CN113714487B - 一种高耐磨wc颗粒增强钢铁基表层复合导板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板的制备方法，属于复合材料制备方法技术领域。将WC颗粒与粉末、水玻璃等通过球磨混合均匀后，加入到模具中适当压实，并吹入CO2使预制体粉末硬化成形，脱模后把预制坯放入微波炉中微波硬化，制得具有一定硬度的预制坯块。利用消失模真空实型铸造工艺制备块状泡沫模具，将预制体安放固定在泡沫模近表面位置，并将整个泡沫结构刷上涂料，然后与钢铁金属液进行浇注复合，制备高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板；通过该方法制备的复合导板能够有效减少铸造过程中的缩松缩孔等缺陷，形成具有较厚的复合层和较高的硬度，大幅度提高了复合导板的耐磨性能。

Description

一种高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板的制备方法，属于复合材料制备技术领域。
背景技术
导板在用于固定制造无缝钢管等零件时受到摩擦、挤压、磨损和冷却液的作用，在复杂的受力工况下表面温度会升高，采用白口铸态和低合金钢作为材质的导板，其工作面的磨损率较高，使用寿命较短，而耐磨性不足会导致导板失效更换频繁。近年来陶瓷颗粒增强钢铁基材料由于其具有较高的硬度和良好的塑韧性被广泛研究，尤其是WC颗粒具有良好的化学稳定性，与铁液润湿性较好。
中国发明专利CN 106077650 A公布了一种复合硬质合金粉末成型导卫板的方法，通过激光熔覆进行零件成型，具有较高的强度，有效提高使用寿命，但其添加大量铝、镁、硼、锰、钒、钼等合金元素，增加了导板的生产成本。专利CN 108637262A提出了具有表面喷涂层的复合导卫板，利用喷涂层代替复合面进行使用，有利于提高其耐磨性，但其喷涂层的厚度较小，导板基体与涂层间复合不牢固，且对于导板工作面未考虑其复合层的结构特点。目前仍然采用传统砂型铸造工艺制备导板，但传统铸造工艺易形成缩松缩孔等铸造缺陷，降低导板的耐磨性。
发明内容
为了克服上述导板制备过程的不足，本发明的目的在于提供一种低成本、硬度高、且耐磨性较好的WC颗粒增强钢铁基表层复合导板的制备方法；通过制备高厚度的预制体块，将消失泡沫模与预制体块结合，利用真空实型铸造工艺与钢铁金属液浇注成导板，获得较高的硬度和耐磨性，延长导板的使用寿命。
本发明的技术方案为：一种高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)设计导板的预制体成分为30～50％WC+15～25％Ni+5～15％Ni60+30％高碳铬铁粉，将WC颗粒、Ni、Ni60、高碳铬铁粉进行球磨混合均匀得到预制体粉末，在预制体粉末中加入水玻璃充分混合得到混合粉末。
(2)将混合粉末加入到带有芯棒的模具中进行压实，压实之后将芯棒拔出，并通气使预制体中的粉末硬化成形，脱模后把预制坯放入微波炉中二次硬化，脱模后制得具有一定硬度的预制体块。
(3)利用消失模铸造工艺制备与导板相同比例大小的泡沫模，泡沫模表面设有与预制体大小相同的凹槽，将预制体块安放在泡沫模凹槽位置，泡沫模与预制体之间的空隙处用预制体粉末填满。
(4)将含预制体的导板泡沫模与钢铁金属液进行真空实型铸造复合，冷却后制备获得高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板；所述钢铁金属液由高铬钢或高铬铸铁与Ni粉混合熔炼得到，且在钢铁金属液中Ni的质量百分比为5％-15％。
优选的，本发明步骤(1)中WC颗粒的粒径为40-80目，Ni粉和Ni60的粒径为150-200目的，高碳铬铁粉的粒径为80-120目。
优选的，本发明步骤(2)所述模具由芯棒、芯棒槽、挡板、底座组成，挡板固定在底座四周，芯棒插入底座上的芯棒槽内，两者为间隙配合；所述芯棒形状为圆形或正六边形，圆形芯棒的直径为10～20mm，正六边形芯棒外接圆直径为10～20mm，各个芯棒表面的间距为10～20mm。
优选的，本发明步骤(2)中通入使预制体块硬化成形的气体为CO2，脱模后预制体在微波炉中二次硬化的温度为200℃保温5min。
优选的，本发明所述预制体块埋入泡沫模表面下的深度为3-5mm，并在预制体粉和泡沫模结合后的整体表面刷水基类表面光洁剂涂料。
优选的，本发明步骤(4)中所述真空实型铸造复合工艺中的真空度为0.07～0.08MPa，浇铸系统设计为浇口补缩的半封闭式浇道。
除特别说明外，本发明所有百分比均为质量百分比。
本发明的原理：将WC陶瓷颗粒与合金粉末等进行混合，并在设计的模具中将均匀的预制体粉末填充在不同芯棒之间，通入CO2使预制体硬化成形，然后将脱模后的预制体在微波中进行二次硬化，使预制体块具有一定的硬度。将预制体块预埋在与导板实际大小相等的泡沫模中，设计基体中Ni来保证Fe-Cr-Ni合金获得稳定的奥氏体，再与钢铁金属液进行铸渗制备出复合导板。通过设计不同预制体成分，对复合材料的组织和性能进行调控，再根据导板的实际使用效果对成分进行优化，WC颗粒作为复合层重要组成部分，起到保护基体的作用，在复合过程中C、Cr元素与铁能形成碳化物，提高基体硬度和强度，并在强氧化条件下形成铬化物，提高抗氧化性；Ni加入能够改善晶界处的碳化物数量和形态分布，更有利于形成稳定的奥氏体组织，提高固溶体强度，改善钢的韧性和热疲劳性；Ni60粉末可以促进WC颗粒断裂与溶解，在高温复合过程中先受热发生溶解释放热能，溶解产生的Ni元素与WC颗粒溶解产生的W元素反应形成镍钨化合物Ni17W3；高碳铬铁粉在预制坯中起造孔剂的作用，增强颗粒与金属液的流动性预制体中的WC颗粒易溶解，与基体形成良好的复合界面层，提高导板的耐磨性，延长导板使用寿命。
本发明的有益效果
(1)本发明提出先通入CO2使预制体硬化成形后，再进行微波硬化的两阶段硬化方式，可制备处具有一定硬度的预制体块，防止在未浇注前预制体块发生溃散和脱落。
(2)本发明将预制体块埋入泡沫模，并在预制体粉末表面表面光洁剂和涂料，提高表面光洁度和平整度，涂料对预制体和泡沫起支撑作用，利用消失模真空实型铸渗可以使导板具有较高的精度尺寸，有效减少传统砂型铸造工艺中的缩松缩孔等缺陷的产生。
(3)本发明采用浇口补缩的半封闭式浇道，使铸件在浇铸过程中减慢液流速度，保证预制坯在导板泡沫模中的位置不变，浇口补缩能在提供补缩的同时减少铸件加工量，降低了生产成本。
(4)本发明根据导板的使用性能需求对成分进行设计，对预制体中的陶瓷颗粒、合金粉末及基体中的Ni含量进行优化，合理通过各组分在复合过程中的作用来提高导板的性价比。
(5)通过本发明制备的复合导板，不仅具有较高的硬度和耐磨性，还有良好的韧性，导板复合层硬度为55～60HRC，基体硬度30-32HRC，冲击韧性7～10J/cm2；与同期投入使用的导板相比，延长了导板的使用寿命。
附图说明
图1本发明设计的预制体模具示意图，其中a为底座结构示意图；b为正六边形芯棒模具结构示意图；c为圆柱形芯棒模具结构示意图；
图2本发明所制备的预制体块结构示意图；
图3本发明导板泡沫模与预制体块装配示意图；
图4本发明复合导板浇注系统设计示意图；
图5本发明复合导板基材和复合区的微观组织。
具体实施方式
下面列举具体实施方式，对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板的制备方法，按图1-4进行复合导板的制备，具体包括以下步骤：
(1)设计导板的预制体成分为50％WC+15％Ni+5％Ni60+30％高碳铬铁粉，将WC颗粒、Ni、Ni60、高碳铬铁粉等进行球磨混合均匀，然后加入水玻璃与预制体粉末充分混合，其中各组元粒径大小分别为40目的WC颗粒，150目的Ni粉和Ni60，80目的高碳铬铁粉。
(2)将混合粉末加入到模具中进行适当压实，并通入CO2使使预制体中的粉末与陶瓷颗粒硬化成形，脱模后把预制坯放入微波炉中在200℃下保温5min进行二次硬化，制得具有一定硬度的预制体块。
本实施例中所述模具由芯棒、芯棒槽、挡板、底座等组成，如图1所述，芯棒可插入底座上的芯棒槽内，两者处于间隙配合，芯棒材料为20CrMo，芯棒形状为正六边形，预制体块长100mm，宽55mm，高20mm，芯棒直径15mm，各个芯棒表面的间距为10mm。
(3)利用消失模铸造工艺制备与导板相同比例大小的泡沫模，预制体块埋入泡沫模表面下3mm的深度，空隙处距表面间填充预制体粉末，并在预制体粉和泡沫模结合后的整体表面刷水基类表面光洁剂涂料。
(4)将含预制体的导板泡沫模与高铬钢进行真空实型铸造复合，基体中的C含量为1.6％，Cr含量为20％，Ni含量为10％，消失模真空实型铸造工艺中的真空度为0.07MPa，浇铸系统设计为浇口补缩的半封闭式浇道，冷却后制备获得高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板。
本实施例制备的复合导板由含WC颗粒的复合区和基体组织，碳化物呈杆状分布，组织形貌如图5所示，由图可以看出导板的基材组织主要有大量的细杆状碳化物和珠光体组织组成，而复合区的陶瓷颗粒与基体较好的结合，在颗粒周围分布着碳化物和珠光体。复合区硬度为60HRC，高铬钢基体硬度为32HRC，基体冲击韧性为8.5J/cm2，与高铬钢基体相比，复合导板工作面的耐磨性显著提高40％。
实施例2
一种高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板的制备方法，按图1-4进行复合导板的制备，具体包括以下步骤：
(1)设计导板的预制体成分为40％WC+20％Ni+10％Ni60+30％高碳铬铁粉，将WC颗粒、Ni、Ni60、高碳铬铁粉等进行球磨混合均匀，加入水玻璃与预制体粉末充分混合，其中各组元粒径大小分别为60目的WC颗粒，180目的Ni粉和Ni60，100目的高碳铬铁粉；
(2)将混合粉末加入到模具中进行适当压实，并通入CO2使使预制体中的粉末与陶瓷颗粒硬化成形，脱模后把预制坯放入微波炉中在200℃下保温5min进行二次硬化，制得具有一定硬度的预制体块。
本实施例中所述模具由芯棒、芯棒槽、挡板、底座等组成，芯棒可插入底座上的芯棒槽内，两者处于间隙配合，芯棒材料为20CrMo，芯棒形状为正六边形，预制体块长100mm，宽55mm，高20mm，芯棒直径15mm，各个芯棒表面的间距为15mm。
(3)利用消失模铸造工艺制备与导板相同比例大小的泡沫模，预制体块埋入泡沫模表面下4mm的深度，空隙处距表面间填充预制体粉末，并在预制体粉和泡沫模结合后的整体表面刷水基类表面光洁剂涂料。
(4)将含预制体的导板泡沫模与高铬钢进行真空实型铸造复合，基体中的C含量为1.6％，Cr含量为20％，Ni含量为5％，消失模真空实型铸造工艺中的真空度为0.075MPa，浇铸系统设计为浇口补缩的半封闭式浇道，冷却后制备获得高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板。
本实施例制备的复合导板组织与实例1相似，碳化物呈杆状和棒状分布，复合区硬度为58HRC，高铬钢基体硬度为31.2HRC，基体冲击韧性为9J/cm2，与高铬钢基体相比，复合导板工作面的耐磨性显著提高35％。
实施例3
一种高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板的制备方法，按图1-4进行复合导板的制备，具体包括以下步骤：
(1)设计导板的预制体成分为30％WC+25％Ni+15％Ni60+30％高碳铬铁粉，将WC颗粒、Ni、Ni60、高碳铬铁粉等进行球磨混合均匀，加入水玻璃与预制体粉末充分混合，其中各组元粒径大小分别为80目的WC颗粒，200目的Ni粉和Ni60，120目的高碳铬铁粉。
(2)将混合粉末加入到模具中进行适当压实，并通入CO2使使预制体中的粉末与陶瓷颗粒硬化成形，脱模后把预制坯放入微波炉中在200℃下保温5min进行二次硬化，制得具有一定硬度的预制体块。
本实施例中所述模具由芯棒、芯棒槽、挡板、底座等组成，芯棒可插入底座上的芯棒槽内，两者处于间隙配合，芯棒材料为20CrMo，芯棒形状为正六边形，预制体块长100mm，宽55mm，高20mm，芯棒直径15mm，各个芯棒表面的间距为20mm。
(3)利用消失模铸造工艺制备与导板相同比例大小的泡沫模，预制体块埋入泡沫模表面下5mm的深度，空隙处距表面间填充预制体粉末，并在预制体粉和泡沫模结合后的整体表面刷水基类表面光洁剂涂料。
(4)将含预制体的导板泡沫模与高铬钢进行真空实型铸造复合，基体中的C含量为1.6％，Cr含量为20％，Ni含量为15％，消失模真空实型铸造工艺中的真空度为0.08MPa，浇铸系统设计为浇口补缩的半封闭式浇道，冷却后制备获得高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板。
本实施例制备的复合导板组织与实例1相似，碳化物呈杆状和网格状分布，复合区硬度为55HRC，高铬钢基体硬度为30HRC，基体冲击韧性为10J/cm2，与高铬钢基体相比，复合导板工作面的耐磨性显著提高33％。
实施例4
一种高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板的制备方法，基体采用高铬铸铁，C含量为3.0％，其余步骤与实施例1相同。
所制备的复合导板微观组织与实例1相似，碳化物主要呈网格状分布，复合区硬度为58.5HRC，高铬铸铁基体硬度为31.5HRC，基体冲击韧性为7J/cm2，与高铬铸铁基体相比，复合导板工作面的耐磨性显著提高36％。
对比实施例1
一种高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板的制备方法，在高铬钢金属液中不加入Ni，其余步骤与实施例1相同。
复合导板的微观组织主要为碳化物和珠光体，复合区硬度为50HRC，基体硬度为29.4HRC，基体冲击韧性为7.5J/cm2，与高铬钢基体相比，复合导板工作面的耐磨性显著提高28％；通过对比可以看出，Ni的加入可以提高材料的性能。
从以上实施例中可以得到，通过采用本发明提出方法所制备的导板具有较高的硬度和耐磨性。

Claims (6)

1.一种高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）设计导板的预制体成分为30~50%WC+15~25%Ni+5~15%Ni60+30%高碳铬铁粉，将WC颗粒、Ni、Ni60、高碳铬铁粉进行球磨混合均匀得到预制体粉末，在预制体粉末中加入水玻璃充分混合得到混合粉末；
（2）将混合粉末加入到带有芯棒的模具中进行压实，压实之后将芯棒拔出，并通气使预制体中的粉末硬化成形，脱模后把预制体放入微波炉中二次硬化，脱模后制得具有一定硬度的预制体块；
（3）利用消失模铸造工艺制备与导板相同比例大小的泡沫模，泡沫模表面设有与预制体块大小相同的凹槽，将预制体块安放在泡沫模凹槽位置，泡沫模与预制体块之间的空隙处用预制体粉末填满；
（4）将含预制体块的导板泡沫模与钢铁金属液进行真空实型铸造复合，冷却后制备获得高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板；所述钢铁金属液由高铬钢与Ni粉混合熔炼得到，且在钢铁金属液中Ni的质量百分比为5%-15%；浇铸系统设计为浇口补缩的半封闭式浇道；
步骤（2）中通入使预制体硬化成形的气体为CO2，脱模后预制体在微波炉中二次硬化的温度为200℃保温5min。
2.根据权利要求1所述高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板的制备方法，其特征在于：步骤（1）中WC颗粒的粒径为40-80目，Ni粉和Ni60的粒径为150-200目，高碳铬铁粉的粒径为80-120目。
3.根据权利要求1所述高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板的制备方法，其特征在于：所述模具由芯棒、芯棒槽、挡板、底座组成，挡板固定在底座四周，芯棒插入底座上的芯棒槽内，两者为间隙配合。
4.根据权利要求3所述高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板的制备方法，其特征在于：所述芯棒形状为圆形或正六边形，圆形芯棒的直径为10~20mm，正六边形芯棒外接圆直径为10~20mm，各个芯棒表面的间距为10~20mm。
5.根据权利要求1所述高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板的制备方法，其特征在于：所述预制体块埋入泡沫模表面下的深度为3-5mm，并在预制体块和泡沫模结合后的整体表面刷水基类表面光洁剂涂料。
6.根据权利要求1所述高耐磨WC颗粒增强钢铁基表层复合导板的制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述真空实型铸造复合工艺中的真空度为0.07~0.08 MPa。
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