CN103302271A - 一种增强低碳合金铸钢表面层硬度及耐磨性的铸渗方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料加工技术领域，尤其涉及一种增强低碳合金铸钢表面层硬度及耐磨性的铸渗方法。本发明是将铁粉和铝粉混合均匀，再添加钨精矿粉末，将三种粉末混合均匀后与聚乙烯醇混合，加水调制成糊状或膏状涂料，将涂料均匀涂布在模具的内壁，涂3~5次后烘干，将熔炼好的低碳合金铸钢钢液注入模具中进行浇铸，浇铸完毕待铸件完全凝固冷却后，将铸件从模具中取出。本发明在钢液浇铸过程中，发生了一系列化学反应，生成硬质颗粒相，对低碳合金铸钢工件的表面合金起到了很强的固溶强化以及钉扎作用，硬质颗粒与基体中的位错发生交互作用，阻止位错运动，使基体屈服强度升高、显微硬度上升，强化效果显著，渗层厚度高，与基体结合性好。

Description

一种增强低碳合金铸钢表面层硬度及耐磨性的铸渗方法

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，尤其涉及一种增强低碳合金铸钢表面层硬度及耐磨性的铸渗方法。

背景技术

大多数零件的失效都发生在产生摩擦行为的表面，针对表面磨损问题开发的表层强化材料相对于整体强化材料，能够降低成本，具有很高的现实价值。

金属材料的表面强化是提高材料性能的有效方法，目前，金属表面的强化方法有热喷涂、离子注入和堆焊等多种方法，这些方法都可以使铸件表面合金化，提高其硬度以及耐磨性。但是这些方法都存在一些有待解决的问题，例如热喷涂方法具有一定的局限性，对于形状复杂的工件无法制作，通常制备的耐磨层厚度只有1~2mm，且与工件基体的结合性不好，耐磨性不理想；离子注入的方法可使工件表面形成复合材料层，提高了工件表面的硬度及耐磨性，但是这种方法工艺复杂，成本较高；堆焊方法工艺简单成本低廉，但是制作工件的耐磨性又远不如前者。

铸渗法也是提高工件表面性能的一种方法，是一种传统的铸造工艺，该工艺是将合金粉末或者陶瓷颗粒等预先固定在型腔内壁上，然后通过浇铸使得铸渗复合，达到提高工件硬度和耐磨性的目的。传统的铸渗方法通常需要购买昂贵的SiC、WC、TiC或Al₂O₃等硬质陶瓷颗粒做为添加剂，使得铸渗法的成本较高，同时由于有些合金粉末或陶瓷颗粒与金属液（主要是Fe）之间的冶金反应不够强烈，使得工件基体与铸渗层（表面层）的界面结合不佳，造成表面层的硬度及耐磨性不能满足要求。

发明内容  

针对传统的铸渗法存在的缺点，本发明提供一种增强低碳合金钢表面层硬度及耐磨性的铸渗方法，目的是通过合金粉末在低碳合金钢基体上发生原位反应，自生形成陶瓷颗粒来增强低碳合金钢基体，显著提高铸件表面层的硬度和耐磨性。

实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：

（1）将铁粉和铝粉按照摩尔比1：1.5混合均匀，在此基础上添加占铁粉和铝粉总质量0.5~3%的钨精矿粉末，将三种粉末混合均匀；

（2）按质量百分比，将65~80%的上述混合均匀的粉末与20~35%的聚乙烯醇混合均匀，加水调制成糊状或膏状涂料； 

（3）将涂料均匀涂布在模具的内壁，烘干之后再涂第二次，涂3~5次后烘干，将熔炼好的低碳合金铸钢钢液注入模具中进行浇铸，浇铸完毕待铸件完全凝固冷却后，将铸件从模具中取出。

所述的钨精矿粉末来自于破碎的天然钨精矿，含80wt%WO₃，其余为杂质。

所述的低碳合金铸钢成分按重量百分比，C 1.0~1.2 wt.％，Mn 0.3~0.5 wt.％，Si 1.5~1.8 wt.％，P≤0.06 wt.％，S≤0.06 wt.％，Cr≤％10，其余为Fe。

与现有技术相比，本发明的原理是：

在浇铸的高温高热条件下，Fe、Al两元素相互扩散，生成了AlFe、AlFe₃ 及FeAl两相，在添加钨精矿粉后，由于铝热还原反应将钨精矿粉中的W单质还原出来，还原出的W单质中的一部分又被空气中的O₂氧化，原位自生成了WO₃相，另一部分W单质则与Al、Fe发生反应，原位自生成硬质颗粒相，如Fe₇W₆， 其中一部分WO₃、Fe₇W₆硬质小颗粒作为形核，又促使了晶粒长大，由于Fe基体上析出了这些细小弥散的硬质颗粒，通过增强颗粒与位错之间的相互作用，对位错进行钉扎，阻碍位错运动，这种组织分布对Fe-Al合金起到很强的固溶强化和钉扎强化作用，对低碳合金钢工件的表面合金起到了很强的固溶强化以及钉扎作用，使基体显微硬度上升，强化效果显著。

上述过程发生的基本化学反应包括：

1)        金属间化合物反应：Fe+Al=FeAl， 3Fe+Al=Fe₃Al；

2)        Al热还原反应：WO₃+2Al=W+Al₂O₃；

3)        自生陶瓷相反应：6W+7Fe=Fe₇W₆；

本发明的有益效果在于：

（1）本发明是以广泛应用的钢铁材料为基体，价格低廉的钨精矿粉末为增强材料，免去了购买使用昂贵的SiC、WC、TiC、Al₂O₃等硬质颗粒做为添加剂，降低了成本，同时还采用了天然矿物粉末，使制备方法绿色环保复合过程简单，易于控制，适用于低应力磨料冲蚀磨损工况下使用的表面复合耐磨材质，工艺简单易于操作，成本低廉，适合大规模生产。

（2）本发明在钢液浇铸过程中，发生了一系列化学反应，生成硬质颗粒相，对低碳合金钢工件的表面合金起到了很强的固溶强化以及钉扎作用，硬质颗粒与基体中的位错发生交互作用，阻止位错运动，使基体显微硬度上升，强化效果显著，渗层厚度高，与基体结合性好。

附图说明

图1是本发明实施例1通过铸渗增强低碳合金钢表面层的微观组织形貌图。

具体实施方式

本发明实施例中对低碳合金钢表面层硬度的测试方法为洛氏硬度测试方法，采用洛氏硬度试验机利用金刚石冲入金属的深度来测定金属的硬度，冲入深度愈大，硬度愈小。

实施例1

（1）将铁粉和铝粉按照摩尔比1：1.5混合均匀，在此基础上添加占铁粉和铝粉总质量0.5%的钨精矿粉末，将三种粉末混合均匀；

（2）按质量百分比，将65%的上述混合均匀的粉末与35%的聚乙烯醇混合均匀，加水调制成糊状涂料； 

（3）将涂料均匀涂布在模具的内壁，烘干之后再涂第二次，涂3次后烘干，将熔炼好的Q295低碳合金铸钢钢液注入模具中进行浇铸，浇铸完毕待铸件完全凝固冷却，将铸件从模具中取出。

经测试，采用本实施例铸渗方法得到的工件表面合金层厚度达到4mm，表面硬度为58HRC，耐磨性能也大大提高，工件的使用寿命得以延长；通过铸渗增强的低碳合金钢表面层的微观组织形貌图如图1所示，从图1中可以看出其中突出的部分为颗粒增强相，其余为基体。

实施例2

（1）将铁粉和铝粉按照摩尔比1：1.5混合均匀，在此基础上添加占铁粉和铝粉总质量1.5%的钨精矿粉末，将三种粉末混合均匀；

（2）按质量百分比，将70%的上述混合均匀的粉末与30%的聚乙烯醇混合均匀，加水调制成膏状涂料； 

（3）将涂料均匀涂布在模具的内壁，烘干之后再涂第二次，涂4次后烘干，将熔炼好的Q345低碳合金铸钢钢液注入模具中进行浇铸完毕待铸件完全凝固冷却，将铸件从模具中取出。

经测试，采用本实施例铸渗方法得到的工件表面合金层厚度达到3.9mm，表面硬度为60HRC，耐磨性能也大大提高，工件的使用寿命得以延长。

实施例3

（1）将铁粉和铝粉按照摩尔比1：1.5混合均匀，在此基础上添加占铁粉和铝粉总质量3%的钨精矿粉末，将三种粉末混合均匀；

（2）按质量百分比，将80%的上述混合均匀的粉末与20%的聚乙烯醇混合均匀，加水调制成糊状涂料； 

（3）将涂料均匀涂布在模具的内壁，烘干之后再涂第二次，涂5次后烘干，将熔炼好的Q390低碳合金铸钢钢液注入模具中进行浇铸，浇铸完毕待铸件完全凝固冷却后，将铸件从模具中取出。

经测试，采用本实施例铸渗方法得到的工件表面合金层厚度达到3.95mm，表面硬度为63HRC，耐磨性能也大大提高，工件的使用寿命得以延长。

Claims (1)

1.一种增强低碳合金铸钢表面层硬度及耐磨性的铸渗方法，其特征在于按照以下步骤进行：

（1）将铁粉和铝粉按照摩尔比1：1.5混合均匀，在此基础上添加占铁粉和铝粉总质量0.5~3%的钨精矿粉末，将三种粉末混合均匀；

（2）按质量百分比，将65~80%的上述混合均匀的粉末与20~35%的聚乙烯醇混合均匀，加水调制成糊状或膏状涂料； 

（3）将涂料均匀涂布在模具的内壁，烘干之后再涂第二次，涂3~5次后烘干，将熔炼好的低碳合金铸钢钢液注入模具中进行浇铸，浇铸完毕待铸件完全凝固冷却后，将铸件从模具中取出。