CN102489686B - 消失模铸造陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种消失模铸造陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料的制备方法，通过将硬质陶瓷颗粒与熟化后的泡沫珠粒按任意比例混合均匀，再将混合物填入模具的固化模腔中进行固化以制作增强体均匀分布其中的泡沫模；然后按常规消失模方法造型，在型腔中放置所得泡沫模，再熔炼基材金属材料至浇注温度后，将其浇注入型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到硬质陶瓷颗粒在基材金属中弥散分布的陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料。本发明的制备方法操作简便，整体性能高，成品率高，无论是整体增强还是局部增强，均可直接做成各种金属基复合材料零部件，无需二次加工，适合大规模工业化生产，能广泛应用于矿山、电力、冶金、煤炭、建材等耐磨领域。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料技术领域，特别涉及一种消失模铸造陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料的制备方法。
背景技术
现代工业的发展对材料的耐磨性能要求越来越高，冶金、矿山、建材、电力、化工、煤炭和农业等部门分别要用到矿山机械、工程机械、农业机械和各种破碎粉磨机械，这些机械设备的易损件要受到砂石、矿石、土壤等各种物料和研磨体的磨损，每年要消耗大量金属。根据不完全统计，能源的1/3～1/2消耗与摩擦和磨损有关。对材料来说，约80%的零件失效是由磨损引起的，其中因磨料磨损而失效的约占50%，据统计我国用于磨料磨损工况的耐磨钢铁件，每年要消耗200多万吨。由此，开发研制出一种能在磨损工况下，具有较长使用寿命的新材质显得极为重要。
在工业中的许多领域存在恶劣的工作环境，要求工作零部件同时具备耐磨耐热或耐磨耐蚀综合性能，因此具有单一性能的材料已不能满足工况的需求。复合材料由于是将两种或以上具有不同特性的材料，通过物理或化学的方法将它们有机结合在一起，发挥各自优势，因此材料具有优异的综合性能。近几年来，对复合材料制备工艺的研究做了大量的工作，开发了多种工艺。这些工艺方法用于制造有色金属复合材料时，由于有色金属大多数熔点低，与很多增强颗粒间浸润性好，因此取得了很好的效果。如SiC增强铝合金复合材料制造活塞，使用寿命大幅度提高。然而对黑色金属而言，由于熔点高，相互之间冶金反应复杂，因此如何方便地使增强颗粒加入黑色金属液中，并使其均匀有效地分布，一直是一道难题，这严重影响颗粒增强钢铁基复合材料的产业化进程。
多年来，对颗粒增强钢铁基复合材料的工艺研究一直是复合材料研究的重大课题之一，也取得了一些成果。专利（公开号1080221）介绍了一种制备颗粒增强耐磨复合材料的铸造方法，其工艺步骤是：先做好铸型，同时制备尺寸为负偏差的消失模，再将消失模放入铸型中，这样在消失模和铸型间就形成空隙。将空隙填满硬质颗粒，合箱抽真空浇注，从而在表面形成含硬质颗粒的耐磨材料。该方法工序复杂，不能很好的将消失模负压铸造工艺的优点利用起来，生产效率低，且复合层厚度和质量难以保证。CN1383945A公开了一种颗粒增强复合材料的制备方法，它的工序步骤是：先做好泡沫塑料模，在铸件需要制作复合材料的部位，将模制作成两部分粘结，其中之一制有沟槽，然后将混制好的增强颗粒填满沟槽，再将模的两部分粘结起来，上涂料烘干造型，最后抽真空浇注。这种方法制备较复杂，不适合实际生产的需要。CN101053898A介绍了一种制备颗粒增强金属基表面复合材料的真空实型铸渗方法，这种方法是将增强颗粒制备成与复合材料所需耐磨表面形状相适应的预制块，将其固定在需要合金化的泡沫材料模样表面，然后按铸造工艺造型并浇注。这种方法的缺点是泡沫产生的气体以及复合层中的粘结剂气化产生的气体使得材料内部多出现无法避免的气孔缺陷，无法生产结构复杂的零部件。CN1128297A公布了一种局部复合材料及其制造方法，其是将陶瓷颗粒、有机粘结剂与普碳钢基、耐热钢基或镍基粉末混匀，压制成所需形状的预制块，置于需强化的铸件的铸型局部，浇注金属即可。这种方法制作的局部复合材料，易产生夹渣缺陷，并且复合层与基材金属的界面结合效果相对较差，在收到冲击作用下，会使复合层脱落而失去耐磨的作用。CN101422814A公开了一种局部复合耐磨材料的制备方法，它是选用高合金粉芯管丝，根据工件表面的形状，裁剪、卷制或叠加制成相似结构；按照铸造工艺造型，将制作好的高合金粉芯管丝预埋入砂型型腔中，冶炼基材金属材料浇注，从而得到所需复合材料。这种方法的缺点在于易形成夹渣缺陷，用于实际生产时工艺可控性较差，不适合大规模工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能满足各种磨损、激冷激热等复杂工况下使用的消失模铸造陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料的制备方法，通过下列技术方案实现。
一种消失模铸造陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料的制备方法，经过下列各步骤：
（1）将硬质陶瓷颗粒与熟化后的泡沫珠粒按任意比例混合均匀，再将混合物填入模具的固化模腔中进行固化以制作增强体（硬质陶瓷颗粒）均匀分布其中的泡沫模；
（2）按常规消失模方法造型，在型腔中放置步骤（1）所得泡沫模，再熔炼基材金属材料至浇注温度后，将其浇注入型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到硬质陶瓷颗粒在基材金属中弥散分布的陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料。
所述步骤（1）的硬质陶瓷颗粒是氧化铝、碳化硅、碳化钨、氮化硅、氮化钛中的一种或者任意几种；当硬质陶瓷颗粒是两种或两种以上时，各种硬质陶瓷颗粒的粒度相同。
所述步骤（1）的硬质陶瓷颗粒的粒径为-10～+80目。
所述步骤（1）的泡沫珠粒为聚苯乙烯（EPS）泡沫珠粒或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）泡沫珠粒。
所述步骤（1）的硬质陶瓷颗粒与熟化后的泡沫珠粒的体积比小于2︰8时，泡沫珠粒与硬质陶瓷颗粒的粒径比为4～10︰1。
所述步骤（1）的硬质陶瓷颗粒与熟化后的泡沫珠粒的体积比大于2︰8时，泡沫珠粒与硬质陶瓷颗粒的粒径比为0.125～3︰1。
所述步骤（1）中的固化是指常规的高频加热成型、热水加热成型、蒸缸发泡成型和压机发泡成型。
所述步骤（2）的基材金属材料为钢或铁。
所述钢为普通碳钢、合金钢或高锰钢。
所述铁为灰铸铁或球墨铸铁。
本发明采用消失模发泡技术，将混合均匀的混合物填满模具的模腔，固化时将蒸汽通过模壁的气眼通入装有硬质陶瓷颗粒与熟化泡沫珠粒混合物的模腔中，在几秒到几十分钟的时间内使珠粒受热软化膨胀，由于模壁的限制，膨胀的颗粒相互粘结在一起，并填满整个空隙形成一个整体，在这个过程中，硬质陶瓷颗粒始终处于珠粒与珠粒之间，经冷却定型后，从发泡模具中取出即可得到所需的硬质陶瓷颗粒在其中均匀分布的泡沫塑料模样，再用熔融的基材金属材料浇注便得到硬质陶瓷颗粒在基材金属中弥散分布的颗粒增强钢铁基复合材料。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明借助消失模发泡技术，将硬质陶瓷颗粒弥散分布于泡沫模型内部，提高了基材金属液与硬质陶瓷颗粒的结合强度，利于金属液在颗粒间的渗透，且用本发明制备的钢铁基复合材料铸件，具有较高的表面质量和尺寸精度，对于要求不高的复合材料铸件可以直接使用，对于形状复杂的、技术要求高的复合材料铸件也能使用，如环形的铸件，制备的复合材料组织致密，增强体的体积分数高，使复合材料的综合性能得到较大的提高。本发明的复合制备方法可控性强，操作简便，整体性能高，成品率高，无论是整体增强还是局部增强，均可直接做成各种金属基复合材料零部件，无需二次加工，适合大规模工业化生产，能广泛应用于矿山、电力、冶金、煤炭、建材等耐磨领域。
附图说明
图1是本发明步骤（1）所得泡沫模中硬质陶瓷颗粒的弥散分布情况图（图中1为熟化后的泡沫珠粒，2为硬质陶瓷颗粒）；
图2是本发明制备方法的流程图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
（1）将粒径为-40～+60目的氧化铝颗粒2与熟化后的粒径为-10～+20的聚苯乙烯（EPS）泡沫珠粒1按体积比大于2︰8混合均匀，再将混合物填入模具的固化模腔中进行热水加热成型固化，以制作增强体（硬质陶瓷颗粒）均匀分布其中的泡沫模，如图1所示；
（2）按常规消失模方法造型，在型腔中放置步骤（1）所得泡沫模，再熔炼合金钢Cr15高铬钢至浇注温度1580℃后，将其浇注入型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到硬质陶瓷颗粒在基材金属中弥散分布的陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料（氧化铝颗粒为弥散增强相、Cr15高铬钢为基材）。
实施例2
（1）将粒径为60目的碳化硅和碳化钨颗粒，与熟化后的20目的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）泡沫珠粒按体积比大于2︰8混合均匀，再将混合物填入模具的固化模腔中进行蒸缸发泡成型固化，以制作增强体（硬质陶瓷颗粒）均匀分布其中的泡沫模；
（2）按常规消失模方法造型，在型腔中放置步骤（1）所得泡沫模，再熔炼低碳钢（普通碳钢）至浇注温度1580℃后，将其浇注入型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到硬质陶瓷颗粒在基材金属中弥散分布的陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料（碳化钨和碳化硅颗粒为弥散增强相、低碳钢为基材）。
实施例3
（1）将粒径为80目的碳化硅、碳化钨和氮化硅颗粒，与熟化后的20目的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）泡沫珠粒按体积比小于2︰8混合均匀，再将混合物填入模具的固化模腔中进行压机发泡成型固化，以制作增强体（硬质陶瓷颗粒）均匀分布其中的泡沫模，如图1所示；
（2）按常规消失模方法造型，在型腔中放置步骤（1）所得泡沫模，再熔炼球墨铸铁QT500至浇注温度1530℃后，将其浇注入型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到硬质陶瓷颗粒在基材金属中弥散分布的陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料（碳化钨、碳化硅和氮化硅颗粒为弥散增强相、QT500为基材）。
实施例4
（1）将粒径为30目的碳化硅、碳化钨、氮化硅和氮化钛颗粒，与熟化后的20目的聚苯乙烯（EPS）泡沫珠粒按体积比大于2︰8混合均匀，再将混合物填入模具的固化模腔中进行压机发泡成型固化，以制作增强体（硬质陶瓷颗粒）均匀分布其中的泡沫模，如图1所示；
（2）按常规消失模方法造型，在型腔中放置步骤（1）所得泡沫模，再熔炼高锰钢至浇注温度1580℃后，将其浇注入型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到硬质陶瓷颗粒在基材金属中弥散分布的陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料(碳化钨、碳化硅、氮化硅和氮化钛颗粒为弥散增强相、高锰钢为基材)。
实施例5
（1）将粒径为60目的氧化铝、碳化硅、碳化钨、氮化硅和氮化钛颗粒，与熟化后的10目的聚苯乙烯（EPS）泡沫珠粒按体积比小于2︰8混合均匀，再将混合物填入模具的固化模腔中进行热水加热成型固化，以制作增强体（硬质陶瓷颗粒）均匀分布其中的泡沫模，如图1所示；
（2）按常规消失模方法造型，在型腔中放置步骤（1）所得泡沫模，再熔炼灰铸铁HT300至浇注温度后，将其浇注入型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到硬质陶瓷颗粒在基材金属中弥散分布的陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料（氧化铝、碳化钨、碳化硅、氮化硅和氮化钛颗粒为弥散增强相、HT300为基材）。
实施例6
（1）将粒径为10目的氮化钛颗粒与熟化后的80目的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）泡沫珠粒按体积比大于2︰8混合均匀，再将混合物填入模具的固化模腔中进行高频加热成型固化，以制作增强体（硬质陶瓷颗粒）均匀分布其中的泡沫模；
（2）按常规消失模方法造型，在型腔中放置步骤（1）所得泡沫模，再熔炼灰铸铁至浇注温度后，将其浇注入型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到硬质陶瓷颗粒在基材金属中弥散分布的陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料。
实施例7
（1）将粒径为80目的氧化铝和碳化钨颗粒，与熟化后的8目的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）泡沫珠粒按体积比小于2︰8混合均匀，再将混合物填入模具的固化模腔中进行蒸缸发泡成型固化，以制作增强体（硬质陶瓷颗粒）均匀分布其中的泡沫模；
（2）按常规消失模方法造型，在型腔中放置步骤（1）所得泡沫模，再熔炼高锰钢至浇注温度后，将其浇注入型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到硬质陶瓷颗粒在基材金属中弥散分布的陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料。
Claims (5)
1.一种消失模铸造陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料的制备方法，其特征在于经过下列各步骤：
（1）将硬质陶瓷颗粒与熟化后的泡沫珠粒按任意比例混合均匀，再将混合物填入模具的固化模腔中进行固化以制作增强体均匀分布其中的泡沫模，其中硬质陶瓷颗粒是氧化铝、碳化硅、碳化钨、氮化硅、氮化钛中的一种或者任意几种；当硬质陶瓷颗粒是两种或两种以上时，各种硬质陶瓷颗粒的粒度相同，且硬质陶瓷颗粒的粒径为-10～+80目；泡沫珠粒为聚苯乙烯泡沫珠粒或聚甲基丙烯酸甲酯泡沫珠粒；硬质陶瓷颗粒与熟化后的泡沫珠粒的体积比小于2︰8时，泡沫珠粒与硬质陶瓷颗粒的粒径比为4～10︰1；硬质陶瓷颗粒与熟化后的泡沫珠粒的体积比大于2︰8时，泡沫珠粒与硬质陶瓷颗粒的粒径比为0.125～3︰1；
（2）按常规消失模方法造型，在型腔中放置步骤（1）所得泡沫模，再熔炼基材金属材料至浇注温度后，将其浇注入型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到硬质陶瓷颗粒在基材金属中弥散分布的陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料。
2.根据权利要求1所述的消失模铸造陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的固化是指常规的高频加热成型、热水加热成型、蒸缸发泡成型和压机发泡成型。
3.根据权利要求1所述的消失模铸造陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）的基材金属材料为钢或铁。
4.根据权利要求3所述的消失模铸造陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述钢为普通碳钢、合金钢或高锰钢。
5.根据权利要求3所述的消失模铸造陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述铁为灰铸铁或球墨铸铁。
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