CN110640119A - 一种表面多尺度颗粒增强铁基复合材料卷筒的铸造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种表面多尺度颗粒增强铁基复合材料卷筒的铸造方法，首先将Ti3AlC2粉末、Ti粉末、TiB2颗粒与溶液A混合均匀后放入石墨模具中压制成型制得压坯圆筒，然后将压坯圆筒进行加热制得孔隙状预制圆筒，然后将孔隙状预制圆筒放入型腔中，然后按照铸渗方法将浇注用铁水浇注到型腔中，然后破除铸型制得卷筒毛坯；利用颗粒增强、铸渗、原位合成与球墨铸铁相结合，实现了Ti3AlC2、TiC、Al4C3以及TiB2的陶瓷颗粒增强相进行外表面颗粒增强球墨铸铁基体，使得本申请提供的卷筒毛坯制得的卷筒成品的外表面，既具备球墨铸铁的高强度、良好塑性和冲击韧性，又具备颗粒增强相的高硬度与高耐磨性，最终提高了卷筒的使用性能与使用寿命。

Description

一种表面多尺度颗粒增强铁基复合材料卷筒的铸造方法
技术领域
本发明涉及工程设备技术领域，尤其是涉及一种表面多尺度颗粒增强铁基复合材料卷筒的铸造方法。
背景技术
卷筒是大型起重设备、旋挖钻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，其质量优劣对起重设备、旋挖钻和卷扬减速机的安全运行有着至关重要的影响。随着现代工程的发展趋向大型化，工程机械行业大型或超大型起重设备、钻孔设备和卷扬减速机的应用越来越广泛，起吊的重量和扬程均大幅度增加。例如：超大型起重设备的起吊重量已达到几千吨；超大型卷扬机的扬程达到了数百米。因此，对卷筒的材质及其制备方法提出了更高的要求。
颗粒增强金属基复合材料是以碳化物、氮化物、石墨等颗粒增强金属或合金基体的金属基复合材料的统称。这类复合材料的组成范围宽广，可根据工作的工况要求选择基体金属和增强颗粒，常选用的增强颗粒有碳化硅、碳化钛、碳化硼、碳化钨、氧化铝、氮化硅、硼化钛、氮化硼及石墨等，增强颗粒的粒径一般在3.5～10μm，也有选用＜ 3.5μm和30μm左右的颗粒、含量范围为5wt％～75wt％，一般为15wt％～20wt％和65wt％左右，视需要而定；金属基体有铝、镁、钛、铜、铁等及其合金；制造方法有粉末冶金法、铸造法、真空压力浸渍法和共喷射沉积法；可以直接做成零件，也可做成铸锭后进行热挤压、锻造、轧制等。
原位合成法是一种最近发展起来制备复合材料的新方法，其基本原理是不同元素或化合物之间在一定条件下发生化学反应，而在金属基体内生成一种或几种陶瓷相颗粒，以达到改善单一金属合金性能的目的。通过这种方法制备的复合材料，增强体是在金属基体内形核、自发长大，因此，增强体表面无污染，基体和增强体的相溶性良好，界面结合强度较高。同时，不像其它复合材料，省去了繁琐的增强体预处理工序，简化了制备工艺。原位反应制备金属基复合材料是在一定条件下，依靠合金成分设计，在合金体系内发生化学反应生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷或金属间化合物增强体，而达到增强基体目的的工艺方法。其方法工艺具体包括：固-液反应原位合成工艺与固-固反应原位合成工艺，其中固-固反应原位合成工艺具体包括自蔓延高温合成法、接触反应法、混合盐反应法和机械合金化法等。
随着我国的经济发展，在很多大型工程项目的开发建设中对工程机械的需求日益迫切，并且对其性能要求也越来越严苛。其中高性能卷筒是大型起重机和卷扬减速机的关键部件之一。在运行过程中，卷筒直接承受载荷，卷筒性能优劣对起重机的安全运行与寿命有着至关重要的影响。因此，对卷筒所用材质及其制备方法提出了更高的要求。传统单一金属材料如球墨铸铁可通过改善合金成分、热处理工艺等提高材料的力学性能，但是提高的空间有限。
因此，如何利用颗粒增强与球墨铸铁相结合，提供一种表面颗粒增强铁基复合材料卷筒，以使得卷筒的外表面既具备球墨铸铁的高强度、良好塑性和冲击韧性，又具备陶瓷增强颗粒的高硬度与高耐磨性，最终提高卷筒的使用性能与使用寿命，是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种表面多尺度颗粒增强铁基复合材料卷筒的铸造方法。
为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种表面多尺度颗粒增强铁基复合材料卷筒的铸造方法，包括以下依次进行的步骤：
1)按照砂型铸造方法制备卷筒的铸型，所述铸型中的型腔包括外径内壁面与内径内壁面；
将硅酸钠、聚乙烯醇以及硼砂溶于水中制得溶液A，然后将粒度为1～50微米的Ti3AlC2粉末、粒度为1～50微米的Ti粉末、粒度为1～3毫米的TiB2颗粒与溶液A混合均匀后放入石墨模具中压制成型制得压坯圆筒；
熔炼铁水，然后准备铁水出炉，然后对出炉后的铁水依次进行球化处理与孕育处理，完成后制得浇注用铁水；
2)将内含有压坯圆筒的石墨模具放在真空加热炉中进行加热，保温温度为575℃～ 625℃，加热过程中压坯圆筒中的溶液A中的一部分变成气体挥发，加热过程中压坯圆筒中的溶液A中的另外一部分受热变成玻璃态粘结相，加热完成后进行冷却，脱模后制得固态的、内部为由玻璃态粘结相将Ti3AlC2粉末、Ti粉末与TiB2颗粒连接在一起的孔隙状预制圆筒；
然后将孔隙状预制圆筒放入所述型腔中，且控制所述孔隙状预制圆筒的外径壁面与所述型腔的外径内壁面紧密贴合；
3)按照铸渗方法将步骤1)中制得的浇注用铁水浇注到步骤2)中制得的其内放置有孔隙状预制圆筒的型腔中，浇注用铁水进入所述孔隙状预制圆筒中的孔隙中将所述孔隙状预制圆筒中的Ti3AlC2粉末、Ti粉末与TiB2颗粒淹没包围，然后型腔中的铁水冷却凝固，破除铸型后制得外表面为多尺度颗粒增强铁基复合材料层且剩余部位为球墨铸铁的卷筒毛坯。
优选的，步骤1)中，溶液A中，所述硅酸钠的质量百分数为3.5％，所述聚乙烯醇的质量百分数为2％，所述硼砂的质量百分数为3％。
优选的，步骤1)中，所述Ti3AlC2粉末的质量:Ti粉末的质量:TiB2颗粒的质量:溶液A的质量＝2:1:4:(9～11)。
优选的，步骤1)中，熔炼铁水的熔炼温度为1460℃～1500℃；步骤3)中，浇注用铁水的浇注温度为1400℃～1450℃。
优选的，步骤1)中，所述孕育处理包括依次进行的一次孕育处理与二次孕育处理，在铁水从熔炼炉倾倒入浇包中的过程中利用一次孕育剂颗粒进行一次随流孕育处理，然后在将浇包中的铁水倾倒入型腔中的过程中利用二次孕育剂颗粒进行二次随流孕育处理。
优选的，步骤1)中，将粒度为1～50微米的Ti3AlC2粉末、粒度为1～50微米的Ti 粉末、粒度为1～50微米的二次孕育剂粉末、粒度为1～3毫米的TiB2颗粒与溶液A混合均匀后放入石墨模具中压制成型制得压坯圆筒。
优选的，还包括步骤4)：用激光束扫描熔化步骤3)制得的卷筒毛坯的外表面，控制激光束熔化的熔池的深度大于所述多尺度颗粒增强铁基复合材料层的厚度，且将卷筒毛坯的外表面中的球墨铸铁基体与陶瓷颗粒增强相全部熔化，然后将熔池迅速冷却凝固，在激光重熔以及随后的冷却凝固过程中陶瓷颗粒增强相重新反应生成、形核并长大，完成后制得外表面为激光重熔强化多尺度颗粒增强铁基复合材料层且剩余部位为球墨铸铁的卷筒毛坯。
本发明提供了一种表面多尺度颗粒增强铁基复合材料卷筒的铸造方法，首先将Ti3AlC2粉末、Ti粉末、TiB2颗粒与溶液A混合均匀后放入石墨模具中压制成型制得压坯圆筒，然后将内含有压坯圆筒的石墨模具放在真空加热炉中进行加热，加热完成后进行冷却，脱模后制得固态的、内部为由玻璃态粘结相将Ti3AlC2粉末、Ti粉末与TiB2颗粒连接在一起的孔隙状预制圆筒，然后将孔隙状预制圆筒放入所述型腔中，且控制所述孔隙状预制圆筒的外径壁面与所述型腔的外径内壁面紧密贴合，然后按照铸渗方法将浇注用铁水浇注到型腔中，浇注用铁水进入所述孔隙状预制圆筒中的孔隙中将所述孔隙状预制圆筒中的Ti3AlC2粉末、Ti粉末与TiB2颗粒淹没包围，然后型腔中的铁水冷却凝固，破除铸型后制得外表面为多尺度颗粒增强铁基复合材料层且剩余部位为球墨铸铁的卷筒毛坯；
利用颗粒增强、铸渗、原位合成与球墨铸铁四者相结合，实现了Ti3AlC2、TiC、Al4C3以及TiB2的陶瓷颗粒增强相进行外表面颗粒增强球墨铸铁基体，使得本申请制备的卷筒毛坯经后续机加工与热处理以后制得的卷筒成品的外表面，既具备球墨铸铁的高强度、良好塑性和冲击韧性，又具备Ti3AlC2、TiC、Al4C3以及TiB2的高硬度与高耐磨性，最终提高了卷筒的使用性能与使用寿命。
具体实施方式
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，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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
本申请提供了一种表面多尺度颗粒增强铁基复合材料卷筒的铸造方法，包括以下依次进行的步骤：
1)按照砂型铸造方法制备卷筒的铸型，所述铸型中的型腔包括外径内壁面与内径内壁面；
将硅酸钠、聚乙烯醇以及硼砂溶于水中制得溶液A，然后将粒度为1～50微米的Ti3AlC2粉末、粒度为1～50微米的Ti粉末、粒度为1～3毫米的TiB2颗粒与溶液A混合均匀后放入石墨模具中压制成型制得压坯圆筒；
熔炼铁水，然后准备铁水出炉，然后对出炉后的铁水依次进行球化处理与孕育处理，完成后制得浇注用铁水；
2)将内含有压坯圆筒的石墨模具放在真空加热炉中进行加热，保温温度为575℃～ 625℃，加热过程中压坯圆筒中的溶液A中的一部分变成气体挥发，加热过程中压坯圆筒中的溶液A中的另外一部分受热变成玻璃态粘结相，加热完成后进行冷却，脱模后制得固态的、内部为由玻璃态粘结相将Ti3AlC2粉末、Ti粉末与TiB2颗粒连接在一起的孔隙状预制圆筒；
然后将孔隙状预制圆筒放入所述型腔中，且控制所述孔隙状预制圆筒的外径壁面与所述型腔的外径内壁面紧密贴合；
3)按照铸渗方法将步骤1)中制得的浇注用铁水浇注到步骤2)中制得的其内放置有孔隙状预制圆筒的型腔中，浇注用铁水进入所述孔隙状预制圆筒中的孔隙中将所述孔隙状预制圆筒中的Ti3AlC2粉末、Ti粉末与TiB2颗粒淹没包围，然后型腔中的铁水冷却凝固，破除铸型后制得外表面为多尺度颗粒增强铁基复合材料层且剩余部位为球墨铸铁的卷筒毛坯。
在本申请的一个实施例中，在上述实施例的技术方案的基础上，进一步优选的，步骤1)中，溶液A中，所述硅酸钠的质量百分数为3.5％，所述聚乙烯醇的质量百分数为 2％，所述硼砂的质量百分数为3％。
在本申请的一个实施例中，在上述实施例的技术方案的基础上，进一步优选的，步骤1)中，所述Ti3AlC2粉末的质量:Ti粉末的质量:TiB2颗粒的质量:溶液A的质量＝2:1:4:(9～11)。
在本申请的一个实施例中，在上述实施例的技术方案的基础上，进一步优选的，步骤1)中，熔炼铁水的熔炼温度为1460℃～1500℃；步骤3)中，浇注用铁水的浇注温度为1400℃～1450℃。
在本申请的一个实施例中，在上述实施例的技术方案的基础上，进一步优选的，步骤1)中，所述孕育处理包括依次进行的一次孕育处理与二次孕育处理，在铁水从熔炼炉倾倒入浇包中的过程中利用一次孕育剂颗粒进行一次随流孕育处理，然后在将浇包中的铁水倾倒入型腔中的过程中利用二次孕育剂颗粒进行二次随流孕育处理。
在本申请的一个实施例中，在上述实施例的技术方案的基础上，进一步优选的，步骤1)中，将粒度为1～50微米的Ti3AlC2粉末、粒度为1～50微米的Ti粉末、粒度为1～ 50微米的二次孕育剂粉末、粒度为1～3毫米的TiB2颗粒与溶液A混合均匀后放入石墨模具中压制成型制得压坯圆筒。
在本申请的一个实施例中，在上述实施例的技术方案的基础上，进一步优选的，上述的铸造方法还包括步骤4)：用激光束扫描熔化步骤3)制得的卷筒毛坯的外表面，控制激光束熔化的熔池的深度大于所述多尺度颗粒增强铁基复合材料层的厚度，且将卷筒毛坯的外表面中的球墨铸铁基体与陶瓷颗粒增强相全部熔化，然后将熔池迅速冷却凝固，在激光重熔以及随后的冷却凝固过程中陶瓷颗粒增强相重新反应生成、形核并长大，完成后制得外表面为激光重熔强化多尺度颗粒增强铁基复合材料层且剩余部位为球墨铸铁的卷筒毛坯。
本申请中，颗粒增强的是卷筒的外表面、外周面或外壁面，即卷筒上缠绕钢丝绳的工作面，即卷筒上直接与钢丝绳接触的外表面，本申请仅是卷筒的外表面进行颗粒增强，卷筒中剩余的部分还是球墨铸铁材质。
本申请中，步骤1)中，卷筒为轴向两端均开口的空心筒状，在使用砂型铸造铸造卷筒时，铸型中的型腔为一个管状空腔，该管状空腔具有内径内壁面与外径内壁面。
在本申请的一个实施例中，步骤1)中，所述球化处理所用的球化剂包括以下质量百分数的组分：Mg：3％～4％，Re：2％～2.5％，Si：30％～35％，Ca：2％～3％，余量为铁以及不可避免的杂质；
球化剂的加入质量为铁水质量的1.0％～1.2％，球化处理温度为1490℃～1520℃。
在本申请的一个实施例中，本申请步骤1)中制得的浇注用铁水包括以下质量百分数的组分：3.8％～4.0％的C，2.0％～3.0％的Si，0.2％～0.25％的Mn，1.2％～1.6％的Cu，0.10％～0.15％的Ni，0.015％～0.025％的Ti，0.002％～0.004％的Mo，S＜0.015％，P＜0.03％，0.03％～0.05％的Mg，0.02％～0.03％的Re，余量为Fe以及不可避免的杂质。
本申请步骤2)中，加热过程中压坯圆筒中的溶液A中的一部分变成气体挥发，加热过程中压坯圆筒中的溶液A中的另外一部分受热变成玻璃态粘结相将Ti3AlC2粉末、Ti 粉末与TiB2颗粒连接在一起，完成后制得固态的、内部为由玻璃态粘结相将Ti3AlC2粉末、Ti粉末与TiB2颗粒连接在一起、内含孔隙的孔隙状预制圆筒。
本申请中，Ti3AlC2粉末是一种新型的三元层状陶瓷材料，兼有金属特性与陶瓷特性，既具有金属的导电性、导热性、高硬度、高弹性模量、良好的延展性和机械加工性，又具有陶瓷的热稳定性好、高温抗氧化性、抗热性和蠕变性以及较低的摩擦系数和优异的自润滑性能，因此，Ti3AlC2粉末本身也是一种优良的颗粒增强相，可以与金属基体相结合，制成颗粒增强铁基复合材料。
本申请中，在铸渗过程中，孔隙状预制圆筒中的Ti3AlC2粉末可以与Ti粉末在受到浇注用铁水的热量的作用下发生原位合成反应生成TiC颗粒增强相与Al4C3颗粒增强相；
原位生成的TiC颗粒增强相与Al4C3颗粒增强相的粒径比直接添加的TiC粉末与Al4C3粉末的粒径更小，而且原位生成的TiC颗粒增强相与Al4C3颗粒增强相在球墨铸铁基体中比直接添加的TiC粉末与Al4C3粉末分布得更均匀，原位生成的TiC颗粒增强相与Al4C3颗粒增强相与球墨铸铁基体之间的润湿性比直接添加的TiC粉末与Al4C3粉末的润湿性更好，最终提高了卷筒的使用性能与使用寿命；
当然，由于Ti3AlC2粉末本身也是一种优良的颗粒增强相，可以与金属基体相结合，制成颗粒增强铁基复合材料，因此，孔隙状预制圆筒中的Ti3AlC2粉末也可以不参与原位反应生成TiC颗粒增强相与Al4C3颗粒增强相，即可以是一部分Ti3AlC2粉末参与原位反应生成TiC颗粒增强相与Al4C3颗粒增强相，剩余部分Ti3AlC2粉末不参与原位反应生成TiC颗粒增强相与Al4C3颗粒增强相。
在本申请的一个实施例中，步骤1)中，所述孕育处理包括依次进行的一次孕育处理与二次孕育处理，在铁水从熔炼炉倾倒入浇包中的过程中利用一次孕育剂颗粒进行一次随流孕育处理，然后在将浇包中的铁水倾倒入型腔中的过程中利用二次孕育剂颗粒进行二次随流孕育处理。
在本申请的一个实施例中，一次孕育处理所用的一次孕育剂颗粒包括以下质量百分数的组分：Si：42％～48％，Ba：0.55％～0.65％，Ca：0.8％～1.0％，Zr：0.6％～0.8％，其余为铁以及不可避免的杂质；
一次孕育剂颗粒的加入质量为铁水质量的0.5％～0.6％。
在本申请的一个实施例中，所述二次孕育剂颗粒包括以下质量百分数的组分：Si：42％～48％，Ba：0.55％～0.65％，Ca：0.7％～0.9％，Bi：0.8％～0.9％，Re：0.2％～0.3％，其余为铁以及不可避免的杂质；
二次孕育剂颗粒的加入质量为铁水质量的0.1％～0.15％。
本申请中，步骤1)中，熔炼铁水的熔炼温度为1460℃～1500℃；步骤3)中，浇注用铁水的浇注温度为1400℃～1450℃。
上述的在将浇包中的铁水倾倒入型腔中的过程中利用二次孕育剂颗粒进行二次随流孕育处理过程中，此处采用随流孕育处理，主要因为二次孕育剂颗粒落入铁水流中即可实现二者的混合均匀，利于二者的混合均匀，但是，二次孕育剂颗粒落入铁水流中并不会即刻被铁水给熔化，二次孕育剂颗粒的全部彻底熔化需要一个时间过程，且二次孕育剂颗粒落入铁水流中并不会即刻就完成二次孕育处理，二次孕育处理也需要一个时间过程，孕育处理的作用本身就是促进形核、抑制生长，而形核发生在铁水的冷却凝固过程中，即在型腔中的铁水冷却凝固至700-800℃之前，二次孕育处理都是还在进行中；
再者，上述所用的二次孕育剂颗粒的粒径多为毫米级，而上述加热后制得的内含孔隙的孔隙状预制圆筒，其所含的孔隙的孔径多为微米级，至少要比Ti3AlC2粉末与Ti粉末的1～50微米的粒径要小，二次孕育剂颗粒的毫米级的粒径比孔隙状预制圆筒中孔隙的微米级的孔径大了10倍左右，如此就出现了一个矛盾：孔隙状预制圆筒中的孔隙的孔径远远小于二次孕育剂颗粒的粒径，造成铁水中尚未完全熔化、粒径大于孔隙的孔径的二次孕育剂颗粒进不去孔隙状预制圆筒中的孔隙中，孔隙状预制圆筒中的孔隙就像一张过滤网把尚未完全熔化、粒径大于孔隙的孔径的二次孕育剂颗粒给过滤挡在孔隙状预制圆筒之外了，只允许熔化了一部分造成的粒径变得小于孔隙的孔径的二次孕育剂颗粒与铁水进入孔隙状预制圆筒中的孔隙中，造成进入孔隙状预制圆筒中的二次孕育剂颗粒的量不够，造成进入孔隙状预制圆筒中的铁水不能进行充分地二次孕育处理，最终造成卷筒的外表面的颗粒增强铁基复合材料层中的球墨铸铁基体的质量与性能不达标；
为此，在本申请的一个实施例中，步骤1)中，将粒度为1～50微米的Ti3AlC2粉末、粒度为1～50微米的Ti粉末、粒度为1～50微米的二次孕育剂粉末、粒度为1～3毫米的TiB2颗粒与溶液A混合均匀后放入石墨模具中压制成型制得压坯圆筒；
后续步骤2)中将内含有压坯圆筒的石墨模具放在真空加热炉中进行加热，保温温度为575℃～625℃，加热过程中溶液A中的一部分变成气体挥发，加热过程中溶液A 中的另外一部分受热变成玻璃态粘结相，加热完成后进行冷却，脱模后制得固态的、内部为由玻璃态粘结相将Ti3AlC2粉末、Ti粉末、二次孕育剂粉末与TiB2颗粒连接在一起的孔隙状预制圆筒；
然后将孔隙状预制圆筒放入所述型腔中，且控制所述孔隙状预制圆筒的外径壁面与所述型腔的外径内壁面紧密贴合；
然后步骤3)中按照铸渗方法将步骤1)中制得的浇注用铁水浇注到步骤2)中制得的其内放置有孔隙状预制圆筒的型腔中，浇注用铁水进入所述孔隙状预制圆筒中的孔隙中将所述孔隙状预制圆筒中的Ti3AlC2粉末、Ti粉末、二次孕育剂粉末与TiB2颗粒淹没包围；
本申请将冶炼球墨铸铁所需的二次孕育剂粉末预埋在铸渗用的孔隙状预制圆筒中，孔隙状预制圆筒中所含的二次孕育剂粉末的添加量按照此处孔隙状预制圆筒中的铁水所需的二次孕育剂进行足量预埋，铁水进入孔隙状预制圆筒中的孔隙中后，浇注用铁水会将所述孔隙状预制圆筒中的二次孕育剂粉末淹没包围，二次孕育剂粉末混入铁水中，对进入孔隙状预制圆筒中的孔隙中的铁水进行二次孕育处理，弥补解决了之前进入孔隙状预制圆筒中的二次孕育剂颗粒的量不够对孔隙状预制圆筒中的铁水不能进行充分的二次孕育处理的缺陷，从而提高了孔隙状预制圆筒中的铁水的二次孕育效果，提高了卷筒的外表面的颗粒增强铁基复合材料层中的球墨铸铁基体的质量与性能；
如此处理二次孕育剂粉末，步骤2)中，保温温度为575℃～625℃，该温度比较低，不会对压坯圆筒中的二次孕育剂粉末中的各元素造成高温烧损以及高温氧化；
如此处理二次孕育剂粉末，使得在整个浇注过程中，二次孕育剂粉末被浇注用铁水给淹没隔绝空气，属于液体密封，使得二次孕育剂粉末中各元素都不会与外界空气接触，不会被高温氧化损失，不会产出氧化渣，从而提高了二次孕育剂粉末的利用率，提高了二次孕育效果，提高了球墨铸铁基体的综合性能。
在本申请的一个实施例中，所述二次孕育剂粉末包括以下质量百分数的组分：Si：42％～48％，Ba：0.55％～0.65％，Ca：0.7％～0.9％，Bi：0.8％～0.9％，Re：0.2％～0.3％，其余为铁以及不可避免的杂质；
二次孕育剂粉末的加入质量为铁水质量的0.1％～0.15％。
本申请是利用原位合成、颗粒增强、铸渗与球墨铸铁四者相结合，不仅要铸渗表面强化，而且还要原位合成，本身铸渗就是利用浇注用铁水自带的热量进行冶金物理化学反应生成表面处理层，而此处多了个原位合成，原位合成发生也需要吸收浇注用铁水自带的热量，浇注用铁水自带的热量从最初就定下了，就是这么多，现在被两个反应所吸收，工艺操作稍有不慎就容易造成热量不足，分配不均，导致铸渗反应不完全与不彻底，以及原位合成反应不完全与不彻底，最终影响TiC与Al4C3对表面处理层的增强效果；
为此，本申请在步骤3)制得外表面为多尺度颗粒增强铁基复合材料层且剩余部位为球墨铸铁的卷筒毛坯之后，还包括步骤4)：用激光束扫描熔化步骤3)制得的卷筒毛坯的外表面，控制激光束熔化的熔池的深度大于所述多尺度颗粒增强铁基复合材料层的厚度，且将卷筒毛坯的外表面中的球墨铸铁基体与陶瓷颗粒增强相全部熔化，然后将熔池迅速冷却凝固，在激光重熔以及随后的冷却凝固过程中陶瓷颗粒增强相重新反应生成、形核并长大，完成后制得外表面为激光重熔强化多尺度颗粒增强铁基复合材料层且剩余部位为球墨铸铁的卷筒毛坯；
此处，利用激光束的高温度与高能量，引入足够充分的外来热量将步骤3)制得的卷筒毛坯的外表面扫描熔化，将卷筒毛坯的外表面中的球墨铸铁基体与陶瓷颗粒增强相全部熔化，使得卷筒毛坯的外表面中的组分充分地进行冶金物理化学反应，使得铸渗反应与原位合成反应完全与彻底，在激光重熔以及随后的冷却凝固过程中Ti3AlC2、TiC、Al4C3以及TiB2等陶瓷颗粒增强相重新反应生成、形核并长大，与球墨铸铁基体一起形成激光重熔强化多尺度颗粒增强铁基复合材料层；
另外控制激光束熔化的熔池的深度大于上述颗粒增强铁基复合材料层的厚度，可以使得步骤3)制得的卷筒毛坯上的整个外表面颗粒增强层都被激光束熔化，没有残留，且由于采用利用激光束重熔，熔池冷却凝固后制得的外表面重熔颗粒增强层与剩余部分的球墨铸铁之间是真正的冶金结合，该冶金结合的结合强度要比单纯铸渗没有重熔时的冶金结合的结合强度高得多，从而使得卷筒的外表面处的激光重熔强化多尺度颗粒增强铁基复合材料层在使用过程中不容易发生脱落。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种表面多尺度颗粒增强铁基复合材料卷筒的铸造方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
一种表面多尺度颗粒增强铁基复合材料卷筒的铸造方法，包括以下依次进行的步骤：
1)按照砂型铸造方法制备卷筒的铸型，所述铸型中的型腔包括外径内壁面与内径内壁面；
步骤1)中，将粒度为1～10微米的Ti3AlC2粉末、粒度为1～10微米的Ti粉末、粒度为1～10微米的二次孕育剂粉末、粒度为1～1.5毫米的TiB2颗粒与溶液A混合均匀后放入石墨模具中压制成型制得压坯圆筒；
熔炼铁水，然后准备铁水出炉，然后对出炉后的铁水依次进行球化处理与孕育处理，完成后制得浇注用铁水；
步骤1)中，溶液A中，所述硅酸钠的质量百分数为3.5％，所述聚乙烯醇的质量百分数为2％，所述硼砂的质量百分数为3％；
步骤1)中，所述Ti3AlC2粉末的质量:Ti粉末的质量:TiB2颗粒的质量:溶液A的质量＝2:1:4:10；
步骤1)中，熔炼铁水的熔炼温度为1480℃～1490℃；
步骤1)中，所述孕育处理包括依次进行的一次孕育处理与二次孕育处理，在铁水从熔炼炉倾倒入浇包中的过程中利用一次孕育剂颗粒进行一次随流孕育处理，然后在将浇包中的铁水倾倒入型腔中的过程中利用二次孕育剂颗粒进行二次随流孕育处理；
2)将内含有压坯圆筒的石墨模具放在真空加热炉中进行加热，保温温度为600℃，保温时间为2h，加热过程中溶液A中的一部分变成气体挥发，加热过程中溶液A中的另外一部分受热变成玻璃态粘结相，加热完成后进行冷却，脱模后制得固态的、内部为由玻璃态粘结相将Ti3AlC2粉末、Ti粉末、二次孕育剂粉末与TiB2颗粒连接在一起的孔隙状预制圆筒；
然后将孔隙状预制圆筒放入所述型腔中，且控制所述孔隙状预制圆筒的外径壁面与所述型腔的外径内壁面紧密贴合；
3)按照铸渗方法将步骤1)中制得的浇注用铁水浇注到步骤2)中制得的其内放置有孔隙状预制圆筒的型腔中，浇注用铁水进入所述孔隙状预制圆筒中的孔隙中将所述孔隙状预制圆筒中的Ti3AlC2粉末、Ti粉末、二次孕育剂粉末与TiB2颗粒淹没包围，然后型腔中的铁水冷却凝固，破除铸型后制得外表面为多尺度颗粒增强铁基复合材料层且剩余部位为球墨铸铁的卷筒毛坯；
步骤3)中，浇注用铁水的浇注温度为1440℃～1450℃；
4)用激光束扫描熔化步骤3)制得的卷筒毛坯的外表面，控制激光束熔化的熔池的深度大于所述多尺度颗粒增强铁基复合材料层的厚度，且将卷筒毛坯的外表面中的球墨铸铁基体与陶瓷颗粒增强相全部熔化，然后将熔池迅速冷却凝固，在激光重熔以及随后的冷却凝固过程中陶瓷颗粒增强相重新反应生成、形核并长大，完成后制得外表面为激光重熔强化多尺度颗粒增强铁基复合材料层且剩余部位为球墨铸铁的卷筒毛坯。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对于这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (7)

1.一种表面多尺度颗粒增强铁基复合材料卷筒的铸造方法，其特征在于，包括以下依次进行的步骤：
1)按照砂型铸造方法制备卷筒的铸型，所述铸型中的型腔包括外径内壁面与内径内壁面；
将硅酸钠、聚乙烯醇以及硼砂溶于水中制得溶液A，然后将粒度为1～50微米的Ti3AlC2粉末、粒度为1～50微米的Ti粉末、粒度为1～3毫米的TiB2颗粒与溶液A混合均匀后放入石墨模具中压制成型制得压坯圆筒；
熔炼铁水，然后准备铁水出炉，然后对出炉后的铁水依次进行球化处理与孕育处理，完成后制得浇注用铁水；
2)将内含有压坯圆筒的石墨模具放在真空加热炉中进行加热，保温温度为575℃～625℃，加热过程中压坯圆筒中的溶液A中的一部分变成气体挥发，加热过程中压坯圆筒中的溶液A中的另外一部分受热变成玻璃态粘结相，加热完成后进行冷却，脱模后制得固态的、内部为由玻璃态粘结相将Ti3AlC2粉末、Ti粉末与TiB2颗粒连接在一起的孔隙状预制圆筒；
然后将孔隙状预制圆筒放入所述型腔中，且控制所述孔隙状预制圆筒的外径壁面与所述型腔的外径内壁面紧密贴合；
3)按照铸渗方法将步骤1)中制得的浇注用铁水浇注到步骤2)中制得的其内放置有孔隙状预制圆筒的型腔中，浇注用铁水进入所述孔隙状预制圆筒中的孔隙中将所述孔隙状预制圆筒中的Ti3AlC2粉末、Ti粉末与TiB2颗粒淹没包围，然后型腔中的铁水冷却凝固，破除铸型后制得外表面为多尺度颗粒增强铁基复合材料层且剩余部位为球墨铸铁的卷筒毛坯。
2.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，步骤1)中，溶液A中，所述硅酸钠的质量百分数为3.5％，所述聚乙烯醇的质量百分数为2％，所述硼砂的质量百分数为3％。
3.根据权利要求2所述的铸造方法，其特征在于，步骤1)中，所述Ti3AlC2粉末的质量:Ti粉末的质量:TiB2颗粒的质量:溶液A的质量＝2:1:4:(9～11)。
4.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，步骤1)中，熔炼铁水的熔炼温度为1460℃～1500℃；步骤3)中，浇注用铁水的浇注温度为1400℃～1450℃。
5.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，步骤1)中，所述孕育处理包括依次进行的一次孕育处理与二次孕育处理，在铁水从熔炼炉倾倒入浇包中的过程中利用一次孕育剂颗粒进行一次随流孕育处理，然后在将浇包中的铁水倾倒入型腔中的过程中利用二次孕育剂颗粒进行二次随流孕育处理。
6.根据权利要求5所述的铸造方法，其特征在于，步骤1)中，将粒度为1～50微米的Ti3AlC2粉末、粒度为1～50微米的Ti粉末、粒度为1～50微米的二次孕育剂粉末、粒度为1～3毫米的TiB2颗粒与溶液A混合均匀后放入石墨模具中压制成型制得压坯圆筒。
7.根据权利要求1-6中的任意一项所述的铸造方法，其特征在于，还包括步骤4)：用激光束扫描熔化步骤3)制得的卷筒毛坯的外表面，控制激光束熔化的熔池的深度大于所述多尺度颗粒增强铁基复合材料层的厚度，且将卷筒毛坯的外表面中的球墨铸铁基体与陶瓷颗粒增强相全部熔化，然后将熔池迅速冷却凝固，在激光重熔以及随后的冷却凝固过程中陶瓷颗粒增强相重新反应生成、形核并长大，完成后制得外表面为激光重熔强化多尺度颗粒增强铁基复合材料层且剩余部位为球墨铸铁的卷筒毛坯。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107653413A (zh) * 2017-09-04 2018-02-02 西安交通大学 一种球墨铸铁基复合材料及制备复合卷筒的方法
CN107904484A (zh) * 2017-10-30 2018-04-13 山东汇丰铸造科技股份有限公司 一种原位生成颗粒增强球墨铸铁卷筒及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107653413A (zh) * 2017-09-04 2018-02-02 西安交通大学 一种球墨铸铁基复合材料及制备复合卷筒的方法
CN107904484A (zh) * 2017-10-30 2018-04-13 山东汇丰铸造科技股份有限公司 一种原位生成颗粒增强球墨铸铁卷筒及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
姚建华: "《激光表面改性技术及其应用》", 30 January 2012 *

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