CN103406519B

CN103406519B - 一种用于铸件表面合金化的涂覆合金粉末及合金化方法

Info

Publication number: CN103406519B
Application number: CN201310317525.3A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 蒋志强; 蒋业华; 魏永强; 刘建伟; 刘洪喜; 冯锡兰
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: CN103406519A

Abstract

一种用于铸件表面合金化的涂覆合金粉末及合金化方法，属于铸造技术领域。首先将高碳铬铁、氮化铬铁、硼铁、钒铁、稀土镁硅铁合金用球磨机研磨成80～120目，能后加入150-250目的锌粉，并搅拌均匀，其中高碳铬铁粉、氮化铬铁粉、硼铁粉、钒铁粉、稀土镁硅铁合金粉和锌粉加入量分别为74～78%、10～12%、6～8%、3～5%、0.5～0.8%和0.8～1.2，然后加入适量树脂、四硼酸钠和酒精，进一步搅拌，最后涂覆在铸型表面，直接将高温金属熔液浇入铸型，然后开箱空冷铸件，铸件工作层获得高硬度合金层，具有优异的耐磨性。

Description

一种用于铸件表面合金化的涂覆合金粉末及合金化方法

技术领域

本发明公开了一种材料表面合金化粉末及合金化方法，特别涉及一种铸件表面合金化方法，属于铸造技术领域。

背景技术

在冶金、矿山、电力、机械、石油、建材等行业中使用的金属配件，往往需要具有耐磨、耐热等特殊性能，而大多数零件只需局部或特定表面具备此特殊性能或要求表面与内部具有不同的成分和性能，而使用传统的铸造方法是很难达到这种要求的。铸件表面合金化，亦称铸渗。是将能形成表面特殊性能层的各种金属粉末，采取一定的工艺措施，固定于铸型的特定表面，依靠浇入的金属液与合金粉末之间的物理、化学和冶金作用，使二者牢固地结合在一起，从而在铸件表面得到特殊性能的合金层。

中国发明专利CN1139157公开了铸件表面合金化工艺采取真空密封吸附表面增强材料的办法，使铸件特定表面在铸件浇注过程中吸附一层增强材料。不仅摒弃传统工艺中采用的合金涂膏或涂料的涂覆操作，而且还消除由于其中粘结剂的污染所造成铸件表面的众多质量缺陷，同时还简化操作工艺，提高劳动生产率。此外采用该工艺，不仅可以使用颗粒状合金材料，还可使用金属非金属连续增强材料。或采用连续增强材料的有序排列方法来控制铸件表面增强层的性能。中国发明专利CN1066013还公开了铸件表面合金化工艺及材料，提出了一种不用粘结剂，采用高压成型技术制备合金粉末预制块，铸型采用围绕预制块的局部保温与排气等技术措施的新型表面合金化工艺，有效地避免了气孔、夹渣等常见缺陷。该发明采用高碳化钨合金粉末为表面材料，以廉价40Cr钢或奥贝球铁为母材所研制的复合材料结合强度高，可节约贵重金属材料，降低成本，提高寿命，在冲压模具行业有广泛应用前景。中国发明专利CN101775479A还公开了一种球墨铸铁轧辊表面合金化处理方法，其步骤如下：A、将欲处理的轧辊工作面除锈，清洗干净；B、用无水酒精将合金粉末和酚醛树脂调成浆糊状合金化涂料，均匀涂覆在工作面上，并晾干或吹干；C、用激光束连续搭接扫描整个工作面；D、用装有钢丝磨轮的手持式砂轮机清理表面。处理完的轧辊无需后续处理，可直接上机使用。该方法简单易行，使激光合金化扩展到带锐角的球铁精轧辊上，使用寿命提高0.9倍以上。中国发明专利CN101837444A还公开了一种高锰钢基SiC颗粒表面复合材料的制备方法，该方法首先对SiC颗粒进行表面合金化处理；然后切割消失模模样，在模样待复合位置填充颗粒，按照常规消失模铸造工艺进行涂料涂覆和造型，浇铸时控制真空度、浇注温度和冷却时间，经脱型，清理获得烧结的高锰钢基SiC颗粒复合材料。采用该发明的方法制备的高锰钢表面陶瓷复合材料，提高了整体强度和硬度，使零件在使用过程中的耐磨表面减少磨损，提高耐磨性，提高寿命。工艺简单，适用性强可广泛应用于冶金、矿山、建材等诸多行业。中国发明专利CN101780536A还公开了一种铸钢表面复合耐磨合金材料，属于耐磨损金属基复合材料领域，该合金材料含有50～150目的高碳铬铁粉、钼铁粉、钛铁粉、钒铁粉、稀土钙硅铁粉、粘结剂、熔剂、填充剂和挥发剂；各原料的重量份配比关系为：高碳铬铁粉50～56份，钼铁粉8～12份，钛铁粉4～6份，钒铁粉4～6份，稀土钙硅铁粉3～5份，粘结剂8～12份，熔剂5～9份、填充剂2～4份、挥发剂10～20份；所述的粘结剂为糊精，所述的熔剂为硼砂，所述的填充剂为碳化硅。该发明的铸钢表面复合耐磨合金材料与母材完全融为一体，且组织致密，并形成表面合金化，具有耐磨性能好，使用寿命长，机械性能优良，加工成本低的特点。中国发明专利CN101182624还公开了一种中锰钢铸造表面合金化处理方法，其特征在于：按锰含量达7～9％配制中锰钢中的成分，采用中频感应电炉熔化钢液，进行熔炼、铸造，先加入废钢和生铁，全部熔化后加入含量达7～9%的锰铁、此后加入配备好的石灰、萤石、铝粉混合料，造还原薄渣，待其反应平稳后进行插铝脱氧，出钢温度1550-1600℃，把粒度为100目的铬铁粉、6.0%的树脂、5.0%的碳酸钠、0.2%的稀土在容器中搅拌均匀，然后加入无水乙醇，把调制好的糊状的铸渗剂涂刷在砂型铸型壁表面，点燃烘干，当金属液温度为1480-1530℃时，浇入已涂刷过铸渗剂的铸型中，待铸件冷却、落砂后可得到表层高耐磨的铸件。中国发明专利CN1293264还公开了一种低碳钢表面合金化处理工艺，它是先在普通低碳钢表面用闪镀方法预置一层或复层耐腐蚀金属元素镍、钴、铬等，然后在合金化炉中进行合金化处理。该发明可消除金属表面处理层与基底金属的界面效应，显著提高金属件的耐腐蚀、耐磨损性能和材料的装饰性能，而且可对大件金属材料进行大批量处理，实现大规模连续化工业生产，可降低处理成本。此外，该发明可大大减少对环境污染，有利于环境保护。中国发明专利CN1041186还公开了一种金属表面钒、铬合金化的新方法，该发明是将溶渣作为融体介质实现金属表面合金化。采用此方法，熔渣资源广泛，用氧化物V₂O₅或Cr₂O₃就可代替金属粉末作为合金元素的添加剂，甚至可用炼钢提钒渣作添加剂。处理工艺简单。可与一般热处理工艺同时进行，不需增加工艺和设备，经处理后的金属水冷，可使表面的粘渣脱落。所用Si粉或Fe-Si合金还原剂熔于熔渣，不影响溶渣的性能。合金层生成速度快，可有效地提高金属耐磨、耐蚀性。碳钢、铸铁、工业纯铁表面合金化均可采用此方法，适于对耐磨、耐蚀性要求高的工具、模具等金属零件。

但是，目前所公开的铸件表面合金化工艺，或存在合金化层与基体材料结合强度低，使用过程中合金化层易开裂和剥落，或存在合金化层硬度低，耐磨性差，或存在合金化层制备工艺复杂等不足。

发明内容

本发明针对现有的铸件表面合金化工艺所存在的不足，提出了一种高效、简便的铸件表面合金化的合金粉末及合金化方法，使铸件表面硬度提高，耐磨性明显改善。

本发明的目的可以通过下述工艺方法来实现。

一种用于铸件表面合金化的涂覆合金粉末，其特征在于，首先将高碳铬铁、氮化铬铁、硼铁、钒铁、稀土镁硅铁合金用球磨机研磨成80～120目，然后加入150-250目的锌粉，并搅拌均匀，其中高碳铬铁粉加入质量分数为74～78%，氮化铬铁粉加入质量分数为10～12%，硼铁粉加入质量分数为6～8%，钒铁粉加入质量分数为3～5%，稀土镁硅铁合金粉加入质量分数为0.5～0.8%，锌粉加入质量分数为0.8～1.2%。然后加入占上述粉末总质量分数2.5-3.0%的树脂、5.0～6.5%的四硼酸钠和25～30%的工业酒精，进一步搅拌。

利用上述涂覆合金粉末进行铸件表面合金化的方法，其特征在于，将用于铸件表面合金化的涂覆合金粉末涂覆在铸型内表面，其涂覆位置对应于铸件磨损工作面，合金粉末经固化时间超过60分钟后，直接将熔融的金属熔液浇入铸型，然后开箱空冷铸件，铸件经清砂、打磨后，不需要热处理可直接使用。

如上所述的高碳铬铁的化学成分质量分数为：62.0～68.0%的Cr，7.0～8.5%的C，2.0～3.5%的Si，余量为Fe。

如上所述的氮化铬铁的化学成分质量分数为：60～63%Cr,5.0～6.5%N,C≤0.1%,Si≤2.5%,P≤0.03%,S≤0.04%,余量Fe。

如上所述的硼铁的化学成分质量分数为：19.0～21.0%B,≤0.5%C,≤2%Si,≤0.5%Al,≤0.01%S,≤0.1%P,余量Fe。

如上所述的稀土镁硅铁合金的化学成分质量分数为：6.0～8.0%RE,7.0～9.0%Mg,38～44%Si,余量Fe。

如上所述的钒铁的化学成分质量分数为：50～65%V,≤2%Si,≤0.05%P,≤0.05%S,,余量Fe。

本发明铸件表面合金化层加入的合金粉末主要有高碳铬铁粉、氮化铬铁粉、硼铁粉、钒铁粉、稀土镁硅铁合金粉和锌粉，其中加入高碳铬铁粉主要是利用碳和铬在高温金属熔液作用下熔化，而后在凝固过程中析出高硬度的M₇C₃型碳化物，有利于提高铸件表面合金化层的硬度和耐磨性。加入钒铁粉的目的主要是利用碳和钒在高温金属熔液作用下熔化，而后在凝固过程中析出高硬度的MC型碳化物，有利于提高铸件表面合金化层的硬度和耐磨性。而加入氮化铬铁粉和硼铁粉的目的主要是利用氮和硼在高温金属熔液作用下熔化，而后在凝固过程中析出高硬度的BN硼化物，有利于提高铸件表面合金化层的硬度和耐磨性。

此外，加入稀土镁硅铁合金粉的目是，在高温金属熔液作用下熔化，而后在凝固过程中，稀土具有脱硫、除气的作用，同时稀土与液态金属反应生成的细小粒子，加速凝固的形核作用，表面活性稀土元素在流动的晶体表面形成吸附原子薄膜，降低流动离子的速度，稀土元素的这些特性能细化铸件表面合金化层的晶粒，限制树枝晶偏析，提高机械性能和耐磨性。而镁具有良好的脱氧、脱硫效果，镁是表面活性元素，它偏聚于晶界或相界并能与铬、钒等原子半径相近的元素共同形成合金碳化物，因此适量镁能提高界面能，使γ-碳化物相界面张力与γ-γ相界面张力的比值σ_γ-c/σ_γ-γ增高，故适量镁能分割碳化物并改变其形态，使碳化物分散和细化，有利于铸件表面合金化层韧性的提高。而锌粉加入的目的是，在高温金属熔液作用下熔化，而后在凝固过程中，锌促使铸件表面合金化层中碳化物变得细小、孤立、尖角圆钝，数量增加，碳化物数量增加是由于形成了含锌复合碳化物的缘故，对耐磨性的提高是有利的。

在合金粉末中加入适量熔剂，其作用是在浇注初期包裹合金粉末使之不受氧化，受热熔化能去除铁合金粉末表面的氧化膜，清洁铁合金表面，以增加金属熔液对铁合金粉末的浸润能力。本发明加入5.0～6.5%的四硼酸钠为熔剂，它在高温金属熔液作用下，分解成偏硼酸钠和硼酐（Na₂B₄O₇=2NaBO₂+B₂O₃）。游离态的B₂O₃，能溶解合金粉中的氧化物或与氧化物合成稳定的化合物，故熔点不高的四硼酸钠能净化合金粉末表面，提高金属熔液的浸透能力。但当熔剂加入量过多时，因四硼酸钠体积大，熔化后易留下孔洞，影响合金层质量，加入量控制在5.0～6.5%效果很好。

本发明效果：

（1）本发明铸件表面合金化层因含有较多高硬度的M₇C₃、MC碳化物和BN硼化物，因此合金化层硬度高，达到62-64HRC；

（2）本发明铸件表面合金化层因0.5～0.8%稀土镁硅铁合金粉和0.8～1.2%锌粉的加入，合金化层的碳化物、硼化物尺寸细小，分布均匀，夹杂物少，因此合金化层具有良好的强韧性，其中抗弯强度超过2000MPa，冲击韧性超过12J/cm²。

（3）本发明铸件表面合金化层的厚度10～12mm，耐磨性好，合金原料加入量少，生产成本低。

附图说明

图1铸件表面合金化浇注示意图；

图中的标号分别表示：1－排气孔；2－浇冒口；3－铸型上型；4－型腔；5－铸型下型；6－涂覆合金粉末。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。以下实施例的铸件表面合金化浇注示意图见图1。

实施例1

首先将高碳铬铁（化学成分质量分数为：62.0～68.0%的Cr，7.0～8.5%的C，2.0～3.5%的Si，余量为Fe）、氮化铬铁（化学成分质量分数为：60～63%Cr,5.0～6.5%N,C≤0.1%,Si≤2.5%,P≤0.03%,S≤0.04%,余量Fe）、硼铁（化学成分质量分数为：19.0～21.0%B,≤0.5%C,≤2%Si,≤0.5%Al,≤0.01%S,≤0.1%P,余量Fe）、钒铁（化学成分质量分数为：50～65%V,≤2%Si,≤0.05%P,≤0.05%S,,余量Fe）、稀土镁硅铁合金（化学成分质量分数为：6.0～8.0%RE,7.0～9.0%Mg,38～44%Si,余量Fe）用球磨机研磨成80～120目，然后加入150-250目的锌粉，并搅拌均匀，其中高碳铬铁粉加入质量分数为77.4%，氮化铬铁粉加入质量分数为10%，硼铁粉加入质量分数为8%，钒铁粉加入质量分数为3%，稀土镁硅铁合金粉加入质量分数为0.8%，锌粉加入质量分数为0.8%。

然后加入占上述粉末总质量分数2.5%的酚醛树脂、6.5%的四硼酸钠和25%的工业酒精，进一步搅拌15分钟，然后涂覆在铸型内表面，其涂覆位置对应于铸件磨损工作面。合金粉末经酚醛树脂固化时间65分钟后，直接将温度1527℃的中碳钢钢水浇入铸型，然后开箱空冷铸件，铸件经清砂、打磨后，不需要热处理可直接使用。铸件表面合金化层的厚度达11.8mm，硬度达62.5HRC，抗弯强度2235MPa，冲击韧性13.9J/cm²。铸件表面合金化层的无润滑磨损试验在MM-200磨损试验机上进行，试样尺寸为14mm x10mmx10mm，偶件直径为50mm，偶件旋转速度为400r/min，垂直载荷为200N，磨损时间为2h，其耐磨性比高铬铸铁提高50%以上，具有优异的耐磨性。

实施例2

首先将高碳铬铁（化学成分质量分数为：62.0～68.0%的Cr，7.0～8.5%的C，2.0～3.5%的Si，余量为Fe）、氮化铬铁（化学成分质量分数为：60～63%Cr,5.0～6.5%N,C≤0.1%,Si≤2.5%,P≤0.03%,S≤0.04%,余量Fe）、硼铁（化学成分质量分数为：19.0～21.0%B,≤0.5%C,≤2%Si,≤0.5%Al,≤0.01%S,≤0.1%P,余量Fe）、钒铁（化学成分质量分数为：50～65%V,≤2%Si,≤0.05%P,≤0.05%S,,余量Fe）、稀土镁硅铁合金（化学成分质量分数为：6.0～8.0%RE,7.0～9.0%Mg,38～44%Si,余量Fe）用球磨机研磨成80～120目，然后加入150-250目的锌粉，并搅拌均匀，其中高碳铬铁粉加入质量分数为75.3%，氮化铬铁粉加入质量分数为12%，硼铁粉加入质量分数为6%，钒铁粉加入质量分数为5%，稀土镁硅铁合金粉加入质量分数为0.5%，锌粉加入质量分数为1.2%。

然后加入占上述粉末总质量分数3.0%的酚醛树脂、5.0%的四硼酸钠和30%的工业酒精，进一步搅拌12分钟，然后涂覆在铸型内表面，其涂覆位置对应于铸件磨损工作面。合金粉末经酚醛树脂固化时间80分钟后，直接将温度1532℃的中碳低合金铸钢浇入铸型，然后开箱空冷铸件，铸件经清砂、打磨后，不需要热处理可直接使用。铸件表面合金化层的厚度达11.5mm，硬度达63.0HRC，抗弯强度2205MPa，冲击韧性13.4J/cm²。铸件表面合金化层的无润滑磨损试验在MM-200磨损试验机上进行，试样尺寸为14mm x10mmx10mm，偶件直径为50mm，偶件旋转速度为400r/min，垂直载荷为200N，磨损时间为2h，其耐磨性比高铬铸铁提高50%以上，具有优异的耐磨性。

实施例3

首先将高碳铬铁（化学成分质量分数为：62.0～68.0%的Cr，7.0～8.5%的C，2.0～3.5%的Si，余量为Fe）、氮化铬铁（化学成分质量分数为：60～63%Cr,5.0～6.5%N,C≤0.1%,Si≤2.5%,P≤0.03%,S≤0.04%,余量Fe）、硼铁（化学成分质量分数为：19.0～21.0%B,≤0.5%C,≤2%Si,≤0.5%Al,≤0.01%S,≤0.1%P,余量Fe）、钒铁（化学成分质量分数为：50～65%V,≤2%Si,≤0.05%P,≤0.05%S,,余量Fe）、稀土镁硅铁合金（化学成分质量分数为：6.0～8.0%RE,7.0～9.0%Mg,38～44%Si,余量Fe）用球磨机研磨成80～120目，然后加入150-250目的锌粉，并搅拌均匀，其中高碳铬铁粉加入质量分数为76.3%，氮化铬铁粉加入质量分数为11%，硼铁粉加入质量分数为7%，钒铁粉加入质量分数为4%，稀土镁硅铁合金粉加入质量分数为0.7%，锌粉加入质量分数为1.0%。

然后加入占上述粉末总质量分数2.8%的酚醛树脂、6.0%的四硼酸钠和28%的工业酒精，进一步搅拌14分钟，然后涂覆在铸型内表面，其涂覆位置对应于铸件磨损工作面。合金粉末经酚醛树脂固化时间70分钟后，直接将温度1476℃球墨铸铁浇入铸型，然后开箱空冷铸件，铸件经清砂、打磨后，不需要热处理可直接使用。铸件表面合金化层的厚度达10.4mm，硬度达63.7HRC，抗弯强度2060MPa，冲击韧性12.3J/cm²。铸件表面合金化层的无润滑磨损试验在MM-200磨损试验机上进行，试样尺寸为14mm x10mmx10mm，偶件直径为50mm，偶件旋转速度为400r/min，垂直载荷为200N，磨损时间为2h，其耐磨性比高铬铸铁提高50%以上，具有优异的耐磨性。

Claims

1.一种用于铸件表面合金化的涂覆合金粉末，其特征在于，首先将高碳铬铁、氮化铬铁、硼铁、钒铁、稀土镁硅铁合金用球磨机研磨成80～120目，然后加入150-250目的锌粉，并搅拌均匀，其中高碳铬铁粉加入质量分数为74～78％，氮化铬铁粉加入质量分数为10～12％，硼铁粉加入质量分数为6～8％，钒铁粉加入质量分数为3～5％，稀土镁硅铁合金粉加入质量分数为0.5～0.8％，锌粉加入质量分数为0.8～1.2％；然后加入占上述粉末总质量分数2.5-3.0％的树脂、5.0～6.5％的四硼酸钠和25～30％的工业酒精，进一步搅拌。

2.按照权利要求1所述的涂覆合金粉末，其特征在于，所述的高碳铬铁的化学成分质量分数为：62.0～68.0％的Cr，7.0～8.5％的C，2.0～3.5％的Si，余量为Fe。

3.按照权利要求1所述的涂覆合金粉末，其特征在于，所述的氮化铬铁的化学成分质量分数为：60～63％Cr,5.0～6.5％N,C≤0.1％,Si≤2.5％,P≤0.03％,S≤0.04％,余量Fe。

4.按照权利要求1所述的涂覆合金粉末，其特征在于，所述的硼铁的化学成分质量分数为：19.0～21.0％B,C≤0.5％,Si≤2％,Al≤0.5％,S≤0.01％,P≤0.1％,余量Fe。

5.按照权利要求1所述的涂覆合金粉末，其特征在于，所述的稀土镁硅铁合金的化学成分质量分数为：6.0～8.0％RE,7.0～9.0％Mg,38～44％Si,余量Fe。

6.按照权利要求1所述的涂覆合金粉末，其特征在于，所述的钒铁的化学成分质量分数为：50～65％V,Si≤2％,P≤0.05％,S≤0.05％,余量Fe。

7.利用权利要求1-6所述的任一涂覆合金粉末进行铸件表面合金化的方法，其特征在于，将用于铸件表面合金化的涂覆合金粉末涂覆在铸型内表面，其涂覆位置对应于铸件磨损工作面，合金粉末经固化时间超过60分钟后，直接将熔融的金属熔液浇入铸型，然后开箱空冷铸件，铸件经清砂、打磨后，不需要热处理可直接使用。

8.按照权利要求7的方法，其特征在于，最后铸件表面合金化层的厚度10～12mm。