專利名稱：一種通過鑄滲法制備表層復合材料的方法
技術領域：
本發明涉及鑄滲法制備復合層基體含鈷的顆粒增強表層金屬基表面復合材料的成型工藝方法，屬于耐磨抗磨材料制備技術領域。
背景技術：
零件的失效，大都是磨損造成的，而磨損大多發生在產生摩擦行為的表面。在現代工業中的煤炭、冶金、礦山、電力、建材、耐火材料、能源等工業行業，對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的需要。復合材料將多種材料的優點集于一身，揚長避短，兼有高強度、高模量和輕比重等一系列優點。針對表面磨損問題開發的表層復合材料，相較整體復合材料能夠降低成本，具有極其重要的現實價值。作為決定復合材料性能的關鍵，陶瓷顆粒與基體間的結合效果的提升是表層復合材料的研究關鍵。作為被廣泛應用的硬質合金，碳化鎢/鈷硬質合金由于其兩種組元間的出色結合效果而被廣泛應用與制作各種切削工具和耐磨耐腐蝕零件，這是因為碳化鎢與鈷制成的硬質合金中碳化鎢與鈷兩者的界面是共格界面，能獲得良好的結合效果。目前，以碳化鎢/鈷作為增強體的材料的成型方法主要有熱噴涂、激光熔覆和粉末燒結等技術，關于這些技術應用于碳化鎢/鈷作為增強體的材料的研究已取得了很多具有實際價值的研究成果，但關于鑄滲法制備此類復合材料的工藝研究還鮮有報道。鑄滲法制備表層增強復合材料，其工藝是將合金粉末或陶瓷顆粒等預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合的工藝。該方法簡單易行，無需專門的處理設備，表面處理層具有一定厚度，生產周期短，零件不變形，具有其它工藝方法無法比擬的優點，是提高鑄件表面耐磨、耐蝕、耐高溫等性能的有效途徑。使用鑄滲發制備的復合層量的厚度在3mm以上大大高于激光熔覆Imm的復合厚度，復合層與基材良好的冶金結合克服了熱噴涂增強涂層和基材結合較差的弱點，而粉末燒結難以應用于表面增強，這些比較都說明了鑄滲法碳化鎢/鈷作為增強體的表層復合材料的獨特優勢。且相較于其它以碳化鎢/鈷作為增強體的成型工藝， 其經濟價值顯而易見，有著巨大的實際應用前景。
發明內容
本發明的目的通過鑄滲法制備表層復合材料的方法，提供一種相較于目前制備以碳化鎢和鈷作為增強體的材料的工藝方法更具可操作性、經濟型以及工業適用性的工藝方法。本發明的技術方案以碳化鎢顆粒和鈷粉混合制成預置體，將預置體置于零件模型的需抗磨位置，完成造型后用金屬經行澆鑄，實現鑄滲復合，獲得以碳化鎢和鈷作為增強體的表層復合材料。其具體步驟包括如下
(1)、EPS (可發性聚苯乙烯的英文簡寫)模型成型在泡沫上劃線標記切割路徑，由于切割時泡沫氣化，因此在劃線時需留有1. 0 1. 5mm的余量，然后使用溫度加熱至200 4000C的電阻絲對EPS泡沫進行切割，切割完畢后得到EPS模型；
(2)、預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水溶液作為粘結劑，混合形成增強顆粒料將混合后的增強顆粒料涂覆在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，以形成預置層，其中，碳化鎢顆粒作為增強顆粒，鈷粉用于加強復合層基體與碳化鎢顆粒的結合；
(3)、澆注系統模型的粘結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，得到澆注系統模型；
(4)、造型將步驟(3)的澆注系統模型置于對應的普通鋼制模箱中，用粒度為40 60 目的干石英砂覆蓋，在振動頻率為四00 3000次/分鐘，振動時間為20 30秒條件下振動砂箱，使之具有所需透氣性和緊實度，用透明塑料布將砂箱上表面封嚴，得到具有氣密性的模箱；
(5)、真空實型鑄滲將模箱內的真空度調整在0.06 0. 07MPa的負壓下，然后將金屬基材液在溫度為1580 1600°C澆入模箱，通過真空產生的吸力和金屬液對碳化鎢顆粒的潤濕，使金屬液被吸進包含碳化鎢顆粒的預置體中，待模箱自然冷卻后，即得碳化鎢顆粒增強金屬基復合材料。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所需零件結構制作對應的模具，按模具體積的1/8 1/12的量，在模具中加入泡沫珠粒，用現有技術中的發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稱)水溶液，加入量為預置塊總量的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)的增強顆粒的壓制，通過保持預制塊形狀尺寸不變而調節增強顆粒料混合物的總量來控制顆粒的緊實度。所述步驟(4)的砂箱振動，其振動方向為一維水平振動。所述步驟(5)的真空實型鑄滲中，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。
本發明具有以下優點和積極效果
1、作為決定復合材料性能的關鍵，陶瓷顆粒與基體間的結合效果的提升是表層復合材料的研究關鍵。碳化鎢與鈷制成的硬質合金兩者的的界面是共格界面，能獲得良好的結合效果，從而很好的提高材料的整體性能。 2、使用鑄滲發制備的復合層量的厚度在3mm以上大大高于激光熔覆Imm的復合厚度，復合層與基材良好的冶金結合克服了熱噴涂增強涂層和基材結合較差的弱點，而粉末燒結難以應用于表面增強，這些比較都說明了鑄滲法碳化鎢/鈷作為增強體的表層復合材料的獨特優勢。3、本發明的復合制備工藝可控性強、成本低廉、生產質量穩定，便于工業化大規模生產。
圖1為實施例1中預置層添加鈷粉的碳化鎢顆粒增強鋼基表層復合材料金相試樣。圖2為實施例1中預置層添加鈷粉的碳化鎢顆粒增強鋼基表層復合材料界面處組
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具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步描述。實施例1
(1)、EPS模型成型在泡沫上劃線標記切割路徑，在劃線時需留有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EPS泡沫進行切割，切割完畢后得到EPS模型；
(2)、預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，加入量為預置塊總量的3 vt%, 混合形成增強顆粒料將混合后的增強顆粒料涂覆在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，以形成預置層；
(3)、澆注系統模型的粘結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，得到澆注系統模型；
(4)、造型將步驟(3)的澆注系統模型置于對應的普通鋼制模箱中，用粒度為60目的干石英砂覆蓋，在振動頻率為四00次/分鐘，振動時間為20秒條件下振動砂箱，用透明塑料布將砂箱上表面封嚴，得到具有氣密性的模箱；
(5)、真空實型鑄滲將模箱內的真空度調整在0.06MPa的負壓下，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金屬基復合材料。實施結果
(1)復合材料的表面質量高，復合層均勻，復合厚度達到3mm以上，碳化鎢顆粒的分布也比較均勻(見圖1);
(2)預置層中添加鈷粉后，由于鈷與碳化鎢間的固相界面為共格界面，基體與顆粒的結合作用良好，減少了因兩者間結合不匹配導致的微裂紋的出現(見圖2)。實施例2
(1)、EPS模型成型在泡沫上劃線標記切割路徑，在劃線時需留有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EPS泡沫進行切割，切割完畢后得到EPS模型；
(2)、預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，加入量為預置塊總量的5 vt%, 混合形成增強顆粒料將混合后的增強顆粒料涂覆在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，以形成預置層；
(3)、澆注系統模型的粘結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，得到澆注系統模型；
(4)、造型將步驟(3)的澆注系統模型置于對應的普通鋼制模箱中，用粒度為40目的干石英砂覆蓋，在振動頻率為四50次/分鐘，振動時間為25秒條件下振動砂箱，用透明塑料布將砂箱上表面封嚴，得到具有氣密性的模箱；
(5)、真空實型鑄滲將模箱內的真空度調整在0.065MPa的負壓下，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金屬基復合材料。實施例3
(1)、EPS模型成型在泡沫上劃線標記切割路徑，在劃線時需留有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EPS泡沫進行切割，切割完畢后得到EPS模型；
(2)、預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，加入量為預置塊總量的6vt%， 混合形成增強顆粒料將混合后的增強顆粒料涂覆在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，以形成預置層；
(3)、澆注系統模型的粘結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，得到澆注系統模型；
(4)、造型將步驟(3)的澆注系統模型置于對應的普通鋼制模箱中，用粒度為60目的干石英砂覆蓋，在振動頻率為3000次/分鐘，振動時間為30秒條件下振動砂箱，用透明塑料布將砂箱上表面封嚴，得到具有氣密性的模箱；
(5)、真空實型鑄滲將模箱內的真空度調整在0.07MPa的負壓下，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金屬基復合材料。實施例4
與實施例1所述步驟相同，其中步驟(1)的EPS模型成型為根據所需零件結構制作對應的模具，按模具體積的1/8的量，在模具中加入泡沫珠粒，用現有技術中的發泡方法直接制備汽化模樣。實施例5
與實施例2所述步驟相同，其中步驟(1)的EPS模型成型為根據所需零件結構制作對應的模具，按模具體積的1/10的量，在模具中加入泡沫珠粒，用現有技術中的發泡方法直接制備汽化模樣。
實施例6
與實施例3所述步驟相同，其中步驟(1)的EPS模型成型為根據所需零件結構制作對應的模具，按模具體積的1/12的量，在模具中加入泡沫珠粒，用現有技術中的發泡方法直接制備汽化模樣。
權利要求
1.一種通過鑄滲法制備表層復合材料的方法，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記切割路徑，在劃線時需留有1.0 1. 5mm的余量，然后使用溫度加熱至200 400°C的電阻絲對EPS泡沫進行切割，切割完畢后得到EPS 模型；(2)、預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水溶液作為粘結劑，混合形成增強顆粒料將混合后的增強顆粒料涂覆在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，以形成預置層；(3)、澆注系統模型的粘結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，得到澆注系統模型；(4)、造型將步驟(3)的澆注系統模型置于對應的普通鋼制模箱中，用粒度為40 60 目的干石英砂覆蓋，在振動頻率為四00 3000次/分鐘，振動時間為20 30秒條件下振動砂箱，用透明塑料布將砂箱上表面封嚴，得到具有氣密性的模箱；(5)、真空實型鑄滲將模箱內的真空度調整在0.06 0. 07MPa的負壓下，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金屬基復合材料。
2.根據權利要求書1所述的通過鑄滲法制備表層復合材料的方法，其特征在于所述步驟(1)中電阻絲的直徑彡1mm。
3.根據權利要求書1所述的通過鑄滲法制備表層復合材料的方法，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所需零件結構制作對應的模具，按模具體積的1/8 1/12的量，在模具中加入泡沫珠粒，用現有技術中的發泡方法直接制備汽化模樣。
4.根據權利要求書1所述的通過鑄滲法制備表層復合材料的方法，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，加入量為預置塊總量的3 6 vt%。
5.根據權利要求書1所述的通過鑄滲法制備表層復合材料的方法，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.根據權利要求書1所述的通過鑄滲法制備表層復合材料的方法，其特征在于所述步驟(5)的真空實型鑄滲中，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
本發明涉及一種通過鑄滲法制備表層復合材料的方法，屬于耐磨抗磨材料制備技術領域。以碳化鎢顆粒和鈷粉混合制成預置體，將預置體置于零件模型的需抗磨位置，完成造型后用金屬經行澆鑄，實現鑄滲復合，獲得以碳化鎢和鈷作為增強體的表層復合材料。本發明碳化鎢與鈷兩者的結合效果優異，基體和碳化鎢顆粒間的結合效果因鈷的加入得到提高，從而提高材料的整體性能；與現有技術相比較鑄滲法制備含有碳化鎢和鈷的增強材料不僅可以達到提高材料表面抗磨損性能的目的，且生產工藝簡單，可控制性高，成本低廉，利于大規模生產。
文檔編號B22C9/04GK102430743SQ20111039234
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月1日 優先權日2011年12月1日
發明者周榮, 周榮鋒, 山泉, 岑啟宏, 李祖來, 蔣業華, 隋育棟 申請人:昆明理工大學