CN109332663B

CN109332663B - 一种铸铁表面原位合成高硼耐磨层的制备方法

Info

Publication number: CN109332663B
Application number: CN201811435428.3A
Authority: CN
Inventors: 马汉文; 皇志富; 李克敏; 王绍菲; 张磊; 秦朝风; 刘朋成; 赵中帅
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2038-11-28
Also published as: CN109332663A

Abstract

本发明公开了一种铸铁表面原位合成高硼耐磨层的制备方法，将还原铁粉和硼粉配料、球磨、烧结获得Fe₂B硬质颗粒；然后配置Fe₂B颗粒悬浮液；之后用喷雾枪将悬浮液涂覆于砂型模具表面；待模具干燥后浇注熔融的铸铁浆料冷却成型。获得的铸件心部具有良好韧性、表面具有高硬度，提高了零部件整体的减震性和耐磨性，其最大优势在于既能保证材料服役性能，延长零部件寿命，又有效地降低了材料的生产成本。

Description

一种铸铁表面原位合成高硼耐磨层的制备方法

技术领域

本发明属于耐磨材料制备技术领域，具体涉及一种铸铁表面原位合成高硼耐磨层的制备方法。

背景技术

磨损是冶金、矿山、机械、电力、煤炭、石油、交通、军工等许多工业部门普遍存在并成为引起设备失效或材料破坏的一个重要原因，也是造成经济损失最多的问题之一。

铸铁是工业上广泛应用的金属材料。灰铸铁中碳以片状石墨形态存在，有一定的强度，塑性和韧性很低，有良好的润滑、导热和铸造性能，并有良好的减震性，用灰铸铁制作机器设备上的底座或机架等零件时，能有效地吸收机器震动的能量，铸件不易开裂。因其熔炼方便，成本低，被广泛应用于机床床身、齿轮箱、皮带轮、底座、缸体等受力不大的耐磨减震零件。

铬和硼等合金元素的添加，形成高铬铸铁、含硼高铬铸铁和高硼铸铁组织。但高铬白口铸铁生产成本高、脆性大，只能应用于制备冲击震动相对较小的零部件，在高冲击载荷、高应力磨料磨损的工况下韧性不足，并且因为合金元素的加入，生产成本较高。含硼高铬铸铁中，硼的加入没有改变碳化物的化学分子式结构和其在组织中的形态，只是增加了碳化物的含量、硬度和基体的淬透性，对韧性没有明显的改善，并且Fe-Cr-B铸铁虽然具有较好的性能，仍存在价格昂贵和对回火温度敏感的缺点。高硼铸铁中，除了碳化物，硼化物也可以作为耐磨相。在与同种金属化合时，硼化物比碳化物具有更高的硬度和热稳定性。当碳含量较低(低、中碳钢范围)，硼含量较高(大于0.5％)时，可形成稳定的硼化物Fe₂B。高硬度的硼化物可显著提高铸铁的硬度和耐磨性能，但硼白口铸铁的韧性仍显不足。

许多铸铁铸件，如驱动轴，凸轮轴，滑轮，机器滑轨和一些农业机械组件等工业零部件，磨损会使组件表面材料逐步丧失。磨损的部件必须维修或更换，以保证机器设备的正常运作，而这又将提高机器设备的维护成本。

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，提供一种铸铁表面原位合成高硼耐磨层的制备方法，保证材料服役性能，延长零部件寿命，有效地降低了材料的生产成本。

本发明采用以下技术方案：

一种铸铁表面原位合成高硼耐磨层的制备方法，其特征在于，将还原铁粉和硼粉配料，经球磨、烧结后获得Fe₂B硬质颗粒；然后配置Fe₂B颗粒悬浮液；将悬浮液涂覆于砂型模具表面；待模具干燥后浇注熔融的铸铁浆料冷却成型在铸铁表面得到高硼耐磨层。

具体的，混合的还原铁粉和硼铁粉中B含量为8.8wt.％。

进一步的，球磨具体为：采用变频行星球磨机进行球磨，球磨罐先抽真空，再通入氩气保护，球磨后得到混合均匀的粉体。

更进一步的，球料比为(4～8):1，球磨时间为30～50h，转速为250r/min。

具体的，将粉末置于石墨坩埚内，在真空状态下对粉末进行烧结并保温，得到Fe₂B硬质颗粒。

进一步的，烧结温度1000～1100℃，保温时间为30～80min，得到粒径100～300μm的Fe₂B硬质颗粒。

具体的，将烧结获得的Fe₂B硬质颗粒置于PEPTAPON 5悬浮剂中，使用磁力搅拌器加热保温20～60min，得到均匀的Fe₂B颗粒悬浮液。

进一步的，PEPTAPON 5悬浮剂为0.1～0.6％的PEPTAPON粉末溶解于去离子水中，配置悬浮液时Fe₂B硬质颗粒所占的质量分数为30％～80％。

具体的，采用喷雾枪将悬浮液涂覆在砂型模具表面，空气中干燥10～18h，待悬浮液固化。

进一步的，悬浮液固化后，硬质颗粒散状堆积的平均厚度为2～8mm。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种铸铁表面原位合成高硼耐磨层的制备方法，获得的铸件心部具有良好韧性、表面具有高硬度，提高了零部件整体的减震性和耐磨性，其工艺简便，生产成本低。

进一步的，原材料中8.8wt.％的硼元素含量，可以保证Fe与B的原子比为2:1，从而尽可能的制得纯度较高的Fe₂B颗粒。

进一步的，球磨罐采用行星式运动，球磨效率高、粒度细；球磨罐抽真空后再通入氩气，可以保证粉末在球磨过程中不发生氧化，获得的混合粉末纯度高。

进一步的，球料比为(4～8):1，混料效率高，同时混合粉末可产生机械合金化，提高了混合粉末的均匀性。

进一步的，真空烧结混合粉末，可以保证烧结过程中粉末不发生氧化从而得到粒径100～300μm的Fe₂B颗粒。

进一步的，PEPTAPON 5悬浮稳定剂具有防止沉淀，且能长期保持稳定的特性。所配置的Fe₂B颗粒悬浮液同时也具有良好的稳定性，从而保证后期涂覆的均匀性。

进一步的，硬质颗粒涂覆干燥后2～8mm的平均散状堆积厚度，可以保证颗粒与熔融的铸铁浆料的有效接触，形成高硼耐磨层。

综上所述，本发明采用真空烧结技术获得Fe₂B硬质颗粒，并配置Fe₂B颗粒悬浮液，在常规铸铁浆料浇注模具前，用喷雾枪将悬浮液涂覆于砂型表面，原料成本低，生产工艺简单；所获得的铸件心部具有良好韧性、表面具有高的硬度，提高了零部件整体的减震性和耐磨性。本发明的最大优势在于既能保证材料服役性能，延长零部件寿命，又有效地降低了材料的生产成本。

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为本发明铸件表面微观组织图。

具体实施方式

本发明提供了一种铸铁表面原位合成高硼耐磨层的制备方法，属耐磨材料制备领域，在常规铸铁浆料浇注模具前，用喷雾枪将Fe₂B颗粒悬浮液涂覆于砂型表面，从而获得心部具有良好韧性、表面具有高硬度的铸件。

本发明一种铸铁表面原位合成高硼耐磨层的制备方法，包括以下步骤：

S1、将还原铁粉和硼铁粉按B含量为8.8wt.％进行配料，采用变频行星球磨机进行球磨，球磨罐与磨球为不锈钢材质，球料比(4～8):1，球磨罐先抽真空，再通入氩气保护，球磨时间为30～50h，转速为250r/min，球磨后得到混合均匀的粉体；

S2、在真空状态下对粉末进行烧结，并保温时间30～80min，得到Fe₂B硬质颗粒；

其中，烧结温度1000～1100℃，烧结后Fe₂B硬质颗粒的粒径为100～300μm。

S3、将粉末烧结获得的Fe₂B硬质颗粒置于PEPTAPON 5悬浮剂中，使用磁力搅拌器加热保温20～60min，得到均匀的Fe₂B颗粒悬浮液；

其中，悬浮剂为0.1～0.6％的PEPTAPON粉末溶解于去离子水中，配置悬浮液时Fe₂B硬质颗粒所占的质量分数为30％～80％。

S4、采用喷雾枪将悬浮液涂覆在砂型模具表面，空气中干燥10～18h，待悬浮液固化；

其中，悬浮液固化后，硬质颗粒散状堆积的平均厚度为2～8mm。

S5、浇注熔融的铸铁浆料冷却成型。

其中，铸铁浆料为HT200铸铁浆料和合金铸铁浆料中的一种。

本发明获得的心部具有良好韧性、表面具有高硬度铸件，不仅成本低廉，而且可以提高零部件整体的减震性和耐磨性，减少磨损，延长其使用寿命。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

(1)将还原铁粉和硼铁粉按B含量为8.8wt.％进行配料，采用变频行星球磨机进行球磨，球磨罐与磨球为不锈钢材质，球料比4:1，球磨罐先抽真空，再通入氩气保护，球磨时间为40h，转速为250r/min，球磨后得到混合均匀的粉体；

(2)在真空状态下对粉末进行烧结，烧结温度1000℃，并保温时间80min，得到Fe₂B硬质颗粒；

(3)将粉末烧结获得的Fe₂B硬质颗粒置于0.1％PEPTAPON 5悬浮剂中，配置30％wt.％的Fe₂B颗粒悬浮液，使用磁力搅拌器加热保温20min，得到均匀的Fe₂B颗粒悬浮液；

(4)采用喷雾枪将悬浮液涂覆在砂型模具表面，空气中干燥10h，待悬浮液固化；

(5)浇注熔融的HT200铸铁浆料冷却成型。

用HXD-1000TMC型显微硬度计测试其表面硬度，用eMT-5104型电子多功能试验机测试其断裂韧性，用MMG-500型磨损试验机进行耐磨性能测试，取磨损前后试样的重量损失来衡量材料的耐磨性。经本实施例制得的试样，各项性能测试结果见表1。

实施例2

(1)将还原铁粉和硼铁粉按B含量为8.8wt.％进行配料，采用变频行星球磨机进行球磨，球磨罐与磨球为不锈钢材质，球料比8:1，球磨罐先抽真空，再通入氩气保护，球磨时间为30h，转速为250r/min，球磨后得到混合均匀的粉体；

(2)在真空状态下对粉末进行烧结，烧结温度1050℃，并保温时间60min，得到Fe₂B硬质颗粒；

(3)将粉末烧结获得的Fe₂B硬质颗粒置于0.2％PEPTAPON 5悬浮剂中，配置40％wt.％的Fe₂B颗粒悬浮液，使用磁力搅拌器加热保温40min，得到均匀的Fe₂B颗粒悬浮液；

(4)采用喷雾枪将悬浮液涂覆在砂型模具表面，空气中干燥15h，待悬浮液固化；

(5)浇注熔融的HT200浆料冷却成型。

经本实施例制得的试样，各项性能测试结果见表1。

实施例3

(1)将还原铁粉和硼铁粉按B含量为8.8wt.％进行配料，采用变频行星球磨机进行球磨，球磨罐与磨球为不锈钢材质，球料比6:1，球磨罐先抽真空，再通入氩气保护，球磨时间为50h，转速为250r/min，球磨后得到混合均匀的粉体；

(2)在真空状态下对粉末进行烧结，烧结温度1100℃，并保温时间30min，得到Fe₂B硬质颗粒；

(3)将粉末烧结获得的Fe₂B硬质颗粒置于0.6％PEPTAPON 5悬浮剂中，配置80％wt.％的Fe₂B颗粒悬浮液，使用磁力搅拌器加热保温60min，得到均匀的Fe₂B颗粒悬浮液；

(4)采用喷雾枪将悬浮液涂覆在砂型模具表面，空气中干燥18h，待悬浮液固化；

(5)浇注熔融的HT200浆料冷却成型。

经本实施例制得的试样，各项性能测试结果见表1。

比较例1

未进行本发明中的步骤1-4，砂型模具表面没有涂覆Fe₂B颗粒悬浮液，直接浇注熔融的灰HT200铸铁浆料，冷却成型。

表1实施例和比较例试样性能

参见图1和对比表1。实施例1，2和3中制得的铸件表面硬度显著高于对应的比较例；尽管断裂韧性有所下降，但降低较少；而实施例中材料的抗磨损性能也明显高于比较例中材料。对比实施例1，2和3，实施例2的磨损失重最小，而各实施例的力学性能相差不大。相比之下，实施例2制得的铸件具有最佳力学性能。

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

1.一种铸铁表面原位合成高硼耐磨层的制备方法，其特征在于，将还原铁粉和硼粉配料，采用变频行星球磨机进行球磨，球磨罐先抽真空，再通入氩气保护，球磨后得到混合均匀的粉体，球料比为(4～8):1，球磨时间为30～50h，转速为250r/min进行球磨、将粉末置于石墨坩埚内，在真空状态下对粉末进行烧结并保温，烧结温度1000～1100℃，保温时间为30～80min，获得粒径100～300μm的Fe₂B硬质颗粒；然后配置Fe₂B颗粒悬浮液；采用喷雾枪将悬浮液涂覆于砂型模具表面，空气中干燥10～18h，待悬浮液固化后，硬质颗粒散状堆积的平均厚度为2～8mm；待模具干燥后浇注熔融的铸铁浆料冷却成型在铸铁表面得到高硼耐磨层，混合的还原铁粉和硼铁粉中B含量为8.8wt.％，将烧结获得的Fe₂B硬质颗粒置于PEPTAPON 5悬浮剂中，使用磁力搅拌器加热保温20～60min，得到均匀的Fe₂B颗粒悬浮液，PEPTAPON 5悬浮剂为0.1～0.6％的PEPTAPON粉末溶解于去离子水中，配置悬浮液时Fe₂B硬质颗粒所占的质量分数为30％～80％。