CN1273152A - 制备铁基表面复合材料的铸造烧结法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的制备铁基表面复合材料的铸造烧结法,是将陶瓷粉或/和可生成碳化物陶瓷的组分与易熔合金粉混匀,并按粉末冶金的成型方法制成压坯并固定于铸型表面,利用铸造浇注的高温钢水或铁水的热量,直接将压坯烧结在铸件母体上。本方法所用设备简单,生产工序少、成本低,能制备各种形状的铸件,烧结的表面复合层与母体的结合强度高,表面平整,厚度易于控制,是便于实现产业化的新型复合技术,同时也为零件表面强化提供了一条新的途径。

Description

制备铁基表面复合材料的铸造烧结法

本发明属于金属基复合材料制造技术领域，是将粉末冶金与铸造这两个不同的学科交叉结合而衍生出的一种制备具有以陶瓷颗粒增强的表面复合材料层的铸钢件或铸铁件的铸造烧结法。

现代工业的发展迫切需要能在高温、高速和剧烈磨损工况下工作的结构件，铁基——陶瓷颗粒复合材料就是在这一需求下产生的。目前，制造铁基——陶瓷颗粒复合材料的方法可分为固相成型和液相成型两大类。其中以粉末冶金为代表的固相成型法是将粒度较小的陶瓷粉料和合金粉料加入成型剂混匀，在较高的压力下压制成型，并在高温下长时间烧结制造而成(李荣久主编，陶瓷——金属复合材料，1995年，冶金工业出版社，北京)。该方法虽具有颗粒均匀分散，增强相体积分数高，烧结的零件尺寸精度和表面质量好等优点，但存在着设备投资大、生产成本高、工件的形状和大小受到一定限制等缺点，仅能用于制造刀具和钻探工具等。而以铸造为代表的液相成型法则是将陶瓷颗粒加入熔炼后的金属液中混合后浇注(张静、潘复生等，铁基复合材料的现状和发展，材料导报，1995，No.1，67)。该方法具有便于一次成型形状复杂构件，构件可大可小且设备投资少等优点，但颗粒的均匀分散一直是一个难以解决的问题。

近年来，Terry、Chrysanthou和Raghunath等人通过向炉内铁液或钢液中加入Ti-Fe和碳，使之反应生成TiC再浇注成型得到了Fe-TiC整体复合材料(Chrysan-thou A等，J.Mater Lett，1996，15，473)。这种原位生成Fe-TiC复合材料的方法成本低，生成的TiC颗粒小，表面无污染，但复合材料中TiC的体积分数较低，且TiC与Fe的密度相差较大，造成TiC颗粒仍分布不均匀，使这种方法难以推广应用。而且研究还表明颗粒增强整体复合材料往往会损害工件的韧性，增加成本并给材料回用带来困难。

为了克服陶瓷颗粒增强整体复合材料存在的缺陷，同时充分发挥金属材料热稳定性好，强度和韧性高的特性，近几年来国内几所大学开展了铁基——陶瓷颗粒表面复合材料的研究，即在作为母体的金属材料表面覆盖一层铁基——陶瓷颗粒复合材料，以满足构件在使用中所需要的外硬内韧的性能要求。其中西安交大采用的是负压铸渗法制造铁基表面复合材料(王恩泽等，铸渗法制备颗粒增强钢基复合材料的研究，复合材料学报，1998，No.2，12)，而本专利发明人则是采用的是铸渗原位反应法制造表面复合材料(王一三等，原位生成Fe-VC_0.88自润滑表面复合材料的研究，热加工工艺，1998，No.6，3)。铸渗法制造铁基表面复合材料基本上解决了陶瓷颗粒分布均匀性问题，增强相的体积分数也较高，但由于其主要是靠高温液相金属对涂敷颗粒层的完全渗透、熔合实现致密化的，因而存在工艺因素不稳定；表面质量差，易出现孔洞且又不平整；表层厚度难以控制等问题，严重阻碍了铁基表面复合材料的生产和应用。

本发明的目的是解决已有技术存在的问题，拟提供一种新的复合技术，即将粉末冶金与铸造有机结合的、制备铁基表面复合材料的铸造烧结法。

本发明的目的是由这样一种技术解决方案达到：即将陶瓷粉或/和可生成碳化物陶瓷的组分与易熔合金粉在球磨机中混合均匀，再按粉末冶金成型方法制成压坯并固定在铸型表面，然后利用铸造浇注的高温钢水或铁水的热量，直接将压坯烧结在铸件母体上。

上述技术解决方案是通过下述工艺步骤来具体进行的：

①将粒度≤50μm的陶瓷粉或/和可生成碳化物陶瓷的组分30～70％(重量)和粒度≤50μm的易熔合金粉30～70％(重量)以及为粉料总重量8～20％的无水乙醇加入球磨机中，湿混8～48小时，转速为60～200转/分；

②将混匀的粉料烘干，加入粘结剂2～7％(重量)混匀后，在100～1000MPa的单位压力下压制成厚度为2～12毫米的压坯；

③将压坯固定在铸型表面，然后在120～180℃烘烤4～8小时；

④在电弧炉或感应电炉中熔炼中、低碳钢、低合金钢或灰铸铁或球墨铸铁，并将过热的钢水或铁水浇入铸型，浇注温度为1500～1650℃，凝固冷却后即成。

其中所用陶瓷粉为碳化钛粉或碳化钨粉，也可为镍包二氧化锆粉或镍包三氧化二铝粉。

可生成碳化物陶瓷的组分是粒度≤50μm的钒铁粉或钛铁粉30～60％(重量)和粒度≤50μm的活性碳粉、碳化硅粉、生铁粉中的至少一种，含量2～35％(重量)。

所用的易熔合金粉的成分是Cr 8～30％、Ni 10～60％、Si 1.4～4.5％、B 1.2～3.5％、Fe 13～70％、C 0.15～1.5％、Mo 0～10％，以上成分均为重量百分比。

所用的粘结剂为水玻璃或浓度为4～6％的聚乙烯醇水溶液，其用量为压坯粉料总重的2～7％。

压坯可选用粘结剂粘贴或选用钢丝固定在铸型表面。如选用粘结剂粘贴，可用浓度为1～8％的聚乙烯醇水溶液。

考虑到薄壁小件如壁厚＜35毫米的铸件，如果因浇注的钢水或铁水的热容量不够，使铁基表面复合材料层的烧结致密化过程未能全部完成，可采取补充烧结措施：即在铸件浇注凝固后，将铸件置于内有木炭或焦碳的密封箱体内，再放入高温加热炉中或直接将铸件放入真空烧结炉中，加热到950～1100℃并在此温度保温8～24小时。

本发明与已有技术相比，具有以下优点：

1.由于本发明是利用铸造过程浇注的钢水和铁水的热量在铸型表面的压坯中实现大液相量快速烧结，而使其致密化，整个过程在铸造时一次完成，因此就可克服粉末冶金法的不足，可生产大小不一、形状各异的各种铸件，工序少，生产周期短，成本低，而且不需要专门的设备，在具有电弧炉或感应电炉的普通铸造车间就可进行，设备投资少。

2.由于本发明只在铸件需要耐磨、耐热的表面生成表面复合层，而铸件本体和其它部位仍为价廉的普通中、低碳钢、低合金钢、球墨铸铁或灰铸铁，因而与整体复合材料相比，不仅可节省大量昂贵的陶瓷粉和合金，而且其铸件的综合性能好，可达到外硬内韧，能满足在高温、高速和剧烈磨损工况下工作的要求。同时，废旧零件的回用问题也能较好解决。

3.由于本发明是依靠压坯的快速液相烧结实现表面复合层的致密化，因此可以克服铸渗法的缺点，使表面复合层具有增强相的体积分数高，表面平整，质量好，厚度稳定，易于控制等优点。

4.由于本发明能够在铸造过程中，直接在铸钢或铸铁件表面烧结具有特殊组织和性能的铁基陶瓷颗粒表面复合层，因而不仅为零件的表面强化开劈了一条新的途径，而且与传统的表面强化方法相比，具有与母体结合强度高，厚度大，生产工序少，设备简单，生产成本低等优点，应用前景广泛。

下面给出本发明实施例，并作进一步说明，但本发明不局限于这些例子。

实施例1～12

(1)制造铸型  在水洗砂或擦洗砂中加入浓度为10％的聚乙烯醇水溶液4～6％制造铸型，或用常规的水玻璃砂或粘土砂或树脂砂制造铸型，并于120～160℃烘烤3～8小时取出；涂刷防粘砂涂料，浇注铁水涂刷石墨涂料，浇注钢水涂刷刚玉粉涂料；再于120～160℃烘烤1～2小时取出待用。

(2)制造压坯  按表1所列各实施例的组分配比，将粒度≤50μm的各种粉料一起置于球磨机中，并加入为粉料总重量8～20％的无水乙醇，湿混8～48小时，转速为60～200转/分。由于在湿混过程中还伴有进一步磨细粉料的作用，故可根据实际加入粉料粒度的大小，在上述范围内选择湿混时间和转速。一般来说，加入的粉料细，混制时间和转速可偏下限取，反之，则偏上限取。但是对于实施例3、4，由于其陶瓷粉料为镍包三氧化二铝或镍包二氧化锆，为了不破坏该粉料的包覆结构，其混制时间可为8小时，转速应控制为60转/分。

其中各实施例所加的易熔合金粉各成分的配比对应见于表2。

将混匀后的粉料取出烘干，加入为粉料总重2～7％的粘结剂，混匀后，装入金属模具在液压机上，以100～1000MPa的单位压力压制成厚度为2～12毫米的压坯。压坯厚度可根据铸件壁厚选择，铸件壁薄偏下限选，壁厚偏上限选，铸件最小壁厚不应低于20毫米。粘结剂可为水玻璃或浓度为4～6％的聚乙烯醇水溶液。如选用水玻璃其加入量为3～6％。单位压力是根据压坯厚度大小来选择，压坯薄，偏下限选，反之，则偏上限选。

(3)压坯的固定  可用粘结剂或钢丝将压坯固定在铸型表面。如果用粘结剂固定，粘结剂为浓度1～8％的聚乙烯醇水溶液，固定时需同时在铸型表面和压坯底面涂刷后贴压。为了除去其中所含水份，压坯固定后在120～180℃烘烤4～8小时，取出合箱等待浇注。

(4)熔炼铁水或钢水  将相应炉料在电弧炉或感应电炉中按常规方法熔炼钢水或铁水，并进行相应的处理。

(5)浇注和烧结  将过热铁水或钢水浇入铸型，浇注温度为1500～1650℃。薄壁件偏上限取，厚大件偏下限取。开始浇注时速度要快要平稳，不能断流，后期浇注速度可适当减慢至浇满。压坯中易熔合金粉料在铁水或钢水的高温下，熔化成液相，并充填陶瓷粉之间的空隙，作用于陶瓷颗粒间的毛细管力和颗粒间液相的粘性流动，使压坯中的陶瓷颗粒调整位置，重新分布以达到最紧密的排列，结果使颗粒间距离缩小，互相接触，粘结并形成连续骨架而实现烧结致密化。

实施例13

本实施例制作的压坯成分和铸件母体材料同实施例1，制造工序同前，略。但由于其浇注的铸件母体壁厚只有30毫米，铁水热容量较小，致使铁基表面复合材料层的烧结致密化过程未能全部完成，故铸件凝固冷却后，取出铸件并将铸件与0.5kg焦碳粉一起置入一密封的铸铁箱内，再放入高温电阻炉中加热到1050℃，保温10小时，然后随炉冷却到室温，即可在铸件表面得到烧结好的致密的含有TiC的复合层。

                               表1

                               表2

Claims (8)

1.一种制备铁基表面复合材料的铸造烧结法，其特征在于将陶瓷粉或/和可生成碳化物陶瓷的组分与易熔合金粉在球磨机中混合均匀，再按粉末冶金成型方法制成压坯并固定在铸型表面，然后利用铸造浇注的高温钢水或铁水的热量，直接将压坯烧结在铸件母体上。

2.根据权利要求1所述的铸造烧结法，其特征在于：

①将粒度≤50μm的陶瓷粉或/和可生成碳化物陶瓷的组分30～70％(重量)，和粒度≤50μm的易熔合金粉30～70％(重量)以及为粉料总重量8～20％的无水乙醇加入球磨机中，湿混8～48小时，转速为60～200转/分；

②将混匀的粉料烘干，加入粘结剂2～7％(重量)混匀后，在100～1000MPa的单位压力下压制成厚度为2～12毫米的压坯；

③将压坯固定在铸型表面，然后在120～180℃烘烤4～8小时；

④在电弧炉或感应电炉中熔炼中、低碳钢、低合金钢或灰铸铁或球墨铸铁，将过热钢水或铁水浇入铸型，浇注温度为1500～1650℃，凝固冷却后即成。

3.根据权利要求1或2所述的铸造烧结法，其特征在于可生成碳化物陶瓷的组分是粒度≤50μm的钒铁粉或钛铁粉30～60％(重量)和粒度≤50μm的活性碳粉、碳化硅粉、生铁粉中的至少一种，含量2～35％(重量)。

4.根据权利要求1或2所述的铸造烧结法，其特征在于陶瓷粉为碳化钛粉或碳化钨粉，也可为镍包二氧化锆粉或镍包三氧化二铝粉。

5.根据权利要求1或2所述的铸造烧结法，其特征在于易熔合金粉的成分是Cr 8～30％(重量)，Ni 10～60％(重量)，Si 1.4～4.5％(重量)，B 1.2～3.5％(重量)，Fe 13～70％(重量)、C 0.15～1.5％(重量)，Mo 0～10％(重量)。

6.根据权利要求1或2或所述的铸造烧结法，其特征在于对壁厚＜35毫米的铸件，浇注凝固后，将具有铁基表面复合材料层的铸件置于内有木炭或焦碳的密封箱体内，再放入高温加热炉中或直接将铸件放入真空烧结炉中，加热到950～1100℃并在此温度保温8～24小时。

7.根据权利要求2所述的铸造烧结法，其特征在于粘结剂为水玻璃或浓度为4～6％的聚乙烯醇水溶液，其用量为压坯粉料总重的2～7％。

8.根据权利要求2所述的铸造烧结法，其特征在于压坯是用浓度为1～8％的聚乙烯醇水溶液粘贴或用钢丝固定在铸型表面。