[发明专利]一种常压铸渗法制备灰铸铁基表层耐磨复合材料的方法

说明书

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；