CN107653413B - 一种球墨铸铁基复合材料及制备复合卷筒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种球墨铸铁基复合材料及制备复合卷筒的方法，基体合金由以下质量百分比组成：C占3.5～4.0％，Si占2.2～2.7％，Mn占0.3～0.8％，Ni占1.3～1.7％，Cu占0.5～0.9％，Mo占0.2～0.5％，Re占0.02～0.08％，Mg占0.03～0.06％，Ti占0.2～0.3％，P≤0.07，S≤0.02，余量为Fe和其他不可避免的杂质。采用先进的树脂砂生产线和电炉熔炼工艺技术，并通过铸渗工艺使表面合金化，替代热处理表面强化，将元素钛、锆、钽、钨与无机盐混合均匀，固定在铸型中并浇铸金属液，冷却开箱后得到复合卷筒。本发明能够提高球墨铸铁复合卷筒的韧性、表面硬度和使用寿命。

Description

一种球墨铸铁基复合材料及制备复合卷筒的方法
技术领域
本发明属于耐磨材料制备技术领域，具体涉及一种球墨铸铁基复合材料及制备复合卷筒的方法。
背景技术
高性能卷筒是大型起重机和卷扬减速机的关键部件之一，由于承重的钢丝绳直接缠绕在卷筒上，卷筒直接承受起吊载荷，其质量优劣对起重机和卷扬减速机的安全运行有着至关重要的影响。
球墨铸铁是一种成本低廉，屈强比较高的一类工程材料，由于其石墨呈球状，对基体的割裂作用减小，同时也使缺口敏感性降低，通常用于制造一些负荷较大，受力复杂的零件。然而，球墨铸铁的耐磨性较低，极大地制约了球墨铸铁铸件的使用范围。许多学者采用高铬铸铁-球墨铸铁、三维网络Al2O3增强球墨铸铁基复合材料等手段，虽然对球墨铸铁的耐磨性的提高有一些效果，但是均存在增强体与球墨铸铁结合性较差的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种球墨铸铁基复合材料及制备复合卷筒的方法，能够改善复合材料的机加工性能。
本发明采用以下技术方案：
一种球墨铸铁基复合材料，其特征在于，基体合金按质量百分比包括：C占3.5～4.0％， Si占2.2～2.7％，Mn占0.3～0.8％，Ni占1.3～1.7％，Cu占0.5～0.9％，Mo占0.2～0.5％，Re 占0.02～0.08％，Mg占0.03～0.06％，Ti占0.2～0.3％，P≤0.07，S≤0.02，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
一种利用球墨铸铁基复合材料制备复合卷筒的方法，包括以下步骤：
S1、将粒度为10～50微米的Ti粉、Zr粉、Ta粉、W粉按照3：3：2：2的原子比与无机盐溶液混合均匀，涂覆到铸型中需要强化的部位；
S2、将镀覆后的铸型在烘箱中进行预热，使合金粉颗粒相互连接成孔隙状预制体；
S3、采用铸渗工艺对步骤S2制备的铸型浇注所述球墨铸铁基复合材料金属液，冷却后得到球墨铸铁基复合卷筒。
进一步的，步骤S1中，合金粉颗粒与无机盐的质量比为1：3。
进一步的，所述无机盐包括硼砂水溶液以及硅酸钠水溶液，所述硼砂水溶液中硼砂的质量比为10％，所述硅酸钠水溶液中硅酸钠的质量比为1.5％。
进一步的，步骤S3中，浇注温度为1450～1550℃，冷却开箱后对所述铸件进行淬火和去应力处理。
进一步的，步骤S3中，铸渗工艺中使用的炉料包括生铁、铬铁、硅铁、锰铁、纯镍板、钼铁和纯铜、硅钙合金和稀土镁合金。
进一步的，所述稀土镁合金的质量为球墨铸铁基复合材料金属液质量的0.30～0.80％。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明球墨铸铁基复合材料按质量份数包括：C占3.5～4.0％，Si占2.2～2.7％，Mn占0.3～ 0.8％，Ni占1.3～1.7％，Cu占0.5～0.9％，Mo占0.2～0.5％，Re占0.02～0.08％，Mg占0.03～ 0.06％，Ti占0.2～0.3％，P不大于0.07，S不大于0.02，余量为Fe和其他不可避免的杂质，本发明研制的球墨铸铁具有高韧性、高硬度的特点，适合于在低温环境下工作。
本发明还公开了一种利用球墨铸铁基复合材料制备复合卷筒的方法，将粒度为10～50微米的Ti粉与无机盐混合均匀，涂覆到铸型中需要强化的部位；将镀覆后的铸型在烘箱中进行预热，使Ti粉颗粒相互连接成孔隙状预制体；采用铸渗工艺对步骤S2制备的铸型浇注所述球墨铸铁基复合材料金属液，采用先进的树脂砂生产线和电炉熔炼工艺技术，并通过铸渗工艺使表面合金化，替代热处理表面强化，将元素钛、锆、钽、钨与无机盐混合均匀，固定在铸型中并浇铸金属液，冷却开箱后得到复合卷筒。
进一步的，本发明制备得到的复合卷筒的表面层中，得到的TiC、ZrC、TaC、W2C陶瓷相对于其他的外加增强颗粒，自生陶瓷颗粒增强体自身纯净，不会对熔体金属带来污染，且碳化物陶瓷具有金属性，以及较低的脆性，能够改善复合材料的机加工性能。
进一步的，稀土镁合金的质量为所述球墨铸铁基复合材料金属液质量的0.30～0.80％，能够净化合金液，降低晶间夹杂，并达到提高高硼铁基合金强韧性的目的
综上所述，本发明能够提高球墨铸铁复合卷筒的韧性、表面硬度和使用寿命。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明制备的具有耐磨合金层的卷筒结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种球墨铸铁基复合材料及制备复合卷筒的方法，采用表面原位浸渗反应复合铸造的方式制备球墨铸铁复合材料。
其中，球墨铸铁复合材料包括以下质量百分比的成份：C占3.5～4.0％，Si占2.2～2.7％， Mn占0.3～0.8％，Ni占1.3～1.7％，Cu占0.5～0.9％，Mo占0.2～0.5％，Re占0.02～0.08％， Mg占0.03～0.06％，Ti占0.2～0.3％，P≤0.07，S≤0.02，余量为Fe和其他不可避免的杂质。采用先进的树脂砂生产线和电炉熔炼工艺技术，并通过铸渗工艺使表面合金化，替代热处理表面强化，将元素钛、锆、钽、钨与无机盐混合均匀，固定在铸型中并浇铸金属液，冷却开箱后得到复合卷筒。
本发明墨铸铁基复合材料的制备方法的具体步骤如下：
S1、将粒度为10～50微米的Ti粉、Zr粉、Ta粉、W粉按照3：3：2：2的原子比制成合金粉与无机盐溶液混合均匀，涂覆到铸型中需要强化的部位；
其中，合金粉颗粒与无机盐的质量比为1：3，所述无机盐主要由硼砂的水溶液以及水玻璃的水溶液组成，浓度为含硼砂质量比10％，含水玻璃质量比1.5％。
S2、将镀覆后的铸型在烘箱中进行预热，使合金粉颗粒相互连接成孔隙状预制体；
S3、采用铸渗工艺浇注球墨铸铁金属液，冷却后得到球墨铸铁基复合卷筒。
球墨铸铁金属液按以下质量百分比包括：C占3.5～4.0％，Si占2.2～2.7％，Mn占0.3～ 0.8％，Ni占1.3～1.7％，Cu占0.5～0.9％，Mo占0.2～0.5％，Re占0.02～0.08％，Mg占0.03～ 0.06％，Ti占0.2～0.3％，P≤0.07，S≤0.02，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
合金炉料为常规炉料，包括生铁、铬铁、硅铁、锰铁、纯镍板、钼铁和纯铜、硅钙合金以及稀土镁合金，稀土镁合金的质量为合金液质量的0.30％～0.80％。
浇注温度为1450℃～1550℃，冷却开箱后将所述铸件经淬火处理，和去应力处理，得到复合卷筒。
制备陶瓷颗粒增强球墨铸铁基复合材料的增强颗粒选择自生TiC、ZrC、TaC、W2C等陶瓷颗粒，其具有其他颗粒无法比拟的优势：
首先，相对于其他的外加增强颗粒，自生陶瓷颗粒增强体自身纯净，不会对熔体金属带来污染。
其次，TiC、ZrC、TaC、W2C陶瓷具有金属性，以及较低的脆性，能够改善复合材料的机加工性能。
实施例1：
1)将粒度为10-50微米的合金粉与无机盐混合均匀，涂覆到铸型中需要强化的部位；
2)将镀覆后的铸型在烘箱中进行预热，使合金粉颗粒相互连接成孔隙状预制体；
3)采用铸渗工艺浇注球墨铸铁金属液，淬火温度为1050℃，去应力退火温度为200℃，冷却后得到球墨铸铁基起重机卷筒。
实施例2：
1)将粒度为10-50微米的合金粉与无机盐混合均匀，涂覆到铸型中需要强化的部位；
2)将镀覆后的铸型在烘箱中进行预热，使合金粉颗粒相互连接成孔隙状预制体；
3)采用铸渗工艺浇注球墨铸铁金属液，淬火温度为1180℃，去应力退火温度为300℃，冷却后得到球墨铸铁基卷扬减速机卷筒。
陶瓷颗粒增强金属基复合材料兼具了金属良好的塑性和冲击韧性、易成型等优点，以及陶瓷颗粒的高强度、高硬度和高耐磨性。在复合卷筒受到磨料磨损过程中，由于有高硬度的增强体的存在，可以提到基体合金的耐磨性。
请参阅图1，为表面通过本发明技术手段获得高硬度耐磨合金层的卷筒，用于起重机或卷扬减速机等场合，在卷筒的服役过程中，耐磨合金层的存在能够增加摩擦力，提高摩擦系数，改善基体合金的耐磨性。
经过三体磨料磨损试验机测试，在磨料为石英砂、粒度为50-100目的情况下，本专利研制的具有高硬度耐磨合金层的卷筒耐磨性达到基体合金耐磨性的2-4倍。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种利用球墨铸铁基复合材料制备复合卷筒的方法，其特征在于，基体合金按质量百分比包括：C占3.5～4.0％，Si占2.2～2.7％，Mn占0.3～0.8％，Ni占1.3～1.7％，Cu占0.5～0.9％，Mo占0.2～0.5％，Re占0.02～0.08％，Mg占0.03～0.06％，Ti占0.2～0.3％，P≤0.07，S≤0.02，余量为Fe和其他不可避免的杂质，包括以下步骤：
S1、将粒度为10～50微米的Ti粉、Zr粉、Ta粉、W粉按照3：3：2：2的原子比制成合金粉与无机盐溶液混合均匀，合金粉颗粒与无机盐的质量比为1：3，所述无机盐包括硼砂水溶液以及硅酸钠水溶液，所述硼砂水溶液中硼砂的质量比为10％，所述硅酸钠水溶液中硅酸钠的质量比为1.5％，涂覆到铸型中需要强化的部位；
S2、将镀覆后的铸型在烘箱中进行预热，使合金粉颗粒相互连接成孔隙状预制体；
S3、采用铸渗工艺对步骤S2制备的铸型浇注球墨铸铁基复合材料金属液，浇注温度为1450～1550℃，冷却后对铸件进行淬火和去应力处理得到球墨铸铁基复合卷筒，铸渗工艺中使用的炉料包括生铁、硅铁、锰铁、纯镍板、钼铁和纯铜、硅钙合金和稀土镁合金，所述稀土镁合金的质量为所述球墨铸铁基复合材料金属液质量的0.30～0.80％。
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