一种常压铸渗法制备灰铸铁基表层耐磨复合材料的方法.pdf

本发明公开了一种常压铸渗法制备灰铸铁基表层耐磨复合材料的方法，方法为：1)以ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒、石蜡颗粒、高碳铬铁粉、硼砂为原料，加入粘结剂均匀混合形成混合料；2)混合料经模压成型，形成胚体；3)在180-300℃下烧结胚体，得到多孔陶瓷颗粒预制体；4)将多孔陶瓷颗粒预制体放置(固定)于型腔的特定位置；5)在浇注温度将熔炼好的灰铸铁金属液浇入型腔，冷却后脱模，得到灰铸铁基表层耐磨复合材料。本发明通过常压铸渗法在灰铸铁表层一步实现颗粒增强和合金化效果，具有工艺简便、性能优异的特点，可批量生产，成品率高。

1.  一种常压铸渗法制备灰铸铁基表层耐磨复合材料的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)取4-10重量份高碳铬铁粉末、3-5重量份ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒、2-3重量份石蜡颗粒、0.5-1重量份硼砂混合均匀得到混合料；
(2)往步骤(1)所得的混合料中加入粘结剂，粘结剂与混合料的质量比为1-3:20，混合均匀，装入模具中压实，得到胚体；
(3)将步骤(2)所得的压胚进行常压烧结，升温至50-80℃保温1小时，继续升温至180-300℃保温2-4小时，之后随炉冷却至室温，得到多孔陶瓷颗粒预制体；
(4)将步骤(3)得到的多孔陶瓷颗粒预制体置于欲制备耐磨件的型腔表面；
(5)在浇注温度将熔炼好的灰铸铁金属液浇入型腔，冷却后脱模，得到灰铸铁基表层复耐磨合材料。

2.  如权利要求1所述的铸渗法制备灰铸铁基表层耐磨复合材料的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的高碳铬铁粉末的粒径为80-200目；所述的陶瓷颗粒为ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒，其粒径为2-4mm，所述的石蜡颗粒的粒径为0.5-2mm。

3.  如权利要求1所述的铸渗法制备灰铸铁基表层耐磨复合材料的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒中，ZrO₂与Al₂O₃的体积分数比为1-4:1。

4.  如权利要求1所述的铸渗法制备灰铸铁基表层耐磨复合材料的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的粘结剂为聚乙烯醇或水玻璃。

5.  如权利要求1所述的铸渗法制备灰铸铁基表层耐磨复合材料的方法，其特征在于：步骤(5)中，所述的浇注温度为1370～1420℃。

一种常压铸渗法制备灰铸铁基表层耐磨复合材料的方法
技术领域
本发明涉及耐磨材料技术领域，尤其涉及一种常压铸渗法制备灰铸铁基表层耐磨复合材料的方法。
背景技术
据统计，约有70％的金属工件损坏是由各种形式的磨损引起的，磨损不仅造成了巨大的经济损失，更带来了重大的安全隐患。灰铸铁因其成本低廉，铸造性、加工性、减震性及金属间摩擦性均优良而被广泛应用，其用量约占铸铁产品的80％。因此，提高灰铸铁耐磨性具有显著的经济与社会效益。随着复合材料制备技术的迅猛发展，陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合材料成为新的研究热点，其不仅具有金属材料的高强度、良好的塑性和冲击韧性，还具备陶瓷材料的高硬度、高耐磨性，解决了传统耐磨材料耐磨性与强韧性相互制约的难题。同时，耐磨工件在服役的过程中一般只在局部表面承受载荷和磨损，不需要工件整体具有良好的耐磨性。因此，通过在灰铸铁表面制备高耐磨性的陶瓷颗粒增强灰铸铁基复合材料，能够在提高灰铸铁整体耐磨性能、延长寿命、满足工况要求的同时，显著降低成本。
目前，颗粒增强铁基复合材料的制备工艺可分为外加颗粒法(包括搅拌铸造、粉末冶金、铸渗法、喷射法等)和内生颗粒法(包括机械合金化法、自蔓延高温合成、原位合成放热弥散复合法、直接还原 法等)。外加颗粒法制备工艺相对简单，是目前制备颗粒增强铁基复合材料的主要工艺，其中铸渗法制备的复合材料陶瓷颗粒体积分数大、增强颗粒分布均匀、预制体形状可控，可将陶瓷颗粒局部固定在指定位置，是一种发展潜力巨大的耐磨复合材料制备方法。目前，研究较多的是负压铸渗法。中国专利CN 101530904A公开了一种负压铸渗法制备WC颗粒增强破碎机锤头复合材料的方法。中国专利CN 101898239A公开了一种负压铸渗法用颗粒增强体的制备方法，其采用8-14目WC颗粒按一定质量比填入石墨模具中，再连同石墨模具在1700-1750℃真空烧结35-40min，随炉冷却至室温后，抽芯、脱模得到耐磨复合材料陶瓷颗粒增强体。负压铸渗法制得的产品气孔、缩孔等缺陷较少，铸渗质量较好，但其需要额外设备，难以满足多种条件下耐磨件的制备要求。常压铸渗因其不需要额外设备无疑是最适合大规模工业生产的技术，但由于没有外界压力作用，仅通过金属液自发渗入陶瓷预制体，存在渗入效果差、陶瓷颗粒与金属基体结合力差等不足。中国专利CN 102310596A首先设计一个金属壳体，然后将硬质陶瓷颗粒填充到金属壳体内连同金属壳体一起制成多孔状硬质陶瓷颗粒预制体，再将预制体间隔地固定在砂模中的局部位置，最后浇注金属液，得到耐磨复合材料。该方法需要专门设计一金属壳体，对于异形件，生产成本将大幅提高。中国专利CN 102310183A以大尺寸电熔锆石为增强颗粒、以水玻璃为粘结剂、以硼砂为熔剂，Ti为活化剂制备陶瓷预制体，在1540-1590℃浇注高铬铸铁，制得耐磨复合材料。但Ti在高温下易氧化，失去活化效果，通常是在保护气氛下使用，该 方法在工业生产上难以实现。专利US 2002/0136857A1和CN 103641487A都是采用无压铸渗蜂窝状陶瓷预制体制备颗粒增强铁基复合材料，二者都是通过蜂窝状结构间接降低预制体厚度，并没有从根本上提高金属液对预制体的铸渗能力。以上不同的颗粒增强铁基复合材料制备方法，一定程度上改善了对预制体的铸渗能力，但并没有从根本上解决常压铸渗存在金属液渗入效果差、陶瓷颗粒与金属基体结合力差等问题。
综上所述，常压铸渗法制备颗粒增强铁基复合材料是目前研究的热点，但现有制备技术都存在不足之处。因此，提供一种简单有效的制备新技术势在必行。本发明从以上几点出发，在考虑生产成本及设备需求情况下，设计制备了一种多孔陶瓷颗粒预制体，显著提高了金属液对预制体的铸渗效果，且在预制体设计上引入灰铸铁表面合金化技术，在灰铸铁表层一步实现颗粒增强和合金化效果。
发明内容
本发明的目的在于设计一种多孔陶瓷颗粒预制体，通过常压铸渗该预制体在灰铸铁表层一步实现颗粒增强和合金化效果，具有工艺简便、性能优异的特点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的常压铸渗法制备灰铸铁基表层耐磨复合材料的方法的具体步骤如下：
(1)取4-10重量份高碳铬铁粉末、3-5重量份ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒、2-3重量份石蜡颗粒、0.5-1重量份硼砂混合均匀得到混合料；
(2)往步骤(1)所得的混合料中加入粘结剂，粘结剂与混合料的质量比为1-3:20，混合均匀，装入模具中压实，得到胚体；
(3)将步骤(2)所得的胚体进行无压烧结，升温至50-80℃保温1小时，继续升温至180-300℃保温2-4小时，之后随炉冷却至室温，得到多孔陶瓷颗粒预制体；
(4)将步骤(3)得到的多孔陶瓷颗粒预制体置于型腔的特定位置；
(5)在浇注温度将熔炼好的灰铸铁金属液浇入型腔，冷却后脱模，得到灰铸铁基表层耐磨复合材料。
步骤(1)中，所述的高碳铬铁粉末的粒径为80-200目；所述的陶瓷颗粒为ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒，其粒径为2-4mm，所述的石蜡颗粒的粒径为0.5-2mm。
步骤(1)中，所述的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒中，ZrO₂与Al₂O₃的体积分数比为1-4:1。
步骤(2)中，所述的粘结剂为聚乙烯醇(PVA)或水玻璃。
步骤(5)中，所述的浇注温度为1370～1420℃。
本发明的积极效果如下：
本发明的常压铸渗法制备灰铸铁基表层耐磨复合材料的方法能够显著提高金属液对预制体的铸渗能力，在灰铸铁表层一步实现颗粒增强和合金化效果，具有方法简便，可批量生产，成品率高的优点。同时，本发明制备的耐磨复合材料性能优异。
附图说明
图1是本发明所得陶瓷颗粒增强灰铸铁基表层复合材料的结构示意图；
1、代表颗粒增强-合金化复合层，2、代表灰铸铁基体。
图2是本发明采用的浇注系统示意图；
1、多孔陶瓷颗粒预制块，2、横浇道，3、直浇道，4、浇口杯，5、冒口，6、上砂箱，7、下砂箱。
图3是本发明制备的多孔陶瓷颗粒预制体。
图4是本发明制备的陶瓷颗粒增强灰铸铁基表层复合材料的显微组织图。
图5是及本发明制备的陶瓷颗粒增强灰铸铁基表层复合材料的能谱分析图；
图中A和B分别代表图4中的A点和B点取样的能谱分析结果。
如图3可以看出，本发明制备的陶瓷颗粒预制体含有较大尺寸的孔洞，这些孔洞有利于金属液的渗入，从而显著提高了常压条件下金属液对预制体的铸渗能力。
如图4和图5可以看出，本发明以灰铸铁为基体制备的耐磨复合材料，同时具有颗粒增强和合金化效果，其中合金化产物为1600-1800HV的M₇C₃。
具体实施方式
下面的实施例是对本发明的进一步详细描述。
实施例1
本发明的常压铸渗法制备灰铸铁基表层耐磨复合材料的方法的具体步骤如下：
(1)取4重量份高碳铬铁粉末、3重量份ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒、2重量份石蜡颗粒、0.5重量份硼砂混合均匀得到混合料；
(2)往步骤(1)所得的混合料中加入粘结剂，粘结剂与混合料的质量比为3:20，混合均匀，装入模具中压实，得到胚体；
(3)将步骤(2)所得的胚体进行无压烧结，升温至50℃保温1小时，继续升温至180℃保温4小时，之后随炉冷却至室温，得到多孔陶瓷预制体；
(4)将步骤(3)得到的多孔陶瓷预制体置于型腔的特定位置；
(5)将熔炼好的灰铸铁金属液浇入型腔，冷却后脱模，得到灰铸铁基表层耐磨复合材料。
步骤(1)中，所述的高碳铬铁粉末的粒径为80目；所述的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒的粒径为2mm，所述的石蜡颗粒的粒径为0.5mm。
步骤(1)中，所述的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒中，ZrO₂与Al₂O₃的体积分数比为1:1。
步骤(2)中，所述的粘结剂为PVA。
本发明制备的灰铸铁基表层耐磨复合材料的耐磨性能是灰铸铁基体的3.2-3.8倍。
实施例2
本发明的常压铸渗法制备灰铸铁基表层耐磨复合材料的方法的 具体步骤如下：
(1)取10重量份高碳铬铁粉末、5重量份ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒、3重量份石蜡颗粒、1重量份硼砂混合均匀得到混合料；
(2)往步骤(1)所得的混合料中加入粘结剂，粘结剂与混合料的质量比为1:20，混合均匀，装入模具中压实，得到胚体；
(3)将步骤(2)所得的胚体进行无压烧结，升温至80℃保温1小时，继续升温至300℃保温2小时，之后随炉冷却至室温，得到多孔陶瓷预制体；
(4)将步骤(3)得到的多孔陶瓷预制体置于型腔的特定位置；
(5)将熔炼好的灰铸铁金属液浇入型腔，冷却后脱模，得到灰铸铁基表层耐磨复合材料。
步骤(1)中，所述的高碳铬铁粉末的粒径为200目；所述的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒的粒径为4mm，所述的石蜡颗粒的粒径为2mm。
步骤(1)中，所述的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒中，ZrO₂与Al₂O₃的体积分数比为4:1。
步骤(2)中，所述的粘结剂为水玻璃。
本发明制备的灰铸铁基表层耐磨复合材料的耐磨性能是灰铸铁基体的5.6-6.1倍。
实施例3
本发明的常压铸渗法制备灰铸铁基表层耐磨复合材料的方法的具体步骤如下：
(1)取7重量份高碳铬铁粉末、4重量份ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒、1.5重量份石蜡颗粒、0.8重量份硼砂混合均匀得到混合料；
(2)往步骤(1)所得的混合料中加入粘结剂，粘结剂与混合料的质量比为1:10，混合均匀，装入模具中压实，得到胚体；
(3)将步骤(2)所得的胚体进行无压烧结，升温至70℃保温1小时，继续升温至250℃保温3小时，之后随炉冷却至室温，得到多孔陶瓷预制体；
(4)将步骤(3)得到的多孔陶瓷预制体置于欲制备耐磨件的型腔表面；
(5)将熔炼好的灰铸铁金属液浇入型腔，冷却后脱模，得到灰铸铁基表层耐磨复合材料。
步骤(1)中，所述的高碳铬铁粉末的粒径为100目；所述的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒的粒径为3mm，所述的石蜡颗粒的粒径为1mm。
步骤(1)中，所述的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒中，ZrO₂与Al₂O₃的体积分数比为3:1。
步骤(2)中，所述的粘结剂为水玻璃。
本发明制备的灰铸铁基表层耐磨复合材料的耐磨性能是灰铸铁基体的4.4-5.1倍。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权 利要求及其等同物限定。