专利名称：硬质丝网耐磨复合材料及其制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种耐磨复合材料，特别涉及经过渗氮或渗碳处理过 的金属丝网制成的耐磨复合材料。本发明还涉及该耐磨复合材料的制 备工艺。
技术背景在现代工业生产中，很多重要的机械设备及其机械零部件处在恶 劣的工况条件下，如高速、高温、高压、重载等。磨损是机械设备重要的失效形式，约80%的机器零件失效由磨损引起，并最终导致工件 更换和维修频繁，设备运转效率降低，而且消耗了大量的能源和材料， 提高了成本，制约了生产发展。因此减少摩擦和磨损，提高资源利用 率，力争以最少的资源消耗获得最大的经济和社会效益，成为国内外 研究人员的主要研究方向。目前减摩降磨的主要方法合理选用耐磨材料、应用复合技术。 单一材质的金属材料主要通过增加基体中硬质相(如碳化物、氮化物 等)的含量而提高耐磨性，但由于韧性降低而导致整体性能下降，在 实际使用中受到制约。复合技术主要是以金属为基体，添加硬质颗粒 或纤维，作为增强相，形成金属基复合材料，但仅局限于整体复合， 颗粒或纤维分布在全部的金属基体内，无法实现分层来发挥各自的优 势，颗粒或纤维的添加数量也有限，并且颗粒或纤维的制作成本高、 工艺复杂，应用范围有限。也有将硬质颗粒用粘结剂固化成形，放入 铸型内，然后浇注金属液，使硬质颗粒与金属液互相渗透熔合，但由于粘结剂在高温下分解产生大量气体，导致复合层内部形成许多气 孔，效果不理想。由西安建筑科技大学申请，申请号为 200710017434.2，申请日为2007.2.14，发明名称为"气体渗碳碳化物 丝网金属基复合材料的制备工艺"，是将金属丝网放入碳化炉里在高 温下形成碳化物丝网，然后将其造型，再浇注金属材料而成。由于采 用气体渗碳炉，温度高，周期长，变形大，工艺控制较复杂，同时浇 注过程中无保温装置，无法保证金属液的充分填充，适用范围有限。 发明内容本发明要解决的一个技术问题是提供一种硬质丝网耐磨复合材 料，该复合材料由含有大量高硬质碳化物或氮化物的耐磨层与基体金 属组成，二者有效结合为一体，充分发挥了硬质相的高耐磨特性，也 保留了基体金属的良好韧性，从而达到最佳的性能匹配。为解决上述技术问题本发明是这样实现的所述复合材料是由经等离子渗氮或渗碳处理过的金属丝网(1) 与基体金属(2)复合而成。所述金属丝网(1)是由不锈钢丝、钨丝或钛丝编织而成，为了 保证金属丝网(1)能达到整体渗透以及加工便利，丝径应在 0.1~0.5mm。所述编织成的金属丝网的丝距为0.5~2mm。所述金属丝网(1)在耐磨层中所占体积为20°/。~50%,可根据工 件使用要求选择。本发明要解决的另一个技术问题是提供一种硬质丝网耐磨复合 材料的制备工艺，使用该工艺制备耐磨复合材料时，能在较低的温度下进行渗碳或渗氮，制备速度快，无污染，效率高；在保温状态下， 达到充分渗透填充，复合可靠。为解决上述技术问题本发明是这样实现的它包括以下步骤1) 选用金属丝，编织成金属丝网(1);2) 根据工件工作面结构，将网片(1)剪裁成合适的形状，按照 占耐磨层20%~50%的体积比例，叠加并固定成型；3) 将制作好的成型金属网架(1)放入等离子设备中，设置温度 50(TC 1100。C，通电进行等离子渗氮或渗碳，经过2 6h后取出；4) 按照铸造工艺制作砂型(4)中，并将硬质丝网(1)预埋入 砂型(4)的型腔中固定；5) 将砂型(4)放入中频感应加热装置(5)中，通电加热到1200 。C 1400。C后保温；6) 将金属材料用电弧炉冶炼形成基体金属液(2)， 1300°C~1500 。C出炉，通过浇冒口系统(3)浇注入砂型(4)中，注满为止；7) 将浇注好的砂型(4)继续保温5 10min，使基体金属液(2) 保持液态；8) 关掉电源，使砂型(4)降温，基体金属液(2)冷却凝固；9) 取出砂型(4)，去掉浇冒口系统(3)，清砂处理，即制成由金属丝网渗氮或渗碳处理形成的硬质丝网与基体金属组成的耐磨复 合材料。本发明的有益效果是1、由于采用细直径的不锈钢丝、鸽丝或钛丝作为原料，采用了 等离子渗碳或渗氮技术，通过离子的轰击加热作用，可在较低温度下，实现金属丝网的完全硬质化处理，渗速快、渗层均匀、变形小、效率高、成本低；所形成的碳化物或氮化物硬质材料，硬度高、抗高温性 能高，具有极高的耐磨性。2、 丝网排列有序，硬质相达到均匀分布，与基体金属性能优势 互补，从而使耐磨性与韧性良好匹配。3、 可根据需要编制丝网排数，调整硬质相在耐磨层中的比例， 从而达到硬质相含量可调可控。4、 采用中频加热保温装置，温度自动可调，保证了基体金属液 与硬质丝网的充分填充，耐磨层与基体金属有效结合融为一体，整体 性能好。5、 可根据工作面磨损要求，设置耐磨层厚度，达到最佳使用效 果，节约大量贵重金属。6、 采用树脂砂或水玻璃砂造型，可一次成型，也可二次加工， 工艺性能好。7、 由于金属丝网具有良好的塑性，成型性好，可制作成多种形 状结构的产品，适用范围广。通过该工艺在基体金属中形成一层含有大量高硬质碳化物或氮 化物的耐磨层，并与基体金属有效结合为一体，充分发挥了硬质相的 高耐磨特性，也保留了基体金属的良好韧性，达到性能优势互补，可 制作成多种结构形状的产品，开发应用前景广阔。
图l硬质丝网耐磨复合材料结构示意图； 图2硬质丝网耐磨复合材料浇注成型示意图。具体实施方式
硬质丝网耐磨复合材料制备工艺，选用细直径的金属丝编织成网 状结构，制成网片，由于网片具有良好的塑性和韧性，可根据工件的 工作面的形状，采用多层叠加或单片成形的方法，将网片制作成相似 的结构，通过等离子技术，使其完全渗碳或渗氮，形成整体硬质材料 网架，然后将其预埋入铸造砂型型腔内，将铸造砂型放入感应加热装 置中进行预热保温，冶炼基体金属材料，在合适的温度下浇注入砂型， 继续保温一段时间，使金属液充满网架，将硬质丝网充分包容，最后 冷却凝固成含有大量硬质相的耐磨层，并与基体金属融为一体，形成 耐磨性与韧性良好结合的金属基耐磨复合材料。上述方案所涉及的金属丝网是由不锈钢丝、钨丝或钛丝编织而成，丝径0.1 0.5mm,编网丝距0.5 2mm。丝径太细，加工困难，成 本提高；丝径太粗，整体渗透困难，硬质化效果较差，周期延长。编 网丝距太小，基体金属液渗透填充困难；编网丝距太大，硬质丝网分 布松散，耐磨效果不佳。上述方案所涉及的丝网体积为耐磨层体积的20%~50%，所占体 积太小，耐磨效果较差，所占体积太大，基体金属液填充困难。上述方案所涉及的等离子渗碳或渗氮工艺，温度500~1100°C， 时间2~6h。上述方案所涉及的砂型根据铸造工艺，采用树脂砂或水玻璃砂制 作而成，并配备必要的浇冒口系统。上述方案所涉及的预热保温装置采用中频感应加热，温度升降自 动可调，最高温度可达1400°C。上述方案所涉及的保温温度为1200°C~1400°C，保温时间为 5-10min。保温温度太低或保温时间太短，基体金属无法保持液态， 使基体金属液与丝网不能充分渗透填充；保温温度太高或保温时间太 长，容易造成硬质丝网熔化扩散，无法形成有效的耐磨层，也消耗能 源，提高成本。上述方案所涉及的基体金属采用中频感应电炉或电弧炉熔炼，材 质可选用普通碳钢、合金钢、高锰钢、铸铁。以下结合附图1和图2对本发明作进一步详细说明，但本发明并 不限于以下实例。实施例1:制作不锈钢丝渗氮处理的硬质丝网与45钢的耐磨复 合材料本发明制造工艺按照以下步骤进行-A、 选用0.1mm直径的lCrl7不锈钢丝，编网丝距lmm，用织 网机编织成网(1);B、 根据工件工作面结构，将网片(1)剪裁成合适的形状，按 照占耐磨层30%的体积比例，叠加并固定成型；C、 将制作好的成型网架(1)放入等离子设备中，设置温度600 °C，通电进行等离子渗氮，经过4h后取出；D、 采用树脂砂，按照铸造工艺造型，并将硬质丝网(1)预埋 入砂型(4)的型腔中固定；E、 将砂型(4)放入中频感应加热装置(5)中，通电加热到1300'C后保温；F、 选用45钢材质，用电弧炉冶炼形成基体金属液(2), 1450'C出炉，通过浇冒口系统(3)浇注入砂型(4)中，注满为止；G、 将浇注好的砂型(4)继续保温6min，使基体金属液(2)保 持液态；H、 关掉电源，使砂型(4)降温，基体金属液(2)冷却凝固；I、 取出砂型(4)，去掉浇冒口系统(3)，清砂处理，即制成用 不锈钢丝渗氮处理形成硬质丝网、基体金属为45钢的耐磨复合材料。实施例2:制作钨丝渗碳处理的硬质丝网与高锰钢的耐磨复合材料本发明制造工艺按照以下步骤进行A、 选用0.2mm直径的钩丝，编网丝距1.5mm，用织网机编织成 网(1);B、 根据工件工作面结构，将网片(1)剪裁成合适的形状，按 照占耐磨层40%的体积比例叠加并固定成型；C、 将制作好的成型网架(1)放入等离子设备中，设置温度卯O °C，通电进行等离子渗碳，经过2h后取出；D、 采用水玻璃砂，按照铸造工艺要求造型，并将硬质丝网(1) 预埋入砂型(4)型腔中固定；E、 将砂型(4)放入中频感应加热装置(5)中，加热到1350'C 后保温；F、 选用Mnl3材质，用电弧炉冶炼形成基体金属液(2), 1400 "C出炉，通过浇冒口系统(3)浇注入砂型(4)中，注满为止；G、 将浇注好的砂型(4)继续保温8min，使基体金属液(2)保 持液态；H、 关掉电源，使砂型(4)降温，基体金属液(2)冷却凝固；I、 取出砂型(4)，去掉浇冒口系统(3),清砂处理，即制成用 钨丝渗碳处理形成硬质丝网、基体金属为高锰钢的耐磨复合材料。实施例3:制作钛丝渗氮处理的硬质丝网与球墨铸铁的耐磨复合材料本发明制造工艺按照以下步骤进行-A、 选用0.3mm直径的钛丝，编网丝距2mm，用织网机编织成 网(1);B、 根据工件工作面结构，将网片(1)剪裁成合适的形状，按 照占耐磨层45%的体积比例叠加并固定成型；C、 将制作好的成型网架(1)放入等离子设备中，设定温度850 °C，通电进行等离子渗氮，经过5h后取出；D、 采用树脂砂，按照铸造工艺要求造型，并将硬质丝网(1) 预埋入砂型(4)型腔中固定；E、 将砂型(4)放入中频感应加热装置(5)中，加热到125(TC 后保温；F、 选用球墨铸铁，用中频炉冶炼形成基体金属液(2)， 1350°C 出炉，通过浇冒口系统(3)浇注入砂型(4)中，注满为止；G、 将浇注好的砂型(4)继续保温10min，使基体金属液(2) 保持液态；H、 关掉电源，使砂型(4)降温，基体金属液(2)冷却凝固；I、 取出砂型(4)，去掉浇冒口系统(3)，清砂处理，即制成用 钛丝渗氮处理形成硬质丝网、基体金属为球墨铸铁的耐磨复合材料。
权利要求
1、一种硬质丝网耐磨复合材料，其特征是所述复合材料是由经等离子渗氮或渗碳处理过的丝网(1)与基体金属(2)复合而成。
2、 根据权利要求1所述的硬质丝网耐磨复合材料，其特征是丝网在耐磨层中所占的体积为20%~50%。
3、 一种硬质丝网耐磨复合材料制备工艺，其特征是它包括下述步 骤1) 选用金属丝，编织成金属丝网(1);2) 根据工件工作面结构，将网片(1)剪裁成合适的形状，按照 占耐磨层20%~50%的体积比例，叠加并固定成型；3) 将制作好的成型金属网架(1)放入等离子设备中，设置温度 500°C 1100°C，通电进行等离子渗氮或渗碳，经过2 6h后取出；4) 按照铸造工艺制作砂型(4)，并将硬质丝网(1)预埋入砂型 (4)的型腔中固定；5) 将砂型(4)放入中频感应加热装置(5)中，通电加热到1200x: i40(rc后保温；6) 将金属材料用电弧炉冶炼形成基体金属液(2)， 1300°C~1500 'C出炉，通过浇冒口系统(3)浇注入砂型(4)中，注满为止；7) 将浇注好的砂型(4)继续保温5 10min,使基体金属液(2) 保持液态；8) 关掉电源，使砂型(4)降温，基体金属液(2)冷却凝固；9) 取出砂型(4)，去掉浇冒口系统(3)，清砂处理，即制成由金属丝网渗氮或渗碳处理形成的硬质丝网与基体金属组成的耐磨复 合材料。
4、 根据权利要求3所述的硬质丝网耐磨复合材料制备工艺，其特征是: 所述金属丝的直径是0.1 0.5 mm。
5、 根据权利要求3所述的硬质丝网耐磨复合材料制备工艺，其特征是: 所述编织成的金属丝网的丝距为0.5 2mm。
全文摘要
本发明公开了一种硬质丝网耐磨复合材料，该复合材料是通过等离子渗氮或渗碳处理过的金属丝网(1)与基体金属(2)复合而成。本发明还公开了该硬质丝网耐磨复合材料的制备工艺，使用该工艺制备耐磨复合材料时，能在较低的温度下进行渗碳或渗氮，制备速度快，渗层均匀，并能在保温状态下，与基体金属达到充分渗透填充，复合可靠，性能良好。
文档编号B32B3/24GK101214741SQ20081001728
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月14日 优先权日2008年1月14日
发明者宏 武, 许云华 申请人:西安建筑科技大学