CN102321848B - 一种铸铁件表面粒子增强复合材料层及其制备方法 - Google Patents
一种铸铁件表面粒子增强复合材料层及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种铸件表面粒子增强复合材料层，其包括以下质量百分比的组成成分：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。本发明同时还公开了该复合材料层的制备方法。采用本发明的技术方案可以在灰铸铁、球墨铸铁获得均匀致密、表面平整、厚度为2～5mm的WC-高铬铸铁复合材料层，克服了直接铸造WC颗粒易脱落的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种铸铁件表面粒子增强复合材料层及其制备方法。
背景技术
铸造表面复合材料的制造源于涂覆铸造工艺，称铸渗或浸渗，该工艺将传统的铸造和材料表面复合强化技术相结合，一次成型，在铸造过程中，充分利用了浇注及凝固时所产生的余热，降低能耗，简化工序，实现表面合金化，大大提高铸件表面的硬度、耐磨、耐热等性能。此法是1913年由美国人Davis等人创立，并在本世纪70年代发展起来，美国、德国、南非、日本等国家在这方面都有较深入的研究。
近些年，中国也对铸渗法表面粒子增强复合材料非常重视，特别是20世纪90年代铸渗工艺的应用研究已获得长足的发展。这主要缘于该工艺不需要专用的处理设备，具有操作简单、生产周期短、成本低、节约材料、表面层厚、零件不变形、可以热处理等优点。
清华大学、西安理工大学在这方面的工作起步较早，对影响合金层质量的多种因素(如浇注温度、合金粉粒度、粘结剂种类和熔剂等)进行了系统研究；西安交通大学、武汉理工大学和沈阳铸造研究所对铸件表面合金化工艺进行了完善，并使该工艺在生产中得到一定程度的应用；进入21世纪，甘肃工业大学、河南科技大学对铸渗法表面改性技术进行了进一步深入综合研究；昆明理工大学利用此法制备了金属基表面耐磨复合材料；兰州理工大学利用此法制备了铜基表面复合材料；辽宁工程技术大学利用此法增强低铬铸铁表面性能。由于表面粒子增强复合材料具有优异的耐磨性、耐热性、耐蚀性，且铸渗法可以根据使用要求，自由选择母材化学成分，使之与复合层性能达到最佳的配合；表面复合层的厚度、成分、组织也可以根据工件的性能要求进行设计，因此从创立到现在一直受到人们高度重视，但总体来说，铸渗法制取的复合材料中存在气孔、夹渣(杂)等诸多缺陷、工艺不甚成熟，还处于试验研究阶段。总结国内外制造铸件表面粒子增强复合材料的基本方法有：一是通过离心力和真空力使合金粉颗粒分布于铸型表面，不需要粘结剂，所获得的复合层致密，气孔等缺陷较少，但硬化表面的形状受到限制，且工艺复杂、设备昂贵。国外应用这种方法的较多。二是将合金粉颗粒制成涂料或膏块涂刷或贴固于铸型表面，方法简单，实用性强，较适合建筑、农机等机械零件的生产，比较适合我国国情。
无论国内还是国外，都遇到了诸如复合材料表面不平整、内有气孔和夹渣、金属液渗透能力差、粘砂、冲刷等许多问题，但在铸铁件上研究甚少，大多集中在有色金属合金上。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种铸件表面粒子增强复合材料层及其制备方法，在灰铸铁、球墨铸铁获得了均匀致密、表面平整、厚度为2～5mm的WC-高铬铸铁复合材料层，克服了直接铸造WC颗粒易脱落的问题。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种铸件表面粒子增强复合材料层，其包括以下质量百分比的组成成分：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。
一种铸件表面粒子增强复合材料层的制备方法，包括以下步骤：
1)首先按照合金粉剂组成按重量份数配置合金粉剂；
2)其次在预先配制好的合金粉剂中加入聚乙烯醇胶体，聚乙烯醇占合金粉质量的4～7％，搅拌均匀，调成糊状合金粉剂混合物；
3)用刷子将调成糊状的合金粉剂混合物涂覆或喷涂于用水玻璃面砂造型的铸型底面或侧面，用喷灯烘干5～10min，或制成具有硬化面外形的块状，烘干5～10min，合箱；
4)然后将生铁用冲天炉熔炼，层焦比为1∶8-10；
5)最后将经冲天炉熔炼的铁水选择以顶注式或底注式浇注，浇注遵循慢快慢的原则，先慢浇以便让铁水中气体从浇口杯跑出，铁水到达浇道底部并开始进入铸件时快浇，用铁水封住浇口杯，保证浇口杯一直呈充满状态，浇注快完毕时慢浇，防止铁水溢出，自然冷却。
所述步骤2)中的合金粉剂组成及按重量份数为：碳化钨18～23份，高碳铬铁40～50份，灰铸铁或球墨铸铁粉20～30份，硅钙合金2～3份，氟化钠+(碳酸钠)1～3份，稀土镁合金(含镁较多的球化剂)1～3份，硼砂(Na2B4O7)2～4份。
所述合金粉剂粒度为：0.1～0.3mm；各元素收得率：54～62％C，48～74％Cr，80～92％W。
所述步骤5)中浇筑时，浇注温度T和λ值(即铸件厚度与烘干后合金粉厚度的比值)的选择：对于灰铸铁，T≥1360℃，12≥λ≥8，对于球墨铸铁，T≥1320℃，18≥λ≥14。
本发明主要创新点在于合金粉剂中加入了适量的合金元素，溶剂为氟化钠，其作用为：在铸渗的过程中，PVA胶体在高温下发生分解，以气体形式排出，不会产生黑色物质，而氟化钠在铸渗过程中能起到除去合金颗粒表面氧化膜及改善其与铁液浸润性的作用，它还是一种较轻的造渣剂，能溶解和吸收高熔点氧化物，同时又是一种表面活性剂，能减少铁液的表面张力，而且造渣后上浮净化表面，从而改善复合层质量；硅钙合金的加入，主要是硅易溶于基体，提高高温抗氧化性和铸铁疲劳强度，硅还可以阻止工件表面发生龟裂和起皮脱落现象，钙主要具有脱硫、脱氧的作用；硼砂在浇铸初期会包裹合金颗粒使之不受 氧化，受热溶化后发生分解反应生成B2O3，B2O3可溶解合金表面的氧化膜，使之成为熔渣，起到净化表面的作用，提高其浸润能力，同时B可以改善合金粉剂的自溶性，降低其熔点；镁粉主要起到还原剂的作用，在铸渗的过程中，镁能在液滴表面挥发，破坏合金颗粒表面氧化膜的产生，改善润湿性，同时镁还能够起到脱硫作用。
WC在受热过程中，其表面会产生氧化物(如WO3)，氧化物的存在会恶化金属液与WC的润湿，使结合强度下降。合金粉剂中的还原剂和熔剂可去除氧化物等杂质，使之成为熔渣，使材料均匀。合金元素的这些作用使复合材料层与基体之间形成无气孔、夹渣的过渡区，大大提高了复合材料层与基体的结合强度。
本发明的复合材料层主要由WC、(Cr，Fe)7C3a、共晶奥氏体和马氏体组成，复合材料层与基体间约有0.2～0.5mm因稀释、扩散而产生的过渡区，无气孔和夹渣，而且与基体交错排列，提高了复合材料层与基体的结合强度。复合材料层与基体的结合强度为：对于灰铸铁抗拉强度＞181MPa，抗压强度为468～592MPa；平均硬度为600～1200HV；耐磨粒磨损性能大大提高，其耐磨性分别是QT600-3、淬火态45钢和HT200的2.9～6.2、2.6～5.5和3.9～10.5倍。
本发明具有以下优点：
1、硼元素的加入。硼砂在浇铸初期会包裹合金颗粒使之不受氧化，受热溶化后发生分解反应生成B2O3，B2O3可溶解合金表面的氧化膜，使之成为熔渣，起到净化表面的作用，提高其浸润能力，同时B可以改善合金粉剂的自溶性，降低其熔点
2、镁元素的加入。镁能在液滴表面挥发，破坏合金颗粒表面氧化膜的产生，改善润湿性，同时镁还能够起到脱硫作用，大大提高复合材料层与基体的结合强度。
3、用聚乙烯醇做粘结剂。虽然在浇注过程中生成气体，但随之浓度的降低，发气量减少，在铸造后不留残渣。
4、复合材料层具有高的与基体结合强度，高的硬度，高的耐磨性。
5、制备方法，操作简单、生产周期短、成本低、节约材料、表面层厚、零件不变形、等优点。
附图说明
图1为本发明复合材料层的X射线衍射图谱；
图2为本发明复合材料层的铸态组织图；
图3为本发明复合材料层至基体的过渡区结构图；
图4(a)为毛坯试样；图4(b)为本发明复合材料层拉伸方向结合强度检测示意图；4(c)发明复合材料层压缩方向结合强度检测示意图；
图5(a)、图5(b)为本发明复合材料层的平均显微硬度分布图；
图6为本发明复合材料层的磨损曲线图。
其中，1.基体，2.复合材料层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：合金粉剂组成及含量为：碳化钨19.2份，高碳铬铁47.5份，灰铸铁粉24.7份，硅钙合金3份，氟化钠1份，稀土镁合金(含镁较多的球化剂)2份，硼砂2.6份；合金粉剂粒度为：0.2mm；浇注温度为1370℃，λ值为14。制备时，用聚乙烯醇(PVA)胶体将合金粉剂搅拌均匀，调成糊状，涂覆于用水玻璃面砂造型的铸型底面，用喷灯烘干5～10min，合箱，然后将经冲天炉熔炼的铁水以顶注式浇注，自然冷却。这样得到的复合材料层相组成主要为WC、(Cr，Fe)7C3、共晶奥氏体和马氏体，铸态组织中WC为白色方块状，(Cr，Fe)7C3碳化物呈放射状或菊花状排列，与基体间约有0.2～0.5mm的过渡区，如图1-3所示。
实施例2：合金粉剂组成及含量为：碳化钨20份，高碳铬铁50份，灰铸铁粉25份，硅钙合金1份，氟化钠1份，稀土镁合金(含镁较多的球化剂)1份，硼砂2份；合金粉剂粒度为：0.3mm；浇注温度为1370℃，λ值为14。制备时，用聚乙烯醇(PVA)胶体将合金粉剂搅拌均匀，调成糊状，制成尺寸为30×30×3mm的膏状合金，将其放在尺寸为30×30×170mm的长方体铸型中部，然后浇注铁水成型，得到中部为铸渗层两端为铸铁基体的试样。然后将其加工成GB228-76标准中的圆形短试样，在WE-10型万能拉伸试验机上做拉伸试验。由于合金元素的加入，提高铸渗层与基体的结合强度，致使试样断裂发生在灰铸铁基体上，其抗拉强度大于181MPa，如图4(b)所示，黑色为复合材料层2，其它为基体1。
实施例3：合金粉剂组成及含量为：碳化钨20份，高碳铬铁47份，灰铸铁粉25份，硅钙合金2份，氟化钠1份，稀土镁合金(含镁较多的球化剂)3份，硼砂2份；合金粉剂粒度为：0.2mm；浇注温度为1370℃，λ值为14。制备时，采用实施例2的制备方法，并在WE-10型万能拉伸试验机上做压缩试验。合金元素的加入，能提高铸渗层与基体的剪切强度，致使试样断裂发生在灰铸铁基体上，其抗压强度为592MPa，如图4(c)所示，黑色为复合材料层2，其它为基体1。
实施例4：合金粉剂组成及含量为：碳化钨22份，高碳铬铁50份，灰铸铁粉20份，硅钙合金1份，氟化钠2份，稀土镁合金(含镁较多的球化剂)3份，硼砂2份；合金粉剂粒度为：0.3mm；浇注温度为1420℃，λ值为11。制备时，采用实施例1的制备方法，由铸渗层表面及基体，每隔0.4mm测量一次维氏硬度，可知复合材料层平均维氏硬度为886HV， 且沿铸渗层表面及基体的方向，硬度先升高后降低，过渡区的存在使铸渗层至基体的硬度梯度变缓，如图5(a)所示。
实施例5：合金粉剂组成及含量为：碳化钨18份，高碳铬铁50份，球墨铸铁粉23份，硅钙合金2份，氟化钠2份，稀土镁合金(含镁较多的球化剂)3份，硼砂2份；合金粉剂粒度为：0.3mm；浇注温度为1320℃，λ值为14。制备时，采用实施例1的制备方法，由铸渗层表面及基体，每隔0.4mm测量一次维氏硬度，可知复合材料层平均维氏硬度为853HV，明显低于灰铸铁基体的，且沿铸渗层表面及基体的方向，硬度先升高后降低，过渡区的存在使铸渗层至基体的硬度梯度变缓，如图5(b)所示。
实施例6：合金粉剂组成及含量为：碳化钨20份，高碳铬铁50份，灰铸铁粉23份，硅钙合金1.5份，氟化钠1份，稀土镁合金(含镁较多的球化剂)3份，硼砂1.5份；合金粉剂粒度为：0.2mm；浇注温度为1370℃，λ值为14。制备时，用聚乙烯醇(PVA)胶体将合金粉剂搅拌均匀，调成糊状，涂于尺寸为φ40.5×65mm的型腔圆柱面上，得到表面强化的圆棒试样。圆棒试样铸后磨削加工成直径为40mm，厚度为10mm的滚轮试样。磨粒磨损试验在MM-200型磨损试验机上进行。采用环-瓦式接触，尺寸为φ40×10mm的环是被测试样，在瓦与环的接触处(占环外圆面积的1/6)，用PY-301有机胶把100～360目的氧化铝砂纸粘固于瓦上。表层有复合材料的试样外圆经磨削加工，约留有2mm厚的复合材料层，与之比较的是QT600-3、淬火态45钢和HT200试样。试验前被测试样需经磨合。试验时v＝0.42m/s，F＝250～1000N，HQB-10#汽机油润滑，10mL/min。获得的复合材料层耐磨性分别是QT600-3、淬火态45钢和HT200的2.9～6.2、2.6～5.5和3.9～10.5倍，具体如图6所示，图中试样1为HT200、试样2为QT600-3、试样3为WC含量10％、试样4为WC含量20％、试样5为WC含量30％、试样6为45钢。
Claims (3)
1.一种铸件表面粒子增强复合材料层的制备方法，其特征是，所述复合材料层包括以下质量百分比的组成成分：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，制备方法包括以下步骤：
1)首先按照合金粉剂组成按重量份数配置合金粉剂；
2)其次在预先配制好的合金粉剂中加入聚乙烯醇胶体，聚乙烯醇占合金粉剂质量的4～7％，搅拌均匀，调成糊状合金粉剂混合物；
所述合金粉剂组成及按重量份数为：碳化钨18～23份，高碳铬铁40～50份，灰铸铁或球墨铸铁粉20～30份，硅钙合金2～3份，氟化钠1～3份，稀土镁合金1～3份，硼砂2～4份；
3)用刷子将调成糊状的合金粉剂混合物涂覆或喷涂于用水玻璃面砂造型的铸型底面或侧面，用喷灯烘干5～10min，或制成具有硬化面外形的块状，烘干5～10min，合箱；
4)然后将生铁用冲天炉熔炼，层焦比为1∶8-10；
5)最后将经冲天炉熔炼的铁水选择以顶注式或底注式浇注，浇注遵循慢快慢的原则，先慢浇以便让铁水中气体从浇口杯跑出，铁水到达浇道底部并开始进入铸型时快浇，用铁水封住浇口杯，保证浇口杯一直呈充满状态，浇注快完毕时慢浇，防止铁水溢出，自然冷却。
2.如权利要求1所述的一种铸件表面粒子增强复合材料层的制备方法，其特征是，所述合金粉剂粒度为：0.1～0.3mm；各元素收得率：54～62％C，48～74％Cr，80～92％W。
3.如权利要求1所述的一种铸件表面粒子增强复合材料层的制备方法，其特征是，所述步骤5)中浇铸时，浇注温度T和λ值即铸件厚度与烘干后合金粉厚度的比值的选择：对于灰铸铁，T≥1360℃，12≥λ≥8，对于球墨铸铁，T≥1320℃，18≥λ≥14。
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