CN114799063A - 碳氮化钛和碳化铬协同增强铁基复合材料叶轮的制备方法 - Google Patents
碳氮化钛和碳化铬协同增强铁基复合材料叶轮的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了碳氮化钛和碳化铬协同增强铁基复合材料叶轮的制备方法，采用输料管倾斜设置与直浇道夹角为a的工艺装备，按照体积份数称取增强体颗粒和EPS珠粒，先将有机黏结剂与EPS珠粒混合，再加入混合后的混合增强体混合，得到EPS珠粒表面粘结有混合增强体的松散料加入到输料管中，采用V‑EPC消失模铸造工艺制备叶轮，本发明无需制备特殊的消失模模样，且无需设计叶轮空腔，制备方法简单，叶轮铸件中增强颗粒分布均匀，铸件力学性能均匀。
Description
技术领域
本发明涉及碳氮化钛和碳化铬协同增强铁基复合材料叶轮的制备方法，属于机械零件铸造技术领域。
背景技术
腐蚀、磨损、断裂是机械设备及零件的三大失效方式。磨损使设备及零件失效，导致了能源和材料的浪费。因而，提升材料的摩擦磨损性能对于延长材料寿命、提高经济效益至关重要。
钢铁基复合材料可以灵活调配增强体和基体的性能，选择高硬度、高耐磨性的陶瓷颗粒和本身韧性较好的钢铁基体组合，可制备得到同时具有两类材料优势性能的钢铁基复合材料，在耐磨材料领域具有十分广阔的研发潜力和应用前景。但是，如何使陶瓷颗粒均匀分布于钢铁基体中来提高其耐磨性是本领域技术人员需要考虑的，尤其是像叶轮这种形状比较复杂的零件。
公开号为CN109439949B的专利公开了一种消失模铸造多孔陶瓷/镁合金复合材料的方法，采用3D打印挤出成型工艺制备出多孔陶瓷坯体，并将所述多孔陶瓷坯体进行干燥及烧结以形成多孔陶瓷；将所述多孔陶瓷嵌入到消失模模型内，将两者复合模型的外表面涂挂涂料并烘干后放入砂箱内进行振动紧实填砂造型；最后向复合模型内浇注镁合金金属液，所述镁合金液在真空负压及振动的条件下完成充型及凝固，进而得到多孔陶瓷/镁合金复合材料。但是，此种方法成本较高，不适合工厂的批量生产。
公开号为CN111482579B的专利提供了一种耐磨钢结硬质合金复合锤头及其制造方法。其步骤包括制备合金粉膏状体或冲压成预制体，后将合金粉膏状体贴敷或将干燥后的预制体固定在锤头锤面消失模模型上，造型后浇注高韧性的奥氏体锰钢或低碳合金钢熔液，高温钢液诱发合金粉膏状体或预制体中钛金属元素与碳元素发生燃烧反应，原位生成硬质相，冷却后经热处理，制造出高韧高硬耐磨钢结硬质合金复合锤头。此种方法的局限在于原位合成反应无法控制反应的程度，反应充分或不充分都会降低最终材料的性能，且此种方法仅适用于形状简单的零件，对于结构复杂的零件制备预制体及固定消失模模样将会很困难。
公开号为CN109465387B的专利公开了SiCp/EPS消失模及SiCp/Al铸造成形工艺，SiCp/EPS消失模制备工艺如下，1，混料制备：按体积份数称取SiC颗粒、稀土粉、EPS珠粒、黏结剂，并将称取的Si C颗粒、稀土粉、EPS珠粒、黏结剂混合均匀；2，将模具预热至工作温度后，进行下一步操作，3，利用压缩空气将混合材料填入模具，通入热蒸汽，并保持压力；4，保压结束后，解除热蒸汽；在模具背面喷水冷却，使模具冷却使材料温度降至软化温度以下，定形后出模，得到SiCp/EP消失模模样，再采用普通消失模铸造的方法制备SiCp/Al复合材料。
公开号为CN109465386B的专利公开了TiCp/EPS消失模制备及其钢基复合材料工艺，需要先制备TiCp/EPS消失模模样：按体积份数称取TiC颗粒、稀土粉、EPS珠粒、黏结剂，进行混合得到混料(此时的混料为松散料)，然后利用压缩空气将混料填入模具，并向模具内通热蒸汽，使得混料膨化粘结在一起，同时进行保压处理；冷却，降至软化温度以下，模样定形后出模，得到TiCp/EPS消失模模样。然后利用该TiCp/EPS消失模模样进行铸造得到铸件。
公开号为CN109482813B的专利公开了WCp/EPS消失模模样及WCp/Fe复合材料制备，所述WCp/EPS消失模模样制备方法包括以下步骤：按体积份数称取WC颗粒、稀土粉、EPS珠粒、黏结剂，并混合均匀，完成混料制备；预热模具，当模具温度达到100℃的工作温度，开始充填；利用压缩空气将混料填入模具，并通热蒸汽；解除热蒸汽后，在模具背面喷水进行冷却，使模样温度较快冷却到40℃～50℃，降至软化温度以下，模样定形后，出模。本发明提供的工艺方法，使得合金颗粒与基体间结合牢固，颗粒分散均匀、提高产品综合力学性能，通过消失模铸造可制作大型、形状复杂的WCp/Fe复合材料零件。
以上方法需要先制备含有陶瓷颗粒的消失模模样，然后利用该消失模模样进行铸造，增加了铸造工艺步骤，提高了生产成本；另外在实际生产中发现当增强体颗粒占比较高时，尤其是在制作像渣浆泵、脱硫泵、大型挖泥船泵叶轮这样的薄壁复杂件时，如叶轮的叶片部位壁厚较薄，当增强体颗粒体积达到9-10％后，再加上EPS珠粒表面粘附有陶瓷颗粒，使得EPS珠粒在成型的过程中膨胀困难，使叶轮叶片部位消失模模样难以成型，废品率很高。
公开号为CN 110000335B的专利公开了一种叶轮的铸造方法，包括以下工艺步骤：a、将EPS珠粒放入模具中，蒸制成型，得到叶轮消失模模型；b、将增强颗粒与EPS珠粒和黏结剂混合均匀，加入叶轮消失模模型中的叶轮空腔内；c、将浇注系统与叶轮消失模模型的空腔连接，在浇注系统和叶轮消失模模型表面涂抹耐火涂料，放入砂箱抽负压，金属液沿浇注系统进行浇注，冷却得到含增强颗粒的复合材料叶轮。
公开号为CN110000335B的专利解决了公开号为CN109465387B、CN109465386B、CN109482813B专利存在的叶轮叶片部位EPS珠粒成型困难，叶轮叶片部位消失模模样难以成型，废品率高的问题，经生产现场实际应用发现，也存在一些问题：a、金属液通过直浇道进入叶轮空腔时，将表面粘有陶瓷颗粒的EPS珠粒一起带入型腔，由于叶轮空腔直径较大，使得表面粘有陶瓷颗粒的EPS珠粒进入型腔时，没有规律性，陶瓷颗粒在铸件中的均匀性不可控制。b、由于金属液通过叶轮进入型腔，造成叶轮空腔部位形成厚大热节，造成该部位容易产生缩松、缩孔缺陷，为了避免该部位缺陷的产生，需要在叶轮空腔的上部增设冒口，这样带来的问题：(1)增加了金属液的消耗，(2)需要对冒口、叶轮空腔部位进行机械加工，增加了机械加工量，造成了材料的浪费，同时增加了加工成本。c、金属液通过叶轮空腔时，先冲入叶轮空腔的金属液带入型腔的颗粒较多，后进入叶轮空腔的金属液带入型腔的颗粒较少，换句话说，先进入金属液的叶轮型腔下部陶瓷颗粒偏多，后进入金属液的叶轮上部陶瓷颗粒偏少，造成叶轮上部和下部陶瓷颗粒含量不均匀，从而造成叶轮铸件的力学性能不均匀，实验分析结果和理论分析结果相同。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供碳氮化钛和碳化铬协同增强铁基复合材料叶轮的制备方法，该方法提高了复合材料的抗拉强度、冲击韧性及耐磨性，且工艺简单，便于操作，铸件成品率高，增强颗粒分布均匀，铸件力学性能均匀。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
碳氮化钛(TiNC)和碳化铬(Cr3C2)协同增强铁基复合材料叶轮的制备方法，采用V-EPC消失模铸造工艺制备叶轮，其中，所采用的工艺装备包括干砂砂箱和设置于干砂砂箱顶部的随流装置，所述干砂砂箱内部放置EPS叶轮消失模模样和与EPS叶轮消失模模样连通的内浇道，所述随流装置内部放置与内浇道连通的直浇道和位于直浇道顶部的浇口杯，所述直浇道的一侧设置有底部与直浇道连通的输料管，所述输料管与直浇道之间的夹角为a，输料管的顶部设置有高于随流装置的储料杯；
具体的制备方法包括如下步骤：
C1、按体积份数称取TiNC颗粒、Cr3C2颗粒及EPS珠粒，其中，TiNC颗粒加入量为：叶轮铸件体积的2％～6％；Cr3C2颗粒加入量为：叶轮铸件体积的1％～4％；EPS珠粒加入量为：叶轮铸件体积的45-75％；
C2、将EPS珠粒与有机黏结剂溶液在搅拌混合机中混合一段时间得到表面带有黏结剂的EPS珠粒，其中，有机黏结剂溶液的加入量为TiNC及Cr3C2颗粒总体积份数的40％-60％；
C3、将TiNC颗粒和Cr3C2颗粒在搅拌混合机中混合一段时间得到混合增强体；
C4、将C2中带有黏结剂的EPS珠粒和C3中的混合增强体在搅拌混合机中混合一段时间得到混合颗粒；
C5、砂箱造型，将混合颗粒装入储料包及输料管中，且直浇道用EPS叶轮消失模模样封堵，封堵高度高于输料管与直浇道接触口3～5cm；
C6、在浇口杯内浇注高铬铸铁金属液，浇注完毕冷却，翻箱、落砂，得到叶轮铸件；
C7、铸件热处理，加热温度1050℃，保温时间3h。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述TiNC颗粒为工业级TiNC陶瓷粉末，粒度为1250目；所述Cr3C2颗粒为工业级Cr3C2陶瓷粉末，粒度为1250目。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述有机黏结剂溶液的浓度为0.065g/ml。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述夹角a的范围：30°≤a≤60°。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述C2、C3、C4中的搅拌速率为120-200r/min，混合时间为30-50s。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述C6中的浇注温度为1490-1520℃，负压度为0.03-0.06MPa，冷却2-10小时。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤C7中铸件热处理，加热温度1050℃，保温时间3h。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述随流装置为树脂砂型或金属型。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明无需制备特殊的消失模模样，省略了EPS高压蒸汽膨化的步骤，降低了生产成本。该方法适用于各种形状的铸件，尤其是像叶轮这样的薄壁复杂件。其方法是先将增强体黏结在EPS珠粒上，再采用与直浇道具有一定夹角(即具有一定斜度)的输料管进行输送，随着高铬铸铁金属液的浇注，黏结有增强体的EPS珠粒会随高铬铸铁金属液的流动均匀分布于高铬铸铁金属液中，并在高温的作用下，EPS珠粒会消失，使得增强体均匀分布在铸件基体中，提高铸件的耐磨性。
本发明无需设计叶轮空腔，同时将浇注点改为叶轮空腔的上方，见附图1，避免出现缩松、缩孔的缺陷，同时无需进行后续机械加工，降低生产成本。
本发明随流装置可重复使用，降低了生产成本。直浇道与输料管的夹角、输料管和直浇道的直径可以根据铸件大小和结构复杂程度、增强颗粒的密度等进行设计，具有很强的通用性。
附图说明
图1是本发明砂箱造型结构图；
其中，1、EPS叶轮消失模模样，2、输料管，3、储料杯，4、浇口杯，5、随流装置，6、直浇道，7、干砂砂箱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
本发明所指的EPS珠粒是指聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene简称EPS)，是一种轻型高分子聚合物。它是采用聚苯乙烯树脂加入发泡剂，同时加热进行软化，产生气体，形成一种硬质闭孔结构的泡沫塑料。
有机黏结剂溶液为将酚醛树脂与松香混合物溶于无水乙醇中得到浓度为0.05-0.10g/ml的有机黏结剂溶液，酚醛树脂与松香的质量比为2-2.5:1。
实施例1：叶轮铸件体积为3900cm3
步骤1：取TiNC添加量为铸件体积的6％，则量取密度4.92g/cm3的TiNC颗粒1151.3g。取Cr3C2颗粒添加量为铸件体积的3％，则量取密度6.68g/cm3的Cr3C2颗粒781.6g。EPS珠粒取铸件体积的60％，取EPS珠粒2340ml。用无水乙醇配置0.065g/ml的有机黏结剂溶液取TiNC及Cr3C2总体积的50％，取175.5ml。
步骤2：将EPS珠粒与有机黏结剂溶液放入搅拌混合机中以100-200r/min混合10-20s。
步骤3：将TiNC和Cr3C2放入搅拌混合机中以100-200r/min混合40-60s。
步骤4：将步骤3和步骤4混合好的带有黏结剂的EPS珠粒与混合增强体放入搅拌混合机中以100-200r/min混合40-60s。
步骤5：采用中注式浇注系统与叶轮消失模模样3进行组合拼接，之后在模样表面刷涂料后进行烘干处理。
步骤6：放置模样，将步骤4混合好的表面粘有增强体的珠粒放入空心管1中，输料管2与直浇道6的水平夹角为45°，如图1所示，加砂震实，抽真空负压：负压度为0.04MPa。
步骤7：高铬铸铁金属液在1500℃下进行浇注，当直浇道中的模样熔化后输料管2中的表面粘有增强体的EPS珠粒将进入浇道，随金属液填充到铸件中，待铸件冷却到室温后，进行表面清理即可得到TiNC及Cr3C2联合增强的高铬铸铁基复合材料的叶轮铸件。
步骤8：铸件热处理，加热温度1050℃，保温时间3h。
实施例2：叶轮铸件体积为3900cm3
步骤1：取TiNC添加量为铸件体积的6％，则量取密度4.92g/cm3的TiNC颗粒1151.3g。取Cr3C2颗粒添加量为铸件体积的2％，则量取密度6.68g/cm3的Cr3C2颗粒521g。EPS珠粒取铸件体积的75％，取EPS珠粒2925ml。用无水乙醇配置0.065g/ml的有机黏结剂溶液取TiNC及Cr3C2总体积的50％，取156ml。
步骤2：将EPS珠粒与有机黏结剂溶液放入搅拌混合机中以100-200r/min混合10-20s。
步骤3：将TiNC和Cr3C2放入搅拌混合机中以100-200r/min混合40-60s。
步骤4：将步骤3和步骤4混合好的带有黏结剂的EPS珠粒与混合增强体放入搅拌混合机中以100-200r/min混合40-60s。
步骤5：采用中注式浇注系统与叶轮消失模模样3进行组合拼接，之后在模样表面刷涂料后进行烘干处理。
步骤6：放置模样，将步骤4混合好的表面粘有增强体的珠粒放入空心管1中，输料管2与直浇道6的水平夹角为60°，加砂震实，抽真空负压：负压度为0.05MPa。
步骤7：高铬铸铁金属液在1500℃下进行浇注，当直浇道中的模样熔化后输料管2中的表面粘有增强体的EPS珠粒将进入浇道，随金属液填充到铸件中，待铸件冷却到室温后，进行表面清理即可得到TiNC及Cr3C2联合增强的高铬铸铁基复合材料的叶轮铸件。
步骤8：铸件热处理，加热温度1050℃，保温时间3h。
实施例3：叶轮铸件体积为3900cm3
步骤1：取TiNC添加量为铸件体积的4％，则量取密度4.92g/cm3的TiNC颗粒767.5g。取Cr3C2颗粒添加量为铸件体积的1％，则量取密度6.68g/cm3的Cr3C2颗粒260.5g。EPS珠粒取铸件体积的60％，取EPS珠粒2340ml。用无水乙醇配置0.065g/ml的有机黏结剂溶液取TiNC及Cr3C2总体积的40％，取78ml。
步骤2：将EPS珠粒与有机黏结剂溶液放入搅拌混合机中以100-200r/min混合10-20s。
步骤3：将TiNC和Cr3C2放入搅拌混合机中以100-200r/min混合40-60s。
步骤4：将步骤3和步骤4混合好的带有黏结剂的EPS珠粒与混合增强体放入搅拌混合机中以100-200r/min混合40-60s。
步骤5：采用中注式浇注系统与叶轮消失模模样3进行组合拼接，之后在模样表面刷涂料后进行烘干处理。
步骤6：放置模样，将步骤4混合好的表面粘有增强体的珠粒放入空心管1中，输料管2与直浇道6的水平夹角为30°，加砂震实，抽真空负压：负压度为0.03MPa。
步骤7：高铬铸铁金属液在1490℃下进行浇注，当直浇道中的模样熔化后输料管2中的表面粘有增强体的EPS珠粒将进入浇道，随金属液填充到铸件中，待铸件冷却到室温后，进行表面清理即可得到TiNC及Cr3C2联合增强的高铬铸铁基复合材料的叶轮铸件。
步骤8：铸件热处理，加热温度1050℃，保温时间3h。
实施例4：叶轮铸件体积为5500cm3
步骤1：取TiNC添加量为铸件体积的2％，则量取密度4.92g/cm3的TiNC颗粒541.2g。取Cr3C2颗粒添加量为铸件体积的4％，则量取密度6.68g/cm3的Cr3C2颗粒1469.6g。EPS珠粒取铸件体积的45％，取EPS珠粒2475ml。用无水乙醇配置0.065g/ml的有机黏结剂溶液取TiNC及Cr3C2总体积的60％，取198ml。
步骤2：将EPS珠粒与有机黏结剂溶液放入搅拌混合机中以100-200r/min混合10-20s。
步骤3：将TiNC和Cr3C2放入搅拌混合机中以100-200r/min混合40-60s。
步骤4：将步骤3和步骤4混合好的带有黏结剂的EPS珠粒与混合增强体放入搅拌混合机中以100-200r/min混合40-60s。
步骤5：采用中注式浇注系统与叶轮消失模模样3进行组合拼接，之后在模样表面刷涂料后进行烘干处理。
步骤6：放置模样，将步骤4混合好的表面粘有增强体的珠粒放入空心管1中，输料管2与直浇道6的水平夹角为30°，如图1所示，加砂震实，抽真空负压：负压度为0.03MPa。
步骤7：高铬铸铁金属液在1490℃下进行浇注，当直浇道中的模样熔化后输料管2中的表面粘有增强体的EPS珠粒将进入浇道，随金属液填充到铸件中，待铸件冷却到室温后，进行表面清理即可得到TiNC及Cr3C2联合增强的高铬铸铁基复合材料的叶轮铸件。
步骤8：铸件热处理，加热温度1050℃，保温时间3h。
实施例5：叶轮铸件体积为7600cm3
步骤1：取TiNC添加量为铸件体积的3％，则量取密度4.92g/cm3的TiNC颗粒1121.8g。取Cr3C2颗粒添加量为铸件体积的3％，则量取密度6.68g/cm3的Cr3C2颗粒1523g。EPS珠粒取铸件体积的60％，取EPS珠粒4560ml。用无水乙醇配置0.065g/ml的有机黏结剂溶液取TiNC及Cr3C2总体积的55％，取250.8ml。
步骤2：将EPS珠粒与有机黏结剂溶液放入搅拌混合机中以100-200r/min混合10-20s。
步骤3：将TiNC和Cr3C2放入搅拌混合机中以100-200r/min混合40-60s。
步骤4：将步骤3和步骤4混合好的带有黏结剂的EPS珠粒与混合增强体放入搅拌混合机中以100-200r/min混合40-60s。
步骤5：采用中注式浇注系统与叶轮消失模模样3进行组合拼接，之后在模样表面刷涂料后进行烘干处理。
步骤6：放置模样，将步骤4混合好的表面粘有增强体的珠粒放入空心管1中，输料管2与直浇道6的水平夹角为30°，如图1所示，加砂震实，抽真空负压：负压度为0.05MPa。
步骤7：高铬铸铁金属液在1520℃下进行浇注，当直浇道中的模样熔化后输料管2中的表面粘有增强体的EPS珠粒将进入浇道，随金属液填充到铸件中，待铸件冷却到室温后，进行表面清理即可得到TiNC及Cr3C2联合增强的高铬铸铁基复合材料的叶轮铸件。
步骤8：铸件热处理，加热温度1050℃，保温时间3h。
对比例1：叶轮铸件体积为3900cm3(直接斜浇道添加增强体，不与EPS珠粒粘结)
步骤1：取TiNC添加量为铸件体积的6％，则量取密度4.92g/cm3的TiNC颗粒1151.3g。取Cr3C2颗粒添加量为铸件体积的3％，则量取密度6.68g/cm3的Cr3C2颗粒781.6g。
步骤2：将TiNC和Cr3C2放入搅拌混合机中以100-200r/min混合40-60s。
步骤3：采用中注式浇注系统与叶轮消失模模样3进行组合拼接，之后在模样表面刷涂料后进行烘干处理。
步骤4：放置模样，将步骤2混合好的表面粘有增强体的珠粒放入空心管1中，输料管2与直浇道6的水平夹角为45°，如图1所示，加砂震实，抽真空负压：负压度为0.04MPa。
步骤5：高铬铸铁金属液在1500℃下进行浇注，当直浇道中的模样熔化后输料管2中的表面粘有增强体的EPS珠粒将进入浇道，随金属液填充到铸件中，待铸件冷却到室温后，进行表面清理即可得到TiNC及Cr3C2联合增强的高铬铸铁基复合材料的叶轮铸件。
步骤6：铸件热处理，加热温度1050℃，保温时间3h。
对比例2：叶轮铸件体积为3900cm3(斜浇道与直浇道的夹角为70度)
步骤1：取TiNC添加量为铸件体积的6％，则量取密度4.92g/cm3的TiNC颗粒1151.3g。取Cr3C2颗粒添加量为铸件体积的3％，则量取密度6.68g/cm3的Cr3C2颗粒781.6g。EPS珠粒取铸件体积的60％，取EPS珠粒2340ml。用无水乙醇配置0.065g/ml的有机黏结剂溶液取TiNC及Cr3C2总体积的50％，取175.5ml。
步骤2：将EPS珠粒与有机黏结剂溶液放入搅拌混合机中以100-200r/min混合10-20s。
步骤3：将TiNC和Cr3C2放入搅拌混合机中以100-200r/min混合40-60s。
步骤4：将步骤3和步骤4混合好的带有黏结剂的EPS珠粒与混合增强体放入搅拌混合机中以100-200r/min混合40-60s。
步骤5：采用中注式浇注系统与叶轮消失模模样3进行组合拼接，之后在模样表面刷涂料后进行烘干处理。
步骤6：放置模样，将步骤4混合好的表面粘有增强体的珠粒放入空心管1中，输料管2与直浇道6的水平夹角为70°，如图1所示，加砂震实，抽真空负压：负压度为0.04MPa。
步骤7：高铬铸铁金属液在1500℃下进行浇注，当直浇道中的模样熔化后输料管2中的表面粘有增强体的EPS珠粒将进入浇道，随金属液填充到铸件中，待铸件冷却到室温后，进行表面清理即可得到TiNC及Cr3C2联合增强的高铬铸铁基复合材料的叶轮铸件。
步骤8：铸件热处理，加热温度1050℃，保温时间3h。
对比例3：叶轮铸件体积为3900cm3(增强相只采用TiNC颗粒)
与实施例1的区别在于增强相只采用TiNC颗粒，添加量为铸件体积的9％，则量取密度4.92g/cm3的TiNC纤维1726.9g。
对比例4：叶轮铸件体积为3900cm3(增强相只采用Cr3C2颗粒)
与实施例1的区别在于增强相只采用Cr3C2颗粒，添加量为铸件体积的9％，则量取密度6.68g/cm3的颗粒2344.7g。
对比例5：叶轮铸件体积为3900cm3
a、利用消失模模样专用设备将EPS珠粒充型进入叶轮模具型腔内，通入110℃的水蒸气，蒸制2min，成型后通冷却水使模具冷却，取出得到的叶轮消失模模型；
b、按照本发明实施例1的步骤1-4进行操作，得到混合好的带有黏结剂的EPS珠粒与混合增强体，且体积与叶轮空腔的体积相同，将混合好的带有黏结剂的EPS珠粒与混合增强体加入叶轮中心的叶轮空腔；
c、将叶轮空腔用泡沫板封闭，然后将浇注系统的横浇道粘接在泡沫板外侧；在浇注系统和叶轮消失模模型表面涂抹耐火涂料，在50℃的烘干温度下进行烘干，并重复三次，每次烘干时间为7h；将粘接好浇注系统的叶轮消失模模型放入砂箱，加砂震实，真空抽负压至负压度为0.03MPa，铁液沿浇注系统3进行浇注，浇注温度为1410℃，浇注速度为14mm·s-1，冷却后得到含增强颗粒的复合材料叶轮(具体步骤参照公开号为CN110000335B专利的实施例1)。
对实施例及对比例的性能进行检测：
按照GB/T 228.1-2010抗拉强度测试标准、GBT 229-2020冲击试验标准及T/CFA010604.6-2018金属材料三体磨料磨损试验方法进行检测。以不添加TiNC颗粒及Cr3C2颗粒，按照消失模铸造工艺制得的高铬铸铁的叶轮铸件为空白样。
经检测，上述实施例1-5的叶轮铸件的性能分别与空白样进行对比，力学性能得到很大提升，最终叶轮铸件的抗拉强度提高26％以上，冲击韧性提高38％以上，耐磨性提高2.3-3.5倍。
同时，上述实施例与对比例1相比，最终的叶轮铸件的抗拉强度提高15.7％以上，冲击韧性提高16.6％以上，耐磨性提高0.6-1.7倍。
上述实施例与对比例2相比，最终的叶轮铸件的抗拉强度提高5.5％以上，冲击韧性提高4.8％以上，耐磨性提高0.3-1.1倍。
上述实施例与对比例3相比，最终的叶轮铸件的抗拉强度提高11％以上，冲击韧性提高7.8％以上，耐磨性提高0.6-1.4倍。
上述实施例与对比例4相比，最终的叶轮铸件的抗拉强度提高11.3％以上，冲击韧性提高8.1％以上，耐磨性提高0.7-1.5倍。
上述实施例与对比例5相比，最终的叶轮铸件的抗拉强度提高14.1％以上，冲击韧性提高10.5％以上，耐磨性提高0.7-1.2倍。
增强相均匀性检测：
颗粒在高铬铸铁基体中的分布的均匀性问题用颗粒的标准偏差来表征，选定金相组织照片的某一视场，将其分成若干个面积相等的方形区域，计数每个区域内的颗粒个数，然后计算出颗粒的标准偏差σ，计算公式如下：
式中σ——表示颗粒数的标准偏差；
ai——表示各网格中包含颗粒的数量；
N——表示网格的总数量。
复合材料颗粒分布的均匀性用颗粒的标准偏差来表征，标准偏差越大，颗粒在基体中就越不均匀。
检测时分别取叶轮铸件上、下、左、右四个部位的金相组织照片分别计算标准偏差，然后求的平均值。
经检测，上述实施例1中叶轮铸件平均标准偏差为1.12，比对比例5铸造的叶轮的平均标准偏差降低了33.7％；实施例2的平均标准偏差为1.19，实施例3的平均标准偏差为1.23，实施例4的平均标准偏差值为1.24，实施例5的平均标准偏差值为1.26。
另外，对比例1的平均标准偏差为1.73，对比例2的平均标准偏差为1.22，比例3的平均标准偏差值为1.30，对比例4的平均标准偏差值为1.29，对比例5的平均标准偏差值为1.69。
Claims (8)
1.碳氮化钛和碳化铬协同增强铁基复合材料叶轮的制备方法，其特征在于：采用V-EPC消失模铸造工艺制备叶轮，其中，所采用的工艺装备包括干砂砂箱（7）和设置于干砂砂箱（7）顶部的随流装置（5），所述干砂砂箱（7）内部放置EPS叶轮消失模模样（1）和与EPS叶轮消失模模样（1）连通的内浇道，所述随流装置（5）内部放置与内浇道连通的直浇道（6）和位于直浇道（6）顶部的浇口杯（4），所述直浇道（6）的一侧设置有底部与直浇道（6）连通的输料管（2），所述输料管（2）与直浇道（6）之间的夹角为a，输料管（2）的顶部设置有高于随流装置（5）的储料杯（3）；
具体的制备方法包括如下步骤：
C1、按体积份数称取TiNC颗粒、Cr3C2颗粒及EPS珠粒，其中，TiNC颗粒加入量为：叶轮铸件体积的2%~6%；Cr3C2颗粒加入量为：叶轮铸件体积的1%~4%；EPS珠粒加入量为：叶轮铸件体积的45-75%；
C2、将EPS珠粒与有机黏结剂溶液在搅拌混合机中混合一段时间得到表面带有黏结剂的EPS珠粒，其中，有机黏结剂溶液的加入量为TiNC及Cr3C2颗粒总体积份数的40%-60%；
C3、将TiNC颗粒和Cr3C2颗粒在搅拌混合机中混合一段时间得到混合增强体；
C4、将C2中带有黏结剂的EPS珠粒和C3中的混合增强体在搅拌混合机中混合一段时间得到混合颗粒；
C5、砂箱造型，将混合颗粒装入储料包（3）及输料管（2）中，且直浇道（6）用EPS叶轮消失模模样（1）封堵，封堵高度高于输料管（2）与直浇道（6）接触口3~5cm；
C6、在浇口杯（4）内浇注高铬铸铁金属液，浇注完毕冷却，翻箱、落砂，得到叶轮铸件；
C7、铸件热处理。
2.根据权利要求1所述的碳氮化钛和碳化铬协同增强铁基复合材料叶轮的制备方法，其特征在于：所述TiNC颗粒为工业级TiNC陶瓷粉末，粒度为1250目；所述Cr3C2颗粒为工业级Cr3C2陶瓷粉末，粒度为1250目。
3.根据权利要求1所述的碳氮化钛和碳化铬协同增强铁基复合材料叶轮的制备方法，其特征在于：所述有机黏结剂溶液的浓度为0.065g/ml。
4.根据权利要求1所述的碳氮化钛和碳化铬协同增强铁基复合材料叶轮的制备方法，其特征在于：所述夹角a的范围：30°≤a≤60°。
5.根据权利要求1所述的碳氮化钛和碳化铬协同增强铁基复合材料叶轮的制备方法，其特征在于：所述C2、C3、C4中的搅拌速率为120-200r/min，混合时间为30-50s。
6.根据权利要求1所述的碳氮化钛和碳化铬协同增强铁基复合材料叶轮的制备方法，其特征在于：所述C6中的浇注温度为1490-1520℃，负压度为0.03-0.06MPa，冷却2-10小时。
7.根据权利要求1所述的碳氮化钛和碳化铬协同增强铁基复合材料叶轮的制备方法，其特征在于：所述步骤C7中铸件热处理，加热温度1050℃，保温时间3h。
8.根据权利要求1所述的碳氮化钛和碳化铬协同增强铁基复合材料叶轮的制备方法，其特征在于：所述随流装置（5）为树脂砂型或金属型。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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