消失模铸造高锰钢耐磨表面复合材料的制备工艺

技术领域

本发明涉及一种金属成型领域的复合材料消失模铸造的技术，特别是涉及一种消失模铸造高锰钢耐磨表面复合材料的制备工艺。

背景技术

耐磨材料在冶金矿山、建材、火力发电、装备制造等工业领域经济成本的消耗中占有相当大的比重。2004年北京摩擦学科与工程前沿研讨会的资料显示，磨损损失了世界一次能源的三分之一。我国每年因磨损造成的经济损失在1000 亿元人民币以上，仅磨料磨损每年就要消耗300多万吨金属耐磨材料，且还以每年15%的速度在增长。推动材料向高耐磨、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等多方面发展，是亟待解决的一项重要任务，具有重要的经济意义和社会意义。

复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的材料组合而成的一种多相材料，它可以发挥金属、陶瓷等不同材料的性能优势，满足特殊的性能及功能。将复合材料制备技术与材料表面工程技术相结合，在不改变基体材料性能的基础上，赋予材料表面特殊性能及功能，达到提高综合性能的目的。复合材料的出现在很大程度上解决了材料当前面临的问题，推进了材料的进展。金属铸造复合材料具有优良的物理性能和力学性能，不仅可以在航天航空工业上应用，也可以在汽车、矿山、装备制造等民用工业上应用。用铸造法制备钢铁基表面复合材料，工艺独特、成本低廉，已成为最有发展前途的复合材料制备方法之一，具有广阔的应用前景。

目前，铸造钢铁基表面复合材料的制备方法主要有树脂砂造型、VRH法—真空置换硬化造型法、铸渗法、离心铸造法和自蔓延（SHS）离心铸造法，对于大多数铸件而言，由于形状复杂，因此，铸渗法应用更加广泛。

树脂砂造型工艺采用树脂类粘结剂在常温下与固化剂发生化学反应而固化型砂，其砂型不用烘干。与普通水玻璃砂造型相比，可大大提高铸件的外观质量和尺寸精度；但造型材料成本高。需要有一套复杂的砂再生设备配套，生产时有一定量的刺激性气体排出而污染操作业环境。　　

VRH法—真空置换硬化造型法是在水玻璃砂CO₂吹气硬化法的基础上发展而成的。此法较适合于传统的CO₂水玻璃砂工艺的技术改造，投入少，见效快，但难以克服老工艺铸件表面质量较差的状况，并仍需一整套水玻璃砂的处理回收设备。目前主要应用于小批量的铸钢件生产。

铸渗又称铸造表面合金化，是通过铸造技术和冶金强化技术来实现铸件表面改性的，铸渗法分为普通铸渗工艺、压力铸渗工艺、消失模负压铸渗工艺。

普通铸渗工艺是将配置好的合金粉末与粘结剂、熔剂配制成涂料、膏剂或预制块，然后刷涂、贴敷、固定在铸型（芯）的表面上，待铸型干燥后浇注。金属液在重力作用下向颗粒层渗透，产生物理和化学的作用，形成具有复合层表面的铸件。该工艺的优点是：工艺简单，设备投入少，生产成本低，一般多适用生产表面耐磨铸件。但其易产生气孔和夹渣，渗层质量稳定性有待提高；另外一个问题是，对于增强颗粒与基体润湿性能较差的铸渗复合层的制备显得无能为力。

压力铸渗工艺是将预制粉末压坯或粉末放到预热过的压铸模具中，然后浇铸高温合金液，接着在合金液表面直接施加压力，使合金液渗入压坯或粉末层中。压力铸渗的优点是增强了颗粒与合金液的润湿角，但由于铸渗法采用的基体金属多为铸铁或铸钢，并且是高温合金液，实际操作起来有一定的难度和制约，模具使用寿命也较短，生产成本高。

消失模铸造表面复合材料工艺是将配制好的合金涂料涂覆在用可发性聚苯乙烯制成的铸件模型上，涂刷耐火材料并烘干后，用干砂振动造型。当合金液充型时，泡沫模样和合金化涂料层中的有机粘结剂等遇高温合金液分解气化，产生的气体在负压抽力的作用下从涂层空隙中溢出，高温金属液在毛细管力、负压吸力、铁液静压力等作用下，向合金粉末空隙渗入，合金粉末颗粒熔融、分解和扩散，最终与母液结合形成表面具有特殊性能的铸件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的诸多不足，提供一种工艺操作方便，工艺流程短，能耗低，易于实现工业化生产，尤其是能够显著提高高锰钢的耐磨性能，延长使用寿命的消失模铸造高锰钢表面复合材料制备工艺。

实现上述目的采用以下技术方案：

一种消失模铸造高锰钢耐磨表面复合材料的制备工艺，包括制备工艺中使用的消失模模样，其特征在于：其制备工艺包括如下步骤：

步骤1：制备水基涂料：制备水基涂料的原料是：SiC颗粒、铬铁粉、稀土、EPS珠粒、CMC，按重量份数秤取SiC颗粒、铬铁粉、稀土、EPS珠粒、CMC，将秤取的SiC颗粒、铬铁粉、稀土、EPS珠粒、CMC放入球磨机中混合15～20min ，得到混合物，将混合物从球磨机中倒出，按照混合物的重量往混合物中加入8%的聚乙烯醇水溶液搅拌混合均匀，制得SiC水基涂料；

步骤2：将制得的SiC水基涂料涂敷在消失模模样表面；

步骤3：将上涂料后的消失模模样放入烘干室烘烤，烘烤温度50～55℃，烘干室的相对湿度小于等于30%。

步骤4：SiC水基涂料涂挂好后，最后涂普通消失模铸钢涂料，烘干。

步骤5：组箱，干砂振动造型；

步骤6：浇注温度1390-1460℃，负压0.050-0.055MPa，保压10分钟，浇注完毕保温8小时，翻箱、落砂，得到试块；

步骤7：对试块进行水韧处理，加热温度1050℃-1100℃，保温时间1-3h； 

步骤8：对试块进行力学性能、成分检测和组织观察。 

进一步，制备水基涂料的SiC颗粒还可选用WC颗粒。

进一步，所述制备水基涂料的原料重量份数为：SiC颗粒或WC颗粒40-65份、铬铁粉35-55份、稀土0.2-0.5份、EPS珠粒0.0-0.3份、CMC0.1-0.3份。

进一步，所述制备水基涂料的原料重量份数为： WC颗粒40-65份、铬铁粉35-55份、稀土0.2-0.5份、EPS珠粒0.0-0.3份、CMC0.1-0.3份。

进一步， SiC或WC颗粒的粒度为20-80目。 

进一步，所述的水基涂料均匀的覆盖消失模模样表面，水基涂料层厚度为3-4mm。

进一步，水基涂料均匀的覆盖消失模模样表面晾干后，在水基涂料层的表面涂普通消失模铸钢涂料，烘干。

进一步，所述的普通消失模铸钢涂料层厚度为：0.3-1.0mm。

进一步，所述的普通消失模铸钢涂料层是由市场上购买的YQ铸钢涂料涂覆。

由于采用了上述技术方案，本发明的显著效果在于：

本发明采用消失模干砂真空铸造法制备高锰钢表面复合材料，是一种新型的金属表面复合材料制备工艺。本发明主要采用SiC颗粒、高碳铬铁粉颗粒以及粘结剂、添加剂、助渗剂和悬浮剂等辅料， SiC颗粒来源广，价格便宜，因此， SiC颗粒增强高锰钢表面复合材料有良好的应用前景；WC 颗粒，强度高，制备的表面复合材料耐磨性好。本发明可操作性强，生产成本低，生产效率高，既可以整个零件涂覆、也可以根据零件的使用工况局部涂覆、易于实现工业化生产，尤其是显著提高零件的耐磨性能，延长零件的使用寿命，节能降耗，复合我国可持续发展的战略国策。

该工艺制备的表面复合材料和基体结合强度高，增强颗粒分布均匀，铸件表层碳含量明显增多，碳化物数量增多。

经冲击磨损后样块减轻的重量，基体为1.0159g，SiC颗粒增强表面复合材料0.2705，SiC颗粒增强高锰钢基表面复合材料的耐磨性大约是原基体的3.76倍。SiC颗粒增强表面复合材料0.4003，SiC颗粒增强表面复合材料的耐磨性大约是原基体的2.54倍。

附图说明

图1是高锰钢未加复合材料水韧处理后的奥氏体组织金相图。

图2是SiC颗粒粒度为20-30目，EPS加入量0.1份时表面复合材料试块水韧处理后的金相组织图。图中a过渡层、b复合层。图中白色部分是奥氏体，黑色部分是由于SiC颗粒分解，造成石墨化。

图3是WC颗粒粒度为40-60目，EPS加入量0.1份时表面复合材料试块水韧处理后的金相组织图。图中过渡层a、复合层b。图a左侧白色部分为奥氏体，图a右侧及图b中的白色小块状物质为加入的WC颗粒。

图4是WC颗粒粒度为60-80目，EPS加入量0%时表面复合材料试块水韧处理后的金相组织图。图中过渡层a、复合层b。图a左侧白色部分为奥氏体，图a右侧及图b中的白色小块状物质为加入的WC颗粒。

图5是用本发明制备的锤头示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种消失模铸造高锰钢耐磨表面复合材料的制备

工艺，该制备工艺包括复合材料的配比、混制、涂挂、烘干、消失模铸造高锰钢耐磨表面复合材料工艺流程、浇注工艺、热处理工艺。具体实施例如下：

实施例1

利用本发明制备SiC颗粒增强高锰钢表面复合材料试块及试件的工艺包括如下步骤：

第一步：按照重量份数取SiC颗粒55份、铬铁粉44份、稀土0.5份、EPS珠粒0.2份、CMC0.3份，放入球磨机中混合15～20min ，混匀后，将混合物从球磨机中倒出，按照混合物的重量，每一百斤混合物加入8%的聚乙烯醇水溶液，将混合物与聚乙烯醇水溶液混合均匀，得到SiC水基涂料。

第二步：将SiC水基涂料涂敷在消失模模样表面，SiC水基涂料必须均匀的覆盖模样，没有缺涂，流淌或夹杂气泡的现象。

第三步：上SiC水基涂料后对消失模模样进行烘烤，烘烤温度为50～55℃，为达到最佳的烘干条件，控制烘干室湿度，要求相对湿度不应大于30%。

第四步：SiC水基涂料层厚度在3-4mm左右，共计要涂刷两遍，每次涂刷SiC水基涂料前消失模模样烘干3-4天。

第五步：SiC水基涂料涂挂好后，最后涂普通消失模铸钢涂料，普通消失模铸钢涂料采用YQ铸钢涂料，普通消失模铸钢涂料层厚度为   0.3-1.0mm，将消失模模样烘干。

第六步：将消失模模样组箱，用干砂振动造型。

第七步：浇注组箱，浇注温度1390-1460℃，负压0.050-0.055MPa，保压10分钟，浇注完毕保温8小时，翻箱、落砂，得到试块。

第八步：对试块进行水韧处理，加热温度1050℃-1100℃，保温时间1-3h；

第九步：对试块进行进行力学性能、成分检测和组织观察。

试块测定结果如下：

从上述试块中切取试样，测定性能、成分并观察其金相组织。获得的实验数据和金相组织如下：

表1是SiC颗粒增强表面复合材料试块耐磨数据。

表1 SiC颗粒增强表面复合材料试块耐磨数据

表2是20-30目SiC（碳化硅），EPS加入量20%时，距试样表面不同位置复合层的化学成分。

表2距试样表面不同位置复合层的化学成分

金相图见图2，图2是SiC颗粒粒度为20-30目，EPS加入量20%时表面复合材料水韧处理后的金相组织图。图中a过渡层、b复合层。图中白色部分是奥氏体，黑色部分是由于SiC颗粒分解，造成石墨化。

表3是碳化硅为70-80目，EPS加入量0%时，距试样表面不同位置复合层的化学成分。  

表3 距试样表面不同位置复合层的化学成分

实施例2

利用本发明制备WC颗粒增强高锰钢表面复合材料试块及试件的工艺包括如下步骤： 

第一步：按照重量份数取WC颗粒63份、铬铁粉36份、稀土0.4份、EPS珠粒0.3份、CMC0.3份混合，将WC颗粒、铬铁粉、稀土、EPS珠粒、CMC放入球磨机中混合15～20min ，混匀后，将混合物从球磨机中倒出，按照混合物的重量，每一百斤混合物加入8%的聚乙烯醇水溶液，将混合物与聚乙烯醇水溶液混合均匀，得到WC水基涂料。

第二步：将WC水基涂料涂敷在消失模模样表面，WC水基涂料必须均匀的覆盖模样，没有缺涂，流淌或夹杂气泡的现象。

第三步：消失模模样涂刷WC水基涂料后进行烘烤，烘烤温度为50～55℃，为达到最佳的烘干条件，还应控制烘干室湿度，要求相对湿度不应大于30%。

第四步：WC水基涂料层厚度在3-4mm左右，每次涂刷前必须干透。

第五步：WC水基涂料涂挂好后，最后涂普通消失模铸钢涂料，烘干。

第六步：将消失模模样组箱，用干砂振动造型。

第七步：浇注组箱，浇注温度1390-1460℃，负压0.050-0.055MPa，保压10分钟，浇注完毕保温8小时，翻箱、落砂，得到试块。

第八步：对试块进行水韧处理，加热温度1050℃-1100℃，保温时间1-3h；

第九步：对试块进行力学性能、成分检测和组织观察。

试块测定结果如下：

从上述试块中切取试样，测定性能、成分并观察其金相组织。获得的实验数据和金相组织如下：

表4是WC颗粒增强表面复合材料试块耐磨数据。

表4WC颗粒增强表面复合材料试块耐磨数据

表5是60-80目WC，EPS加入量0% 时，距试样表面不同位置复合层的化学成分。   

表5距试样表面不同位置复合层的化学成分

图3是WC颗粒粒度为40-60目，EPS加入量0.1份时表面复合材料试块水韧处理后的金相组织图。图中过渡层a、复合层b。图a左侧白色部分为奥氏体，图a右侧及图b中的白色小块状物质为加入的WC颗粒。

图4是WC颗粒粒度为60-80目，EPS加入量0%时表面复合材料试块水韧处理后的金相组织图。图中过渡层a、复合层b。图a左侧白色部分为奥氏体，图a右侧及图b中的白色小块状物质为加入的WC颗粒。

实施例3 本工艺用于制备锤头实施例

利用本工艺制备SiC颗粒增强高锰钢表面复合材料锤头的工艺包括如下步骤：

第一步：将SiC颗粒、铬铁粉、稀土、EPS珠粒、CMC按重量份数秤取，SiC颗粒55份、铬铁粉44份、稀土0.5份、EPS珠粒0.2份、CMC0.3份，放入球磨机中混合15～20min ，混匀后，将混合物从球磨机中倒出，再加入8%的聚乙烯醇水溶液混合均匀。

第二步：将SiC水基涂料涂敷在锤头消失模模样表面，涂料必须均匀的覆盖模样，没有缺涂，流淌或夹杂气泡的现象。

第三步：上涂料后锤头模样的烘烤温度50～55℃，为达到最佳的烘干条件，控制烘干室湿度，要求相对湿度不应大于30%。

第四步：锤头模型涂料层厚度在4mm，每次涂刷前必须干透。

第五步：SiC水基涂料涂挂好后，最后涂普通消失模铸钢涂料，烘干。

第六步：组箱，干砂振动造型。

第七步：浇注温度1390-1460℃，负压0.050-0.055MPa，保压10分钟，浇注完毕保温8小时，翻箱、落砂。

第八步：对锤头进行水韧处理。

利用本工艺制备WC 颗粒增强高锰钢表面复合材料锤头的工艺同实施例3。

上述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。