗粒，干燥后，取出孔塞，插入含铬钒合金元素的铸铁棒，加热到200～300℃；(2)钢液浇注温度为1560～1600℃，钢液中含碳量为0.35～0.45％，待钢液凝固，冷却后取出铸件，即得型内熔化扩散形成梯度耐磨材料。步骤(1)所述的含铬钒合金元素的铸铁棒是在砂型内铺垫石英干砂，砂型底部装有砂芯，砂芯厚度20～40mm，并设有多个直径为5～6mm的穿孔；将含有4.1～4.3％碳、2～3％铬、1～2％钒的炉料熔化，浇注，冷却后，切割，即得。
本发明能选择硬化部位，表面硬度很高，内部硬度较低且韧性好，抗断裂，表面硬度提高了13～24％，内外硬度相对变化从38～42％提高到48～50％。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但其不代表为本发明的唯一实施方式。
含有铬钒合金微粒的金属涂料的制作过程：取5～7重量份聚乙烯醇颗粒溶入100重量份沸水中制成粘接剂，加入粒径5～10μm铬铁和钒铁粉、以及加入2～3重量份硼砂，铬铁与钒铁粉重量比为1∶1～2，铬铁和钒铁粉总重量与粘接剂重量比为6～7∶3，搅拌均匀，即得到含有铬钒合金微粒的金属涂料。
实施例一
铬钒合金元素的铸铁棒的制作过程：制作一个砂型，在砂型内铺垫一层石英干砂，在砂型底部安放一个用树脂砂制作的砂芯，砂芯厚度为20mm，并加工有多个直径为5mm的穿孔。石英干砂的作用是便于排气，防止气体背压导致浇不足的现象，穿孔是接纳钢液获得铸铁棒的区域。将含有4.1％碳、2％铬、1％钒的炉料熔化，浇注，待铸件冷却后取出，将铸铁棒切割，经过机加工得到直径3mm、顶部为球状含有铬钒合金元素的铸铁棒。铸铁棒含有较高的碳，熔点低于1500℃。高含量的碳有助于碳原子向液体中扩散和在材料表面形成高硬度，铬元素的作用是防止铸铁棒在存放和预热过程中被氧化并与碳形成碳化物，在达到同样硬度的同时减少钒的加入量，降低了生产成本。
铸型壁上每隔15mm钻直径3mm的孔，孔口呈漏斗状，用塞子塞住孔，在铸型表面涂一层石英粉涂料，待石英粉涂料完全干燥后，再涂一层含有铬钒合金微粒的金属涂料，当金属涂料仍呈液态时，立即洒上0.3mm粒径的钒铁颗粒，干燥后，取出塞子，铸铁棒插入铸型腔内的长度为10mm，加热到200℃；钢液浇注温度为1560℃，钢液中含碳量为0.35％，当需要将铸铁棒安装于铸型底部时，铸铁棒垂直于底部，采用底浇的浇注工艺，对铸铁棒的加热熔化和扩散，有利于气体的上浮，待钢液凝固，冷却后取出铸件，即得型内熔化扩散形成梯度耐磨材料。
本发明的梯度耐磨材料，是在铁的基体上分布粒径为5μm的铬钒复合碳化物颗粒，耐磨材料表面和浅表面的铬钒复合碳化物颗粒的数量为15％，由表及里铬钒复合碳化物颗粒的数量逐渐减少，在距离耐磨材料表面大于25mm的区域没有铬钒复合碳化物。
实施例二
在砂型内铺垫石英干砂，砂型底部装有砂芯，砂芯厚度40mm，并有多个直径为6mm的穿孔。将含有4.3％碳、3％铬、2％钒的炉料熔化，浇注，冷却后，切割，得到直径5mm、顶部为球状含有铬钒合金元素的铸铁棒。铸型壁上每隔30mm钻直径5mm的孔，塞住孔，在铸型表面涂石英粉涂料，待涂料干燥后，再涂含有铬钒合金微粒的金属涂料，当金属涂料仍呈液态时，立即洒上0.5mm粒径的钒铁颗粒，干燥后，铸铁棒插入铸型腔内的长度为15mm，加热到300℃；钢液浇注温度为1600℃，钢液中含碳量为0.45％，当需要将铸铁棒安装于铸型侧壁时，铸铁棒应该向上倾斜40°～50°，防止气体上浮时被未熔化的铸铁棒所阻碍而形成气孔，并采用阶梯式浇注工艺，待钢液凝固，冷却后取出铸件，即得型内熔化扩散形成梯度耐磨材料。本发明可选择硬化部位，即在指定的硬化部位放置铸铁棒即可。
本发明的梯度耐磨材料，是在铁的基体上分布粒径为10μm的铬钒复合碳化物颗粒，耐磨材料表面和浅表面的铬钒复合碳化物颗粒的数量为30％，由表及里铬钒复合碳化物颗粒的数量逐渐减少，在距离耐磨材料表面大于25mm的区域没有铬钒复合碳化物。
本发明与普通材质表面硬度和内外硬度差比较，见表一。
表一
 
材质淬火态 普通45号钢 普通40号钢 用0.45％碳钢液制作的试样 用0.40％碳钢液制作的试样    
表面硬度 HRC60 HRC54 HRC68 HRC67
距离表面大于25mm处硬度           HRC35 HRC33 HRC35 HRC33
从表一可见：与常规中碳钢相比，同样的热处理状态下，采用型内熔化扩散形成梯度耐磨材料的表面硬度提高13～24％，内外硬度相对变化从38～42％提高到48～50％。

Claims (3)

1、一种型内熔化扩散形成梯度耐磨材料，其特征在于在铁的基体上分布粒径为5～10μm的铬钒复合碳化物颗粒，耐磨材料表面和浅表面的铬钒复合碳化物颗粒的数量为15～30％，由表及里铬钒复合碳化物颗粒的数量逐渐减少，在距离耐磨材料表面大于25mm的区域没有铬钒复合碳化物。
2、根据权利要求1所述的型内熔化扩散形成梯度耐磨材料的制造方法，其特征在于：
(1)铸型壁上每隔15～30mm钻直径3～5mm的孔，塞住孔，在铸型表面涂石英粉涂料，待石英粉涂料干燥后，再涂含有铬钒合金微粒的金属涂料，当金属涂料呈液态时，立即洒上0.3～0.5mm粒径的钒铁颗粒，干燥后，取出孔塞，插入含铬钒合金元素的铸铁棒，加热到200～3000C；
(2)钢液浇注温度为1560～16000C，钢液中含碳量为0.35～0.45％，待钢液凝固，冷却后取出铸件，即得型内熔化扩散形成梯度耐磨材料。
3、根据权利要求2所述的型内熔化扩散形成梯度耐磨材料的制造方法，其特征在于步骤(1)所述的含铬钒合金元素的铸铁棒是在砂型内铺垫石英干砂，砂型底部装有砂芯，砂芯厚度20～40mm，并设有多个直径为5～6mm的穿孔；将含有4.1～4.3％碳、2～3％铬、1～2％钒的炉料熔化，浇注，冷却后，切割，即得。
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