CN102274950A - 一种原位生成Laves相增强钢基表面复合材料的制备方法 - Google Patents

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蒋业华
周荣
陈志辉
宋群玲
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Abstract

本发明公开了一种原位生成Laves相增强钢基表面复合材料的制备方法，属于金属耐磨材料技术领域。对混合金属元素粉末进行机械合金化，然后与粘结剂进行混合，涂抹到零件的铸型工作表面上，浇注钢液，冷却脱型清理后即制成原位生成的Laves相增强钢基表面复合材料。该工艺制备的表面复合材料，充分发挥了Laves相的高温耐磨性和钢的良好韧性，调控方便，工艺可靠，解决了表面复合材料反应不完全，增强相颗粒分布不均匀，增强相界面污染等难题，可广泛得应用在钢材、冶金、煤炭、建材和电力等高温耐磨领域。

Description

一种原位生成Laves相增强钢基表面复合材料的制备方法
技术领域
 本发明涉及一种原位生成Laves相增强钢基表面复合材料的制备方法，属于金属耐磨材料技术领域。
背景技术
在钢材、冶金、煤炭、建材和电力等行业中，物料的破碎、研磨、输送传输和导位运输非常的普遍。目前的物料破碎、研磨、输送传输和导位运输系统中，多半采用的是钢材加工成的金属零件作为载体。由于普通钢材的高温耐磨性较差，所以这些零件在系统中的磨损非常严重，使其使用寿命短，更换频繁。导致生产成本很高，工人劳动强度加大，并且严重影响各系统的正常运作。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种表面复合高温耐磨件的制备方法，采用该方法制备的表面复合材料，其中含有高强度、高强韧的钢基体和高温高耐磨性的硬质相颗粒，该颗粒在基体内原位生成，并与钢基体之间形成冶金结合，使高温耐磨件的表面既具有钢基体的高强度和高韧性的性能，又具有硬质相的高温耐磨性等性能，使得表面高温耐磨件能够同时承受高压和高温下的强烈摩擦，能够增加使用寿命。
本发明的技术解决方案是：将几种元素粉末机械合金化，然后用粘接剂将机械合金化的粉末粘贴在聚苯乙烯泡沫塑料制成的模型工作表面，并安装浇注系统，涂上耐火涂料，待其干燥后按消失模工艺造型，把熔炼好的钢液浇入模型型腔内，在浇入钢液的热作用下，机械合金化的金属元素粉末被熔解与扩散，相互过饱和的固溶元素粉末在原位相互反应，形成高度弥散的Laves相，而少量的金属元素粉末与液态钢基发生冶金化合反应，形成少量的合金碳化物，冷却凝固后主要形成颗粒状硬质相和钢基体，两者之间为冶金结合，制成以高韧性、高强度的钢基体和内含Laves硬质相的表面复合材料零件
本发明的制备方法主要包括以下几个步骤（如图1所示）：
(1)原位生成Laves相的预制备：将金属元素Cr和R 粉按摩尔比2:1的比例混合，其中R为金属元素Ti、Nb、Ta等能与Cr形成Laves相中的一种或几种，粉末粒径为：100～200目，然后按照现有技术进行机械合金化；
(2)在步骤（1）中预制备的Laves相中加入浓度为6%的聚乙烯醇，加入量为Laves相重量百分比的2～4%，搅拌混合均匀；
(3)将聚苯乙烯泡沫用现有技术制备消失模模型，然后将步骤（2）中制备的混合料均匀涂抹在消失模模型零件的工作表面，涂抹厚度为：2～5mm，待涂抹层自然干燥后，安装浇注系统，涂上耐火材料，待其在40～50℃的条件下干燥后用30～40目的干石英砂进行消失模造型；
（4）将用现有技术熔炼好的基体合金液在温度为1450～1550℃时浇入消失模模型型腔内，浇注速度为3～6kg/s，注满为止，待其自然冷却后，取出铸件，清理铸件表面的消失模涂料及其表面的氧化皮，即得到原位生成Laves相增强钢基表面复合材料。
所述增强钢基体金属是高锰钢、合金钢、普通碳钢及常用钢种。
所述原位生成的Laves相复合在零件的工作表面。 
本发明的原理是：机械合金化使金属元素粉末相互过饱和固溶，在液态的钢基高温作用下，金属元素粉末发生熔解与扩散，原位反应并和钢液发生冶金化合反应，同时由于金属元素粉末的吸热作用，降低了局部的温度，缩短了结晶过程，阻碍了元素粉末的进一步扩散，使元素粉末更容易在原位富集，结晶析出大量弥散的高温高强度的硬质Laves相，并与钢基体形成良好的冶金结合，界面结合强，解决了硬质Laves相易脱落、易破碎等难题，实现了高温耐磨性与高强韧性的统一结合，使零件的整体性能显著提高。
本发明具有以下优点
1．元素粉末可根据零件的使用要求进行合理配比，成分可调，使用范围广。
2．原料采用的是元素粉末，其渣滓等比较少，因此不会产生夹渣等缺陷，复合层的内部组织优良。
3．本发明的复合成形工艺可控性强、成品率高、生产质量稳定，便于大规模生产。
4．Laves相颗粒为整体原位反应生成，避免了机械复合等工艺过程中常常出现的开裂现象和使用过程中的脱落现象。
5．根据各零件的使用工矿，可以调节Laves相硬质颗粒在基体中的比例，并保证分布均匀。
6．根据各零件的结构特点，可实现表面局部和整体复合。
附图说明
图1是原位生成Laves相增强钢基表面复合材料的制备流程图。
具体实施方式
实施例1：
(1)原位生成Laves相的预制备：将金属元素Cr和Ti粉按摩尔比2:1的比例混合，粉末粒径都为：100目，然后按照现有技术进行机械合金化；
(2)在步骤（1）中预制备的Laves相中加入浓度为6%的聚乙烯醇，加入量为Laves相重量百分比的2%，搅拌混合均匀；
(3)将聚苯乙烯泡沫用现有技术制备消失模模型，然后将步骤（2）中制备的混合粉料均匀涂抹在消失模模型零件的工作表面，涂抹厚度为：2mm，待涂抹层自然干燥后，安装浇注系统，涂上耐火材料，待其在40℃的干燥炉内烤干后用30目的干石英砂消失模造型；
（4）将用现有技术熔炼好的高锰钢钢液在温度为1450℃时浇入消失模模型型腔内，浇注速度为3kg/s，注满为止，待其自然冷却后，取出铸件，清理铸件表面的消失模涂料及其表面的氧化皮，即得到原位生成Laves相增强高锰钢基表面复合材料。
    实施例2：
(1)原位生成Laves相的预制备：将金属元素Cr和Nb粉按摩尔比2:1的比例混合，粉末粒径都为：150目，然后按照现有技术进行机械合金化；
(2)在步骤（1）中预制备的Laves相中加入浓度为6%的聚乙烯醇，加入量为Laves相重量百分比的3%，搅拌混合均匀；
(3)将聚苯乙烯泡沫用现有技术制备消失模模型，然后将步骤（2）中制备的混合料均匀涂抹在消失模模型零件的工作表面，涂抹厚度为：4mm，待涂抹层自然干燥后，安装浇注系统，涂上耐火材料，待其在45℃的干燥炉内烤干后用35目的干石英砂进行消失模造型；
（4）将用现有技术熔炼好的基体合金钢钢液在温度为1500℃时浇入消失模模型型腔内，浇注速度为4kg/s，注满为止，待其自然冷却后，取出铸件，清理铸件表面的消失模涂料及其表面的氧化皮，即得到原位生成Laves相增强合金钢基表面复合材料。
实施例3：
(1)原位生成Laves相的预制备：将金属元素Cr和Ta 粉按摩尔比2:1的比例混合，粉末粒径都为：200目，然后按照现有技术进行机械合金化；
(2)在步骤（1）中预制备的Laves相中加入浓度为6%的聚乙烯醇，加入量为Laves相重量百分比的4%，搅拌混合均匀；
(3)将聚苯乙烯泡沫用现有技术制备消失模模型，然后将步骤（2）中制备的混合料均匀涂抹在消失模模型零件的工作表面，涂抹厚度为：5mm，待涂抹层自然干燥后，安装浇注系统，涂上耐火材料，待其在50℃的干燥炉内干燥后用40目的干石英砂进行消失模造型；
（4）将用现有技术熔炼好的基体普通碳钢钢液在温度为1550℃时浇入消失模模型型腔内，浇注速度为6kg/s，注满为止，待其自然冷却2h后，取出铸件，清理铸件表面的消失模涂料及其表面的氧化皮，即得到原位生成Laves相增强普通碳钢基表面复合材料。
实施例4：
(1)原位生成Laves相的预制备：按2：1的摩尔比，将Cr粉与Ti、Nb金属粉混合，粉末粒径都为：100目，然后按照现有技术进行机械合金化；
(2)在步骤（1）中预制备的Laves相中加入浓度为6%的聚乙烯醇，加入量为Laves相重量百分比的2%，搅拌混合均匀；
(3)将聚苯乙烯泡沫用现有技术制备消失模模型，然后将步骤（2）中制备的混合粉料均匀涂抹在消失模模型零件的工作表面，涂抹厚度为：2mm，待涂抹层自然干燥后，安装浇注系统，涂上耐火材料，待其在40℃的干燥炉内烤干后用30目的干石英砂消失模造型；
（4）将用现有技术熔炼好的高锰钢钢液在温度为1450℃时浇入消失模模型型腔内，浇注速度为3kg/s，注满为止，待其自然冷却后，取出铸件，清理铸件表面的消失模涂料及其表面的氧化皮，即得到原位生成Laves相增强高锰钢基表面复合材料。
实施例5：
(1)原位生成Laves相的预制备：按2：1的摩尔比，将Cr粉与Ti、Ta金属粉混合，粉末粒径都为：150目，然后按照现有技术进行机械合金化；
(2)在步骤（1）中预制备的Laves相中加入浓度为6%的聚乙烯醇，加入量为Laves相重量百分比的3%，搅拌混合均匀；
(3)将聚苯乙烯泡沫用现有技术制备消失模模型，然后将步骤（2）中制备的混合料均匀涂抹在消失模模型零件的工作表面，涂抹厚度为：4mm，待涂抹层自然干燥后，安装浇注系统，涂上耐火材料，待其在45℃的干燥炉内烤干后用35目的干石英砂进行消失模造型；
（4）将用现有技术熔炼好的基体合金钢钢液在温度为1500℃时浇入消失模模型型腔内，浇注速度为4kg/s，注满为止，待其自然冷却后，取出铸件，清理铸件表面的消失模涂料及其表面的氧化皮，即得到原位生成Laves相增强合金钢基表面复合材料。
实施例6：
(1)原位生成Laves相的预制备：按2：1的摩尔比，将Cr粉与Nb、Ta金属粉混合，粉末粒径都为：200目，然后按照现有技术进行机械合金化；
(2)在步骤（1）中预制备的Laves相中加入浓度为6%的聚乙烯醇，加入量为Laves相重量百分比的4%，搅拌混合均匀；
(3)将聚苯乙烯泡沫用现有技术制备消失模模型，然后将步骤（2）中制备的混合料均匀涂抹在消失模模型零件的工作表面，涂抹厚度为：5mm，待涂抹层自然干燥后，安装浇注系统，涂上耐火材料，待其在50℃的干燥炉内干燥后用40目的干石英砂进行消失模造型；
（4）将用现有技术熔炼好的基体普通碳钢钢液在温度为1550℃时浇入消失模模型型腔内，浇注速度为6kg/s，注满为止，待其自然冷却2h后，取出铸件，清理铸件表面的消失模涂料及其表面的氧化皮，即得到原位生成Laves相增强普通碳钢基表面复合材料。
实施例7：
(1)原位生成Laves相的预制备：按2：1的摩尔比，将Cr粉与Ti、Nb、Ta金属粉混合，粉末粒径都为：100目，然后按照现有技术进行机械合金化；
(2)在步骤（1）中预制备的Laves相中加入浓度为6%的聚乙烯醇，加入量为Laves相重量百分比的2%，搅拌混合均匀；
(3)将聚苯乙烯泡沫用现有技术制备消失模模型，然后将步骤（2）中制备的混合粉料均匀涂抹在消失模模型零件的工作表面，涂抹厚度为：2mm，待涂抹层自然干燥后，安装浇注系统，涂上耐火材料，待其在40℃的干燥炉内烤干后用30目的干石英砂消失模造型；
（4）将用现有技术熔炼好的高锰钢钢液在温度为1450℃时浇入消失模模型型腔内，浇注速度为3kg/s，注满为止，待其自然冷却后，取出铸件，清理铸件表面的消失模涂料及其表面的氧化皮，即得到原位生成Laves相增强高锰钢基表面复合材料。

Claims (7)

1.一种原位生成Laves相增强钢基表面复合材料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
（1）原位生成Laves相的制备：按一定的摩尔比，将Laves相二元金属粉末混合，然后按照现有技术进行机械合金化；
（2）在步骤（1）制备的Laves相中加入普通粘合剂并搅拌混合均匀；
（3）以聚苯乙烯泡沫制备零部件的消失模模型，然后将步骤（2）制备的混合料均匀涂抹在消失模模型表面，待涂抹层自然干燥后，安装浇注系统，涂上耐火材料，待其在一定温度下干燥后用干石英砂造型；
（4）熔炼零部件基体金属液，并在其常规浇注温度下，浇入步骤（3）制备的模型型腔内，注满为止，待其自然冷却后，取出铸件进行清理，在零部件表面即原位生成Laves相高温耐磨层。
2.根据权利要求1所述的原位生成Laves相增强钢基表面复合材料的制备方法，其特征在于：Laves相二元金属粉末为Cr与R组成的混合物，R为Ti、Nb、Ta中的一种或任意几种。
3.根据权利要求1或2所述的原位生成Laves相增强钢基表面复合材料的制备方法，其特征在于：Cr与R的摩尔比为2:1，金属粉末的粒径为100～200目。
4.根据权利要求1或2所述的原位生成Laves相增强钢基表面复合材料的制备方法，其特征在于：添加的常规粘合剂是浓度为6%的普通聚乙烯醇，加入量为Laves相重量的2～4%。
5.根据权利要求1或2所述的原位生成Laves相增强钢基表面复合材料的制备方法，其特征在于：涂抹在消失模模型表面的混合料涂抹的厚度为2～5mm，造型用石英砂为30～40目。
6.根据权利要求1或2所述的原位生成Laves相增强钢基表面复合材料的制备方法，其特征在于：增强钢基体金属为普通高锰钢、合金钢或碳钢，熔炼好的基体钢水液在温度为1450～1550℃时浇入模型型腔内，浇注速度为3～6kg/s。
7.根据权利要求书1所述的原位生成Laves相增强钢基表面复合材料的制备方法，其特征在于：耐火材料在40～50℃条件下干燥。
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