專利名稱：一種通過鑄滲法制備表層復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鑄滲法制備復(fù)合層基體含鈷的顆粒增強(qiáng)表層金屬基表面復(fù)合材料的成型工藝方法，屬于耐磨抗磨材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
零件的失效，大都是磨損造成的，而磨損大多發(fā)生在產(chǎn)生摩擦行為的表面。在現(xiàn)代工業(yè)中的煤炭、冶金、礦山、電力、建材、耐火材料、能源等工業(yè)行業(yè)，對(duì)于零部件的抗磨損性能提出了更高的要求，普通的單一材料越來越難以滿足客觀形勢(shì)的需要。復(fù)合材料將多種材料的優(yōu)點(diǎn)集于一身，揚(yáng)長(zhǎng)避短，兼有高強(qiáng)度、高模量和輕比重等一系列優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)表面磨損問題開發(fā)的表層復(fù)合材料，相較整體復(fù)合材料能夠降低成本，具有極其重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。作為決定復(fù)合材料性能的關(guān)鍵，陶瓷顆粒與基體間的結(jié)合效果的提升是表層復(fù)合材料的研究關(guān)鍵。作為被廣泛應(yīng)用的硬質(zhì)合金，碳化鎢/鈷硬質(zhì)合金由于其兩種組元間的出色結(jié)合效果而被廣泛應(yīng)用與制作各種切削工具和耐磨耐腐蝕零件，這是因?yàn)樘蓟u與鈷制成的硬質(zhì)合金中碳化鎢與鈷兩者的界面是共格界面，能獲得良好的結(jié)合效果。目前，以碳化鎢/鈷作為增強(qiáng)體的材料的成型方法主要有熱噴涂、激光熔覆和粉末燒結(jié)等技術(shù)，關(guān)于這些技術(shù)應(yīng)用于碳化鎢/鈷作為增強(qiáng)體的材料的研究已取得了很多具有實(shí)際價(jià)值的研究成果，但關(guān)于鑄滲法制備此類復(fù)合材料的工藝研究還鮮有報(bào)道。鑄滲法制備表層增強(qiáng)復(fù)合材料，其工藝是將合金粉末或陶瓷顆粒等預(yù)先固定在型壁的特定位置上，然后通過澆注使鑄件表面具有特殊的組織和性能，該工藝是一種表面處理與成型相結(jié)合的工藝。該方法簡(jiǎn)單易行，無需專門的處理設(shè)備，表面處理層具有一定厚度，生產(chǎn)周期短，零件不變形，具有其它工藝方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，是提高鑄件表面耐磨、耐蝕、耐高溫等性能的有效途徑。使用鑄滲發(fā)制備的復(fù)合層量的厚度在3mm以上大大高于激光熔覆Imm的復(fù)合厚度，復(fù)合層與基材良好的冶金結(jié)合克服了熱噴涂增強(qiáng)涂層和基材結(jié)合較差的弱點(diǎn)，而粉末燒結(jié)難以應(yīng)用于表面增強(qiáng)，這些比較都說明了鑄滲法碳化鎢/鈷作為增強(qiáng)體的表層復(fù)合材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。且相較于其它以碳化鎢/鈷作為增強(qiáng)體的成型工藝， 其經(jīng)濟(jì)價(jià)值顯而易見，有著巨大的實(shí)際應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的通過鑄滲法制備表層復(fù)合材料的方法，提供一種相較于目前制備以碳化鎢和鈷作為增強(qiáng)體的材料的工藝方法更具可操作性、經(jīng)濟(jì)型以及工業(yè)適用性的工藝方法。本發(fā)明的技術(shù)方案以碳化鎢顆粒和鈷粉混合制成預(yù)置體，將預(yù)置體置于零件模型的需抗磨位置，完成造型后用金屬經(jīng)行澆鑄，實(shí)現(xiàn)鑄滲復(fù)合，獲得以碳化鎢和鈷作為增強(qiáng)體的表層復(fù)合材料。其具體步驟包括如下
(1)、EPS (可發(fā)性聚苯乙烯的英文簡(jiǎn)寫)模型成型在泡沫上劃線標(biāo)記切割路徑，由于切割時(shí)泡沫氣化，因此在劃線時(shí)需留有1. 0 1. 5mm的余量，然后使用溫度加熱至200 4000C的電阻絲對(duì)EPS泡沫進(jìn)行切割，切割完畢后得到EPS模型；
(2)、預(yù)置塊的制備及涂裝將粒度為40 60目的碳化鎢顆粒和粒度為200 400目的鈷粉按體積比18 19 1 2混合，然后添加PVA水溶液作為粘結(jié)劑，混合形成增強(qiáng)顆粒料將混合后的增強(qiáng)顆粒料涂覆在EPS模型零件表面需要提高抗磨性的部位，在40 60°C 溫度下加熱硬化0. 5 lh，以形成預(yù)置層，其中，碳化鎢顆粒作為增強(qiáng)顆粒，鈷粉用于加強(qiáng)復(fù)合層基體與碳化鎢顆粒的結(jié)合；
(3)、澆注系統(tǒng)模型的粘結(jié)用市售白乳膠粘接步驟(1)中制得的EPS模型，在40 60°C溫度下加熱干燥1 1.證，之后在EPS模型表面和預(yù)置層表面涂上一層厚度為1 2mm 的消失模鑄造涂料，在40 60°C溫度下烘干2 池，得到澆注系統(tǒng)模型；
(4)、造型將步驟(3)的澆注系統(tǒng)模型置于對(duì)應(yīng)的普通鋼制模箱中，用粒度為40 60 目的干石英砂覆蓋，在振動(dòng)頻率為四00 3000次/分鐘，振動(dòng)時(shí)間為20 30秒條件下振動(dòng)砂箱，使之具有所需透氣性和緊實(shí)度，用透明塑料布將砂箱上表面封嚴(yán)，得到具有氣密性的模箱；
(5)、真空實(shí)型鑄滲將模箱內(nèi)的真空度調(diào)整在0.06 0. 07MPa的負(fù)壓下，然后將金屬基材液在溫度為1580 1600°C澆入模箱，通過真空產(chǎn)生的吸力和金屬液對(duì)碳化鎢顆粒的潤濕，使金屬液被吸進(jìn)包含碳化鎢顆粒的預(yù)置體中，待模箱自然冷卻后，即得碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。所述步驟(1)中電阻絲的直徑彡1mm。所述步驟(1)的汽化模樣EPS的成型，還可用下列方法根據(jù)所需零件結(jié)構(gòu)制作對(duì)應(yīng)的模具，按模具體積的1/8 1/12的量，在模具中加入泡沫珠粒，用現(xiàn)有技術(shù)中的發(fā)泡方法直接制備汽化模樣。所述步驟(2)中的粘接劑為濃度為6wt%的PVA (PVA是聚乙烯醇的英文簡(jiǎn)稱)水溶液，加入量為預(yù)置塊總量的3 6 vt%。所述步驟(3)中消失模鑄造涂料為中消失模鑄造涂料為XYSS-106型消失模鑄造涂料。所述步驟(3)的增強(qiáng)顆粒的壓制，通過保持預(yù)制塊形狀尺寸不變而調(diào)節(jié)增強(qiáng)顆粒料混合物的總量來控制顆粒的緊實(shí)度。所述步驟(4)的砂箱振動(dòng)，其振動(dòng)方向?yàn)橐痪S水平振動(dòng)。所述步驟(5)的真空實(shí)型鑄滲中，金屬基材選擇為高鉻鋼，其成分百分比wt. %為 C :1. 0 1. 2 Wt. %，Si :1. 5 1. 8 wt. %，Mn :0. 3 0. 5 wt. %，P 彡 0. 06 wt. %，S 彡 0. 06 wt.%，余量為Fe。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果
1、作為決定復(fù)合材料性能的關(guān)鍵，陶瓷顆粒與基體間的結(jié)合效果的提升是表層復(fù)合材料的研究關(guān)鍵。碳化鎢與鈷制成的硬質(zhì)合金兩者的的界面是共格界面，能獲得良好的結(jié)合效果，從而很好的提高材料的整體性能。 2、使用鑄滲發(fā)制備的復(fù)合層量的厚度在3mm以上大大高于激光熔覆Imm的復(fù)合厚度，復(fù)合層與基材良好的冶金結(jié)合克服了熱噴涂增強(qiáng)涂層和基材結(jié)合較差的弱點(diǎn)，而粉末燒結(jié)難以應(yīng)用于表面增強(qiáng)，這些比較都說明了鑄滲法碳化鎢/鈷作為增強(qiáng)體的表層復(fù)合材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。3、本發(fā)明的復(fù)合制備工藝可控性強(qiáng)、成本低廉、生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，便于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。


圖1為實(shí)施例1中預(yù)置層添加鈷粉的碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼基表層復(fù)合材料金相試樣。圖2為實(shí)施例1中預(yù)置層添加鈷粉的碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼基表層復(fù)合材料界面處組
幺口
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具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。實(shí)施例1
(1)、EPS模型成型在泡沫上劃線標(biāo)記切割路徑，在劃線時(shí)需留有1.0mm的余量，然后使用溫度加熱至300°C的直徑為Imm電阻絲對(duì)EPS泡沫進(jìn)行切割，切割完畢后得到EPS模型；
(2)、預(yù)置塊的制備及涂裝將粒度為40目的碳化鎢顆粒和粒度為300目的鈷粉按體積比18:1混合，然后濃度為6wt%的PVA水溶液最為粘接劑，加入量為預(yù)置塊總量的3 vt%, 混合形成增強(qiáng)顆粒料將混合后的增強(qiáng)顆粒料涂覆在EPS模型零件表面需要提高抗磨性的部位，在40°C溫度下加熱硬化0. 5h，以形成預(yù)置層；
(3)、澆注系統(tǒng)模型的粘結(jié)用市售白乳膠粘接步驟(1)中制得的EPS模型，在50°C溫度下加熱干燥lh，之后在EPS模型表面和預(yù)置層表面涂上一層厚度為2mm的XYSS-106型消失模鑄造涂料，在50°C溫度下烘干2h，得到澆注系統(tǒng)模型；
(4)、造型將步驟(3)的澆注系統(tǒng)模型置于對(duì)應(yīng)的普通鋼制模箱中，用粒度為60目的干石英砂覆蓋，在振動(dòng)頻率為四00次/分鐘，振動(dòng)時(shí)間為20秒條件下振動(dòng)砂箱，用透明塑料布將砂箱上表面封嚴(yán)，得到具有氣密性的模箱；
(5)、真空實(shí)型鑄滲將模箱內(nèi)的真空度調(diào)整在0.06MPa的負(fù)壓下，然后將金屬基材液 (金屬基材選擇為高鉻鋼，其成分百分比wt. %為=C :1. Owt. %, Si 1. 8 wt. %，Mn :0. 3 wt. %， P :0. 06 wt. %, S :0.(Mwt.%，余量為Fe)在溫度為1580°C澆入模箱，待模箱自然冷卻后，即得碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。實(shí)施結(jié)果
(1)復(fù)合材料的表面質(zhì)量高，復(fù)合層均勻，復(fù)合厚度達(dá)到3mm以上，碳化鎢顆粒的分布也比較均勻(見圖1);
(2)預(yù)置層中添加鈷粉后，由于鈷與碳化鎢間的固相界面為共格界面，基體與顆粒的結(jié)合作用良好，減少了因兩者間結(jié)合不匹配導(dǎo)致的微裂紋的出現(xiàn)(見圖2)。實(shí)施例2
(1)、EPS模型成型在泡沫上劃線標(biāo)記切割路徑，在劃線時(shí)需留有1.2mm的余量，然后使用溫度加熱至400°C的直徑為0. 5mm電阻絲對(duì)EPS泡沫進(jìn)行切割，切割完畢后得到EPS模型；
(2)、預(yù)置塊的制備及涂裝將粒度為50目的碳化鎢顆粒和粒度為200目的鈷粉按體積比37:3混合，然后濃度為6wt%的PVA水溶液最為粘接劑，加入量為預(yù)置塊總量的5 vt%, 混合形成增強(qiáng)顆粒料將混合后的增強(qiáng)顆粒料涂覆在EPS模型零件表面需要提高抗磨性的部位，在50°C溫度下加熱硬化0. 8h，以形成預(yù)置層；
(3)、澆注系統(tǒng)模型的粘結(jié)用市售白乳膠粘接步驟(1)中制得的EPS模型，在40°C溫度下加熱干燥1. 2h,之后在EPS模型表面和預(yù)置層表面涂上一層厚度為Imm的XYSS-106型消失模鑄造涂料，在40°C溫度下烘干2.紐，得到澆注系統(tǒng)模型；
(4)、造型將步驟(3)的澆注系統(tǒng)模型置于對(duì)應(yīng)的普通鋼制模箱中，用粒度為40目的干石英砂覆蓋，在振動(dòng)頻率為四50次/分鐘，振動(dòng)時(shí)間為25秒條件下振動(dòng)砂箱，用透明塑料布將砂箱上表面封嚴(yán)，得到具有氣密性的模箱；
(5)、真空實(shí)型鑄滲將模箱內(nèi)的真空度調(diào)整在0.065MPa的負(fù)壓下，然后將金屬基材液 (金屬基材選擇為高鉻鋼，其成分百分比wt. %為C :1. 2wt. %，Si 1. 5wt. %，Mn :0. 4 wt. %， P :0. 04 wt. %, S :0.06wt.%，余量為Fe)在溫度為1590°C澆入模箱，待模箱自然冷卻后，即得碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。實(shí)施例3
(1)、EPS模型成型在泡沫上劃線標(biāo)記切割路徑，在劃線時(shí)需留有1.5mm的余量，然后使用溫度加熱至200°C的直徑為0. 8mm電阻絲對(duì)EPS泡沫進(jìn)行切割，切割完畢后得到EPS模型；
(2)、預(yù)置塊的制備及涂裝將粒度為60目的碳化鎢顆粒和粒度為400目的鈷粉按體積比19 2混合，然后濃度為6wt%的PVA水溶液最為粘接劑，加入量為預(yù)置塊總量的6vt%， 混合形成增強(qiáng)顆粒料將混合后的增強(qiáng)顆粒料涂覆在EPS模型零件表面需要提高抗磨性的部位，在60°C溫度下加熱硬化lh，以形成預(yù)置層；
(3)、澆注系統(tǒng)模型的粘結(jié)用市售白乳膠粘接步驟(1)中制得的EPS模型，在60°C溫度下加熱干燥1. 5h,之后在EPS模型表面和預(yù)置層表面涂上一層厚度為1. 5mm的XYSS-106 型消失模鑄造涂料，在60°C溫度下烘干池，得到澆注系統(tǒng)模型；
(4)、造型將步驟(3)的澆注系統(tǒng)模型置于對(duì)應(yīng)的普通鋼制模箱中，用粒度為60目的干石英砂覆蓋，在振動(dòng)頻率為3000次/分鐘，振動(dòng)時(shí)間為30秒條件下振動(dòng)砂箱，用透明塑料布將砂箱上表面封嚴(yán)，得到具有氣密性的模箱；
(5)、真空實(shí)型鑄滲將模箱內(nèi)的真空度調(diào)整在0.07MPa的負(fù)壓下，然后將金屬基材液 (金屬基材選擇為高鉻鋼，其成分百分比wt. %為C :1. Iwt. %，Si 1. 6wt. %，Mn :0. 5 wt. %， P :0. 03 wt. %, S :0.05wt.%，余量為Fe)在溫度為1600°C澆入模箱，待模箱自然冷卻后，即得碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。實(shí)施例4
與實(shí)施例1所述步驟相同，其中步驟(1)的EPS模型成型為根據(jù)所需零件結(jié)構(gòu)制作對(duì)應(yīng)的模具，按模具體積的1/8的量，在模具中加入泡沫珠粒，用現(xiàn)有技術(shù)中的發(fā)泡方法直接制備汽化模樣。實(shí)施例5
與實(shí)施例2所述步驟相同，其中步驟(1)的EPS模型成型為根據(jù)所需零件結(jié)構(gòu)制作對(duì)應(yīng)的模具，按模具體積的1/10的量，在模具中加入泡沫珠粒，用現(xiàn)有技術(shù)中的發(fā)泡方法直接制備汽化模樣。
實(shí)施例6
與實(shí)施例3所述步驟相同，其中步驟(1)的EPS模型成型為根據(jù)所需零件結(jié)構(gòu)制作對(duì)應(yīng)的模具，按模具體積的1/12的量，在模具中加入泡沫珠粒，用現(xiàn)有技術(shù)中的發(fā)泡方法直接制備汽化模樣。
權(quán)利要求
1.一種通過鑄滲法制備表層復(fù)合材料的方法，其特征在于具體制備步驟包括如下(1)、EPS模型成型在泡沫上劃線標(biāo)記切割路徑，在劃線時(shí)需留有1.0 1. 5mm的余量，然后使用溫度加熱至200 400°C的電阻絲對(duì)EPS泡沫進(jìn)行切割，切割完畢后得到EPS 模型；(2)、預(yù)置塊的制備及涂裝將粒度為40 60目的碳化鎢顆粒和粒度為200 400目的鈷粉按體積比18 19 1 2混合，然后添加PVA水溶液作為粘結(jié)劑，混合形成增強(qiáng)顆粒料將混合后的增強(qiáng)顆粒料涂覆在EPS模型零件表面需要提高抗磨性的部位，在40 60°C 溫度下加熱硬化0. 5 lh，以形成預(yù)置層；(3)、澆注系統(tǒng)模型的粘結(jié)用市售白乳膠粘接步驟(1)中制得的EPS模型，在40 60°C溫度下加熱干燥1 1.證，之后在EPS模型表面和預(yù)置層表面涂上一層厚度為1 2mm 的消失模鑄造涂料，在40 60°C溫度下烘干2 池，得到澆注系統(tǒng)模型；(4)、造型將步驟(3)的澆注系統(tǒng)模型置于對(duì)應(yīng)的普通鋼制模箱中，用粒度為40 60 目的干石英砂覆蓋，在振動(dòng)頻率為四00 3000次/分鐘，振動(dòng)時(shí)間為20 30秒條件下振動(dòng)砂箱，用透明塑料布將砂箱上表面封嚴(yán)，得到具有氣密性的模箱；(5)、真空實(shí)型鑄滲將模箱內(nèi)的真空度調(diào)整在0.06 0. 07MPa的負(fù)壓下，然后將金屬基材液在溫度為1580 1600°C澆入模箱，待模箱自然冷卻后，即得碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的通過鑄滲法制備表層復(fù)合材料的方法，其特征在于所述步驟(1)中電阻絲的直徑彡1mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的通過鑄滲法制備表層復(fù)合材料的方法，其特征在于所述步驟(1)的汽化模樣EPS的成型，還可用下列方法根據(jù)所需零件結(jié)構(gòu)制作對(duì)應(yīng)的模具，按模具體積的1/8 1/12的量，在模具中加入泡沫珠粒，用現(xiàn)有技術(shù)中的發(fā)泡方法直接制備汽化模樣。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的通過鑄滲法制備表層復(fù)合材料的方法，其特征在于所述步驟(2)中的粘接劑為濃度為6wt%的PVA水溶液，加入量為預(yù)置塊總量的3 6 vt%。
5.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的通過鑄滲法制備表層復(fù)合材料的方法，其特征在于所述步驟(3)中消失模鑄造涂料為XYSS-106型消失模鑄造涂料。
6.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的通過鑄滲法制備表層復(fù)合材料的方法，其特征在于所述步驟(5)的真空實(shí)型鑄滲中，金屬基材選擇為高鉻鋼，其成分百分比wt. %為C 1.0 1.2 wt. %，Si 1. 5 1. 8 wt. %，Mn 0. 3 0. 5 wt. %，P 彡 0. 06 wt. %，S 彡 0. 06 wt. %，余量為 Fe。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過鑄滲法制備表層復(fù)合材料的方法，屬于耐磨抗磨材料制備技術(shù)領(lǐng)域。以碳化鎢顆粒和鈷粉混合制成預(yù)置體，將預(yù)置體置于零件模型的需抗磨位置，完成造型后用金屬經(jīng)行澆鑄，實(shí)現(xiàn)鑄滲復(fù)合，獲得以碳化鎢和鈷作為增強(qiáng)體的表層復(fù)合材料。本發(fā)明碳化鎢與鈷兩者的結(jié)合效果優(yōu)異，基體和碳化鎢顆粒間的結(jié)合效果因鈷的加入得到提高，從而提高材料的整體性能；與現(xiàn)有技術(shù)相比較鑄滲法制備含有碳化鎢和鈷的增強(qiáng)材料不僅可以達(dá)到提高材料表面抗磨損性能的目的，且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，可控制性高，成本低廉，利于大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號(hào)B22C9/04GK102430743SQ20111039234
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者周榮, 周榮鋒, 山泉, 岑啟宏, 李祖來, 蔣業(yè)華, 隋育棟 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)