[发明专利]一种增强低碳合金铸钢表面层硬度及耐磨性的铸渗方法

说明书

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，尤其涉及一种增强低碳合金铸钢表面层硬度及耐磨性的铸渗方法。

背景技术

大多数零件的失效都发生在产生摩擦行为的表面，针对表面磨损问题开发的表层强化材料相对于整体强化材料，能够降低成本，具有很高的现实价值。

金属材料的表面强化是提高材料性能的有效方法，目前，金属表面的强化方法有热喷涂、离子注入和堆焊等多种方法，这些方法都可以使铸件表面合金化，提高其硬度以及耐磨性。但是这些方法都存在一些有待解决的问题，例如热喷涂方法具有一定的局限性，对于形状复杂的工件无法制作，通常制备的耐磨层厚度只有1~2mm，且与工件基体的结合性不好，耐磨性不理想；离子注入的方法可使工件表面形成复合材料层，提高了工件表面的硬度及耐磨性，但是这种方法工艺复杂，成本较高；堆焊方法工艺简单成本低廉，但是制作工件的耐磨性又远不如前者。

铸渗法也是提高工件表面性能的一种方法，是一种传统的铸造工艺，该工艺是将合金粉末或者陶瓷颗粒等预先固定在型腔内壁上，然后通过浇铸使得铸渗复合，达到提高工件硬度和耐磨性的目的。传统的铸渗方法通常需要购买昂贵的SiC、WC、TiC或Al₂O₃等硬质陶瓷颗粒做为添加剂，使得铸渗法的成本较高，同时由于有些合金粉末或陶瓷颗粒与金属液（主要是Fe）之间的冶金反应不够强烈，使得工件基体与铸渗层（表面层）的界面结合不佳，造成表面层的硬度及耐磨性不能满足要求。

发明内容  

针对传统的铸渗法存在的缺点，本发明提供一种增强低碳合金钢表面层硬度及耐磨性的铸渗方法，目的是通过合金粉末在低碳合金钢基体上发生原位反应，自生形成陶瓷颗粒来增强低碳合金钢基体，显著提高铸件表面层的硬度和耐磨性。

实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：

（1）将铁粉和铝粉按照摩尔比1：1.5混合均匀，在此基础上添加占铁粉和铝粉总质量0.5~3%的钨精矿粉末，将三种粉末混合均匀；

（2）按质量百分比，将65~80%的上述混合均匀的粉末与20~35%的聚乙烯醇混合均匀，加水调制成糊状或膏状涂料； 

（3）将涂料均匀涂布在模具的内壁，烘干之后再涂第二次，涂3~5次后烘干，将熔炼好的低碳合金铸钢钢液注入模具中进行浇铸，浇铸完毕待铸件完全凝固冷却后，将铸件从模具中取出。

所述的钨精矿粉末来自于破碎的天然钨精矿，含80wt%WO₃，其余为杂质。

所述的低碳合金铸钢成分按重量百分比，C 1.0~1.2 wt.％，Mn 0.3~0.5 wt.％，Si 1.5~1.8 wt.％，P≤0.06 wt.％，S≤0.06 wt.％，Cr≤％10，其余为Fe。

与现有技术相比，本发明的原理是：

在浇铸的高温高热条件下，Fe、Al两元素相互扩散，生成了AlFe、AlFe₃ 及FeAl两相，在添加钨精矿粉后，由于铝热还原反应将钨精矿粉中的W单质还原出来，还原出的W单质中的一部分又被空气中的O₂氧化，原位自生成了WO₃相，另一部分W单质则与Al、Fe发生反应，原位自生成硬质颗粒相，如Fe₇W₆， 其中一部分WO₃、Fe₇W₆硬质小颗粒作为形核，又促使了晶粒长大，由于Fe基体上析出了这些细小弥散的硬质颗粒，通过增强颗粒与位错之间的相互作用，对位错进行钉扎，阻碍位错运动，这种组织分布对Fe-Al合金起到很强的固溶强化和钉扎强化作用，对低碳合金钢工件的表面合金起到了很强的固溶强化以及钉扎作用，使基体显微硬度上升，强化效果显著。

上述过程发生的基本化学反应包括：

1)        金属间化合物反应：Fe+Al=FeAl， 3Fe+Al=Fe₃Al；

2)        Al热还原反应：WO₃+2Al=W+Al₂O₃；

3)        自生陶瓷相反应：6W+7Fe=Fe₇W₆；

本发明的有益效果在于：