[发明专利]制备铁基表面复合材料的铸造烧结法

说明书

本发明属于金属基复合材料制造技术领域，是将粉末冶金与铸造这两个不同的学科交叉结合而衍生出的一种制备具有以陶瓷颗粒增强的表面复合材料层的铸钢件或铸铁件的铸造烧结法。

现代工业的发展迫切需要能在高温、高速和剧烈磨损工况下工作的结构件，铁基——陶瓷颗粒复合材料就是在这一需求下产生的。目前，制造铁基——陶瓷颗粒复合材料的方法可分为固相成型和液相成型两大类。其中以粉末冶金为代表的固相成型法是将粒度较小的陶瓷粉料和合金粉料加入成型剂混匀，在较高的压力下压制成型，并在高温下长时间烧结制造而成(李荣久主编，陶瓷——金属复合材料，1995年，冶金工业出版社，北京)。该方法虽具有颗粒均匀分散，增强相体积分数高，烧结的零件尺寸精度和表面质量好等优点，但存在着设备投资大、生产成本高、工件的形状和大小受到一定限制等缺点，仅能用于制造刀具和钻探工具等。而以铸造为代表的液相成型法则是将陶瓷颗粒加入熔炼后的金属液中混合后浇注(张静、潘复生等，铁基复合材料的现状和发展，材料导报，1995,No.1,67)。该方法具有便于一次成型形状复杂构件，构件可大可小且设备投资少等优点，但颗粒的均匀分散一直是一个难以解决的问题。

近年来，Terry、Chrysanthou和Raghunath等人通过向炉内铁液或钢液中加入Ti-Fe和碳，使之反应生成TiC再浇注成型得到了Fe-TiC整体复合材料(Chrysan-thou A等，J.Mater Lett,1996,15,473)。这种原位生成Fe-TiC复合材料的方法成本低，生成的TiC颗粒小，表面无污染，但复合材料中TiC的体积分数较低，且TiC与Fe的密度相差较大，造成TiC颗粒仍分布不均匀，使这种方法难以推广应用。而且研究还表明颗粒增强整体复合材料往往会损害工件的韧性，增加成本并给材料回用带来困难。

为了克服陶瓷颗粒增强整体复合材料存在的缺陷，同时充分发挥金属材料热稳定性好，强度和韧性高的特性，近几年来国内几所大学开展了铁基——陶瓷颗粒表面复合材料的研究，即在作为母体的金属材料表面覆盖一层铁基——陶瓷颗粒复合材料，以满足构件在使用中所需要的外硬内韧的性能要求。其中西安交大采用的是负压铸渗法制造铁基表面复合材料(王恩泽等，铸渗法制备颗粒增强钢基复合材料的研究，复合材料学报，1998,No.2,12)，而本专利发明人则是采用的是铸渗原位反应法制造表面复合材料(王一三等，原位生成Fe-VC_0.88自润滑表面复合材料的研究，热加工工艺，1998,No.6,3)。铸渗法制造铁基表面复合材料基本上解决了陶瓷颗粒分布均匀性问题，增强相的体积分数也较高，但由于其主要是靠高温液相金属对涂敷颗粒层的完全渗透、熔合实现致密化的，因而存在工艺因素不稳定；表面质量差，易出现孔洞且又不平整；表层厚度难以控制等问题，严重阻碍了铁基表面复合材料的生产和应用。

本发明的目的是解决已有技术存在的问题，拟提供一种新的复合技术，即将粉末冶金与铸造有机结合的、制备铁基表面复合材料的铸造烧结法。

本发明的目的是由这样一种技术解决方案达到：即将陶瓷粉或/和可生成碳化物陶瓷的组分与易熔合金粉在球磨机中混合均匀，再按粉末冶金成型方法制成压坯并固定在铸型表面，然后利用铸造浇注的高温钢水或铁水的热量，直接将压坯烧结在铸件母体上。

上述技术解决方案是通过下述工艺步骤来具体进行的：

①将粒度≤50μm的陶瓷粉或/和可生成碳化物陶瓷的组分30～70％(重量)和粒度≤50μm的易熔合金粉30～70％(重量)以及为粉料总重量8～20％的无水乙醇加入球磨机中，湿混8～48小时，转速为60～200转/分；

②将混匀的粉料烘干，加入粘结剂2～7％(重量)混匀后，在100～1000MPa的单位压力下压制成厚度为2～12毫米的压坯；

③将压坯固定在铸型表面，然后在120～180℃烘烤4～8小时；

④在电弧炉或感应电炉中熔炼中、低碳钢、低合金钢或灰铸铁或球墨铸铁，并将过热的钢水或铁水浇入铸型，浇注温度为1500～1650℃，凝固冷却后即成。

其中所用陶瓷粉为碳化钛粉或碳化钨粉，也可为镍包二氧化锆粉或镍包三氧化二铝粉。

可生成碳化物陶瓷的组分是粒度≤50μm的钒铁粉或钛铁粉30～60％(重量)和粒度≤50μm的活性碳粉、碳化硅粉、生铁粉中的至少一种，含量2～35％(重量)。

所用的易熔合金粉的成分是Cr8～30％、Ni10～60％、Si1.4～4.5％、B1.2～3.5％、Fe13～70％、C0.15～1.5％、Mo0～10％，以上成分均为重量百分比。