钢基耐磨复合材料的真空实型铸造工艺研究(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)郑州轻工业学院机电工程学院 作者:李宏伟

  采用真空实型铸造工艺来制备陶瓷颗粒增强的钢基表面复合材料是一种制造选择性增强耐磨复合材料的先进工艺。本文研究了复合材料的制备过程,耐磨涂料配制及涂刷工艺和材料的浇注工艺,并在金相显微镜上对复合材料的组织进行研究。对复合材料微观组织结构分析表明,碳化硅颗粒表面固溶于基体材料组织中,粒形基本保持完整,分布均匀,与基体构成冶金结合。

  现代工业的发展对材料耐磨性的要求越来越高。冶金、矿山、建材、电力、化工、煤炭和农业等部门需要各种各样的破碎粉磨设备(如矿山机械、工程机械和农机机械),这些设备的零部件易受到沙石、矿石、土壤等各种物料及研磨体的磨损,每年需要消耗大量的金属。据不完全统计,能源的1/3~1/2 消耗于摩擦与磨损;对金属材料来说,约80%的零件失效是由磨损引起的,其中因磨粒磨损而失效的约占50%。这不仅消耗大量的金属材料,而且由于严重的磨损,机械零件的效率大大降低,能耗增高。同时频繁更换零件造成设备乃至生产线停机,大大降低了生产效率,因而每年这一项的经济损失是巨大的。

  表面磨损是这些机械零件失效的主要原因,不仅影响机械产品的使用寿命,也会造成生产及使用成本的增加,如矿山行业其碎矿、磨矿过程中所消耗的金属材料占其选矿成本的一半。因此提高机械零件表面耐磨性一直是一项重要的课题。

  真空实型铸渗法是将真空实型铸造技术与表面铸渗法结合起来的新型铸造工艺,不仅工艺简单,铸件质量高,绿色环保,而且表面层厚度大,与基体结合好等特点,是一种极具发展前景的工艺方法。本文对于真空实型铸渗工艺制备钢基耐磨复合材料进行了系统的研究,研究了涂料的配置方法,浇注过程以及材料的微观组织。

1、材料制备

1.1、耐磨涂料组成的确定

  提高材料表面硬度和耐磨性有三种途径:一是采用对基体进行表面合金化的方法,使合金元素溶入基体而起到固溶强化作用,并设法生成弥散的高硬度碳化物相;二是在材料的复合层直接添加高硬度,高模量的陶瓷颗粒,利用颗粒在磨损过程中阻止磨料对基体的显微切削和犁沟变形来提高材料的耐磨性;三是以上两种方法的复合。本文采取的是第三种方法,即在耐磨涂料中同时加入合金元素和陶瓷颗粒,合金元素溶入基体,提高表层基体的强度,陶瓷颗粒作为增强体颗粒可提高表层耐磨性。

  在表面复合材料的制备过程中,耐磨涂料配方对表面复合层的质量起决定性的作用。耐磨涂料主要由增强体颗粒、合金粉末、EPS (全称Expandable Polystyrene,中文名为发泡聚苯乙烯)小颗粒、粘结剂等组成。增强体颗粒是提高表层耐磨性的摩擦组元;合金元素可提高表层基体强度;EPS 小颗粒在浇注时气化,为金属液向表面层铸渗提供有效通道;粘结剂将各种固体渗剂粉末调成浆料状,方便将其涂刷在泡沫塑料试样模型上。

  在表面耐磨复合材料的使用过程中,增强颗粒将对材料磨损性能的提高具有非常重要的作用,因此加入的增强颗粒必须具备高硬度、高模量的性质,陶瓷颗粒正好可以满足这个要求。对于在铸钢表面添加高硬度陶瓷颗粒的方法,可供选择的陶瓷材料有碳化硅、碳化钨、碳化钛、碳化硼、氧化铝、氧化锆和氧化钛等。大部分陶瓷颗粒与铸钢液间的润湿性差,密度相差大,或者价格高,其中碳化硅颗粒价格便宜,来源也比较广泛,最重要的是与铸钢液的润湿性良好。从与基体材料的润湿性、抗磨性和抗腐蚀性几方面考虑,选择碳化硅颗粒作为本次试验中的抗磨硬质颗粒在技术上与经济上都是合适的。

  在确定碳化硅作为增强体颗粒后,还要选择合适的颗粒粒度和颗粒含量,以获得耐磨性和经济性的最佳配合。在颗粒粒度大小的选择上,不能过大也不能过小,颗粒粒度过大会使复合材料产生脆性裂纹,而颗粒粒度过小又会导致熔解严重。同时还要考虑颗粒间的孔隙半径,即必须保证金属液能够渗透进去。本实验选用了粒度分别为80 μm 的碳化硅颗粒。考虑到材料的耐磨性要求,碳化硅颗粒的含量就不能太少,一般为30%~50%(体积百分比)比较适宜。

  合金粉末主要是起固溶强化的作用,增强基体的强度。可选的合金粉末有铬合金、镍合金、钨合金等。铬能使钢铁材料的性能在很多方面得到改善和提高,应用范围十分广泛。铬作为主要合金元素时,能形成抗磨性高的合金碳化物(Fe,Cr)7C3,具有高的耐磨性,并能固溶于铸钢基体而提高基体的强度、硬度和蠕变抗力,同时并不降低钢的冲击韧度;其次铬主要存在于渗碳体、铁素体中,可以使碳化物的稳定性提高,并能阻止石墨化进程。因此,本次试验选择铬粉作为耐磨涂料中的合金粉末。合金粉末加入量对复合层耐磨性影响也较大。加入量过少时对增强颗粒的固溶性差,基体的强度低,耐磨性差;加入量增多时,基体的强度和耐磨性提高。但加入量过多,纯胶嵌合硬质颗粒的强度下降,粉末在外力作用下易脱落,从而导致复合层耐磨性下降。我们是初步试验研究,为了比较耐磨涂料中铬合金粉末含量对复合层耐磨性的影响,暂定耐磨涂料中铬合金粉末含量为1.5%(体积百分比)。

  为了便于金属液渗入耐磨涂料层与增强体颗粒SiC 及合金粉末Cr 充分接触,在耐磨涂料中加入了EPS 小颗粒。浇注时,在高温金属液作用下,EPS 小颗粒被气化,形成了许多毛细管孔隙,为金属液渗入提供有利条件。EPS 小颗粒气化有助于金属液的渗入,使高温金属液与SiC 颗粒和铬粉充分接触,发生化学冶金反应。但是EPS 小颗粒加入太多时,气化产生大量的气体,不能通过耐磨涂层及时排出时,金属液流前的气隙压力很大,将严重阻碍金属液的充型,导致铸件产生浇不足、气孔等缺陷。同时,由于热解产物不能及时排出,易使铸件产生皱皮缺陷。但当EPS 小颗粒加入量少时,金属液不能很好的渗入涂料层,会使复合层容易剥落从而质量不高。

  本文采用正交试验法优化了耐磨涂料配方,确定最佳耐磨涂料配方方案见表1。

表1 耐磨涂料成分及配比

耐磨涂料成分及配比

1.2、粘结剂的选用和制备

  在真空实型铸渗工艺中粘结剂的作用是很重要的,粘结剂是将耐磨涂料中各种固体组分粘结在一起,使其具有一定的强度,以免在浇注中被金属液冲散;其次,使其形成稳定的毛细管孔隙,提高金属液的铸渗效果。为了满足涂层的强度和透气性的要求,我们选择了有机粘结剂聚乙烯醇缩丁醛,按其质量分数的12%配制而成。根据前期试验结果表明,选用聚乙烯醇缩丁醛作为耐磨涂料的粘结剂满足试验要求。

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