專利名稱：一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼基表層復(fù)合棒材制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合棒材制備，特別是一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼基表層復(fù)合金屬棒材的制備方法。
背景技術(shù)：
耐磨鋼棒適用于水泥廠、電廠、礦山、石英砂廠、硅砂廠、砂加氣、煤化工、加氣混凝土廠等眾多棒磨機(jī)、磨煤機(jī)用戶廠家，市場(chǎng)需求量巨大?，F(xiàn)在市場(chǎng)上所用鋼棒乃鋼廠軋鋼而成，由于耐磨性能較差，因而普遍使用壽命短，在使用時(shí)消耗量極大，造成資源大量浪費(fèi)。棒磨機(jī)、磨煤機(jī)的使用工況要求鋼棒具有較高的耐磨性，同時(shí)還應(yīng)兼具較高的強(qiáng)度和韌性。高耐磨性要求材料的硬度要高，而硬度過高則導(dǎo)致材料的韌性下降。目前市場(chǎng)上耐磨鋼棒大部分采用鋼廠經(jīng)軋鋼而成的普通低合金鋼棒，這種低合金鋼棒的強(qiáng)度和韌性好，但是耐磨性較差。國內(nèi)還有生產(chǎn)廠家開發(fā)出了一種新的高合金耐磨鋼棒，鋼棒的耐磨效果比一般軋鋼鋼棒有了較大的提高，延長(zhǎng)了使用壽命，因而節(jié)約了成本。但是應(yīng)該看到，這種高合金耐磨鋼棒整體仍為單一材質(zhì)，其耐磨性能仍顯不足，而且不能做到耐磨性與經(jīng)濟(jì)性能的最優(yōu)化。此外，國內(nèi)還有人研究了一種將一般普通鋼棒作為芯棒，再在外層包裹一層高鉻鑄鐵的復(fù)合耐磨棒，試圖使鋼棒具有很高的耐磨性，同時(shí)還兼具較高的強(qiáng)度和韌性。但是，外層的高鉻鑄鐵和芯棒難以做到冶金結(jié)合，因而高鉻鑄鐵包覆層在使用過程中容易發(fā)生破碎和脫落。因此這種方法仍然存在一定缺陷。復(fù)合材料可針對(duì)不同的工況人為地對(duì)材料的主要組成相(基體相和硬質(zhì)相)進(jìn)行設(shè)計(jì)、控制及選用，可突破傳統(tǒng)單一材料設(shè)計(jì)的局限性，全面提高材料在各種復(fù)雜工況條件下的使用性能，既保持了金屬材料韌性、塑性優(yōu)良的特點(diǎn)，又能發(fā)揮高硬度增強(qiáng)材料耐磨性好的特點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。對(duì)鑄鐵進(jìn)行WC顆粒增強(qiáng)復(fù)合在國內(nèi)外報(bào)道較多，主要有液態(tài)鑄滲法，即采用普通鑄滲工藝分別以高鉻鐵粉、WC粉為反應(yīng)源，以聚乙烯醇、酚醛樹脂、樹脂酒精溶液為粘結(jié)劑， 將合金粉末制成膏狀，將灰鑄鐵、球墨鑄鐵或碳鋼金屬液滲透到高鉻鐵粉和WC粉的間隙， 在熱效應(yīng)作用下，燒結(jié)并反應(yīng)形成碳化物。但是，這種工藝必須使用大量粘結(jié)劑，從而導(dǎo)致大量氣孔和夾渣。有學(xué)者為了解決陶瓷顆粒分散不均勻、陶瓷顆粒體積分?jǐn)?shù)難以控制等問題，選擇一定厚度的多孔陶瓷與金屬基體進(jìn)行復(fù)合，但網(wǎng)狀的多孔陶瓷對(duì)金屬基體的割裂作用較為嚴(yán)重、對(duì)整體復(fù)合材料的力學(xué)性能損傷很大。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)在市場(chǎng)上產(chǎn)品(軋鋼鋼棒、合金鋼棒)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提出一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼基表層復(fù)合棒材制備方法，該方法生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)的材料組織致密，表層強(qiáng)化相粒子彌散分布，耐磨度高，整體強(qiáng)度韌性好。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案予以實(shí)現(xiàn)一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼基表層復(fù)合棒材制備方法，其特征在于，按下列步驟進(jìn)行1)進(jìn)行砂型的制造，并在砂型的型腔表面涂覆一層增碳劑，再把鎢絲酸洗后制成螺旋形，并放置于砂型的型腔內(nèi)；增碳劑由粘土和細(xì)石墨粉構(gòu)成，并用水調(diào)成稀糊狀，增碳劑中石墨含量的確定原則為石墨鎢絲=1. 1 1，比例為摩爾比；2)將融化的鋼液澆注進(jìn)砂型的型腔中，凝固得到金屬棒；3)將金屬棒進(jìn)行表面除銹，然后在其外表面涂敷一層0. 8mm 1. Omm的支持膜，支持膜由水玻璃和石英粉構(gòu)成，石英粉占45wt% ；4)待支持膜烘干后放入?yún)^(qū)熔感應(yīng)器進(jìn)行表層區(qū)域熔化，區(qū)熔溫度控制在高于金屬棒熔點(diǎn)的20°C 30°C范圍內(nèi)，并快速凝固，即得到碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼基表層復(fù)合棒材。再經(jīng)過切割、機(jī)械校直等加工方法，達(dá)到要求的尺寸。本發(fā)明的方法生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)時(shí)間短、節(jié)約能源，生產(chǎn)的碳化物顆粒表層強(qiáng)化的表面耐磨金屬棒材組織致密、碳化物增強(qiáng)相與基體金屬界面結(jié)合強(qiáng)度高、第二相分布均勻、 材料的力學(xué)性能好。能夠很好的解決材料的高耐磨性，同時(shí)還兼具較高的強(qiáng)度和韌性的矛盾。該發(fā)明的使用范圍廣泛，可用于制造不同碳化物顆粒表層強(qiáng)化的表面耐磨金屬棒材的生產(chǎn)。棒材的尺寸規(guī)格完全可以按照客戶的需求進(jìn)行調(diào)整，靈活性大大提高，去除了不必要的浪費(fèi)。


圖1是本發(fā)明的方法制備的碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼基表層復(fù)合棒材結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的工藝流程圖。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式研究表明，碳化鎢(WC)顆粒由于其具有較高的比剛度、比模量、低熱膨脹系數(shù)以及良好的熱穩(wěn)定性、耐磨性，因此利用碳化鎢(WC)作為強(qiáng)化相，在鋼棒的表層制備出具有一定厚度的含碳化鎢(WC)顆粒增強(qiáng)相的復(fù)合層，通過W元素與C之間的反應(yīng)，在金屬基體內(nèi)原位合成高硬度、高彈性模量的硬質(zhì)增強(qiáng)相WC，從而達(dá)到強(qiáng)化金屬基體的目的。能夠很好的解決材料的高耐磨性，同時(shí)還兼具較高的強(qiáng)度和韌性的矛盾。本發(fā)明在吸取傳統(tǒng)碳化鎢(WC)原位合成顆粒金屬基復(fù)合材料制備方法的基礎(chǔ)上，并依據(jù)區(qū)熔理論、快速凝固理論、粒子漂浮等理論，通過強(qiáng)化相金屬螺旋絲復(fù)合+澆鑄+ 區(qū)熔+快速凝固工藝制備出碳化鎢(WC)顆粒表面強(qiáng)化金屬基復(fù)合系列棒材。實(shí)施例1 制備碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼基表層復(fù)合金屬棒材本實(shí)施例利用微米級(jí)直徑鎢絲，通過W元素與C之間的反應(yīng)，在金屬基體內(nèi)原位合成高硬度、高彈性模量的硬質(zhì)增強(qiáng)相WC，從而形成以高強(qiáng)度高韌性合金鋼為基體，以一定體積分?jǐn)?shù)的WC顆粒為抗磨硬質(zhì)相的WC顆粒/金屬基復(fù)合棒材。這樣既保持了金屬材料韌性、 塑性優(yōu)良的特點(diǎn)，又能發(fā)揮高硬度增強(qiáng)材料耐磨性好的特點(diǎn)，因此應(yīng)用前景十分廣闊。而且通過合理選擇制備工藝，可有效地控制增強(qiáng)顆粒WC的大小、分布、數(shù)量和復(fù)合層的厚度。本實(shí)施例的碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼基表層復(fù)合金屬棒材的具體生產(chǎn)操作過程如圖1 和圖2所示
把要作為強(qiáng)化相的一定直徑Q00-300 μ m)的鎢絲3酸洗后按照一定的規(guī)格要求制成螺旋彈簧狀，螺距和螺旋的直徑依據(jù)將來要形成的WC的分布、數(shù)量和復(fù)合層的厚度而定。利用水玻璃砂制作砂型1，成型型腔為圓柱形，待砂型1硬化后，在砂型1內(nèi)表面涂覆增碳劑2，增碳劑2由粘土和細(xì)石墨粉構(gòu)成，并用水調(diào)呈稀糊狀。增碳劑中石墨含量的確定原則為石墨鎢絲=1. 1 1，比例為摩爾比。待增碳劑2干燥后，將螺旋狀鎢絲3放置于型腔砂型1中。將熔化好的具有一定溫度的鋼液澆注進(jìn)砂型1的型腔中，鋼水的溫度控制在高于熔點(diǎn)30°C 50°C，等金屬液凝固到室溫后得到金屬鋼棒4。再對(duì)金屬鋼棒4進(jìn)行表面除銹，在外表面涂敷一層厚0. 8-1. Omm 水玻璃支持膜5，并烘干，支持膜5由水玻璃和石英粉構(gòu)成，配比為石英粉占45wt%，并烘干。將帶有干支持膜5的金屬棒4通過區(qū)熔感應(yīng)器5加熱進(jìn)行區(qū)域快速表層熔化，再快速凝固?？刂迫蹍^(qū)高度為15mm 35mm，金屬棒4的上下運(yùn)動(dòng)速度為1. 5mm/s 3. 2mm/s,區(qū)熔溫度控制在高于基體材料(金屬棒4)熔點(diǎn)的20°C 30°C范圍內(nèi)，區(qū)熔一般為1-2次。區(qū)熔完成后，對(duì)金屬棒4進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)處理的工藝依據(jù)金屬棒材的成分而定。最后，棒材再經(jīng)過切割、機(jī)械校直等加工方法，達(dá)到要求的尺寸，最終得到微米/亞微米WC顆粒增強(qiáng)表層復(fù)合金屬棒材。當(dāng)然。熔區(qū)高度和運(yùn)動(dòng)速度還可以依據(jù)金屬棒的直徑、材料、鎢絲直徑和復(fù)合層的厚度進(jìn)行調(diào)整。本實(shí)施例制備的碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼基表層復(fù)合金屬棒材具有以下優(yōu)點(diǎn)1)金屬棒經(jīng)區(qū)域熔煉，合金棒材中WC顆粒細(xì)小，達(dá)到微米或亞微米級(jí)。WC顆粒分布均勻，與基體界面結(jié)合良好。鋼棒既保持了金屬材料韌性、塑性優(yōu)良的特點(diǎn)，又具有很強(qiáng)的耐磨性。2)加工制造的微米/亞微米WC顆粒增強(qiáng)表層復(fù)合金屬棒材，WC復(fù)合層的厚度可達(dá)到10-15mm，硬度HRC50-56，耐磨性比目前商用的各種單一材質(zhì)高合金鋼明顯提高 1. 5-2. 0 以上。3)具有適應(yīng)性強(qiáng)、易于大批量工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。用一套設(shè)備完全可生產(chǎn)目前多種規(guī)格(不同直徑)的WC顆粒增強(qiáng)表層復(fù)合金屬棒材。直徑18-150mm，長(zhǎng)2-8m，尺寸規(guī)格完全可以按照客戶的需求進(jìn)行調(diào)整。4)方法靈活性高，適用性廣。只需調(diào)整螺旋彈簧狀W絲的螺距和增碳劑中石墨的含量，即可對(duì)WC顆粒的分布和數(shù)量進(jìn)行任意調(diào)整。通過對(duì)熔區(qū)高度和金屬棒的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)整，即可對(duì)WC顆粒增強(qiáng)復(fù)合層的厚度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。5)可有效地控制增強(qiáng)顆粒WC的大小、分布、數(shù)量和復(fù)合層的厚度。
權(quán)利要求
1.一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼基表層復(fù)合棒材制備方法，其特征在于，按下列步驟進(jìn)行1)進(jìn)行砂型的制造，并在砂型的型腔表面涂覆一層增碳劑，再把鎢絲酸洗后制成螺旋形，并放置于砂型的型腔內(nèi)；增碳劑由粘土和細(xì)石墨粉構(gòu)成，并用水調(diào)成稀糊狀，增碳劑中石墨含量的確定原則為石墨鎢絲=1. 1 1，比例為摩爾比；2)將融化的鋼液澆注進(jìn)砂型的型腔中，凝固得到金屬棒；3)將金屬棒進(jìn)行表面除銹，然后在其外表面涂敷一層0.8mm 1. Omm的支持膜，支持膜由水玻璃和石英粉構(gòu)成，石英粉占45wt% ；4)待支持膜烘干后放入?yún)^(qū)熔感應(yīng)器進(jìn)行表層區(qū)域熔化，區(qū)熔溫度控制在高于金屬棒熔點(diǎn)的20°C 30°C范圍內(nèi)，并快速凝固，即得到碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼基表層復(fù)合棒材。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的鎢絲的直徑為0.2mm 0. 3mm，螺旋形鎢絲的螺距為6匪 8匪。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述區(qū)熔感應(yīng)器的高度為15mm 35mm，高頻感應(yīng)線圈保持水冷，金屬棒的上下運(yùn)動(dòng)速度為1. 5mm/s 3. 2mm/s。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼基表層復(fù)合棒材制備方法，該方法在砂型型腔表面涂覆增碳劑，把要作為強(qiáng)化相的鎢絲酸洗后制成螺旋形，并放置于型腔內(nèi)，澆鑄，等金屬液凝固到室溫后得到金屬鋼棒。再對(duì)金屬棒進(jìn)行表面除銹，然后在金屬棒外表面涂敷支持膜，待支持膜烘干后通過區(qū)熔感應(yīng)器進(jìn)行表層快速區(qū)域熔化，再快速凝固，表層區(qū)域熔化加熱溫度控制在高于基體材料熔點(diǎn)的20℃～30℃范圍。區(qū)域熔化后金屬棒進(jìn)行熱處理，再經(jīng)過切割、機(jī)械校直等加工方法，達(dá)到要求的尺寸，最后得到碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼基表層復(fù)合耐磨金屬棒材。既保持了金屬材料韌性、塑性優(yōu)良的特點(diǎn)，又具有很強(qiáng)的耐磨性。WC復(fù)合層的厚度可達(dá)到10-15mm，硬度HRC50-56。易于大批量工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)B22D19/14GK102350491SQ20111032918
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者王發(fā)展 申請(qǐng)人:西安建筑科技大學(xué)