專利名稱：消失模鑄造陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料的制備方法
技術領域：
本發明屬于金屬基復合材料技術領域，特別涉及一種消失模鑄造陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料的制備方法。
背景技術：
現代工業的發展對材料的耐磨性能要求越來越高，冶金、礦山、建材、電力、化工、 煤炭和農業等部門分別要用到礦山機械、工程機械、農業機械和各種破碎粉磨機械，這些機械設備的易損件要受到砂石、礦石、土壤等各種物料和研磨體的磨損，每年要消耗大量金屬。根據不完全統計，能源的1/3 1/2消耗與摩擦和磨損有關。對材料來說，約80%的零件失效是由磨損引起的，其中因磨料磨損而失效的約占50%，據統計我國用于磨料磨損工況的耐磨鋼鐵件，每年要消耗200多萬噸。由此，開發研制出一種能在磨損工況下，具有較長使用壽命的新材質顯得極為重要。在工業中的許多領域存在惡劣的工作環境，要求工作零部件同時具備耐磨耐熱或耐磨耐蝕綜合性能，因此具有單一性能的材料已不能滿足工況的需求。復合材料由于是將兩種或以上具有不同特性的材料，通過物理或化學的方法將它們有機結合在一起，發揮各自優勢，因此材料具有優異的綜合性能。近幾年來，對復合材料制備工藝的研究做了大量的工作，開發了多種工藝。這些工藝方法用于制造有色金屬復合材料時，由于有色金屬大多數熔點低，與很多增強顆粒間浸潤性好，因此取得了很好的效果。如SiC增強鋁合金復合材料制造活塞，使用壽命大幅度提高。然而對黑色金屬而言，由于熔點高，相互之間冶金反應復雜，因此如何方便地使增強顆粒加入黑色金屬液中，并使其均勻有效地分布，一直是一道難題，這嚴重影響顆粒增強鋼鐵基復合材料的產業化進程。多年來，對顆粒增強鋼鐵基復合材料的工藝研究一直是復合材料研究的重大課題之一，也取得了一些成果。專利(公開號1080221)介紹了一種制備顆粒增強耐磨復合材料的鑄造方法，其工藝步驟是先做好鑄型，同時制備尺寸為負偏差的消失模，再將消失模放入鑄型中，這樣在消失模和鑄型間就形成空隙。將空隙填滿硬質顆粒，合箱抽真空澆注，從而在表面形成含硬質顆粒的耐磨材料。該方法工序復雜，不能很好的將消失模負壓鑄造工藝的優點利用起來，生產效率低，且復合層厚度和質量難以保證。CN1383945A公開了一種顆粒增強復合材料的制備方法，它的工序步驟是先做好泡沫塑料模，在鑄件需要制作復合材料的部位，將模制作成兩部分粘結，其中之一制有溝槽，然后將混制好的增強顆粒填滿溝槽，再將模的兩部分粘結起來，上涂料烘干造型，最后抽真空澆注。這種方法制備較復雜，不適合實際生產的需要。CN101053898A介紹了一種制備顆粒增強金屬基表面復合材料的真空實型鑄滲方法，這種方法是將增強顆粒制備成與復合材料所需耐磨表面形狀相適應的預制塊，將其固定在需要合金化的泡沫材料模樣表面，然后按鑄造工藝造型并澆注。這種方法的缺點是泡沫產生的氣體以及復合層中的粘結劑氣化產生的氣體使得材料內部多出現無法避免的氣孔缺陷，無法生產結構復雜的零部件。CN1128297A公布了一種局部復合材料及其制造方法，其是將陶瓷顆粒、有機粘結劑與普碳鋼基、耐熱鋼基或鎳基粉末混勻，壓制成所需形狀的預制塊，置于需強化的鑄件的鑄型局部，澆注金屬即可。這種方法制作的局部復合材料，易產生夾渣缺陷，并且復合層與基材金屬的界面結合效果相對較差，在收到沖擊作用下，會使復合層脫落而失去耐磨的作用。CN101422814A公開了一種局部復合耐磨材料的制備方法，它是選用高合金粉芯管絲，根據工件表面的形狀，裁剪、卷制或疊加制成相似結構； 按照鑄造工藝造型，將制作好的高合金粉芯管絲預埋入砂型型腔中，冶煉基材金屬材料澆注，從而得到所需復合材料。這種方法的缺點在于易形成夾渣缺陷，用于實際生產時工藝可控性較差，不適合大規模工業化生產。發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種能滿足各種磨損、激冷激熱等復雜工況下使用的消失模鑄造陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料的制備方法，通過下列技術方案實現。
一種消失模鑄造陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料的制備方法，經過下列各步驟(1)將硬質陶瓷顆粒與熟化后的泡沫珠粒按任意比例混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進行固化以制作增強體(硬質陶瓷顆粒)均勻分布其中的泡沫模；(2)按常規消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉基材金屬材料至澆注溫度后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到硬質陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料。
所述步驟(1)的硬質陶瓷顆粒是氧化鋁、碳化硅、碳化鎢、氮化硅、氮化鈦中的一種或者任意幾種；當硬質陶瓷顆粒是兩種或兩種以上時，各種硬質陶瓷顆粒的粒度相同。
所述步驟(1)的硬質陶瓷顆粒的粒徑為-10 +80目。
所述步驟(1)的泡沫珠粒為聚苯乙烯(EPS)泡沫珠粒或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 泡沫珠粒。
所述步驟(1)的硬質陶瓷顆粒與熟化后的泡沫珠粒的體積比小于2 8時，泡沫珠粒與硬質陶瓷顆粒的粒徑比為4 10 1。
所述步驟(1)的硬質陶瓷顆粒與熟化后的泡沫珠粒的體積比大于2 8時，泡沫珠粒與硬質陶瓷顆粒的粒徑比為0. 125 3 1。
所述步驟(1)中的固化是指常規的高頻加熱成型、熱水加熱成型、蒸缸發泡成型和壓機發泡成型。
所述步驟(2)的基材金屬材料為鋼或鐵。
所述鋼為普通碳鋼、合金鋼或高錳鋼。
所述鐵為灰鑄鐵或球墨鑄鐵。
本發明采用消失模發泡技術，將混合均勻的混合物填滿模具的模腔，固化時將蒸汽通過模壁的氣眼通入裝有硬質陶瓷顆粒與熟化泡沫珠粒混合物的模腔中，在幾秒到幾十分鐘的時間內使珠粒受熱軟化膨脹，由于模壁的限制，膨脹的顆粒相互粘結在一起，并填滿整個空隙形成一個整體，在這個過程中，硬質陶瓷顆粒始終處于珠粒與珠粒之間，經冷卻定型后，從發泡模具中取出即可得到所需的硬質陶瓷顆粒在其中均勻分布的泡沫塑料模樣， 再用熔融的基材金屬材料澆注便得到硬質陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的顆粒增強鋼鐵基復合材料。
和現有技術相比，本發明具有以下有益效果
本發明借助消失模發泡技術，將硬質陶瓷顆粒彌散分布于泡沫模型內部，提高了基材金屬液與硬質陶瓷顆粒的結合強度，利于金屬液在顆粒間的滲透，且用本發明制備的鋼鐵基復合材料鑄件，具有較高的表面質量和尺寸精度，對于要求不高的復合材料鑄件可以直接使用，對于形狀復雜的、技術要求高的復合材料鑄件也能使用，如環形的鑄件，制備的復合材料組織致密，增強體的體積分數高，使復合材料的綜合性能得到較大的提高。本發明的復合制備方法可控性強，操作簡便，整體性能高，成品率高，無論是整體增強還是局部增強， 均可直接做成各種金屬基復合材料零部件，無需二次加工，適合大規模工業化生產，能廣泛應用于礦山、電力、冶金、煤炭、建材等耐磨領域。
圖1是本發明步驟(1)所得泡沫模中硬質陶瓷顆粒的彌散分布情況圖(圖中1為熟化后的泡沫珠粒，2為硬質陶瓷顆粒)；
圖2是本發明制備方法的流程圖。
具體實施例方式下面通過實施例并結合附圖對本發明作進一步詳細說明。實施例1
(1)將粒徑為-40 +60目的氧化鋁顆粒2與熟化后的粒徑為-10 +20的聚苯乙烯 (EPS)泡沫珠粒1按體積比大于2 8混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進行熱水加熱成型固化，以制作增強體(硬質陶瓷顆粒)均勻分布其中的泡沫模，如圖1所示；
(2)按常規消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉合金鋼Crl5 高鉻鋼至澆注溫度1580°C后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到硬質陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料(氧化鋁顆粒為彌散增強相、Crl5高鉻鋼為基材)。實施例2
(1)將粒徑為60目的碳化硅和碳化鎢顆粒，與熟化后的20目的聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)泡沫珠粒按體積比大于2 8混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進行蒸缸發泡成型固化，以制作增強體(硬質陶瓷顆粒)均勻分布其中的泡沫模；
(2)按常規消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉低碳鋼(普通碳鋼)至澆注溫度1580°C后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到硬質陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料(碳化鎢和碳化硅顆粒為彌散增強相、低碳鋼為基材)。實施例3
(1)將粒徑為80目的碳化硅、碳化鎢和氮化硅顆粒，與熟化后的20目的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)泡沫珠粒按體積比小于2 8混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進行壓機發泡成型固化，以制作增強體(硬質陶瓷顆粒)均勻分布其中的泡沫模，如圖1所示；
(2)按常規消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉球墨鑄鐵 QT500至澆注溫度1530°C后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到硬質
5陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料(碳化鎢、碳化硅和氮化硅顆粒為彌散增強相、QT500為基材)。
實施例4(1)將粒徑為30目的碳化硅、碳化鎢、氮化硅和氮化鈦顆粒，與熟化后的20目的聚苯乙烯(EPS)泡沫珠粒按體積比大于2 8混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進行壓機發泡成型固化，以制作增強體(硬質陶瓷顆粒)均勻分布其中的泡沫模，如圖1所示；(2)按常規消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉高錳鋼至澆注溫度1580°C后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到硬質陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料(碳化鎢、碳化硅、氮化硅和氮化鈦顆粒為彌散增強相、高錳鋼為基材)。
實施例5(1)將粒徑為60目的氧化鋁、碳化硅、碳化鎢、氮化硅和氮化鈦顆粒，與熟化后的10目的聚苯乙烯(EPS)泡沫珠粒按體積比小于2 8混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進行熱水加熱成型固化，以制作增強體(硬質陶瓷顆粒)均勻分布其中的泡沫模，如圖1 所示；(2)按常規消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉灰鑄鐵HT300 至澆注溫度后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到硬質陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料(氧化鋁、碳化鎢、碳化硅、氮化硅和氮化鈦顆粒為彌散增強相、HT300為基材)。
實施例6(1)將粒徑為10目的氮化鈦顆粒與熟化后的80目的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)泡沫珠粒按體積比大于2 8混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進行高頻加熱成型固化，以制作增強體(硬質陶瓷顆粒)均勻分布其中的泡沫模；(2)按常規消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉灰鑄鐵至澆注溫度后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到硬質陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料。
實施例7(1)將粒徑為80目的氧化鋁和碳化鎢顆粒，與熟化后的8目的聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)泡沫珠粒按體積比小于2 8混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進行蒸缸發泡成型固化，以制作增強體(硬質陶瓷顆粒)均勻分布其中的泡沫模；(2)按常規消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉高錳鋼至澆注溫度后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到硬質陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料。
權利要求
1.一種消失模鑄造陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料的制備方法，其特征在于經過下列各步驟(1)將硬質陶瓷顆粒與熟化后的泡沫珠粒按任意比例混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進行固化以制作增強體均勻分布其中的泡沫模；(2)按常規消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉基材金屬材料至澆注溫度后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到硬質陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料。
2.根據權利要求1所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)的硬質陶瓷顆粒是氧化鋁、碳化硅、碳化鎢、氮化硅、氮化鈦中的一種或者任意幾種；當硬質陶瓷顆粒是兩種或兩種以上時，各種硬質陶瓷顆粒的粒度相同。
3.根據權利要求1或2所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料的制備方法， 其特征在于所述步驟(1)的硬質陶瓷顆粒的粒徑為-10 +80目。
4.根據權利要求1所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)的泡沫珠粒為聚苯乙烯泡沫珠粒或聚甲基丙烯酸甲酯泡沫珠粒。
5.根據權利要求1所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)的硬質陶瓷顆粒與熟化后的泡沫珠粒的體積比小于2 8時，泡沫珠粒與硬質陶瓷顆粒的粒徑比為4 10 1。
6.根據權利要求1所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)的硬質陶瓷顆粒與熟化后的泡沫珠粒的體積比大于2 8時，泡沫珠粒與硬質陶瓷顆粒的粒徑比為0. 125 3 1。
7.根據權利要求1所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)中的固化是指常規的高頻加熱成型、熱水加熱成型、蒸缸發泡成型和壓機發泡成型。
8.根據權利要求1所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(2)的基材金屬材料為鋼或鐵。
9.根據權利要求8所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料的制備方法，其特征在于所述鋼為普通碳鋼、合金鋼或高錳鋼。
10.根據權利要求8所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料的制備方法，其特征在于所述鐵為灰鑄鐵或球墨鑄鐵。
全文摘要
本發明提供一種消失模鑄造陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料的制備方法，通過將硬質陶瓷顆粒與熟化后的泡沫珠粒按任意比例混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進行固化以制作增強體均勻分布其中的泡沫模；然后按常規消失模方法造型，在型腔中放置所得泡沫模，再熔煉基材金屬材料至澆注溫度后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到硬質陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料。本發明的制備方法操作簡便，整體性能高，成品率高，無論是整體增強還是局部增強，均可直接做成各種金屬基復合材料零部件，無需二次加工，適合大規模工業化生產，能廣泛應用于礦山、電力、冶金、煤炭、建材等耐磨領域。
文檔編號B22C9/04GK102489686SQ201110445139
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月28日 優先權日2011年12月28日
發明者周榮, 李祖來, 蔣業華, 隋育棟, 黃汝清 申請人:昆明理工大學